乌东德双曲拱坝三维地质力学模型试验研究

蒋昱州，姜小兰，王瑞红，朱杰兵

(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010;2.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌 443002)

1 研究背景

我国大型水电工程多建在地势险峻的山区，其地基所处的地质条件和地质构造都十分复杂，这样大坝及坝基的稳定问题是工程设计中最为关键和重要的。为适应水电工程及其它大型土建工程建设的需要，分析复杂结构的应力应变规律，可采用的研究手段有理论分析、数值仿真、物理模拟等。理论分析方法只能为结构简单的工程提供应力场与位移场的理论解，复杂变截面结构的理论界很难得到。数值仿真方法为水电工程中涉及岩土及结构问题的分析与计算提供了有力的工具，但数值方法难以模拟并再现工程地基及结构的破裂过程和破裂模式等物理现象［1－4］。地质力学模型试验是研究建筑物及其基础破坏失稳全过程和破坏机理的直观而有效的手段。它不仅能研究结构与基础的联合作用问题，而且可以比较全面地模拟各种地质结构，是研究建筑物及基础在联合受力条件下，破坏失稳全过程的一种有效手段［5－7］。大坝及坝基的失稳涉及到从弹性、到塑性、从连续到非连续性变形破坏过程，所以，工程设计不仅需要采用理论和数值计算，而且需要采用物理试验分析大坝及基础结构应力、变形、破坏过程，这就需要进行地质力学模型试验。

金沙江流域是我国规划的重要水电基地之一，乌东德水电站是金沙江下游河段4个水电梯级中的最上游梯级，预可行性研究阶段初拟挡水大坝为混凝土双曲拱坝，坝高265m，装机容量8 700mW(12×725mW)，保证出力3 213 MW，多年平均发电量387.1亿kW·h，水库总库容74.05亿m3，调节库容26.15亿m3，防洪库容24.4亿m3。

由于拱坝优良的力学性能和造价经济性，它已成为水利水电工程中的主要坝型。我国在建和即将修建的不少拱坝坝高均超过200m数量级，如锦屏一级、小湾、溪洛渡、白鹤滩及乌东德等，这些拱坝多位于我国西部。由于坝高库容大，坝址所在地区地形地质条件复杂，环境恶劣，地震烈度高，一旦失事，将产生灾难性的后果，运行安全问题十分突出。然而，现行拱坝设计规范只适用于高度小于200m的拱坝。虽然针对拱坝的安全性已经开展了一系列科技攻关研究工作，取得了部分进展，但关于高拱坝失效模式、机理，安全度分析和评估方面的研究尚不够成熟，缺乏基本理论和科学方法［8－12］。为此，需要针对这类高拱坝开展地质力学模型试验，研究其破坏机理和失效模式，评价其安全稳定性。

2 相似材料研制

地质力学模型试验，相似材料的选配是关健，在模型试验研究中，选择合适的模型材料及配比具有极其重要意义。在建立地质概化模型以后，以概化模型出的地质条件为依据，精心研制模型材料，包括不连续面的模拟材料，这些模拟材料，必须满足相似理论的关系式。

确定几何比例为1∶300，依据相似理论，乌东德拱坝三维整体地质力学模型试验材料参数的相似系数见表1。

表1 材料参数的相似系数Table 1 Similarity relation of material parameters

为了使模型边界约束条件不失真，模拟范围选取为:选取上游边界距坝踵232m(约为0.90倍坝高)，下游边界距坝踵785m(约为3倍坝高)，横河向由拱坝中心线向左右岸各延伸628.5m(约为2.4倍坝高)。整个地质力学模型从基底高程600m一直模拟到1 180m高程，模拟总高度为580m(约为2.2倍坝高)。综上所述，整个地质力学模型模拟的范围为1 017 m×1 257 m×580m(长×宽×高)。

以重晶石粉、速凝石膏粉、膨润土、立德粉、机油和纯净水为原材料配比，通过一系列的试验，研制出的力学特性能达到乌东德模型试验所需要求的相似材料。满足相似关系的地质力学模型材料理论值及实测值见表2、表3所示。

3 模型制作

根据乌东德坝址区岩层分类，模型模拟了Ⅰ，Ⅱ1，Ⅱ2，Ⅲ1，Ⅲ2一共5类岩层，模拟内容包括变形模量E、重度γ、泊松比μ、强度σs及岩层厚度与分布等。模型材料采用意大利进口的高效压模机压制成块，如图1所示。坝址区断层模拟了F14，F15，f40，f41，f42等主要结构面，模拟内容包括黏聚力与摩擦角、结构面走向、倾角等。夹层材料摩擦系数由2层聚脂薄膜和电化铝夹二硫化钼来实现。黏聚力值在模型中按0考虑。同时还模拟制作了左右岸大型地下洞室群。

表2 满足相似关系的岩层材料参数实测值及理论值Table 2 Measured values and theoretical values(in parenthesis)of rock material parameters which conforms similarity relation

表3 断层材料参数实测值及理论值Table 3 Measured values and theoretical valuesof fault parameters

