论文部分内容阅读
江苏省有色金属华东地质勘查局地质信息中心 210000
摘要：在本文中，将就某地双曲拱坝整体稳定三维地质力学模型进行一定的试验与研究。
关键词：双曲拱坝；整体稳定；三维地质力学模型；
1 引言
地质力学模型又称为岩石力学模型或者地力学模型试验，通过该模型的建立，能够在对相关地区材料体积、容重进行模拟的基础上对其自重应力场进行反映。在模型实现方面，则通过模型块体的应用对模型进行砌筑，而根据砌筑方式的不同，也能够对不同类型的地质构造进行模拟，并因这部分特征的存在使其能够更好的对不同类型、具有复杂特征的地质条件进行反映。为了能够更好的对该方式进行阐述，在本文中，我们以某地区拦河坝为例对其模拟方式进行一定的研究。
2 工程概况
某地区拦河坝为双曲拱坝类型，其坝底高程为224m，坝顶高程为332m，最大坝高为117m。地理位置方面，该水坝位于我国南部某河谷，该河谷整体呈现V字形，两岸具有着地形对称的特点，且两岸基岩的裸露现象较为严重。在该区域，第四系坡积物再摇在较为平缓的位置分布，且右侧同左侧相比较多，沟中常年具有流水现象。在本次模拟工作中，主要是对基础岩体、断层以及坝体等进行模拟，并通过模型研究的方式对该水坝正常水位情况下坝肩以及拱坝所具有的破坏机理以及变形规律进行了解，在此基础上对基础超载安全特征进行更为准确的评价。
3 模型设计
3.1 模拟比尺
在联系实际情况以及模拟要求的基础上，我们确定本次模型同水坝实际尺寸的比例为1：125。其中，我们将拱坝中心线同拱坝轴线两者相交位置作为模型建设的原点，在将中心线作为基准线的基础上对其范围进行模拟：上游边界方面，其同坝面间的距离为54m，下游边界方面，其同坝面间的距离则为290m。而从坝肩开始计算，该模型在左边界方面模拟105m，在右边界模拟了115m，而水坝两岸的山体模拟高程为380m，整体模型参数为3*4*2.2m。
3.2 相似准则
根据地质力学相似理论，在对该模型建立时，需要其能够对以下关系式进行良好的满足：
而在上述相似关系的基础上，我们则可以获得该模型相似比尺为：
表1 模型相似比尺
3.3 模型制作
在该模型制作中，根据其基础特征以及山体特征而按照22层进行砌筑，保证模型的每一层都根据实际地址情况将该地区的河流以及断层放置在模型水平线位置，以此对断层的倾向角度以及走向进行控制，更好的体现了模型模拟的准确性。而在坝体方面，则按照4层大块体进行砌筑，并根据坝体计算参数的应用对该模型的梁以及拱圈剖面图进行获得，在按照实际图纸的基础上对模型进行了非常准确的雕刻以及加工。而在坝体同基岩间，则通过合成胶的使用对其进行了粘结，以此保证强度能够满足应用需求。断层方面，则按照该地区的倾向以及走向情况进行了准确的模拟，其不同断层所具有的空间结构如下图：
图1 断层空间结构
4 测点布置与试验结果
在地质模型试验工作中，位移可以说是我们开展实际量测工作的重要内容。为了能够对坝肩、坝体以及该区域断层露出位置内部断层滑动情况以及外部变形特征进行准确的获得，我们在该模型上共对158个位移测点进行了布置。
4.1 坝体位移
4.1.1 正常蓄水位
当该水坝蓄水位处于正常情况下，坝体所具有的位移情况如下图所示：
图2 正常蓄水位坝体位移
从上图中我们可以看到：第一，对于该坝体来说，其在径向方面具有的位移值并不大，在拱冠梁315m位置出现了最大的位移，且方向指向下游。而考虑到整个水坝所具有的位移规律，在径向方面，坝体左侧位同右侧坝体相比的位移情况相对较大；第二，在切向位移方面，整个坝体所具有的位移情况较小，且左拱端所具有的位移同其右拱端位置相比稍大，在左侧所具有的最大位移为2mm，而在右拱端位置，在切向方面则基本没有位移；第三，经过整体分析比对，整个坝体在竖向方面也没有产生明显的位移情况。
4.1.2 超荷载情况
当整个水坝处于超载状态时，在自身荷载情况不断增加的情况下，整个坝体在位移方面越来越大，其所具有的拱冠梁位移曲线如下图：
图3 超载作用位移
