苏 珅，陈丽丽

(沈阳市勘察测绘研究院有限公司，辽宁 沈阳 110004)

水库作为控制性工程能够提高我国经济效益，水库近场区构造不稳定会直接降低防洪标准，导致设备老化严重。我国地理环境复杂，能源分布不均，尤其是水资源，需要通过修建大型水库完成水资源的结构调节，但是在水库的建设和维护过程中，常常因为复杂的地质环境引起一系列的地质问题，主要有岩体变形、崩塌和失稳破坏等现象。这些问题产生的主要根源是水库近场区构造稳定性较差，在水库使用的过程中不能进行稳定数值的模拟，导致大型水库近场区的状态难以被探测进而出现损坏。

文献[1]使用MIDAS技术对水库溢洪道基础结构进行稳定性数值和配筋复核的分析，通过对水库溢洪道内部的结构进行三维有限元建模分析，确定各个结构在泄洪槽底部水重力作用下的受力状态，计算结构的位移距离和相关结构所能够承受的最大应力，再根据最大应力值设计配筋规范参数，为结构的水下抗拉强度提供了参考，该技术能够对水库溢洪道的基础结构进行拉应力参数的精准分析，但是缺少对其他因素的分析，整体方法考虑不全面。文献[2]利用COMSOL Multiphysics数值软件建立水库均质坝体模型，研究水库的渗流与稳定性，对水库的水流分析，寻找水流对水库各个结构的力学特征，并获取精确数值来设定不同情况下的安全系数，验证水库结构是否在安全系数内，这种方法利用模型完成水库的构造稳定性数值模拟，满足了数值方面的需求，但是分析的数值内容较为单一，缺乏其他类型数据的验证。

点荷载试验可以有效检测材料的抗压强度和抗拉强度，点荷载试验中还可以额外增加多种类其他参数的检测算法，能够实现较全面的数值获取，本文便基于此对大型水库近场区构造稳定性进行数值模拟。通过点荷载试验测试岩石强度，分析岩石分类和岩石各向异性，对大型水库近场区的抗压强度和抗拉强度进行分析，根据分析结果确定构造稳定性。

1 点荷载试验装置与方案的制定

以巴基斯坦阿扎德帕坦水电站工程大型水库为例，水电站位于吉拉姆河中游，该水库与城市相距较近，若水库结构发生损坏会对附近居民造成较大的安全隐患，直接经济损失可达1.5亿人民币。该水库水位时常发生变化，再加上该水库近场区建设时间较长，基础结构已经发生软化现象，周边的危岩体虽然没有出现松动现象，但是危岩体的整体正在缓缓下沉，危岩体每年都会出现一些新的裂缝，尤其是在雨季时节，暴雨过后水库水位上涨，水库近场区周边的危岩体缝隙遭到雨水浸泡，压力增大，岩体崩塌隐患显而易见，所以对该水库近场区基础构造的稳定性数值模拟非常急迫，本文应用点荷载试验装置设定数值模拟方案[3]。

将HMTS- 1200型号裂隙岩体水力耦合真三轴试验系统放置水库近场区周边岩体样品进行力学试验，通过试验得到的数据作为数值模拟基础，点荷载实验装置如图1所示。

图1 点荷载实验装置图示

(1)高水压密封试验舱。高水压密封试验舱内部有5个环形钢构件，每个构件结构均为带有凹槽的半圆圈，凹槽中间设有防水密封材料，密封材料可以与高水压密封试验舱的基础平台相连接，基础平台中有大量的试验数据采集传感器、通信装置、线路接口和通气管等结构。

(2)点荷载加载与反力系统。系统中有2台刚性推头油缸加载为点荷载试验创造力学供应环境，分别布置在试验舱内外部。内部的加压油缸提供加载荷载，外部的加压油缸提供试验舱的推动力，为确保试验舱整体的稳定性，外部加压油缸还起到提供反向推动的效果。

(3)耐高水压变形数据测量器。本文选用的耐高水压变形数据测量器采用线性可变差动变压器原理，可以精准检测到3MPa以上的水压数据，传感器的分辨率为0.001mm，量程范围为±5mm，测量器的数据传输通过防水数据线或在计算机之间建立无线通信协议，可以对实时采集的压力数据短暂储存[4- 5]。

