浅谈地质力学模型试验理论与技术——以水利工程为例

陈彦璋，彭方俊，李 亮，林楚翘

（四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065）

浅谈地质力学模型试验理论与技术
——以水利工程为例

陈彦璋，彭方俊，李 亮，林楚翘

（四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065）

文章以水利工程为例，梳理了地质力学模型试验从20世纪60年代至今的发展过程，概括了地质力学模型试验的研究特点，包括体现出岩体的基本力学特征，满足相似理论。介绍了地质力学模型试验的研究内容，包括坝与地基的相互作用、坝基的破坏机理、地质构造对坝的影响、对大坝加固措施的指导。用举例的方式阐释了水利工程中地质力学模型试验的研究类型。最后，就地质力学模型试验存在的问题与未来发展趋势进行了探讨。

地质力学；模型实验；实验技术；研究进展

1 地质力学模型试验的发展概况及趋势

从世界范围来看，地质力学模型试验的发展历程主要经历了两个大的阶段：第一阶段是从20世纪六十年代末开始，地质力学模型试验开始出现，意大利贝加莫结构模型试验研究所（ISMES）成功的进行了多项地质力学模型试验，主要研究弹塑性和破坏问题；第二阶段是20世纪70年代后，世界上许多国家包括美国、德国、意大利等，都广泛地开展大坝的模型试验工作，地质力学模型试验更是得到了深入的发展，除了用于研究重力坝的抗滑稳定、拱坝的坝肩稳定及坝体与坝基的联合作用以外，也应用于地下洞室围岩的稳定等问题。21世纪后，伴随着这些国家建坝高峰的过去，地质力学模型试验在水工结构方面的应用相应减少，但是其理论基础和试验技术仍然在不断地发展中。

目前国外具有较大规模该类型实验室有俄罗斯国家水工科学研究所、法国国家水工实验室和印度中央水利水电研究所等。我国在20世纪50年代中后期，一些科研单位就开展了地质力学模型试验研究，早期的如清华大学水利系等。从70年代中后期开始，一些科研单位及高等院校陆续开展了这方面的研究工作。目前，清华大学采用超载法进行大坝的超载能力与破坏机理及加固措施的研究，取得了很多研究成果。四川大学水工结构研究室在模型材料上有所突破，研制了新型的模型材料---变温相似材料，在一个模型上实现了强度储备与超载相结合的综合法试验，并采用该项技术对国内一些拱坝和高边坡进行了稳定性分析，获得了多项研究成果。长江水利水电科学研究院岩基所对构皮滩、江口双曲拱坝及三峡高边坡进行了试验研究，取得了很多成果。成都理工大学也开展了相关工程地质力学模拟研究。

2 地质力学模型试验的研究对象和特点

随着我国水能资源的大力开发，越来越多的水工建筑物修建在地质条件复杂的地基上。地质力学模型试验的研究对象是工程结构与周围岩体为一体的联合体，是从力学的观点出发，采用试验的手段，考虑地质构造条件对工程的影响，研究建筑物基础在上部结构及外荷载作用下的变形破坏机理及其演变过程，以确定采取提高工程岩体稳定性的措施，或者对加固工程方案进行验证与优选。它主要研究岩体及断层、破碎带、软弱夹层结构面对结构的应力分布和变形状态的影响及岩体稳定和工程安全问题，是解决水电、交通和矿山开采等大型岩体、结构工程的稳定安全问题的一种重要的研究方法。具有如下主要特点：

（1）能模拟出岩体中的断层、破碎带及软弱带、一些主要节理裂隙组；

（2）能体现出岩体的非均匀等向、非弹性及非连续、多裂隙体等基本力学特征；

（3）模型的几何尺寸、边界条件及作用荷载；岩体模型材料的容重、强度及变形特性等方面，均需满足相似理论的要求。

3 地质力学模型试验的研究内容

在满足相似原理的前提下，地质力学模型试验能够模拟地质构造较为复杂的岩石地基，较准确地反映出工程结构与地质构造的空间关系，通过试验获得岩体和上部结构的破坏全过程，使工程整体的力学特征、变形趋势和稳定性等问题有效地得到解决；地质力学模型试验是岩土、结构工程稳定分析的一种重要方法，目前在水电工程中主要用来解决以下问题：

（1）研究坝与地基的相互作用。通过地质力学模型试验，可以得到坝体与地基的变形分布规律，监测大坝与坝基变形破坏过程，得到坝与地基的破坏形态，找到薄弱环节，为工程加固提供参考。

（2）探究坝基破坏机理，获得坝与地基的稳定安全系数。通过地质力学模型试验，可以分析破坏机理，得到模型的稳定安全系数，将此作为评价工程安全性的一个指标。

（3）研究地质构造对大坝稳定性的影响。建在复杂地基上的大坝，其地基中的复杂地质构造可能造成大坝、坝基变形过大、失稳，对工程的安全影响重大。通过地质力学模型试验，在模型中模拟断层、破碎带、软弱夹层、节理裂隙等不利地质构造，并在连续加载或降低材料力学参数的状态下得到坝与地基的变形和破坏形态，从而分析地质构造对工程安全的影响。

（4）研究工程加固措施。通过地质力学模型试验，可以针对应用不同加固处理措施的模型，进行加固处理措施的影响分析。通过分析其破坏机理、承载能力和安全系数，为获得更有效的加固措施提供建议。

4 地质力学模型试验的类型

4.1 按模型试验的性质划分

（1）三维模型试验

三维模型试验主要研究结构与地基整体在空间力系作用下的强度，以及大坝与坝肩、地基的破坏机制及整体稳定问题；明确大坝、岩体及主要结构面的应变和变形随荷载增加而变化的情况；得出工程的薄弱环节，为工程处理措施提出参考依据。图1所示为武都重力坝三维地质力学模试验。