从上图我们可以看到：第一，在坝体超载到2P0前，整个坝体处在一个弹性的变形阶段，在到该阶段之后，整个位移曲线在斜率方面则发生了较大的变化，这种特征即说明该坝体进入到了非线性变形阶段。而当其超载量的不断增加，当荷载处于3P0时，坝体则具有了更大的位移速率，并在到6P0时整个坝体出现了径向位移情况，此时，在模型上的测点有很多都因为量程超出了范围而不能对读数进行显示。而在试验前，我们也在水坝的底部以及顶部位置对数量位移J、R两个测点进行了设置。经过试验发现，J点所出现的最大位移为12.2mm，而R点所出现的最大位移则为11.24mm。同时，在基面上游测点，我们通过过程曲线则可以看到在4P0强度前，该位置没有发生变形情况。而当荷载不断加大的过程中，坝底则出现了2mm的上移，从该种情况我们则可以了解到，在坝基面以及坝体间在下游位置出现了一定的挤压情况。
4.2 坝肩稳定分析
在对测量点进行设置时，通过内断层测量点的设置则能够对断层上下盘所具有的位移情况进行了解。在相对位移方面，主要包括有坝体上下盘在垂直方向所具有的相对位移以及沿断层走向或倾向的相对位移。而在山体边坡位置，也对监测边坡的绝对位移以及移测点进行了设置。在水坝蓄水位正常时，水坝断层、内部以及坝肩位置都没有出现较为明显的变形。而当水坝处于超载状态时，水坝左岸所具有的变形情况同右岸相比则稍大，并在5.5P0时，右岸所具有的最大位移同正常水位情况下相比则具有较大的增加。而在3P0情况下，坝体不同断层在张合度方面则没有发生较大的改变。通过对观测布置在沿断层顺层方向的测点的荷载—位移关系，则能够对其内部断层间所具有的相对滑动情况进行获得，经结果表明，当荷载在6P0时，水坝两岸山体出现了非常明显的位移。
5 结束语
在上文中，我们对某地双曲拱坝整体稳定三维地质力学模型进行了一定的试验与研究，所获得的结果具有较强的应用意义。
参考文献
[1]张林，杨宝全，丁泽霖，胡成秋.复杂岩基上重力坝坝基稳定地质力学模型试验研究[J].水力发电.2009（05）：55-57.
[2]姜小兰，陈进，孙绍文，李宁，刘桂生.高拱坝整体稳定问题的试验研究[J].长江科学院院报.2008（05）：122-125.
摘要：在本文中，将就某地双曲拱坝整体稳定三维地质力学模型进行一定的试验与研究。
关键词：双曲拱坝；整体稳定；三维地质力学模型；
1 引言
地质力学模型又称为岩石力学模型或者地力学模型试验，通过该模型的建立，能够在对相关地区材料体积、容重进行模拟的基础上对其自重应力场进行反映。在模型实现方面，则通过模型块体的应用对模型进行砌筑，而根据砌筑方式的不同，也能够对不同类型的地质构造进行模拟，并因这部分特征的存在使其能够更好的对不同类型、具有复杂特征的地质条件进行反映。为了能够更好的对该方式进行阐述，在本文中，我们以某地区拦河坝为例对其模拟方式进行一定的研究。
2 工程概况
某地区拦河坝为双曲拱坝类型，其坝底高程为224m，坝顶高程为332m，最大坝高为117m。地理位置方面，该水坝位于我国南部某河谷，该河谷整体呈现V字形，两岸具有着地形对称的特点，且两岸基岩的裸露现象较为严重。在该区域，第四系坡积物再摇在较为平缓的位置分布，且右侧同左侧相比较多，沟中常年具有流水现象。在本次模拟工作中，主要是对基础岩体、断层以及坝体等进行模拟，并通过模型研究的方式对该水坝正常水位情况下坝肩以及拱坝所具有的破坏机理以及变形规律进行了解，在此基础上对基础超载安全特征进行更为准确的评价。
3 模型设计
3.1 模拟比尺
在联系实际情况以及模拟要求的基础上，我们确定本次模型同水坝实际尺寸的比例为1：125。其中，我们将拱坝中心线同拱坝轴线两者相交位置作为模型建设的原点，在将中心线作为基准线的基础上对其范围进行模拟：上游边界方面，其同坝面间的距离为54m，下游边界方面，其同坝面间的距离则为290m。而从坝肩开始计算，该模型在左边界方面模拟105m，在右边界模拟了115m，而水坝两岸的山体模拟高程为380m，整体模型参数为3*4*2.2m。
3.2 相似准则
根据地质力学相似理论，在对该模型建立时，需要其能够对以下关系式进行良好的满足：
而在上述相似关系的基础上，我们则可以获得该模型相似比尺为：