(4)高精度伺服控制设备。点荷载试验装置内部拥有多个子系统，通过协调运作实现点荷载试验正常运行，分别对每个子系统额外加装伺服控制设备，可以更高效率和精度地识别点荷载试验相关数据。

点荷载试验中的各项技术参数见表1。

表1 点荷载试验技术参数

点荷载试验通过以上设备和技术参数可以实现以下功能：①点荷载试验环境下可以在岩石样本的3个方向施加模拟压力，可以真实反映岩体的应力环境和应力变化状态。②精准模拟了水压环境，按照300m级别水库设定3MPa高压水环境，试验过程中实时观测岩体样品在该环境下产生的变化状态[6- 7]。③点荷载试验设备中设有多个终端接口和测量检测系统，满足了对岩石样本形变程度、应力、水压力等多项力学参数的检测，还可以通过参数检测历史做出预测。

点荷载试验的具体实施方案如图2所示。

图2 试验实施方案

(1)试样制备。在水库近场区周边选取较为完整的玄武岩，岩体质量为Ⅲ1类，对采集的岩石依次进行切割、打磨和抛光，制定成400mm×400mm×550mm尺寸的长方体，为了区分点荷载试验后不同角度下的变化状态，分别在岩石式样的各个面进行标号处理。

(2)试样安装。将安装在点荷载试验舱内，分别向舱内的储存空间加压，营造试验岩石的常态环境，然后在试样的标号位置安装传感器，方便获取数据。试样固定完毕后，完全封闭点荷载试验舱，向试验舱内加入水库水、排出气体，然后启动高精度伺服控制系统，使水压达到并保持到0.8MPa。

(3)进行点荷载试验。测试点荷载试验舱密封性，测试合格后开始进行点荷载试验，完成试验后排出试验舱内水库水，提取并记录传感器中所采集的数据。

(4)对采集到的数据进行稳定性分析，先后分析形变程度、应力和水压等参数在点荷载试验中的反应程度[8- 9]。

2 点荷载试验下的构造稳定性分析

在点荷载试验舱内首先确定岩石样品的非饱和渗流状态，运用非饱和渗流微方程可以计算数值：

(1)

地震也是影响水库近场区构造稳定性的重要原因，所以本文也对地震动力进行分析。地震会对水库近场区构造内的土体造成软化现象，而具体的软化情况不能够通过图像显示出来，软化面积如图3所示。

利用G/Gmax来表达地震对构造稳定性的影响：

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—在地震状态下，土体产生的剪切模量；Gmax—0应变时土地的变化；γ—土体自身的重量；P1—土体受到的塑形变化；σm—岩石在模拟过程的有效应力；n(P1)—塑形过程产生的指数函数。确定以上2种参数计算理论后，即可建立计算模型对点荷载试验环境中岩石样品稳定性进行计算[10- 11]。

本文所建立的模型对象为坝高45m，坝基厚度10m，坝基宽度350m，坝顶宽15m，水库近场区基础材料为花岗岩，正常水位为30m。不同材料下的非饱和渗流参数也不同，所以在点荷载试验环境中也不能用一个参数完成稳定性分析，需要在模型中设定多种类参数来实现稳定性分析[12- 13]。本文选用具有计算方便、精准度较高的一次二阶矩法对点荷载试验中的岩石样品进行稳定性分析。

建立稳定状态函数为：

图3 软化面积图示

(5)

式中，Fs—岩石样品稳定性；N—荷载；R—岩石样品抗力。

当Z值大于0则证明岩石样品在点荷载试验后处于稳定状态；当Z值小于0则证明岩石样品在点荷载试验后处于失稳状态；当Z值等于0则证明岩石样品在点荷载试验后处于极限平衡状态。直接影响Z值的因素为岩石样品的荷载和抗力，荷载和抗力的大小又决定着岩石样品的形变和位移等数值，所以对大型水库近场区构造稳定性数值分析可以使用点荷载试验方法，对形变参数、力学参数和位移参数进行数值模拟表达[14]。

