《五强溪水电站船闸边坡的粘弹性位移反分析及变形预测》由会员分享，可在线阅读，更多相关《五强溪水电站船闸边坡的粘弹性位移反分析及变形预测（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、五强溪水电站船闸边坡的粘弹性 位移反分析及变形预测* Visco -elastic back -analysis on displacements and prediction of deformation in the shiplock slope of Wuqiangxi hydroelectric power station 杨志法 (中国科学院地质研究所工程地质力学开放研究实验室, 北京, 100029) 王芝银 (西安矿业学院, 西安, 710054) 刘 英 尚彦军 (中国科学院地质研究所工程地质力学开放研究实验室, 北京, 100029) 王 敬 (国家电力公司中南勘测设计研究院
2、, 长沙, 410014) 文 摘 位移反分析的提出, 可望为边坡工程设计工程师提供一个确定有关地层力学参数和某些地应力分量的新方法。本文针 对五强溪水电站左岸边坡岩层的特点, 选择了 H -K 模型, 并从该边坡的实测位移出发, 反演该边坡工程设计所需要的岩体力学参 数。文中较详细地阐述了有关原理和可行的方法。 关键词 边坡, 位移反分析, H -K 模型 中图法分类号 TU 454 作者简介 杨志法, 男, 1944 年生, 研究员。在中国科学院地质研究所从事岩石力学和工程地质等方面的科研工作。 Yang Zhif a ( Engineering Geomechanics Lab, Ins
3、titute of Geology Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100029) Wang Zhiyin ( X i. an Mining 因边坡开挖引起的变形破坏特点; 有足够 多的有效的位移测值;模型必须简化, 但简化后的 模型必须基本上反映问题的真实情况;所选择的反 演方法应当可操作。 * 国家自然科学基金资助项目( No. 49772166) 和中国科学院资源与 生态环境研究重点资助项目( No. KZ-952 -S1 - 425) 到稿日期: 1999- 01- 25 第 22 卷 第 1 期 岩 土 工 程 学 报 Vol. 22 No
4、. 1 2000 年 1月Chinese Journal of Geotechnical EngineeringJan. , 2000 66 本文将位移反分析应用于五强溪水电站的船闸边坡, 并从该边坡的工程条件、 地质条件和边坡变形破坏特 点出发, 建立了以广义开尔文粘弹性模型为基础的层 状反演模型。在确定待分析参数中, 作者主张部分采 用可靠性较高的现场岩体力学试验结果, 以压缩待分 析参数的个数。 2 五强溪水电站船闸边坡的地质条件 概况 该边坡高度变化于 150 200 m 之间, 被6 号沟分 割为东西两大段。由于东部边坡的地质条件特别差 ( 见图 1) , 所以它是重点研究对象2。
5、船闸边坡由前震旦系上板溪群五强溪组的 Pt1和 Pt2这两个古老岩层所组成。其间还发育有多条( 组) 软弱夹层。Pt1岩层比较软弱、 破碎, 在边坡中呈反坡 向展布, 它主要分布在 号沟之间的东部边坡中, 出露面积占该边坡总面积的 3/ 4 左右; 至于 Pt2岩层, 则位于 Pt1和断层 F87以南, 并在船闸边坡中呈顺倾展 布。因其较为坚硬、 完整, 所以西部边坡中位于 Pt1下 方的这层 Pt2岩层起到了某些支撑作用。显然, 这将 有利于边坡的稳定。 西部边坡的强风化深度约为 13 14 m, 新鲜基岩 的埋深约为28 54 m; 而东部边坡的强分化埋深为50 80 m, 新鲜基岩的埋深
