蘇 珅，陳麗麗

(沈陽市勘察測(cè)繪研究院有限公司，遼寧 沈陽 110004)

水庫作為控制性工程能夠提高我國經(jīng)濟(jì)效益，水庫近場(chǎng)區(qū)構(gòu)造不穩(wěn)定會(huì)直接降低防洪標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致設(shè)備老化嚴(yán)重。我國地理環(huán)境復(fù)雜，能源分布不均，尤其是水資源，需要通過修建大型水庫完成水資源的結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)，但是在水庫的建設(shè)和維護(hù)過程中，常常因?yàn)閺?fù)雜的地質(zhì)環(huán)境引起一系列的地質(zhì)問題，主要有巖體變形、崩塌和失穩(wěn)破壞等現(xiàn)象。這些問題產(chǎn)生的主要根源是水庫近場(chǎng)區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性較差，在水庫使用的過程中不能進(jìn)行穩(wěn)定數(shù)值的模擬，導(dǎo)致大型水庫近場(chǎng)區(qū)的狀態(tài)難以被探測(cè)進(jìn)而出現(xiàn)損壞。

文獻(xiàn)[1]使用MIDAS技術(shù)對(duì)水庫溢洪道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性數(shù)值和配筋復(fù)核的分析，通過對(duì)水庫溢洪道內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元建模分析，確定各個(gè)結(jié)構(gòu)在泄洪槽底部水重力作用下的受力狀態(tài)，計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移距離和相關(guān)結(jié)構(gòu)所能夠承受的最大應(yīng)力，再根據(jù)最大應(yīng)力值設(shè)計(jì)配筋規(guī)范參數(shù)，為結(jié)構(gòu)的水下抗拉強(qiáng)度提供了參考，該技術(shù)能夠?qū)λ畮煲绾榈赖幕A(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉應(yīng)力參數(shù)的精準(zhǔn)分析，但是缺少對(duì)其他因素的分析，整體方法考慮不全面。文獻(xiàn)[2]利用COMSOL Multiphysics數(shù)值軟件建立水庫均質(zhì)壩體模型，研究水庫的滲流與穩(wěn)定性，對(duì)水庫的水流分析，尋找水流對(duì)水庫各個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征，并獲取精確數(shù)值來設(shè)定不同情況下的安全系數(shù)，驗(yàn)證水庫結(jié)構(gòu)是否在安全系數(shù)內(nèi)，這種方法利用模型完成水庫的構(gòu)造穩(wěn)定性數(shù)值模擬，滿足了數(shù)值方面的需求，但是分析的數(shù)值內(nèi)容較為單一，缺乏其他類型數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

點(diǎn)荷載試驗(yàn)可以有效檢測(cè)材料的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，點(diǎn)荷載試驗(yàn)中還可以額外增加多種類其他參數(shù)的檢測(cè)算法，能夠?qū)崿F(xiàn)較全面的數(shù)值獲取，本文便基于此對(duì)大型水庫近場(chǎng)區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬。通過點(diǎn)荷載試驗(yàn)測(cè)試巖石強(qiáng)度，分析巖石分類和巖石各向異性，對(duì)大型水庫近場(chǎng)區(qū)的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果確定構(gòu)造穩(wěn)定性。

1 點(diǎn)荷載試驗(yàn)裝置與方案的制定

以巴基斯坦阿扎德帕坦水電站工程大型水庫為例，水電站位于吉拉姆河中游，該水庫與城市相距較近，若水庫結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞會(huì)對(duì)附近居民造成較大的安全隱患，直接經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)1.5億人民幣。該水庫水位時(shí)常發(fā)生變化，再加上該水庫近場(chǎng)區(qū)建設(shè)時(shí)間較長，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生軟化現(xiàn)象，周邊的危巖體雖然沒有出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，但是危巖體的整體正在緩緩下沉，危巖體每年都會(huì)出現(xiàn)一些新的裂縫，尤其是在雨季時(shí)節(jié)，暴雨過后水庫水位上漲，水庫近場(chǎng)區(qū)周邊的危巖體縫隙遭到雨水浸泡，壓力增大，巖體崩塌隱患顯而易見，所以對(duì)該水庫近場(chǎng)區(qū)基礎(chǔ)構(gòu)造的穩(wěn)定性數(shù)值模擬非常急迫，本文應(yīng)用點(diǎn)荷載試驗(yàn)裝置設(shè)定數(shù)值模擬方案[3]。

將HMTS- 1200型號(hào)裂隙巖體水力耦合真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)放置水庫近場(chǎng)區(qū)周邊巖體樣品進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，通過試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)作為數(shù)值模擬基礎(chǔ)，點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)裝置圖示

