1、四川某水电站岩土力学模型试验研究摘要：采用地质力学试验来模拟高边坡，利用不同的相似材料来模拟边坡分层情况和支护体，同时在模型内部布置传感器和在表面布置千分表，通过对边坡顶面施加均匀的荷载分析边坡可能破坏的起因，定性掌握边坡变形破坏的全过程，通过电脑处理软件收集传感器和千分表数据，以定量的分析边坡的变形和压力变化情况。可以清楚地掌握边坡变化的趋势，为边坡的支护提供有针对性的建议，同时可很好的指导现场施工。 关键词：岩土力学模型；高边坡；相似理论；土压力 中图分类号： U213.1+3 文献标识码： A 0 引言 四川某一级电站坝址区左岸高边坡 1960m 缆机平台开挖面以上，边坡表面岩体破碎，边
2、坡内部存在煌斑岩脉，深部存在裂隙，开挖边坡面陡，边坡超高比达到 3.0 以上，边坡自身特征对工程边坡造成不利因素。工程现场布置监测网点和埋设监测仪器来监测边坡的变形、地下水和受力情况。从现场收集监测数据变化分析得：边坡目前处于稳定状态，位移、应力变化正常。但据地质工程分析原理1：边坡变形破坏都存在时效性，目前的稳定不代表永久的安全。同时由于该一级电站为雅砻江上大型水电枢纽，正常蓄水位 1880m 高程，库容达 77.6 亿 m3,坝址区边坡的变形和稳定的控制就显得更加重要。采用地质力学试验来模拟高边坡，通过对所建立的模型进行综合分析，之后还原到实际工程上去，可以清楚地掌握边坡变化的趋势，为边坡
3、的支护提供有针对性的建议，同时可很好的指导现场施工。 相似理论 1.1 相似判据 岩石变形是边坡变形破坏的主要因素,所以主要根据弹塑性体相似判据2。 相似常量定义：Cl 为几何相似常数， C 为应力相似常数 ，C 为应变相似常数，CX 为体积力相似常数，C 为容重相似常数，CE为弹性模量相似常数，CE为变形模量相似常数，CRc 为抗压强度相似常数，CRt 为抗拉强度相似常数，CF 为边界应力相似常数，C r 为聚力相似常数，Cf 为摩擦系数相似常数，C 为位移相似常数，C 为泊松比相似常数。弹塑性体相似判据为： C(CxCl)1；(满足平衡方程) C=1，C=1，C= CCE (满足物理方程)
4、 C =Cl；(满足几何方程) CF= C；(满足边界条件) 1.2 相似常数 满足力学相似 ，取材料容重相似常数 C= 1，即体积力相似常数 CX =1.4,考虑到模型岩石材料低强度低弹模实现的可能性和模型制作的难度，取几何相似常数 Cl=3003。根据上述相似判据确定各项相似常数如下： C=1.4； C=1； Cf=1；C=1；C= ClC=3001.4=420；CE= C/ C=420；C=CF=CRt=CRt=420； C=Cl=300 1.3 相似材料的选取及配比 1.3.1 在该一级电站左岸高边坡的岩土力学模型试验中，模型材料的选取主要考虑以下几方面的因素： 相似材料的主要力学性质
5、，即单轴抗压强度与原型材料相似。 材料的力学性能稳定，不受温度、湿度等外界条件的影响。 改变材料的配合比，改变材料的力学性能，以满足与原型的相似。容易成型，制作方便，凝固时间短。 1.3.2 该一级电站左岸高边坡新鲜岩石物理力学性质如下： 序号 岩性 烘干密度 弹性模量 抗压强度 g/cm3 GPa MPa 1 粉砂质板岩 2.70-2.78 19-39 55-99 2 变质砂岩 2.70-2.75 36-62 100-241 3 煌斑岩脉 2.57-2.65 16-33 59.5-100 1.3.3 模型材料中各种材料的作用如下： 重晶石粉密度大，用来增加相似材料的密度。实验中选取细度为40
6、0 目的重晶石粉。 砂作为骨料来模拟岩石的方法在国内使用很广，最主要的优点是材料的脆性与岩石比较接近。 石膏凝结硬化较快，初凝仅需要几分钟，终凝十几分钟，常作为主要的胶结材料。 机油用来防止水分的蒸发，减小材料收缩时所引起的内应力。 1.3.4 模型材料配比及其物理力学参数如下： 模拟岩性 材料组成及质量配比 容重 抗压强度 弹性模量 KN/m3 MPa MPa 粉砂质板岩 重晶石粉：细砂（青砂）：水泥（P.O.325）：水：机油7.5：7.5：1：2.15：0.30 19.56 0.209 55 变质砂岩 重晶石粉：细砂（青砂）：水泥（P.O.325）：水：机油5.5：5.5：1：1.58：
7、0.22 19.82 0.297 98 煌斑岩脉 重晶石粉：细砂（青砂）：炉渣：水泥（P.O.325）：水：机油7.0：7.0：0.94：1：2.13：0.28 17.84 0.19 53 2 模型建立 2.1 模型概化 根据该一级水电站坝址区左岸开挖边坡、区#和危岩体实际地质工程情况，后确定模拟边坡范围为下侧至 1960 缆机平台，后缘至 2110 高程，长度从左侧开挖线到右侧开挖线，每个平台高度为30m，在每个平台上设置了 3m 宽的马道，开挖的坡度为 1:0.5。所做模型的几何尺寸是根据现场工程进行按 1:300 比例缩小而进行的三维地质模拟。模拟现场工程的实际长度为 300m，厚度为