3 大型水库近场区构造稳定性数值模拟试验

对巴基斯坦阿扎德帕坦水电站工程大型水库的岩石样品进行试验，岩石饱和率是评价岩石抗冻性的重要指标，因此本文选取饱和样和天然样作为实验对比，选用的天然样和饱和样如图4所示。

图4 试验岩样图示

根据试验岩样分析点荷载试验下的岩样饱和样和天然样对比情况。

单轴抗压强度指的是岩石在遭受破坏条件下的极限抗压值，在天然状态下，水库内部的岩样具有很低的单轴抗压强度，受到的强度标准值为7.2MPa，容易产生破碎，当达到饱和状态下基本不会产生强度，抗压强度标准值为1。

3.1 形变参数模拟试验

使岩石样品在点荷载试验状态下承受单轴受压状态，围压为0MPa，轴压为10MPa，受到外部的水压逐渐递增，从0MPa增长至3MPa，记录压力逐渐增长过程中岩石样品对外表现的形变特征。形变参数变化特点如图5所示。

图5 形变参数变化特点

由图5可知，轴压不变的情况下，随着时间的变化，岩石样品天然样在360min时产生大约3×10-4微应变，岩石样品饱和样大约产生2.9×10-4微应变，外部水压逐渐升高的过程中岩石样品没有表现明显的形变，水压大约在开始加压后的200min达到3MPa，此后的岩石样品开始出现一定的形变量，大约在300min出现了1.5×10-4微应变。

3.2 力学参数模拟试验

岩石样品在点荷载试验环境中共承受左、右、下3个方向的静水压力，分别表示为P1、P2、P3，计算3个方向力的公式为：

(6)

(7)

(8)

式中，h1—岩石样品裂隙中充水高度，mm；h2—岩石样品斜面高度,mm；h3—岩石样品临水面的水压高度,mm；γw—岩石样品周边的水重量,kN/m3；α—裂隙倾角,(°)；β—斜面倾角,(°)。

根据以上公式所获取的静水压力即可得知水库近场区构造的受力情况，数值的大小是否达到了岩石稳定性阈值。

力学参数模拟结果如图6所示。

图6 力学参数模拟结果

测量得h1、h2分别为40、200mm；γw为9.8kN/m3；α、β分别为85°和12°；h3为1000mm。经过数值代入计算得到P1、P2、进行正态分布得到岩石样品的稳定系数为1.06，在遇有暴雨或地震等超出力学阈值的环境下，岩石样品天然样失稳率为24.88%，岩石样品饱和样失稳率为25.96%。

3.3 位移参数模拟试验

选择岩石样品的某个点位进行位移数值监测，在点荷载试验环境下模拟地震效果。位移参数模拟试验结果见表2。

表2 位移参数模拟试验结果

地震效果进行过程中监测点高程与岩石样品位移程度成正比关系，地震效果持续时间为3.6s时，岩石样品的水平位移达到最大值，位移量为1.2mm，岩石样品的竖直位移量随着地震效果时间的变化而变化，最终在5.0s时出现了最大值，分别在0.5、1.0、2.0、3.0和5.0s天然样出现了0.002、0.009、0.038、0.043和0.065mm的位移量，饱和样出现了0.003、0.011、0.040、0.046和0.070mm的位移量。由此可见地震效果下的水库近场区构造在地震效果下，同等时间内水平方向的构造失稳率更高。

4 结论

(1)通过模拟水库近场区真实环境，使岩石样品能够反映出水库近场区构造的实际状态。试验中的设备针对不同参数分别制定，通过计算非饱和渗流数值来分析外部因素对构造稳定性的影响程度，为模拟试验的进行创造了基础条件和数据条件。

(2)设定点荷载试验，进行岩样饱和样和天然样的对比，在试验阶段划分为形变参数模拟、力学参数模拟和位移参数模拟试验，通过3个试验得到水库近场区构造的稳定性情况，模拟结果具有全面、有效和真实的特点。

点荷载试验对于水体稳定性的数值分析提供了重要依据，然而该方法试验步骤繁复，效率不高，后续将进一步加强该方面的研究。