(1)高水壓密封試驗(yàn)艙。高水壓密封試驗(yàn)艙內(nèi)部有5個(gè)環(huán)形鋼構(gòu)件，每個(gè)構(gòu)件結(jié)構(gòu)均為帶有凹槽的半圓圈，凹槽中間設(shè)有防水密封材料，密封材料可以與高水壓密封試驗(yàn)艙的基礎(chǔ)平臺(tái)相連接，基礎(chǔ)平臺(tái)中有大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集傳感器、通信裝置、線路接口和通氣管等結(jié)構(gòu)。

(2)點(diǎn)荷載加載與反力系統(tǒng)。系統(tǒng)中有2臺(tái)剛性推頭油缸加載為點(diǎn)荷載試驗(yàn)創(chuàng)造力學(xué)供應(yīng)環(huán)境，分別布置在試驗(yàn)艙內(nèi)外部。內(nèi)部的加壓油缸提供加載荷載，外部的加壓油缸提供試驗(yàn)艙的推動(dòng)力，為確保試驗(yàn)艙整體的穩(wěn)定性，外部加壓油缸還起到提供反向推動(dòng)的效果。

(3)耐高水壓變形數(shù)據(jù)測(cè)量器。本文選用的耐高水壓變形數(shù)據(jù)測(cè)量器采用線性可變差動(dòng)變壓器原理，可以精準(zhǔn)檢測(cè)到3MPa以上的水壓數(shù)據(jù)，傳感器的分辨率為0.001mm，量程范圍為±5mm，測(cè)量器的數(shù)據(jù)傳輸通過防水?dāng)?shù)據(jù)線或在計(jì)算機(jī)之間建立無線通信協(xié)議，可以對(duì)實(shí)時(shí)采集的壓力數(shù)據(jù)短暫儲(chǔ)存[4- 5]。

(4)高精度伺服控制設(shè)備。點(diǎn)荷載試驗(yàn)裝置內(nèi)部擁有多個(gè)子系統(tǒng)，通過協(xié)調(diào)運(yùn)作實(shí)現(xiàn)點(diǎn)荷載試驗(yàn)正常運(yùn)行，分別對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)額外加裝伺服控制設(shè)備，可以更高效率和精度地識(shí)別點(diǎn)荷載試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)。

點(diǎn)荷載試驗(yàn)中的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 點(diǎn)荷載試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)

點(diǎn)荷載試驗(yàn)通過以上設(shè)備和技術(shù)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：①點(diǎn)荷載試驗(yàn)環(huán)境下可以在巖石樣本的3個(gè)方向施加模擬壓力，可以真實(shí)反映巖體的應(yīng)力環(huán)境和應(yīng)力變化狀態(tài)。②精準(zhǔn)模擬了水壓環(huán)境，按照300m級(jí)別水庫設(shè)定3MPa高壓水環(huán)境，試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)觀測(cè)巖體樣品在該環(huán)境下產(chǎn)生的變化狀態(tài)[6- 7]。③點(diǎn)荷載試驗(yàn)設(shè)備中設(shè)有多個(gè)終端接口和測(cè)量檢測(cè)系統(tǒng)，滿足了對(duì)巖石樣本形變程度、應(yīng)力、水壓力等多項(xiàng)力學(xué)參數(shù)的檢測(cè)，還可以通過參數(shù)檢測(cè)歷史做出預(yù)測(cè)。

點(diǎn)荷載試驗(yàn)的具體實(shí)施方案如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)實(shí)施方案

(1)試樣制備。在水庫近場(chǎng)區(qū)周邊選取較為完整的玄武巖，巖體質(zhì)量為Ⅲ1類，對(duì)采集的巖石依次進(jìn)行切割、打磨和拋光，制定成400mm×400mm×550mm尺寸的長方體，為了區(qū)分點(diǎn)荷載試驗(yàn)后不同角度下的變化狀態(tài)，分別在巖石式樣的各個(gè)面進(jìn)行標(biāo)號(hào)處理。

(2)試樣安裝。將安裝在點(diǎn)荷載試驗(yàn)艙內(nèi)，分別向艙內(nèi)的儲(chǔ)存空間加壓，營造試驗(yàn)巖石的常態(tài)環(huán)境，然后在試樣的標(biāo)號(hào)位置安裝傳感器，方便獲取數(shù)據(jù)。試樣固定完畢后，完全封閉點(diǎn)荷載試驗(yàn)艙，向試驗(yàn)艙內(nèi)加入水庫水、排出氣體，然后啟動(dòng)高精度伺服控制系統(tǒng)，使水壓達(dá)到并保持到0.8MPa。

(3)進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)。測(cè)試點(diǎn)荷載試驗(yàn)艙密封性，測(cè)試合格后開始進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)，完成試驗(yàn)后排出試驗(yàn)艙內(nèi)水庫水，提取并記錄傳感器中所采集的數(shù)據(jù)。

