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三峡工程左岸厂房坝段深层抗滑稳定的物理模拟

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第21卷第7期 2002年7月 岩石力学与工程学报 Chinese Journa,ofRock Mechanics and Engineering 21(7):993~998 Ju|yt 2002 三峡工程左岸厂房坝段深层抗滑稳定的物理模拟 刘 建 冯夏庭 武汉430071) 张杰 岳登明 武汉43001O) (中国科学院岩土力学研究所岩土力学重点实验室(长江科学院材料结构研究所摘要 通过建立三峡工程左岸厂房坝段坝基的地质概化模型,采用物理模拟方法对其深层抗滑稳定问题进行了系 统研究,获得了典型坝段的滑动破坏机理与稳定安全系数。在此基础上,对坝基加固处理措施进行了讨论,从而 为该坝段的深层抗滑稳定安全评价与基础加固处理设计提供了有重要参考价值的科研依据。 关键词 三峡工程,左岸厂房坝段,抗滑稳定,物理模拟 分类号0 319.56 文献标识码A 文章编号1000-6915(2002)07-0993-06 要有刚体极限平衡法、数值模拟方法(如有限元法、 1 引 言 基础稳定性是影响重力坝安全的最关键因素之 一不连续变形分析方法(DDA)等),以及物理模型试验 方法。其中,刚体极限平衡法在长期的工程应用中 积累了丰富的经验,并有明确的安全判断准则,因 此目前仍然是坝基抗滑稳定分析最主要的方法之 一,据统计,在有记载的所有重力坝失事案例中, 45%是由于基础失稳所致。三峡大坝作为世界上目 前在建的最大规模混凝土重力坝,最大坝高l85 m, 设计洪水位为175 m,其稳定安全无疑是首先必须 。但它不能考虑岩体的变形特性与本构关系,无 法模拟大坝与基础的相互作用,且分析时须预先给 出某一确定性滑动面,故该方法在应用上受到了限 研究与解决的问题。围绕这一问题,长江水利委员 会曾针对三斗坪坝址进行了大量的地质勘探工作与 岩石力学试验研究。结果表明:三峡工程基础地质 条件总体上良好,大坝坝基在建基岩面开挖完成后, 制。有限元法作为一种理论上较为成熟且被广泛应 用的分析方法,它考虑了岩体本身的变形和本构关 系,并可详细给出基础应力场、位移场和破损区大 小及其变化过程,但在临界失稳状态及稳定安全系 数的判别上不尽完善。不连续变形分析方法(DDA) 和数值流形法(NMM)虽具有理论严密、精度高、且 可模拟从破坏发生直至破坏后整个过程的优点,然 将主要由弱风化下带、微风化及新鲜的闪云斜长花 岗岩构成;基础岩体具备完整性好、力学强度高、 透水性弱等优点。然而,在局部地段,特别是左岸 厂房坝段,由于坝基中缓倾角结构面较为发育,且 大坝下游又囚机组基坑开挖而形成高约60 ̄80 m 的临空边坡,对大坝抗滑稳定极为不利…。因此, 左岸厂房坝段坝基深层抗滑稳定问题成为大坝设计 中重点研究的课题之一,并且一直为国内诸多专家 学者所关注。 左岸厂房坝段坝基深层抗滑稳定问题研究的难 而目前仅以二维分析为主,要研究工程中实际存在 的三维问题,尚需待以时日。鉴于这些分析方法均 存在不完善性,单靠其中任何一种方法,都难以完 全解决左岸厂房坝段的深层抗滑稳定问题。 由于物理模拟方法具有成熟的相似理论基础, 且能直观、自动地模拟包括坝体及基础在内的整个 系统在特定加载路径下,从弹性、弹塑性直到破坏 失稳的发生发展全过程,因此,尽管它制作时间 长、成本高且所获成果数据有限等,却仍有着数值 模拟所不能替代的独特优势l2。】。本文通过建立左岸 厂房坝段坝基的地质概化模型,采用物理模拟方法 对其深层抗滑稳定问题进行了系统研究,并获得了 点主要在于基础中存在着大量非贯通的节理,无确 定性滑移面;基础岩体由岩块、岩桥与不连续结构 面所组成。只有当岩桥在荷载作用下被剪穿,从而 使结构面连通并形成滑动通道后,才可能引起大坝 失稳。目前,在坝基稳定性分析中,采用的方法主 2001年11月5日收到初稿,2001年12月6日收到修改稿。 