基于地质力学模型的拱坝坝肩稳定性分析

于淳蛟

(湖北志宏水利水电设计有限公司，湖北 武汉 430070)

0 引言

中国水旱灾害频繁，相关数据显示，在1949年之前我国共发生了1092次洪灾。为确保广大人民群众的生命和财产安全，我国组织修建了众多的水利水电工程，成为世界上大坝数量增长最快的国家。在诸多的水利大坝中，拱坝因具有性价比高、超载能力强等特点被广泛应用，尤其是地质结构复杂、结构面发育的地区[1-2]。在地质条件不稳定的区域修建大坝时，不仅要考虑卸载带对拱坝的稳定性的影响，还要在修建过程中对坝基和坝肩进行加固处理。

针对拱坝加固的问题，已经有多位学者进行了研究。宋子享等[3]运用有限元法，模拟分析了扩大基础对拱坝的加固效果，提出一种量化的评估方法。陈媛等[4]采用室内模型试验的方法研究了拱坝的变形特性和破坏机理，获得了拱坝在不同阶段的超载安全系数。结果表明：拱坝上部的岩体为整个工程的薄弱环节，需要采取加固措施。陈凸立等[5]建立了复杂条件下拱坝的三维有限元模型，研究了加固效果对坝肩岩体稳定性的影响。结果表明：在对坝肩采取适当的加固措施后，坝肩的承载力有明显提升，岩体的安全系数得到了提高。胡波等[6]则是以现场实测数据为基础，通过理论推导的方法分析评价了拱坝回填的加固效果。结果表明：回填土能够稳定地与围岩结合，较好地提升了拱坝和围岩的稳定性。另外，对于坝坡岩体的卸载性能及卸载带的区分问题，国内外学者也对此进行了大量的研究，但对坝体稳定性受卸载带影响的研究较少。

由于卸荷带区域内的岩体力学性质较差、节理发育，容易对拱坝的安全建设和运营造成安全隐患。本文通过模拟拱坝边坡的卸载带、节理等结构，讨论了拱坝及其周围岩体的稳定性和变形特性，并分析了卸载带对拱坝的稳定性的影响。

1 概况

某水电站大坝为混凝土双曲拱坝，拱坝高225m，顶部高程为2849m。拱坝所处河谷较窄、泄洪量大、卸荷带深度较大。相关地质勘查资料显示，地区的地质条件较差，主要有4条Ⅱ级结构面，长度有数百米到数千米不等；Ⅲ级结构面共有75条，大部分的长度达到数百米。大坝边坡上的断层主要由页岩以及泥灰岩组成，断面上擦痕较多，侧伏角均不超过20°。

由于长期受水流冲刷和风力侵蚀作用，边坡岩体卸荷现象较严重，将坝区岩体的卸荷带分为强、微、弱3种。岩体的弱卸荷带分布较多，其次为强卸荷带。卸荷裂隙的宽度大多在0.2～2cm范围内，个别裂隙宽度达到了10cm，填充有大量的碎石，整体稳定性较差。

2 材料与方法

2.1 试验设计

试验模拟的范围为拱坝中心向上游方向取0.75倍坝高，向下游方向取2.45倍坝高；河谷中线为基准向左右两侧各延伸2倍坝高，模拟范围的尺寸为790m×670m。综合考虑现场地质结构的特性和分布情况，结合相关工程经验确定模型试验的几何相似比CL为200，确定容重、变形模量、位移、应力、集中力的相似比分别为1、200、200、200、2000000。得出模型的尺寸为3.95m×3.35m，模型的高度设为10cm。

2.2 模型材料

在坝区进行取样，对材料的物理参数进行测定，按照相似比算出模型材料所需的物理参数，通过材料的配合比试验确定所需的模型材料。材料参数见表1。

表1 原型材料和模型材料的主要参数

试验中以重晶石粉和石膏粉为主要材料，根据不同的配合比制定出多个拱坝模型，如图1所示，然后进行一系列的材料试验，从而选出符合表1要求的坝体材料配合比。

图1 拱坝位移测点布置示意图

根据相似比和材料试验确定模型试验的材料参数见表2。岩体的主要材料为重晶石粉，胶结材料选择硅酸盐水泥，加入少量的石蜡和机油来控制摩擦系数和粘聚力。为了便于模拟节理，采用压模机将岩体的模型材料压制成边长为9cm，厚度为5cm菱形块体。根据节理分布情况用菱形块体砌筑成相应的岩体。

表2 岩体模型材料力学参数表

2.3 加载和测量系统

由于试验模型为平面地质力学模型，正常工况下只考虑上游静水压力和拱坝自重。试验过程中采用千斤顶进行加载。

拱坝下游位置设置了5个位移测点，监测试验过程中拱坝的位移。位移计采用SP-10A型电感位移计，测量精度为0.01mm。布置情况如图1所示。在拱坝两岸边坡设置68个移位测点，监测岩体顺河道方向和垂直河道方向的位移。选定模型材料主要为非弹性材料，不能通过拱坝的应变值来计算坝体的应力，因此根据坝体的应变曲线来判断拱坝和岩体的稳定性及变形。拱坝应变测点的布置情况如图2所示。