(4)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，先后分析形變程度、應(yīng)力和水壓等參數(shù)在點(diǎn)荷載試驗(yàn)中的反應(yīng)程度[8- 9]。

2 點(diǎn)荷載試驗(yàn)下的構(gòu)造穩(wěn)定性分析

在點(diǎn)荷載試驗(yàn)艙內(nèi)首先確定巖石樣品的非飽和滲流狀態(tài)，運(yùn)用非飽和滲流微方程可以計(jì)算數(shù)值：

(1)

地震也是影響水庫近場(chǎng)區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性的重要原因，所以本文也對(duì)地震動(dòng)力進(jìn)行分析。地震會(huì)對(duì)水庫近場(chǎng)區(qū)構(gòu)造內(nèi)的土體造成軟化現(xiàn)象，而具體的軟化情況不能夠通過圖像顯示出來，軟化面積如圖3所示。

利用G/Gmax來表達(dá)地震對(duì)構(gòu)造穩(wěn)定性的影響：

G/Gmax=K(γ,P1)(σm)m(γ,P1)-ma

(2)

K(γ,P1)=0.5{1+tanh
[ln((0.000102+n(P1))/γ]}

(3)

(4)

式中，G—在地震狀態(tài)下，土體產(chǎn)生的剪切模量；Gmax—0應(yīng)變時(shí)土地的變化；γ—土體自身的重量；P1—土體受到的塑形變化；σm—巖石在模擬過程的有效應(yīng)力；n(P1)—塑形過程產(chǎn)生的指數(shù)函數(shù)。確定以上2種參數(shù)計(jì)算理論后，即可建立計(jì)算模型對(duì)點(diǎn)荷載試驗(yàn)環(huán)境中巖石樣品穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算[10- 11]。

本文所建立的模型對(duì)象為壩高45m，壩基厚度10m，壩基寬度350m，壩頂寬15m，水庫近場(chǎng)區(qū)基礎(chǔ)材料為花崗巖，正常水位為30m。不同材料下的非飽和滲流參數(shù)也不同，所以在點(diǎn)荷載試驗(yàn)環(huán)境中也不能用一個(gè)參數(shù)完成穩(wěn)定性分析，需要在模型中設(shè)定多種類參數(shù)來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性分析[12- 13]。本文選用具有計(jì)算方便、精準(zhǔn)度較高的一次二階矩法對(duì)點(diǎn)荷載試驗(yàn)中的巖石樣品進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

建立穩(wěn)定狀態(tài)函數(shù)為：

圖3 軟化面積圖示

(5)

式中，F(xiàn)s—巖石樣品穩(wěn)定性；N—荷載；R—巖石樣品抗力。

當(dāng)Z值大于0則證明巖石樣品在點(diǎn)荷載試驗(yàn)后處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)Z值小于0則證明巖石樣品在點(diǎn)荷載試驗(yàn)后處于失穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)Z值等于0則證明巖石樣品在點(diǎn)荷載試驗(yàn)后處于極限平衡狀態(tài)。直接影響Z值的因素為巖石樣品的荷載和抗力，荷載和抗力的大小又決定著巖石樣品的形變和位移等數(shù)值，所以對(duì)大型水庫近場(chǎng)區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性數(shù)值分析可以使用點(diǎn)荷載試驗(yàn)方法，對(duì)形變參數(shù)、力學(xué)參數(shù)和位移參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬表達(dá)[14]。

3 大型水庫近場(chǎng)區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定性數(shù)值模擬試驗(yàn)

對(duì)巴基斯坦阿扎德帕坦水電站工程大型水庫的巖石樣品進(jìn)行試驗(yàn)，巖石飽和率是評(píng)價(jià)巖石抗凍性的重要指標(biāo)，因此本文選取飽和樣和天然樣作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比，選用的天然樣和飽和樣如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)巖樣圖示

根據(jù)試驗(yàn)巖樣分析點(diǎn)荷載試驗(yàn)下的巖樣飽和樣和天然樣對(duì)比情況。

單軸抗壓強(qiáng)度指的是巖石在遭受破壞條件下的極限抗壓值，在天然狀態(tài)下，水庫內(nèi)部的巖樣具有很低的單軸抗壓強(qiáng)度，受到的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為7.2MPa，容易產(chǎn)生破碎，當(dāng)達(dá)到飽和狀態(tài)下基本不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1。

3.1 形變參數(shù)模擬試驗(yàn)

使巖石樣品在點(diǎn)荷載試驗(yàn)狀態(tài)下承受單軸受壓狀態(tài)，圍壓為0MPa，軸壓為10MPa，受到外部的水壓逐漸遞增，從0MPa增長至3MPa，記錄壓力逐漸增長過程中巖石樣品對(duì)外表現(xiàn)的形變特征。形變參數(shù)變化特點(diǎn)如圖5所示。