图1 全自动材料压模机与材料模块Fig.1 Automatic material molding machine and material blocks

模型的平面定位由上方板放样图定位，模型高程则由模型槽的标高来控制，同时用水准仪校验。地质力学模型制作过程如图2所示，制作完成的整体模型鸟瞰效果如图3所示。物理模型上黄色标识线为等高线，蓝色标识线为岩层分区线，红色标识线为主要断层分布线。

图2 模型制作过程Fig.2 Process of modeling

图3 制作完成的整体模型Fig.3 Completed model

4 模型试验加载与测试

模型材料的自重与原型一致，上游水荷载水位按正常蓄水位975m设定，考虑高程为878 m淤沙荷载。采用重度超载法进行水压力荷载的施加。超载后的水压力仍呈三角形分布。荷载采用气压实现，大坝上游面自上而下共布置7层气压袋，同步通气，按所需气压值加载，荷载施加模式如图4所示。在取得正常设计水压下的位移资料后，则逐级增大库水压力，直至超载到模型破坏。气压加载的误差可以控制在0.5%以内，且整个加载系统的保压稳定性良好。

图4 模型试验加载示意图Fig.4 Diagram of loading in model test

模型试验主要有3大量测系统，即拱坝与坝肩表面位移δm量测(SP－10A位移自动测量系统)、断层内部相对位移Δδm量测与坝体应变量测(TDS－530高速静态数据采集系统)，测量设备如图5所示。坝体下游面共布置有31个位移测点，其中21个径向测点，4个切向测点和6个铅直方向的测点。坝体上游面共布置有29个应变测点，主要是沿建基面和拱冠梁处布置了测点。两岸山体布置有45个表面位移测点和7个内部相对位移测点。

图5 模型试验主要测试系统Fig.5 Main systems for model test

5 试验成果与分析

模型试验大致过程如下:首先对模型进行预压至0.1 P0，然后加载至0.5 P0，再加载至设计荷载1.0 P0，在此基础上进行逐级超载阶段试验。当超载至6.0 P0时，坝体及坝肩出现了开裂，但坝体仍能进一步承载，此时坝体变位较大，已接近位移传感器的允许值，故先拆除位移传感器设备。然后继续加荷超载至9.0 P0时，坝体及坝肩破坏严重，停止加载。

5.1 坝体设计荷载下的位移规律

沿坝体下游面拱向和梁向布置了位移测点，在拱顶还布置了切向和竖向位移测点。坝体位移方向规定:水平位移指向下游为正，指向上游为负;切向位移由河谷指向两岸山体为正，反之为负;竖向位移上抬为正。位移值均已转换为原型位移。坝体在设计荷载作用下位移分布规律如图6所示。

图6 设计荷载作用下的坝体下游面径向位移Fig.6 Radial displacement of dam’s downstream face under design load

在设计荷载作用下坝体位移总体上来说基本对称。在设计荷载作用下坝体最大径向位移发生在拱冠梁中上部，高程875m，数值为42mm，坝趾上部高程755m拱冠径向位移为11mm。坝体下游面右岸位移大于左岸位移，说明乌东德拱坝右岸刚度小于左岸刚度。875m高程右岸拱端径向位移18mm，同一高程左岸拱端径向位移9mm，坝体左岸变位较小。坝体拱冠梁断面的径向变位大于其他断面，同一断面最大径向位移出现在断面中上部。冠梁断面的最大径向变位值出现在位于坝体的中上部的875m高程，大小为42mm;同一高程拱冠位移大于拱端位移。

5.2 坝体超载过程中的位移规律

由设在坝体下游面5个典型高程的位移测点，分别量测坝体不同方向的变位，并获得各测点的超载与变位关系曲线，典型的坝体位移超载变化过程如图7、图8所示。

图7 拱冠梁径向位移超载变化过程Fig.7 Curves of the radial displacement of crown cantilever vs.overloading factor

在超载阶段，超载系数K＜3.5以内，坝体径向变位基本对称，坝体右侧拱端径向变位较左侧大，在K＞3.5以后，右拱端变位逐步增大，尤其是在K＞4.0以后，右拱端变位明显增大，最终坝体径向变位呈现出不对称，说明坝体在向下游变位的同时，在水平面内出现转动变位。

右拱端变位比左拱端明显主要是因为左岸山体比右岸山体地质条件好，距离断层等主要不利结构较远。随着荷载不断加大，位移愈来愈大，当超载系数K＞3.5，部分测点变位速率发生了变化，呈现非线性特征;而当K＞5.0以后，坝体径向位移出现了显著的变化。坝体切向变位远小于径向变位，拱冠切向位移大于拱端切向位移，且测点切向变位均为正值，即切向位移由河谷指向山体内部。坝体竖向变位小于径向变位和切向变位，坝顶靠近上游面测点竖向位移上抬。拱冠竖向位移大于拱端竖向位移，坝顶竖向变位大于坝趾竖向变位，竖向位移左右岸接近。与径向位移类似，由于拱冠受到的约束较小，但超载系数K=6.0时，位于坝顶拱冠处测点竖向位移最大，最大值约120mm。