图2 拱坝应变片布置示意图

试验步骤为：①对试验模型进行预加载，然后加载到正常工况下的荷载P0，即荷载值为上游水压力和拱坝自重之和；②进行超载试验，加载采用分级加载的方式，以0.2P0为一级，每加一级荷载后记录下位移计和应变片的读数；③结束条件是整个模型出现明显的大变形，导致模型整体发生破坏。

3 试验结果分析

3.1 拱坝位移变化特征

拱坝坝体径向位移与超载系数间的关系曲线如图3所示。从图中可以看出，拱坝位移随着超载系数的增加而逐渐增加，仅有水压力和坝体自重荷载作用时，拱坝的位移较小。当超载系数达到1.6～1.8时，拱坝的位移曲线产生了轻微的波动，此时拱坝位移的变化速率也有所增加；当超载系数达到2.5左右时，拱坝位移曲线开始出现拐点，位移变化速率进一步增加，拱坝左边的位移开始超过拱坝右边的位移；当超载系数达到3.8以上时，位移变化曲线再次出现波动，拱坝位移较大，拱坝逐渐出现变形失稳的现象。

图3 拱坝径向位移与超载系数间的关系

3.2 拱坝应变变化特征

拱坝的径向应变变化曲线如图4所示。从图中可以看出，在没有施加超载时，坝体的整体应变都比较小，且均为压应变。在超载系数为1.6时，坝体的应变曲线开始出现拐点，拱坝左端开始出现裂缝，整个拱坝仍处于稳定状态；当超载系数大于2.6时，多数测点的应变波动较大，部分测点由压应变转变为拉应变，这是因为拱坝本身存在的应力释放现象；当超载系数达到3.8以上时，应变曲线再次出现波动，拱坝左端的裂缝数量增加，向拱坝中心处扩展，拱坝的稳定性正在逐渐下降，与拱坝的位移变化趋势相吻合。

图4 拱坝径向应变与超载系数间的关系

3.3 坝肩位移变化特征

拱坝坝肩位移与超载系数间的关系曲线如图5所示，位移与河流流向一致为正。从图中可以看出，在未施加超载的情况下，拱坝的坝肩处于稳定状态，位移变化很小；在超载试验阶段，坝肩的位移变化明显，当超载系数为1.8时，多数的位移测点处的位移变化曲线出现拐点，部分测点处的位移开始朝着反方向变化，且变化的速率较快；当超载系数处于2.4～2.6之间时，拱坝两端和岩体断层处的位移变化速率开始增加，靠近卸荷带的坝端部位变化最为明显；当超载系数超过3.8后，位移变化曲线同样再次产生明显的波动，拱坝左右两端的位移变化不在呈对称趋势，部分测点的位移较大，坝肩的承载力逐步丧失。

图5 坝肩顺河向位移与超载系数间的关系

3.4 卸荷带岩体的位移变化特征

拱坝两岸卸荷带岩体的位移变化情况如图6所示。从图中可以看出，无论是否施加超载，两岸卸荷带岩体位移变化区域基本一致，右岸岩体位移明显的区域主要分布在断层与拱端之间，左岸岩体位移的显著部位是处于强卸荷带的Ⅳs类岩体与弱卸荷带的Ⅲ2s岩体；通过对比发现，左岸岩体与拱坝本身的位移变化相符，位移显著高于右岸岩体，说明左岸卸载带在超载条件下，左岸卸载带对拱坝产生较大的影响[7]。

图6 卸荷带岩体顺河向位移与超载系数间的关系

从顺河流方向上的相对位移变化情况上来看，两岸岩体的相对位移都是正值，表明卸荷带内的岩体在顺河流方向上的位移存在错动现象。两岸岩体在垂直河流方向上的相对位移基本为正值，表明左岸卸荷带与右岸卸荷带相比，能够显著地削弱位移的传递。

4 结论

采用室内模型试验的方法对拱坝边坡的卸荷带、节理等构造进行模拟，分析卸荷带对拱坝稳定性和变形特性的影响，得出以下结论。

(1)超载系数达到1.7时，拱坝左端开始出现细微裂缝，位移、应变与超载系数的关系曲线开始出现拐点。

(2)超载系数为2.4～2.6时，拱坝左右两端下游位置发生压剪破坏、裂缝增多，与拱坝较近的断层发生开裂，位移的增长速率明显上升，应变朝反方向发展。

(3)超载系数达到3.8～4.2后，周围岩体有明显的破碎，裂缝延伸到卸荷带区域内，拱坝和岩体的位移增长速率加快，拱坝的承载力下降，整个模型逐渐失稳。

(4)通过对比位移、应变与超载系数间的关系，表明卸荷带的存在不利于拱坝稳定，特别是左岸卸荷带影响较为明显。