圖5 形變參數(shù)變化特點(diǎn)

由圖5可知，軸壓不變的情況下，隨著時(shí)間的變化，巖石樣品天然樣在360min時(shí)產(chǎn)生大約3×10-4微應(yīng)變，巖石樣品飽和樣大約產(chǎn)生2.9×10-4微應(yīng)變，外部水壓逐漸升高的過程中巖石樣品沒有表現(xiàn)明顯的形變，水壓大約在開始加壓后的200min達(dá)到3MPa，此后的巖石樣品開始出現(xiàn)一定的形變量，大約在300min出現(xiàn)了1.5×10-4微應(yīng)變。

3.2 力學(xué)參數(shù)模擬試驗(yàn)

巖石樣品在點(diǎn)荷載試驗(yàn)環(huán)境中共承受左、右、下3個(gè)方向的靜水壓力，分別表示為P1、P2、P3，計(jì)算3個(gè)方向力的公式為：

(6)

(7)

(8)

式中，h1—巖石樣品裂隙中充水高度，mm；h2—巖石樣品斜面高度,mm；h3—巖石樣品臨水面的水壓高度,mm；γw—巖石樣品周邊的水重量,kN/m3；α—裂隙傾角,(°)；β—斜面傾角,(°)。

根據(jù)以上公式所獲取的靜水壓力即可得知水庫近場(chǎng)區(qū)構(gòu)造的受力情況，數(shù)值的大小是否達(dá)到了巖石穩(wěn)定性閾值。

力學(xué)參數(shù)模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 力學(xué)參數(shù)模擬結(jié)果

測(cè)量得h1、h2分別為40、200mm；γw為9.8kN/m3；α、β分別為85°和12°；h3為1000mm。經(jīng)過數(shù)值代入計(jì)算得到P1、P2、進(jìn)行正態(tài)分布得到巖石樣品的穩(wěn)定系數(shù)為1.06，在遇有暴雨或地震等超出力學(xué)閾值的環(huán)境下，巖石樣品天然樣失穩(wěn)率為24.88%，巖石樣品飽和樣失穩(wěn)率為25.96%。

3.3 位移參數(shù)模擬試驗(yàn)

選擇巖石樣品的某個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行位移數(shù)值監(jiān)測(cè)，在點(diǎn)荷載試驗(yàn)環(huán)境下模擬地震效果。位移參數(shù)模擬試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 位移參數(shù)模擬試驗(yàn)結(jié)果

地震效果進(jìn)行過程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程與巖石樣品位移程度成正比關(guān)系，地震效果持續(xù)時(shí)間為3.6s時(shí)，巖石樣品的水平位移達(dá)到最大值，位移量為1.2mm，巖石樣品的豎直位移量隨著地震效果時(shí)間的變化而變化，最終在5.0s時(shí)出現(xiàn)了最大值，分別在0.5、1.0、2.0、3.0和5.0s天然樣出現(xiàn)了0.002、0.009、0.038、0.043和0.065mm的位移量，飽和樣出現(xiàn)了0.003、0.011、0.040、0.046和0.070mm的位移量。由此可見地震效果下的水庫近場(chǎng)區(qū)構(gòu)造在地震效果下，同等時(shí)間內(nèi)水平方向的構(gòu)造失穩(wěn)率更高。

4 結(jié)論

(1)通過模擬水庫近場(chǎng)區(qū)真實(shí)環(huán)境，使巖石樣品能夠反映出水庫近場(chǎng)區(qū)構(gòu)造的實(shí)際狀態(tài)。試驗(yàn)中的設(shè)備針對(duì)不同參數(shù)分別制定，通過計(jì)算非飽和滲流數(shù)值來分析外部因素對(duì)構(gòu)造穩(wěn)定性的影響程度，為模擬試驗(yàn)的進(jìn)行創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件和數(shù)據(jù)條件。

(2)設(shè)定點(diǎn)荷載試驗(yàn)，進(jìn)行巖樣飽和樣和天然樣的對(duì)比，在試驗(yàn)階段劃分為形變參數(shù)模擬、力學(xué)參數(shù)模擬和位移參數(shù)模擬試驗(yàn)，通過3個(gè)試驗(yàn)得到水庫近場(chǎng)區(qū)構(gòu)造的穩(wěn)定性情況，模擬結(jié)果具有全面、有效和真實(shí)的特點(diǎn)。

點(diǎn)荷載試驗(yàn)對(duì)于水體穩(wěn)定性的數(shù)值分析提供了重要依據(jù)，然而該方法試驗(yàn)步驟繁復(fù)，效率不高，后續(xù)將進(jìn)一步加強(qiáng)該方面的研究。