表1 模型相似比尺
3.3 模型制作
在该模型制作中，根据其基础特征以及山体特征而按照22层进行砌筑，保证模型的每一层都根据实际地址情况将该地区的河流以及断层放置在模型水平线位置，以此对断层的倾向角度以及走向进行控制，更好的体现了模型模拟的准确性。而在坝体方面，则按照4层大块体进行砌筑，并根据坝体计算参数的应用对该模型的梁以及拱圈剖面图进行获得，在按照实际图纸的基础上对模型进行了非常准确的雕刻以及加工。而在坝体同基岩间，则通过合成胶的使用对其进行了粘结，以此保证强度能够满足应用需求。断层方面，则按照该地区的倾向以及走向情况进行了准确的模拟，其不同断层所具有的空间结构如下图：
图1 断层空间结构
4 测点布置与试验结果
在地质模型试验工作中，位移可以说是我们开展实际量测工作的重要内容。为了能够对坝肩、坝体以及该区域断层露出位置内部断层滑动情况以及外部变形特征进行准确的获得，我们在该模型上共对158个位移测点进行了布置。
4.1 坝体位移
4.1.1 正常蓄水位
当该水坝蓄水位处于正常情况下，坝体所具有的位移情况如下图所示：
图2 正常蓄水位坝体位移
从上图中我们可以看到：第一，对于该坝体来说，其在径向方面具有的位移值并不大，在拱冠梁315m位置出现了最大的位移，且方向指向下游。而考虑到整个水坝所具有的位移规律，在径向方面，坝体左侧位同右侧坝体相比的位移情况相对较大；第二，在切向位移方面，整个坝体所具有的位移情况较小，且左拱端所具有的位移同其右拱端位置相比稍大，在左侧所具有的最大位移为2mm，而在右拱端位置，在切向方面则基本没有位移；第三，经过整体分析比对，整个坝体在竖向方面也没有产生明显的位移情况。
4.1.2 超荷载情况
当整个水坝处于超载状态时，在自身荷载情况不断增加的情况下，整个坝体在位移方面越来越大，其所具有的拱冠梁位移曲线如下图：
图3 超载作用位移
从上图我们可以看到：第一，在坝体超载到2P0前，整个坝体处在一个弹性的变形阶段，在到该阶段之后，整个位移曲线在斜率方面则发生了较大的变化，这种特征即说明该坝体进入到了非线性变形阶段。而当其超载量的不断增加，当荷载处于3P0时，坝体则具有了更大的位移速率，并在到6P0时整个坝体出现了径向位移情况，此时，在模型上的测点有很多都因为量程超出了范围而不能对读数进行显示。而在试验前，我们也在水坝的底部以及顶部位置对数量位移J、R两个测点进行了设置。经过试验发现，J点所出现的最大位移为12.2mm，而R点所出现的最大位移则为11.24mm。同时，在基面上游测点，我们通过过程曲线则可以看到在4P0强度前，该位置没有发生变形情况。而当荷载不断加大的过程中，坝底则出现了2mm的上移，从该种情况我们则可以了解到，在坝基面以及坝体间在下游位置出现了一定的挤压情况。
4.2 坝肩稳定分析
在对测量点进行设置时，通过内断层测量点的设置则能够对断层上下盘所具有的位移情况进行了解。在相对位移方面，主要包括有坝体上下盘在垂直方向所具有的相对位移以及沿断层走向或倾向的相对位移。而在山体边坡位置，也对监测边坡的绝对位移以及移测点进行了设置。在水坝蓄水位正常时，水坝断层、内部以及坝肩位置都没有出现较为明显的变形。而当水坝处于超载状态时，水坝左岸所具有的变形情况同右岸相比则稍大，并在5.5P0时，右岸所具有的最大位移同正常水位情况下相比则具有较大的增加。而在3P0情况下，坝体不同断层在张合度方面则没有发生较大的改变。通过对观测布置在沿断层顺层方向的测点的荷载—位移关系，则能够对其内部断层间所具有的相对滑动情况进行获得，经结果表明，当荷载在6P0时，水坝两岸山体出现了非常明显的位移。
5 结束语
在上文中，我们对某地双曲拱坝整体稳定三维地质力学模型进行了一定的试验与研究，所获得的结果具有较强的应用意义。
参考文献
[1]张林，杨宝全，丁泽霖，胡成秋.复杂岩基上重力坝坝基稳定地质力学模型试验研究[J].水力发电.2009（05）：55-57.
[2]姜小兰，陈进，孙绍文，李宁，刘桂生.高拱坝整体稳定问题的试验研究[J].长江科学院院报.2008（05）：122-125.