6、则达60 85 m。这也是后者 的工程地质条件远差于前者的主要原因之一。 由于受到强烈的构造作用, 边坡岩体被规模较大 的陡倾角断层 F87, F112, F115, F121, F109等西高东低地 斜切。同时, 边坡还有受到强烈挤压的背斜轴部通过。 所以, 岩体完整性遭受到剧烈破坏。 还需特别指出的是, 上述断层的倾角都很陡, 边坡 中的缓倾角结构面不发育, 因此从理论上讲不易造成 大规模的整体滑动。 3 船闸边坡监测系统的建立 依据水利、 水电部门的习惯, 监测系统可分内观和 外观两大部分论述。 3. 1 内观监测 按照突破观点3,4, 寻找可能出现破坏或可产生 较大变形的部位, 并通过
7、大量的现场工作和室内分析, 在边坡上确定了如图 1 所示的 3 个重点监测区, 即圈 定的斜线阴影区。其中重点布置了 6 种仪器: 11 个长 36 51 m 的多点伸长计、 5 个深约 50 m 垂直钻孔测 斜管、 5 台溢流式水管倾斜仪等。显然, 位于东部边坡 的重点监测区更是重点中的重点。 3. 2 外观监测 外观监测主要采用经纬仪和水准仪。测点布置较 为均匀, 主要分布在高程相差都为 20 m 的各条马道 上, 以全面控制整个边坡的变形情况。 Ex1- 4点式伸长计及其编号; ZC1- 垂直钻孔倾斜仪测孔及其编号; AC2- 收敛计测点及其编号; D3- 3 号洞中溢流式水管倾斜仪各测
8、点;L1- Levelmeter 测点及其编号;M1- 测缝计测点及其编号 图 1 五强溪水电站船闸边坡的地质、 地形条件及部分测点示意图 Fig.1 Geological and topographic condition and some monitoring points in the ship lock slope of Wuqiangxi Hydroelectric Power Station 67 第 1 期杨志法等1 五强溪水电站船闸边坡的粘弹性位移反分析及变形预测 4 反演模型的假定与建立 4. 1 假定 为使分析结果具有较高的参考价值, 拟在工程地 质条件最差的东部边坡中选坝
9、下 0+ 360( m) 剖面进 行反分析。反分析中将整个剖面简化为五类材料。前 四类分别为: 工程地质条件较差的 Pt1( 千枚状板 岩、 砂质板岩等) ; 工程地质条件较好的 Pt2( 灰绿色 砂岩等) ; ) 剖面内所有断层( 包括 F112, F87, F115, F121 等断层) 和薄层夹层; 护坡钢筋混凝土网格梁和喷射 混凝土, 以及闸墙本身。至于填碴, 则被看作第五类材 料。前三种材料均按本来的特性被假定为层状材料, 而第四、 五类则假设为均质弹性体。应当指出, 在分析 之初因船闸尚未建起, 碴也未填入, 因此不妨假定第 四、 五类材料不存在。所以图 2 仅含前三类材料。尽 管
10、这一假定或多或少地存在一定误差( 如喷层和混凝 土护坡等已被忽略) , 但从总体上看这一假定也是合理 的。为建立反演模型, 该图还标出了主要断层和测点的 位置。另外,根据该边坡的地质条件和长期以来所形成 的变形破坏形态, 还假定边坡处于自重场条件之中。 图 2 坝下 0+ 360(m) 剖面位移反分析计算 网格图及测点和主要断层的位置 Fig. 2 Calculating mesh for back - analysis in section 0+ 360(m) and positions of measuring points and main faults 4. 2 力学模型 如前所述,
11、五强溪水电站船闸边坡主要呈现出层 状反倾的特点, 其中还出露若干条断层和薄层夹层, 加 之岩层因构造和风化作用, 因而相当破碎。所以在开 挖条件下边坡不仅产生瞬时的弹塑性变形破坏, 而且 还将出现与时间有关的蠕变现象。边坡位移监测的结 果也证实: 即使在边坡开挖和加固完成, 以及船闸等构 筑物都竣工几年后, 边坡仍在缓慢地变形。因此对该 船闸边坡所作的力学分析、 反分析和预测等都应当考 虑蠕变这一问题。考虑到该边坡岩体为层状结构, 故 采用如图 3 所示的横观各向同性材料进行描述。其弹 性应力- 应变关系可表达为 5, 6 R = D % (1) 其中 D = C - 1 (2) 而 C =