（2）平面模型试验

平面模型试验即从整体模型中取出单位长度或某一高程，研究特定区域在平面力系作用下的强度或稳定问题。在选择切取平面时，切取平面应尽量与主要地质结构面相垂直，否则不能反映实际情况。如：为研究小湾中上部高程坝肩稳定和加固处理措施，针对小湾拱坝的1210m高程进行平面地质力学模型破坏试验研究，对比分析了天然地基与加固地基的稳定性，评价了坝肩的加固效果。通过平面模型试验能更直观地看到坝肩内部的破坏过程和破坏形态。图2所示为小湾拱坝1210m平面模型试验。

图1 武都重力坝三维模型试验

图2 小湾拱坝平面模型试验

4.2 按照模型的制作方式分类

（1）现浇式模型

现浇式模型预先制作试验模型槽，以地质结构面划分不同的浇筑区，分期浇注。每浇筑一区后养护一段时间，再浇注其上一层。这种模型制作周期长，但可以保证层层接触紧密。

（2）预制块体砌筑模型

预制块体砌筑模型是预先压制模型材料块体，加工成需要的块体形状，或者利用模具直接压制所需尺寸的块体，再按照地质构造分层砌筑成模型。此类模型所需的块体数量巨大，工程量较大，但由于毛坯或块体可预制，故其模型制作时间能缩短，目前国内地质力学模型试验多采用这类制作方式。图1及图2均为该类模型。

4.3 按照作用荷载特性进行分类

（1）静力模型试验

静力模型试验是指研究建筑物在静荷载（包括水沙压力、自重和温度等荷载）作用下的应变、变形及稳定问题的整体或者平面模型试验。这类模型是建立在弹塑性力学的基本假定上，模型中需模拟一些特殊地质构造（如岩体内的断层、软弱夹层、节理和裂隙等），主要用于研究在一定范围内受到建筑物影响的坝基岩体等，在承受静力荷载后的变形、失稳过程、破坏机理以及岩基变形对其上部建筑物的影响等问题。

（2）动力模型试验

考虑到地震作用对工程的影响，可以采用动力模型试验，动力模型试验除了满足空间条件相似、物理条件相似和边界条件相似以外，还要满足运动条件相似。这类试验常以抗震模型试验为主，研究建筑物在不同地震烈度影响下，空库或满库时的自振特性（包括频率、振型和阻尼等）、地震荷载、地震应力及抗震稳定性等。

4.4 按照模型模拟的详细程度分类

（1）大块体地质力学模型试验。模型地基中只模拟断层破碎带等主要的地质构造。

（2）小块体地质力学模型试验。模型地基中除了模拟以上提及的主要的地质构造外，还要模拟主要的节理裂隙组。

5 地质力学模式试验存在的问题

从目前国内外地质力学模型试验发展和现状来看，存在以下一些问题：

（1）目前模型材料的研制较为缓慢，要实现温度和渗流对工程结构及基础的强度降低的精确模拟还具有一定的难度。

（2）加载方式单一，很难考虑复杂地应力和基础多维受力状态。采用千斤顶刚性加载，未能具体模拟受力情况。

（3）只能针对主要因素进行模拟，受试验条件的限制，一些影响因素无法模拟，如模型中无法考虑渗流等因素对工程结构的作用。

（4）对大坝的破坏过程很难跟踪监测。应力应变、位移量测方法上还需要不断改进。

（5）很难对拱坝运行及其开挖全过程进行模拟。具体部位的内部破坏情况无法详细了解。

6 地质力学模式试验未来的发展趋势

伴随着电子计算机的普及，以及跨学科的创新研究，地质力学模型试验由定性分析转向定量分析，新的试验方法与技术不断发展。

（1）新型模型材料的研制，使得模型材料的适用范围扩宽。如变温相似材料模拟新技术，已先后成功应用于大中型水电工程的试验研究中，如普定碾压混凝土拱坝试验研究，四川铜头拱坝、沙牌高碾压混凝土拱坝、广西百色重力坝、金沙江溪洛渡高拱坝、雅砻江锦屏一级高拱坝等坝肩坝基的稳定性研究。这种新材料及新技术，可以在一个模型上实现降强法和超载法试验，有广阔的发展前景。

（2）试验的加载方式也应朝多维方向发展，尤其对于地下洞室工程，通过研究使得试验的加载方式能够满足模拟实际工程中岩体结构的多维受力特性的要求。此外，加载系统将会逐渐采用伺服控制系统，这样在加载过程中可以进行实时控制。

（3）电子计算机的发展和普及，给模型试验的数据采集、量测技术和数据分析处理带来了更加广阔的前景。模型跟踪监测采用现代化、可视化、智能化的技术，如采用声发射技术监控开裂前兆，微型摄像系统监控上游坝踵开裂等等。试验量测技术方面，伴随着光纤技术的发展，将逐渐实现光纤技术监控坝肩内部的变形状态、外部布控光纤网络量测等等。

（4）伴随计算力学的不断发展，地质力学模型试验与有限元计算相互配合，进行工程结构与其有关岩体共同作用下稳定性分析，研究工程在复杂地质条件下稳定性问题，不仅能进行整体稳定性分析，还可以研究工程某些部位的具体破坏情况及加固措施。模型试验与数值计算二者相辅相成、相互验证、互为补充、共同发展。

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TV32+1

A

1672-2469（2017）10-0118-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.033

2017-03-14

陈彦璋（1996年-），男，本科生在读。