四川某水电站岩土力学模型试验研究
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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，为边坡的支护提供有针对性的建议，同时可很好的指导现场施工。
１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， Cσ为应力相似常数 ，Cε为应变相似常数，CX为体积力相似常数，Cγ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，Cδ为位移相似常数，Cμ为泊松比相似常数。弹塑性体相似判据为：
Cσ／(CxCl)＝1；(满足平衡方程)
Cε=1，Cμ=1，Cσ= Cε·CE (满足物理方程)
Cδ =Cl；(满足几何方程)
CF= Cσ；(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 Cγ= 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=300[3]。根据上述相似判据确定各项相似常数如下：
Cγ=1.4； Cμ=1； Cf=1；Cε=1；Cσ= Cl·Cγ=300×1.4=420；CE= Cσ/ Cε=420；Cσ=CF=CRt=CRt=420； Cδ=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：
⑴相似材料的主要力学性质，即单轴抗压强度与原型材料相似。
⑵材料的力学性能稳定，不受温度、湿度等外界条件的影响。
⑶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。
⑷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：
⑴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400目的重晶石粉。
⑵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。
⑶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。
⑷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＝5.5：5.5：1：1.58：0.22 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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区Ⅰ＃Ⅱ#和Ⅲ＃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80cm×60cm，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。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2～3min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Ⅰ区到Ⅲ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，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。
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，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