作者刘建简介:男,35岁,博: ,1990年毕业于武汉水利电力大学水建系,现任副研究员,主要从事岩土及结构工程方面的科研工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com ・994・ 岩石力学 工程学报 2002在 典型坝段的滑动破坏机理与稳定安全度。在此基础 上,对坝基加同处理措施进行了讨论,从而为该坝 段的深层抗滑稳定安全评价与基础加固处理设计提 供了有重要参考价值的科研依据。 表l左岸l ~5 厂房坝段缓倾角裂隙发育程度的对比 Table 1 Intensity comparison of gentle dipping joints in 1 ~5 dam foundation 2坝基地质条件及其概化模型的建立 三峡大坝坝址震旦纪闪云斜长花岗岩属古老结 品岩体,是建高坝的良好基础。坝址区历经多次地 质构造运动,导致岩体被许多断层裂隙切割。图1 所示为大坝及厂房区主要断层分布,其中,左厂房 坝段基础范围内断层较为发育,以北东东组为主, 倾向北西,倾角多大于60。,主要断层有F7,F4, f20,fl8等。除F7,F4,f20, 8规模较大外,其余 上述地质情况表明:由于左岸厂房坝段坝基中 分布的断层及陡、中倾角裂隙倾角大,且倾向北两, 其产状使其难以对该坝段抗滑稳定构成威胁:相 反,缓倾角裂隙尽管发育程度差,但因其产状倾向 下游,倾角小,同时考虑受到坝后基坑开挖所形成 陡倾角临空边坡的影响,坝段的潜在滑动将遇到较 小抗力,这两方面的原冈使缓倾角裂隙成为坝段抗 滑稳定的控制性因素。另外,考虑到3 厂房坝段缓 断层宽度为0.5~2.0 m,且长度短,没有穿通坝基 范围。断层构造岩大部分胶结良好。 坝址区陡、中倾角裂隙较为发育,且以陡倾角 裂隙组(大于60。)为主,其空间展布方向及产状与 倾角裂隙最发育,抗滑稳定性最差,如果该坝段能 满足抗滑稳定安全要求,则左岸厂房坝段的抗滑稳 定问题也将得到解决,冈此,研究T作首先围绕该 坝段进行。  .断层基本相同。缓倾角裂隙发育程度差,大部分倾 向下游,倾角仅为10。~3O。。从图2所示坝基缓倾 角裂隙发育程度分区可见,它们主要集中于左岸厂 房坝段,其中,1 ~5 坝段为相对发育区。通过详 细的地质勘探与分析所获得的1 ~5 坝段缓倾角 裂隙发育程度对比情况见表1。表中数据说明,在 这5个坝段中,又以3 坝段缓倾角裂隙发育程度 最高。 鉴于工程地质条件的复杂性,在模型试验或数 值分析中,不可能对其全部进行模拟,因而有必要 针对工程实际情况,进行地质概化。地质概化充分 考虑如下因素:(1)结构面的空间分布特点,如产 状、间距和密度等;(2)结构面的空间组合儿何形 l 三峡T程大坝及厂房区主要断层分布 Fig.1 Major faults in the area of dam ̄undation and power plntas 维普资讯 http://www.cqvip.com 第21卷第7期 刘 建等.三峡_T程左岸厂房坝段深层抗滑稳定的物理模拟 1 闪云斜长花岗岩与花岗岩脉分界线,2断层及编号。 3 缓倾角结构面相对发育区,4 缓倾角结构面相对较发育区, 5 缓倾角结构面不发育区,6缓倾角结构面发育程度分区界线。 图2三峡工程坝基缓倾角裂隙发育程度分区 Fig.2 Diferent developed zones of gentle dipping joints in dam foundation 态和连通性,并籍此对可能的潜在滑动面进行分析 判断;(3)结构面及其空间组合形态与坝体的相对 位置;(4)岩 口结构面的物理力学性质;(5)考虑 到可能发生的误差,在模拟时预先留出适当的安全 余地。经设计、地质和科研人员的共同讨论与分析, 建立了左岸3 厂房坝段的概化地质模型(图3)。此 外,为研究相邻坝段的基础约束作用对3 坝段抗滑 稳定性的影响,也给山了2 ,4 坝段的概化地质 模型(图3 。 3物理模拟方法 3.1岩体及结构面物理力学性质 基岩及结构面的物理力学性质见表2。 