8、205m,高度为 150m，原型侧面详图及模型侧面详图如下： 图 1 原型侧面详图 图 2 模型详图 图 3 左岸边坡原型（正在施工中） 图 4 左岸边坡模型 2.2 锚杆、锚索和框架梁模拟 现场的框架梁采用喷射混凝土进行施工，现场喷射混凝土的厚度只有 10cm，框格梁的尺寸 80cm60cm，制作时在模型表面涂抹一薄层水泥浆。锚杆和锚索采用不同直径的铁丝，其锚固端一部分用 M30 的水泥砂浆，一部分用 502 胶进行锚固，其长度按比例进行缩小。 2.3 仪器布置、调试和安装 2.3.1 土压力计的布置 在模型制作时埋设土压力计 14 个，分上下两层布置，分为四个断面，来观察模型内部的应力状况
9、。土压力计安装布置详图如下： 图 5 仪器安装位置侧视图 图 6 仪器安装正视图 2.3.2 千分表的布置 在千分表安装之前，先对所要使用的千分表进行标定，以检查千分表的正常情况，同时也准备好相应的磁性表座来固定千分表在模型架子上，模型量测之前首先给千分表一个初值。量测时在模型表面安装机电千分表 9 个，观察边坡的表面位移情况，其中 2 个为竖直安装，7 个为水平安装。安装具体位置如下图所示： 图 7 深部位移及表面位移观察测试 3 模型测试及分析 3.1 模型加载 本次实验采用液压千斤顶配合测力环作为主要的加载系统。先在模型上表面铺上一层细砂用于找平，然后在其上面铺上预制钢筋混凝土板，最后在
10、板上安装加压装置用于模拟均布荷载。整个加载过程都是专人负责。加载按每次 0.624KN 进行分级加载。负责加载的人员确保压力稳定。保持压力稳定 23min 后采集数据，然后进行下一级加载。 3.2 数据分析 3.2.1 千分表数据分析 从数采仪收集的数据进行分析得出： 1、1千分表竖直安装在模型的 2080m 马道上，变化值最大，达到0.031mm 左右；9千分表安装在 1990m 马道，竖直安装，变化值相对较小，为 0.010mm，在外在荷载作用下，上部岩体变形大于下部，从电脑收集数据分析来看，变化曲线比较平缓，仅在局部有很微小的波动，表明加载过程稳定。 2、2千分表读与 1千分表安装在同一
11、位置，水平安装，破坏时变化值为 0.005mm 左右；4千分表水平安装在 2020m 马道，从安装的水平千分表中对比来看，读数变化差最大，达到 0.033mm 左右。表明边坡水平位移底部大于顶部，坡脚岩体鼓出较快，边坡在坡脚位置首先破坏。3、在同一高程 2020m 马道上，从区到区，相应的3，5，7千分表的变化值渐小，由于煌斑岩脉的存在，为边坡中相对较软弱岩层，对边坡的变形存在明显的影响。 4、千分表变化曲线图可以得出，千斤顶加压时，读数开始有规律的递减或递减，变化比较稳定，说明在边坡加载时较稳定，同时边坡的变形为一个时效变形过程，随着坡顶压力的增加，边坡的变形累计增大。 3.2.2 土压力计
12、数据分析 1、A1土压力计安装在底层模型的外侧，从土压力计的读数看，变化值为 0.04MPa；从数据采集仪收集的数据得知：在测力环到达 0.86mm之前，由于土压力计的精度问题，土压力计没有什么变化，在大于0.86mm 之后开始变化，变化曲线相对比较均匀，没有大的波动。A7土压力计安装在模型的内侧，与 A1土压力计在同一层。从变化的曲线看，A7土压力计的变化值比 A3土压力计的变化值稍小，为 0.03MPa。应力方向在边坡的表面发生偏转，越靠近破面剪应力越大，在边坡表面处，剪应力与边坡平行，而垂直坡面应力为零；在边坡内部，剪应力减小。通过埋设在同一层的 B1，B3和 B7土压力计变化曲线来看，
13、土压力变化值有差值，但差值不大。 2、C2#、C4#、C5#、C6#和 D2# 、D4#、D5#、D6#土压力计安装在模型的上层，距下层土压力 20cm 左右，从变化值曲线看，变化趋势相同，同时由于土压力的精度原因，变化值相差很小。 4 建立岩土力学模型工作中的几点体会 1、岩土力学模型实验只有与原型尽可能的相似，分析得出的数据才能更好的反映原型的受力、变形及破坏情况。 2、材料配比在满足相似理论的情况下，尽量与原型相似，根据该电站坝址区左岸高边坡的情况，将模型分层进行适当的概化，分三层来模拟：粉砂质板岩、砂板岩和煌斑岩脉。 5 结论 1）从安装在模型边坡表明的千分表读数变化来看，变化值均很小
14、，表明原形边坡在支护作用下，变形量不大，边坡稳定。 2）从安装在模型内部土压力的变化分析得出，由于支护的作用，靠近边坡面应力比无支护的应力明显偏大，这可以从埋设在模型中的土压力读数变化得到验证。在竖直均布荷载下，边坡受力主要为竖直向下力，但是由于坡面和坡形的影响，应力出现偏转，在靠近坡面位置处应力大致与坡面平行，并且越靠近坡面越与坡面平行；同时在坡脚位置出现应力集中，破坏首先从坡脚开始。 参考文献： 1 姜德义，朱合华，杜云贵编著；边坡稳定性分析与滑坡防止 ；重庆大学出版社，2005（6-7） 2 张学言，闫澎旺岩土塑性力学基础M天津：天津大学出版社，2004 3 周维垣,林鹏,杨强等，锦屏高边坡稳定三维岩土力学模型试验研究，岩石力学与工程学报，2008， （5）：893-900
