高坝稳定模型试验中结构面相对位移测试研究及工程应用

董建华,张 林,陈建叶*,陈 媛,胡成秋

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点试验室,四川成都610065;2.四川大学水利水电学院,四川成都610065)

0 前 言

我国近期在建或拟建的高拱坝工程,大多位于西部地区河流上,其主要特点是山高谷深、地质条件复杂、水库库容和工程规模大、地震烈度高[1]。上述特点导致坝肩稳定问题十分突出,是直接影响工程安全的重要因素,因此需要深入开展复杂岩基上高拱坝坝肩稳定问题研究,地质力学模型试验是解决上述问题的一种重要方法[2-6]。

在地质力学模型试验研究过程中,目前对坝体及两坝肩的试验数据测试主要包括表面位移和应变,而对于结构面的内部相对位移却难以获取,而结构面在不同加载条件下的相对位移变化趋势对于判断坝肩失稳状态及分析整体稳定安全度有着重要的参考依据,因此掌握试验过程中结构面的相对位移变化趋势尤为重要,但目前与获取结构面相对位移相关的测试仪器研究较少[7-8]。

目前在工程上使用的现场监测仪器,主要测试岩石及混凝土的应力及变形大小,此类仪器往往结构复杂,体积较大,所用材料具有较高的强度和弹性模量,因此无法在模型试验上得到实际应用[9-10]。针对模型试验中存在着的测试技术问题,开展了结构面内部相对位移测试技术研究,利用应变测试技术,研制了获取结构面相对位移的测试仪器,使用时将其预埋在结构面内,通过引出线与应变测试仪相连接,试验过程中通过应变仪采集应变数据,并利用埋设之前标定得到的位移与应变关系即可换算出相应的相对位移值。该测试仪器成功应用在了小湾和大岗山拱坝整体稳定三维地质力学模型试验研究中,试验结果表明该仪器结构简单、制作和使用方便、测试准确,可在结构模型试验中推广使用。

1 软弱结构面内部相对位移测试技术

由于地质力学模型中所模拟的各类结构面均分布在岩体内部,这为直接测试结构面的相对位移值带来较大困难,因此作者考虑利用应变测试技术,自行研制一种能够进行结构面在不同加载条件下的相对位移测试的试验装置。该试验装置在埋设时,能够将固定在测试仪内的应变片预先产生一定变形,用应变仪记录此时的初始应变值,在加载条件下,随着结构面在不同方向上的相对错动,应变片会随之发生变形响应,此时可以得到应变变化全过程,再利用埋设之前标定得到的位移与应变对应关系即可换算得到相对位移值。遵循以上研究思路,研制出了适用于地质力学模型试验中获取结构面相对位移的测试仪器,结构设计如图1所示[11]。该研究成果已获得发明专利(专利号:200910058238)。

上述应变式内部位移测试仪中的每个内部位移感应仪都是由底盒、弹簧片、电阻应变片、滑动盖构成,底盒为一个两侧和上部均开放的矩形盒,盒内一侧端部有一固定块,弹簧片一端置于其上,并由一压片和螺钉固定,使弹簧片位于盒中部,其另一端悬臂伸向底盒的另一侧;电阻应变片为两片,分别固定于弹簧片中段的上下两面,将两电阻应变片其中的两脚连接作为公共脚B,而其余两脚为工作脚A、C,并通过各自的感应引出线依次与应变仪副机、应变仪主机连接;滑动盖为一个与底盒大小匹配的平盖,盖面上有一向上凸起的推动块,而盖下方有一位于底盒内并向弹簧片悬臂端下斜的滑动板,板端与弹簧片悬臂端滑动连接。

图1 应变式内部相对位移测试仪结构图

此测试仪器在埋设结构面内之前需先进行标定,标定过程为:开始标定时,使应变片产生一初始应变,此时记录初始位移和应变,之后将滑动盖朝运动方向运动一段距离后,用位移数显仪测定位移大小,用应变仪记录应变值,然后依次推动滑动盖,记录位移和应变大小,最后得到位移和应变的关系曲线,根据该曲线即可获得此仪器的标定系数(即该曲线的斜率)。图2所示为不同位移计标定曲线,斜率为标定系数。