表2 基岩及结构面的物理力学性质 Table 2 Mechanical parameters of rock and structural plane 3.2左岸3 厂房坝段模型试验 该模型模拟基岩范同为深度150.0 m,上下游方 (a)3 坝段 (b)2 坝段 (c)4 坝段 单位:m 图3 典型坝段概化模型及测点布置图 Fig_3 Typical geological models and measuring points 维普资讯 http://www.cqvip.com ・990・ 岩石力学与工程学报 2002笠 向以坝轴线为基准,分别为95.0和345.0 m长。边 界条件考虑上下游基础边界为法向约束,基岩底部 边界全约束,两侧无约束。 根据试验条件,取几何相似比CL=150,容重 相似比C =1.08。其他主要相似系数由相似判据推 出,列如表3。 表3 2个模型试验采用的主要相似系数 Tabl。3 Th。m i 。imil ity 。。if i。 t。。fth。 。physical models 模型 cL cp CE co Cc Cf e 单坝段模型 I50 1 0 I62 I62 I62 I I 三坝段模型 I20 1 0 I20 I20 I20 I I 通过配制多组不同配方的材料试件,并进行了 力学性能试验,最后选取石膏粉、重品石粉、立德 粉、机油和水作为原料组分,以一定配比压制成模 型材料。相似材料力学性能可较地好满足相似比的 要求,见表4。 表4模型与原型材料力学性能对照 Table 4 Comparison of mechanical parameters between model and prototype materials 试验模拟了坝体及基岩自重、上游水、砂压力 和帷幕前渗透压力。其中,自重模拟通过使容重相 似比C 接近于1的方法来实现,上游水、砂压力利 帷幕前渗透压力使用油压千斤顶施加。此外,超载 试验采用三角形超载法,即保持上述自重不变,仅 将上游水容重按比例等效增加。试验布置的位移测 点见图3。 3.3左岸2 ,3 ,4 厂房坝段联合模型试验 模型模拟基岩范围为深度140.0 m,上下游方向 以坝轴线为基准,分别为74.0和250.0 m长。所取 边界条件与3 坝段单坝段模型试验相同。 模型取几何相似比CL=120,容重相似比C =1.0,其他主要相似系数列如表3。同样采用石膏 粉、重品石粉、立德粉、机油和水作为原料组分, 但改变其配合比,获得3坝段联合模型试验的相似 材料,其力学性能基本符合相似比的要求。加载模 拟方法与上述单坝段模型试验相同,位移测点布置 见.图3。 4试验结果分析与基础加固处理研究 4.1滑动破坏机理分析及稳定安全系数的判定 试验中,上游水压力以设计水位的0.2倍为荷 载增量(0.2尸。),逐步施加,经过设计工况,直至模 型发生火稳破坏。左岸3 厂房坝段模型试验所获得 的设计工况下,坝顶、坝踵和坝趾的水平位移分别 为14.85,2.10,2.od,d猫耀 4 4 10 3mm,各主要测点的荷载.相对  3 2 2 2 ● ● O O O 位移曲线见图4。4  O 6 2 8 4 O 6 2 8 4 O 图4主要测点的荷载.相对位移曲线 Fig.4 Load-relative displacement CHIVES 对上述试验成果的分析表明,坝段及基础的位 移发展可分为3个不同阶段。第1阶段发生在加载 区间0~1.8尸。,此阶段各测点的荷载.位移曲线均为 直线,其斜率保持不变,说明大坝及其基础在弹性 性状下工作,滑动尚未发生。其中,在设计工况 下(1.0尸。),坝踵的水平位移仅为2.10 mm,因而该 工况下沿坝段建基面的抗剪强度也是足够的。第2 阶段发生在加载区间1.8尸。~3.5尸。,荷载施加至 1.8尸0后,基岩中1 ,2 ,4 ,6 测点的荷载.相对 位移曲线都出现斜率逐渐减小现象,并且在1.8尸n 产生第1个拐点。这表明该阶段沿潜在滑移通道中 的ABCD,IC和KNO段(标示于图3,下同)产生了 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2l卷第7期 刘 建等、三峡工程左岸厂房坝段深层抗滑稳定的物理模拟 ・997・ 剪切屈服变形,基础在相应部位进入了弹塑性工作 状态,从而导致上述测点位移速率增大,但大坝仍 未失去其稳定性。第3阶段发生在超载至3.5 以 后。基岩中l ,2 ,4 ,6 测点的荷载.