12、1 En - Lsn En - Lsn En 000 - Lsn En 1 En - Lst Es 000 - Lns En - Lst Es 1 Es 000 000 1 G1 00 0000 1 G2 0 00000 1 G1 (3) 式中 Es为平行层面方向的弹性模量, 而且设 Es等 于岩石弹性模量 E; En为垂直层面方向的弹性模量; Lsn= ( Es/ En) Lns; Lst=Ls=L( 岩石的泊松比) 。 取G1= E/ 2(1+ L)(4) 和G21= E/ 2(1+ En Es) L (5) 在整体坐标系中的弹性矩阵 D0 为 D0 = T D T T (6) 其中 T
13、为局部坐标系与整体坐标系之间的转换矩 阵。 相应的现场外观测值表明, 开挖施工期的测值变 动较大, 而在无外界影响条件下, 变形曲线却十分平 稳。所以, 根据理论分析和实际应用经验, 进行粘弹性 位移反分析时可取岩体为 H -K 模型( 图 4) 。 图 3 所采用的力学模型及其坐标系 Fig. 3 Mechanical model used and its coordinate system 图 4 H -K 模型 Fig. 4 H -K model 68 岩 土 工 程 学 报 2000 年 一维情况下的本构关系为 E= ( E + E1)/ EE1 R- ( G1/ E) E+ ( G1
14、/ EE1) R (7) 当 t 0时, 有 R=G1 E+ E1E 即 Ev=A R- B E(8) 其中 A= 1/ G1, G1为粘滞系数; B= E1/ G1, E1为粘 弹性模量 。 利用时间积分的一般格式, 进一步计算得式( 8) 所 示的的蠕变增量, 为 $E t+ $t= $t ( 1- H ) Ep + H Evt+ $t(9) 式中 H为积分因子。 当 H= 0 时为显式积分法; 当 H = 1 时为隐式积分法; 当 H= 1/ 2 时为半隐式积分法。 由于层状岩体沿垂直层面方向和平行层面方向具 有不同的变形特征, 因此如果 Lsn和 Lns不随时间而变 化, 则将式( 8
15、) 推广为二维形式, 可直接写成显式。若 采用图 4 所示的坐标系, 则有 Ev + B E = C0 R(10) 其中B= E1n/ G1n 而矩阵 C0可表达为 C0= 1 G1n 1- Lsn0 - LsnLsn/ Lns0 00 2(1+ Lsn) Lsn Lns (11) 式中 E1n为垂直于层面方向的粘弹性模量; G1n为垂 直于层面方向的粘滞性系数。 于是, 利用式( 10) 就可以计算得到 t 时刻的 Evt。 但由式(9) 可知, 计算 $E t+ $t时还需先计算出 $ Evt+ $t。 为此, 可利用泰勒级数将 $ Evt+ $t在 t 附 近展开, 并取前两项化简。将其
16、结果与式( 10) 都代入 式( 9) 后, 可得到 $E t+ $t= $t ( 1- HE 1n G1n$t ) E vt+ H C0 $R (12) 对于蠕变过程中的任意一时刻, 系统的增量平衡方程 可写作为 Q B T $R dv = $1 (13) 其中 $R 为增量应力; $P 为增量外荷载列阵。 由于 $E t= $Eet+ $Evt(14) 故有 $R = D ( $E t- $Evt)(15) 式中 $E t为增量全应变; $Eet为增量弹性应变; $Evt为增量流变应变。 如将式( 15) 代入式( 13) , 则可得到 Q B T D B dv$u = $P + Q BT D $Ev