图2 不同编号的内部位移计标定曲线

将每个已注明编号的内部位移感应仪的系数标定之后,即可将其埋设在设计的断层、破碎带及软弱夹层等结构面测点部位,在试验过程中,推动块随着岩体内结构面的错动而发生移动,与其滑动连接的弹簧片随即发生回复变形,致使固定其上的电阻应变片发生变形,使用应变仪主机记录应变变化全过程,再由标定系数即可换算得到结构面相对位移变化趋势。本研究成果为研究并掌握岩体断层、破碎带及软弱夹层等不连续结构面随超载倍数的变化而发生的相对位移变化过程提供帮助,进而为评价相应工程的整体稳定安全度提供依据。

2 工程应用实例

2.1 小湾拱坝坝肩稳定三维地质力学模型试验

小湾水电站位于云南西部大理州的澜沧江中游河段,工程枢纽建筑物由拦河大坝、坝身泄洪孔、坝后水垫塘、左岸泄洪洞和右岸引水发电系统组成。其中拦河大坝为混凝土抛物线变厚度双曲拱坝,最大坝高294.5 m,电站总装机420万kW[12]。枢纽区断裂构造比较发育,主要构造形迹为不同规模的断层、挤压带、节理(组)。其中,属Ⅱ级结构面的断层有F7;属 Ⅲ级结构面的断层有F11、F10、F5、F19等19条;属 Ⅳ级结构面的小断层有f11、f10、f14、f17、f19、f12等。此外,两岸坝肩抗力体中发育有5条规模较大的蚀变岩带,其中右岸4条,从西向东依次为E5、E4、E1和E9;左岸1条,为E8。

以上这些复杂的地质构造对拱坝坝肩稳定有着非常重要的影响,同时也是影响拱坝工程安全的关键因素。本文采用三维地质力学模型综合法试验对以上复杂地质构造及加固措施等进行模拟,研究小湾拱坝与地基的整体稳定安全性。根据小湾工程特点,结合试验场地规模及试验精度要求等综合分析:确定模型几何比CL=300。

为获取结构面在不同荷载条件下的相对位移,在小湾拱坝结构模型试验中,对坝肩稳定影响较大的断层及蚀变带中布置了121个自制的应变式内部位移测试仪,图3所示为断层F5中典型测点的内部相对位移布置展示图。

图3 断层F5内部相对位移测点布置展示图

试验过程考虑了软弱结构面浸水后强度弱化的力学行为,采用超载和强度储备相结合的综合法进行试验。在综合法试验中,结构面的弱化行为是通过对一种特制的模型材料——变温相似材料采取升温降强措施来实现的。模型破坏试验的程序是:首先对模型进行预压,然后加载至一倍正常荷载,在此基础上进行降强,降低程度约为20%。在保持降强后强度参数不变的情况下,再进行超载试验,直到坝肩坝基破坏失稳为止。整体地质力学模型试验破坏形态如图4所示。

图4 整体地质力学模型破坏形态

通过预埋在结构面内的内部位移测试仪获得了各测点相对位移随超载系数变化关系,试验结果给出了两坝肩内结构面的相对位移分布特征。图5为断层F5内典型测点的相对位移随超载倍数变化曲线,相对位移值为根据相似关系换算后得到的原型值。

图5 断层F5中典型测点的相对位移与超载倍数关系曲线

结构面内各测点相对位移超载曲线分布特征表明:在正常工况下,各断层内部相对位移较小;在降强试验阶段,降低f12、F11、f19、F10、F5、F20六条断层的抗剪断强度20%,即降强系数KT为1.20,由于受降强的影响,各断层相对位移较为敏感,但相对位移增量较小,并伴随小幅度调整,曲线无陡增现象,坝肩工作正常;超载试验阶段,当Kp＞1.8时,断层位移明显增大;当Kp=3.3～3.5时,变形曲线出现明显的拐点或转折点,曲线波动较大,表明此时断层已出现较大位移。试验结果得到了影响右坝肩稳定的主要断层和蚀变带是F11、F10、f11、f12、E4、E5,影响左坝肩稳定的主要断层和蚀变带是F11、f12、f19、F20(E8)。

本次试验得到强度储备系数K1=1.2,超载系数K2=3.3～3.5,即:

即小湾拱坝与地基整体稳定安全度KC值为3.96～4.2,可满足设计要求。

2.2 大岗山拱坝坝肩稳定三维地质力学模型试验

大岗山水电站位于大渡河中游上段的四川省石棉县境内,挡水建筑物为混凝土双曲拱坝,坝顶高程1 135.00 m,正常蓄水位1 130.00 m,大坝最低建基面高程925.00 m,最大坝高210 m。坝址区地质情况复杂,构造以小断层(Ⅳ级结构面)和岩脉破碎带为主,60°～80°的陡倾角裂隙和10°～25°的缓倾角裂隙较为发育[13]。考虑到岩脉和断层的实际分布情况,影响右坝肩稳定的主要因素包括:岩脉 β4(f5),β8(f7),β43(f6)和断层f65,f85等。影响左坝肩稳定的主要因素包括:岩脉 β21,β4(f5),β8(f7)和断层f54,f99,f100等。该工程规模巨大,地质条件复杂,坝肩岩体中存在着的多条断层和岩脉对两坝肩稳定带来了较大的不利影响,因此针对复杂地质条件下高拱坝坝肩稳定问题,开展了大岗山拱坝坝肩整体稳定三维地质力学模型试验研究,本次试验相似比为1∶300。

在大岗山拱坝结构模型试验过程中,为获取结构面在不同荷载条件下的相对位移变化趋势,根据坝址区断层及岩脉的特点,每个测点按单向即沿断层、岩脉等构造带的走向布置相对位移计。图6所示为左岸岩脉β21中典型测点的内部相对位移布置展示图。在模型制作过程中,当砌筑到相应的结构面测点时,此时将位移测试仪进行埋入,埋入时,将滑动块推动一段距离以给予粘贴在铜片上的应变片一定的变形,然后将应变片通过引出线与外界的应变数据采集仪相连接,应变值的采集通过UCAM-70A型多点万能数字测试装置来完成。

图6 左岸岩脉β21中典型测点的相对位移布置展示图

该试验过程同样采用超载和强度储备相结合的综合法进行试验。模型破坏试验的程序是:首先对模型进行预压,然后加载至一倍正常荷载,在此基础上进行降强,降低程度约为25%。在保持降强后强度参数不变的情况下,再进行超载试验,直到坝肩坝基破坏失稳为止。整体地质力学模型破坏形态如图7所示。试验结果得到了两坝肩内断层及岩脉的相对位移分布特征。图8为典型测点的相对位移随超载倍数变化曲线,相对位移值为根据相似关系换算后得到的原型值。

图7 整体地质力学模型破坏形态

图8 岩脉β21典型测点的相对位移与超载倍数关系曲线

结构面内各测点相对位移超载曲线分布特征表明:在正常工况下,各岩脉与断层内部相对位移较小;在强降试验阶段,降低岩脉及断层的抗剪断强度参数25%,即强降系数KT为1.25,由于受强降的影响,各岩脉及断层相对位移较为敏感,但相对位移增量不大,伴随小幅度调整,曲线无陡增现象,坝肩工作正常;超载试验阶段,当Kp为1.5～2.0时,岩脉及断层相对位移明显增大;当Kp为4.0左右时,变形曲线出现明显的拐点或转折点,曲线波动较大,表明此时岩脉与断层已出现大变形。

本次试验根据大岗山拱坝工程地质特点,采用以超载为主、强降为辅的方法进行破坏试验,并采取正常工况下先强降后超载的试验程序,根据本次试验成果综合分析,得到强度储备系数K1=1.25,超载系数K2=4.0～4.5,即:

坝肩综合稳定安全系数KC=K1×K2=1.25×(4.0～4.5)=5.0～5.6。

与部分工程坝肩坝基综合稳定安全度对比分析,大岗山拱坝坝肩综合稳定安全度KC值为5.0～5.6,可满足设计要求。

3 结 语

针对地质力学模型试验过程中存在着的结构面内部相对位移测试问题,采用应变测试技术,研制了用于测试地质力学模型软弱结构面相对位移的应变式内部位移测试仪。使用时,将每个已注明编号的内部位移感应仪的系数标定之后,即可埋设在根据地质资料做成的地质力学模型内设计的岩体断层、破碎带及软弱夹层等结构面部位,在不同加载条件下,用应变仪主机记录应变变化过程,再由标定系数即可得出位移变化过程。

利用结构面相对位移测试技术研究成果,结合复杂地质下高拱坝坝肩稳定问题,开展了小湾和大岗山高拱坝坝肩稳定三维地质力学模型试验研究,试验结果得到了结构面内典型测点的相对位移在不同加载条件下的发展过程,通过对试验数据的综合分析,确定了拱坝坝肩坝基整体稳定安全度。该测试仪器在多个模型试验中的成功运用,表明该仪器结构设计合理,制作和使用方便,测试准确,可在今后的模型试验中推广使用。

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