相对位移曲 线斜率急剧减小,相对位移增量突然加大,并出现 第2个拐点;坝基同时沿潜在滑移通道ABCDFGH, CD粥 和KNO段出现滑移,并最终导致整个坝 段失稳破坏。模型表面也沿相应路径观察到破坏裂 纹。 综上所述,根据物理模拟所反应的左岸3 厂房 坝段滑动失稳发生发展过程及破坏机理,其稳定安 全系数可取为3.5。 4.2相邻坝段基础间相互约束作用对抗滑稳定安 全的影响 左岸2 ,3 ,4 厂房坝段联合模型试验主要研 究了相邻坝段基础间相互约束作用对3 坝段抗滑 5 5 4 4 4 3 3 2 2 2,l O O O 稳定安全的影响。考虑到3 坝段抗滑稳定问题已在 6 2 8 4 O 6 2 8 4 O 6 2 8 4 0 单坝段模型试验中作了详细研究,因而在该模型中 减少了其位移测点数量。图5,6,7所示为各坝段 主要测点的荷载.位移曲线。 当加载至1.0 Po时,各测点的荷载.位移曲线均 为直线,说明在设计工况下,大坝及其基础均处于 弹性工作状态。此外,与3 厂房坝段单坝段模型试 验结果比较,其坝顶、坝趾位移已分别由l4.85和 2.10mm减小至l1.74和1.20mm。 对图5,6,7所示各曲线,采用与前述单坝段 模型试验同样的分析方法,可以发现,3 坝段1 测点的荷载.相对位移曲线在4.0 Po处出现第2拐 点,此后,该曲线斜率急剧减小,水平位移大幅度 增加,坝段很快失稳破坏。因此,在该模型试验条 件下,其稳定安全系数应为4.0。就2 坝段而言, 其l ,2 ,4 ,6 ,7 测点的荷载.相对位移曲线 分别于4.2尸0,4.4尸0,4.4尸0,4.4 和4.8尸0出现 最后一个拐点,说明它的滑动首先沿潜在滑移通道 的ABC段发生,随后为EBCD,最后是FB段。因 此,该坝段的稳定安全系数为4.2。此外,4 坝段l ~5 测点的荷载.相对位移曲线也分别于4.2尸0,4.6 Po,4.4 Po,4.6 Po和4.8尸0出现最后拐点。与此相 对应,它的滑动首先沿潜在滑移通道的A 段发 生,随后为FGH,最后是CD段,故该坝段的稳定 安全系数可定为4.2。 上述分析表明,相邻坝段基础间相互约束作 }_fj 使3 坝段坝顶、坝趾位移减小,并使其稳定安全系 数由3.5提高至4.0,囚此在一定程度上,有利于它 , ,一 一 / { { f 《 } 柱 { ,  l }一. j —r—— } ——— 0 l0 20 30 40 5o 60 相对位移,mm 图5 3 坝段荷载.相对位移曲线 Fig.5 Load-relative displacement curve ofNo.3 dam section 糕 柱 -4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 相对位移/mm 图6 2 坝段荷载.相对位移曲线 Fig.6 Load-relative displacement curves ofNo.2 dam section 《 柱 4- 0 4 8 l2 l6 20 24 相对位移/mm 图7 4 坝段荷载.相对位移曲线 Fig.7 Load-relative displacement curves ofNo、4 dam section 5 5 4 4 46 2 8 4 O维普资讯 http://www.cqvip.com ・998・ 岩石力学与工程学报 2002 的抗滑稳定安全。 4.3基础加固处理措施讨论 (2)左岸2 ,3 ,4 厂房坝段联合模型试验结 果表明,相邻坝段基础间的相互约束作用有利于大 坝的整体抗滑稳定安全。 根据模型试验所揭示的滑动失稳破坏机理,并 结合3 厂房坝段的工程实际情况,可就其基础加固 处理措施作出如下讨论,其他坝段可参照这些措施 进行必要的调整。 (3)左岸14个厂房坝段中,以3 坝段的抗滑 稳定性为最差,而由上述第(1)点结论可知,该坝段 的抗滑稳定安全可以得到保证。据此可推论,左岸 (1)鉴于相邻坝段基础间相互约束作用对单坝 段抗滑稳定安全存在有利影响,可考虑在稳定性相 对较差的坝段间设置键槽缝,以加强整体联合抗滑 作用。 厂房其他坝段的抗滑稳定性更好,而且所有坝段的 深层抗滑稳定安全也可以得到保证。 (4)考虑到三峡工程的重要性,对左岸厂房坝 段基础进行加同处理是有意义的。通过采取适当的 加固处理措施,可有效提高其抗滑稳定性,使其具 有更大的抗滑稳定安全裕度。 参考文献 任自民,马代馨.三峡工程坝基岩体工程研究[M】武汉;中国地 质大学出版社,1998,1~333 (2)若将厂房下部大体积混凝土部位与大坝岩 坡紧靠,可使其成为坝段深层滑动的抗力体。因此, 可在它们之间设置锚筋及接触灌浆系统,并在后期 进行接触灌浆。 (3)可在大坝与厂房基础设置封闭抽排系统, 以降低厂房基底浮托力,从而提供更多的抗力。 (4)对已查明的一定深度内的缓倾角裂隙进行 固结灌浆处理,加强建基岩体整体性。 戴华刚,翟厥成,胡友健LL】区地表移动的相似模型实验研究[J] (5)对下游临空边坡,特别是永久边坡部分实 行锚固支护,以加强基础岩块的稳定性。 岩石力学与工程学报。2000。19(4):501~5O4 蒋树犀.刘洪洲.鲜学福大跨度扁坦隧道动态施工的相似模拟与 数值分析[J】_岩石力学与工程学报.2000.19(5):567 ̄572 5结论 刘艳杰,钟世航,卢汝绥等.小净距平行隧道力学状态的试验研 究[J】_岩石力学与工程学报。2000。l9(5):590 ̄594 白义如,白世伟,靳钟名等特峰煤层分层放顶煤相似材料模拟试 (1)根据三峡开发总公司技术委员会要求,大 坝抗滑稳定安全系数需在3.0以上,由于研究所得 左岸3 厂房坝段的单坝段稳定安全系数为3.5,高 于公司规定的安全系数,因此其抗滑稳定安全可以 保证:同时,它的失稳破坏机理表明,缓倾角裂隙 验研究[J】_岩石力学与工程学报,2001.2O(3):365 ̄369 曾 武,赵震英.地下洞室模型试验研究[J]岩石力学与工程学 报,2001。20(增):1 745 1 749 龚召熊。陈进,刘建等岩石力学模型及其在三峡工程中的应 用与发展[M】.北京:水利电力出版社,1996,1~133 确实是大坝深层抗滑稳定的控制性因素。 PHYSICAL MoDELING oN STABILITY AGAINST SLIDING FoR LEFT PoWERHoUSE DAM OF THE THREE GoRGES PRoJECT Liu Jian ,Feng Xiating ,Zhang Jie 2,Yue Dengming 2 (。Key Laboratory ofRock and Soil Mehcanics,Institute ofRock and Soil Mechanics, The Chinese Academy ofSciences, Wuhan 43007 1 China) ( Yang ̄e River Scientfc iResearch Institute, Wuhan 4300 1 0 China) Abstract Based on the geological simpliifcation of the left powerhouse dam foundation of the Three Gorges Project,physical modeling on stability against sliding for this dam WaS performed.As a result,the safety factor and failure mechanism of a typical dam section aFe analysed.The reinforcement meaSure for the dam foundation is discussed.The presented research results provide a signiifcant reference for safety evaluation and design of this dam. Key words the Three Gorges Project,left powerhouse dam,stability against sliding.physical modeling 

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