大型水电站坝基含夹层软弱岩体工程力学参数估计研究

聂军洲

(金中天水利建设有限公司，广州 510700)

0 引 言

随着大型水电站坝建设项目的不断推进，对大型水电站坝的基质力学可靠性和力学性能的可靠性提出了更高的要求。根据对大型水电站坝基含夹层软弱岩体工程力学参数特征分析，结合颗粒强度、颗粒形状等方面的特征分布，采用量化表征参数分析的方法，进行大型水电站坝基含夹层软弱岩体工程力学参数估计，结合试样临界状态分析，根据极限平衡概念，通过无腹筋梁设计，进行工程力学参数估计，对试验数据进行拟合，实现软弱岩体工程力学参数估计，提高大型水电站坝施工的质量[1]。

对大型水电站坝基含夹层软弱岩体工程力学参数估计，是建立在对试验数据参数拟合和特征分析基础上，通过数值模拟和模型实验的方法进行大型水电站坝基含夹层软弱岩体工程的施工优化。目前，对大型水电站坝基含夹层软弱岩体工程的参数估计方法主要有复位耗能支撑控制方法、荷载加载控制方法等。采用砂轻混凝土和次轻混凝土进行梁抗剪计算，实现对岩体的力学参数估计[2]。文献[3]中提出了基于集中荷载作用下轻骨料的大型水电站坝基含夹层软弱岩体工程力学参数估计方法，确定各影响因素对 LAC 的影响，采用桁架模型建立参数估计的计算模型，实现抗压强度和屈服应力参数估计，通过引入折减系数，对混凝土项进行折减，实现参数估计，但该方法进行岩体工程力学参数估计的可靠性和精度不高。文献[4]中进行了降雨诱发山区公路边坡危岩崩塌机理研究，实现了对岩体工程的剪跨比、配箍率、混凝土强度参数估计，但该方法在复杂地质环境下的工程力学参数估计性能不好。针对上述问题，本文提出基于屈服颗粒几何尺寸的量化表征的岩体工程力学参数估计模型，通过建立形状参量检测模型，结合试样工程力学特征分析，建立三维离散元模拟分析分析模型，通过建立基含夹层软弱岩体粒间摩擦角及粗糙度的关系分析模型，采用采用线性接触模型实现大型水电站坝基含夹层软弱岩体工程力学参数估计。最后通过进行实验测试分析，得出有效性结论。

1 试件和力学模型

1.1 试件结构

构建大型水电站坝基含夹层软弱岩体结构的冲击动力响应分析模型，试件采用SLCS6-80受力全过程的抗力函数模型，根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50287-1999)，在不同的构件连接模式下，进行内管、外管、岩体构件摩擦装置的力学参数分析[4]，基含夹层软弱岩体的构件见图1。

图1 基含夹层软弱岩体的构件

水电站坝基含夹层软弱岩体内外管刚度为Ki与Ko，预应力筋和摩擦装置的屈服响应分别为Ai与Ao，基于损伤的循环退化参数分析[5]，得到大型水电站坝基含夹层软弱岩体的试件设计参数，见表1。

表1 大型水电站坝基含夹层软弱岩体的试件设计参数

根据试件参数设定，采用建研式加载装置的方法，进行电站坝基含夹层软弱岩体的结构非线性和弹性阶段的骨架曲线分析，采用理论推导与经验法结合的方法，建立形状参量检测模型，结合试样工程力学特征分析[6]，计算屈服荷载与屈服位移的比值，依据水电站坝基含夹层颗粒形状建立不同形状影响机理下的线性接触模型。采用单颗粒、复合颗粒和颗粒簇分析的方法进行基含夹层软弱岩体的结构力学参数分析。基含夹层软弱岩体颗粒结构力学分布见图2。

图2 基含夹层软弱岩体颗粒结构力学分布

1.2 力学模型参数

在建立了水电站坝基含夹层软弱岩体的颗粒簇结构模型参数分析的基础上，进行水电站坝基含夹层软弱岩体的数值试样参数分析，并分析其细观机制[7]，通过颗粒簇单元来构建基含夹层软弱岩体的工程力学解析模型。在颗粒流模拟试验中，相对密实度为 0.75，围压增加量设定为800 kPa，以接触模量、接触切向与法向刚度之比、水电站坝基刚度为自变量，通过应力-应变曲线分析，得到力学参数分布，见表2。