根据典型山体内部测点相对位移超载变化过程成果可知:右岸断层的错动变形大于左岸断层错动变形。当K=6.0时，右岸断层最大错动变形为51mm，而左岸断层最大错动变形为11mm，右岸断层变形在K＞5.0之前变化较为平缓，在K＞5.0以后过程曲线出现一定的转折。左岸山体断层的变形呈现一定的波动现象，错动变形较小。通过对断层相对位移分析可以看出，右岸f41，f42断层对拱坝的整体稳定性影响较大。

图8 坝顶典型径向位移超载趋势Fig.8 Typical curves of the relation between radial displacement and overloading factor at different points in dam crest

5.3 坝体超载破坏模式分析

坝体上游面在1 P0正常荷载作用下，测试曲线线性特征较好，大坝及两坝肩无开裂。通过基于测试成果，判断在1.7～2.0 P0时上游坝踵部位出现裂纹;加载至5.0～6.0 P0时沿中心拱冠梁偏左部位出现拱向裂缝，▽755m、▽900m及▽950m附近相继出现横向裂缝与斜裂缝;加载至7.0 P0以上结构迅速大变形，多条梁向和横向相互贯通，至9.0 P0坝体丧失承载能力。

下游面在1 P0荷载作用下，测试曲线线性特征较好，大坝工作正常，无异常情况出现;判断在3.0～4.0 P0时下游面坝踵中心出现裂纹;加载至5.0～6.0 P0时两岸坝肩接触部位出现裂缝，建基面附件产生许多竖直向次生裂缝;加载至7.0 P0以上时，结构加速大变形，大坝多条梁向和横向相互贯通，两岸坝肩接触部位裂缝延伸至建基面，形成上下游贯通的裂缝，至9.0 P0时大坝丧失承载能力。拱坝上、下游面裂缝分布如图9所示。

图9 拱坝的上、下游面裂缝分布Fig.9 Crack distribution on the upstream and downstream faces of arch dam

5.4 坝肩岩体超载破坏模式分析

左右岸坝肩岩体破坏模式如图10所示。正常荷载1 P0作用下，两岸坝肩山体变位正常;当超载至3.5 P0时，右坝肩岩体近区出现微裂纹。当超载至4.0 P0时，右岸坝肩中下部▽770～▽800m附近岩体出现开裂，▽988～▽1 030m产生2条裂纹分别以与顺河向成30°和60°角向断层f41与f42延伸，左岸坝肩▽950～▽1 030m靠下游部位出现2条微裂纹。当超载至5.5 P0时，右岸坝肩下游上部裂缝继续扩展，开度增大较为明显，左坝肩上游裂缝上下延伸扩展，左坝肩中部上游出现新的裂缝;当超载至6.0 P0时，右岸拱肩槽上部与左岸拱肩槽中下部上游位置出现裂缝，原有裂缝继续扩展，开度继续增大，坝顶附近岩体出现多条裂缝，中下部裂缝增多，破坏区域扩大;当超载至7.0 P0时，左岸拱端上部有沿层面的裂缝与岩体陡倾裂隙连通，右岸原有裂缝延伸至▽1 120m并与上游裂缝相互贯通，拱肩槽坝顶上部岩体出现多条次生裂缝，开度增大，拱端裂缝延至坝底;当超载至8.0～9.0 P0时，右岸坝肩上部裂缝长度与开度迅速增大，右岸坝肩中下部▽770～▽800m附近破裂区向下游扩张，左岸裂缝上下贯通并向下游延伸扩展，两坝肩丧失承载能力，右岸坝肩比左岸破坏程度更为严重。

图10 左、右坝肩岩体破裂形式Fig.10 Failure pattern of the left and the right abutments

6 结语

(1)在正常工况下，即超载系数K=1时，坝体位移基本对称，大坝及坝肩的变位为线性变化，断层也未出现相对位移，坝体处于正常工作状态，大坝及两坝肩无开裂迹象，最大位移为42mm，发生在拱冠梁中上部。

(2)当超载系数K在3.5～4.0时，下游面坝踵中心出现裂纹，坝体上部未见有明显裂缝，坝肩附近的山体出现微裂纹，呈现非线性特征。当K＞5.5时，坝体下游面许多测点的位移速率有所增大。坝肩山体和断层测点位移变化速率也有所增大。且当K 继续增加到6.0～7.0，坝体、坝肩附近岩体上都出现了明显裂缝与位错，坝体位移以及各断层相对位移此时也比较大，已出现较大变形，至K=9.0时，整个拱坝系统丧失承载力。

(3)超载作用下，左岸坝肩比右岸稳定性好，右岸f41，f42断层等不利地质条件对右岸坝肩稳定性影响较大。

(4)综合分析坝体与坝肩岩体的位移、应变并结合破裂模式描述后认为:坝体坝踵起裂安全系数K1大致范围为1.7～2.0。K=3.5～4.0时坝体从线弹性阶段进入非线性阶段，变形速率加大，推算非线性安全度 K2为3.5～4.0。当K＞6.0～7.0时拱肩及下游坝体可观察到多条贯穿裂缝，综合判断拱坝与坝肩坝基整体稳定安全度K3为6.0～7.0。

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