表2 力学参数分布

在力学参数分析的基础上，建立三维块体离散元估计模型，根据材料力学特性分析，进行体应变-轴向应变分析，建立大型水电站坝基含夹层软弱岩体的工程力学评估模型[8]，得到力学参数的估计实现技术图，见图3。

图3 参数估计模型实现技术图

2 工程力学参数估计

通过建立水电站基含夹层软弱岩体粒间摩擦角及粗糙度的关系分析模型，采用线性接触模型分析的方法，基于破坏形态与静力加载的方法[9]，考虑单颗粒模型的精细度，建立水电站基含夹层软弱岩体的表面粗糙度分布矩阵为：

(1)

其中：ai为应力水平范围参数；X1，X2,……Xn为力学行为和破坏行为参数；Y1,Y2,……Yn为材料强度和连接件布置参数。

在不同变形模式下，构建试件的承载力检测模型，表示为：

(2)

其中：h为试件的承载力特征值；Ga为剩余承载力；a为抗压强度分布系数；L为钢板的贡献；X为试件的核心混凝土材料参数；Y为连接件的拉力抵抗荷的相对值。

用φ(a,t,s,b)表示大型水电站坝基含夹层的非线性力学行为，根据弯曲变形模式下的纵向强度，得到水电站基含夹层软弱岩体粒间的应变力学参数：

(3)

其中：a为钢板的正应力；t为水电站基含夹层软弱岩体的屈服弯矩；b为面外集中荷载；φx为混凝土破坏面的连接件数；P为连接件拉力。

冲切开裂抗力参数估计值：

(4)

其中：ξ为水电站基含夹层连接件和钢板的破坏参数；L为连接件拉力，根据水电站基含夹层软弱岩体复合材料板构件刚度，水电站基含夹层软弱岩体的工程力学特性测试拟合函数式为：

(5)

式中：x为连接件提供的剪力模量；y为车用单侧钢板上连接件变形值；wi为轴向荷载；u为偏应力-轴向应变；α2为可破碎试样平衡参数；d(ωi,k)为t时刻切线本构矩阵。

由此，建立三维离散元模拟分析模型，通过建立基含夹层软弱岩体粒间摩擦角及粗糙度的关系分析模型，实现对大型水电站坝基含夹层软弱岩体工程力学参数估计。

3 实验测试

采用数值分析和参数模拟的方法，验证本文方法在实现大型水电站坝基含夹层软弱岩体工程力学参数估计中的应用性能。实验采用CAD/CAM仿真测试平台进行，结合Matlab数值分析工具，设定水电站坝基含夹层软弱岩体的接触模量取值为60、200和400 kPa，C2ε=1.92，支撑屈服前后刚度比、水平荷载和位移之间的相关性系数为Cμ=0.09，切向应力σk=1.0，构件在峰值点后的强度σε=1.3 MPa。岩体的工程力学参数分布值见表3。

表3 车用复合材料板簧力学特性参数

根据上述参数估计结果，计算屈服荷载与屈服位移的比值，得到工程力学参数的计算值和试验值，见图4。

图4 工程力学参数估计

分析图4可知，采用本文方法进行大型水电站坝基含夹层软弱岩体工程力学参数估计值与试验值相当。测试估计精度，得到测试结果，见图5。分析图5可知，本文方法的估计精度较高。

图5 力学参数估计精度对比

4 结 语

根据对大型水电站坝基含夹层软弱岩体工程力学参数特征分析，采用量化表征参数分析的方法，进行大型水电站坝基含夹层软弱岩体工程力学参数估计，建立形状参量检测模型，结合试样工程力学特征分析，计算屈服荷载与屈服位移的比值，依据水电站坝基含夹层颗粒形状建立不同形状影响机理下的线性接触模型。通过体应变-轴向应变分析，建立大型水电站坝基含夹层软弱岩体的工程力学评估模型。测试结果表明，采用本文方法进行工程力学参数估计的精度较高，试验值和估计值相当。