高拱壩地質力學模型試驗方法與應用

本書系”簡明土木工程系列專輯”中的一本。在傳統(tǒng)的拱壩模型試驗分析拱壩穩(wěn)定、應力等問題的基礎上，本書增加了基于模型試驗成果的拱壩整體穩(wěn)定評價準則介紹。本書對李家峽、二灘、拉西瓦、溪洛渡、錦屏等實際高拱壩的整體地質模型試驗進行了詳細介紹，其目的在于總結模型試驗的工程意義與作用。本書可為從事水工結構技術的設計施工及試驗人員提供有益幫助，他們可以了解通過物理模型解決重大工程問題的途徑以及了解試驗理論方法等。

總序

前言

第1章 概論

第1節(jié) 地質力學模型試驗的意義

第2節(jié) 高拱壩地質力學模型試驗的特點

第3節(jié) 國內外研究現狀及發(fā)展趨勢

第2章 拱壩地質力學整體模型試驗理論方法

第1節(jié) 模型的相似原理

第2節(jié) 壩肩巖體的模擬

第3節(jié) 模型材料

第4節(jié) 地質模型試驗的方法及分類

第5節(jié) 地質力學模型的設汁

第6節(jié) 荷載及加載方式模擬

第7節(jié) 非正態(tài)模型設計問題

第3章 地質力學模型中的測量技術

第1節(jié) 概述

第2節(jié) 應力應變測量

第3節(jié) 模型試驗誤差分析

第4章 高拱壩地質力學模型試驗實例分析

第1節(jié) 李家峽拱壩地質力學模型試驗研究

第2節(jié) 二灘拱壩地質力學模型試驗研究

第3節(jié) 溪洛渡雙曲拱壩二次地質力學模型試驗比較研究

第4節(jié) 錦屏雙曲拱壩三次地質模型試驗研究

第5章 國內主要高拱壩整體穩(wěn)定試驗評價準則

第1節(jié) 拱壩整體穩(wěn)定評價指標的選擇

第2節(jié) 拱壩整體穩(wěn)定評價指標的統(tǒng)計方法

第3節(jié) 拱壩整體穩(wěn)定評價指標的統(tǒng)計分析

第4節(jié) 有限元計算結果的比較

參考文獻

出版者的話2100433B

版　次：1頁　數：209字　數：188000 印刷時間：2008-3-1開　本：大32開紙　張：膠版紙 印　次：1I S B N：9787508452258包　裝：平裝

本書系統(tǒng)介紹了作者近些年來在高拱壩地質力學模型試驗相關的各方面的最新研究成果及其在國內高拱壩工程中的應用。本書主要針對模型試驗相似材料、模型砌筑技術、試驗設備、加載系統(tǒng)、數據測量以及基于地質力學模型試驗的高拱壩整體穩(wěn)定和加固評價理論方法進行了敘述，具有很強的理論和實際指導意義。本書還對溪洛渡、白鶴灘、大崗山和小灣等高拱壩的地質力學模型試驗進行了詳細介紹，從破壞模式、加固效果評價及壩內裂縫對拱壩的影響等方面進行了全面分析，闡述了采用地質力學模型試驗進行高拱壩穩(wěn)定和加固的分析和評價方法。

本書注重理論、方法、技術與工程應用的緊密結合，提出的地質力學模型試驗方法在國內大部分高拱壩中得到成功應用，獲得的研究成果有效地指導了國內高拱壩的穩(wěn)定分析和加固設計。

本書可供從事水電工程領域的設計、科研和試驗技術人員使用，可以給交通、采礦和能源等其他與巖體結構相關的專業(yè)人員提供有益幫助，也可以作為高等院校相關專業(yè)研究生和本科生的教學用書。

第1章緒論

1.1地質力學模型試驗的意義

1.1.1地質力學模型試驗

1.1.2工程背景

1.1.3地質力學模型試驗的必要性

1.2地質力學模型試驗的研究現狀

1.2.1地質力學模型試驗的發(fā)展

1.2.2高拱壩地質力學模型試驗研究進展

1.3地質力學模型試驗的發(fā)展趨勢

參考文獻

第2章地質力學模型試驗的相似理論

2.1相似理論基礎

2.1.1基本概念

2.1.2量綱分析

2.1.3相似第一定理

2.1.4相似第二定理

2.1.5相似第三定理

2.2相似關系分析和結構模型分類

2.2.1方程分析法

2.2.2量綱分析法

2.2.3定律分析法

2.2.4相似模型

2.3地質力學模型試驗的相似條件

2.3.1相似比尺

2.3.2靜力結構模型的相似判據

2.4考慮時效的模型試驗相似理論

2.5小結

參考文獻

第3章地質力學模型試驗相似材料及模型加工技術

3.1模型試驗材料

3.1.1模型試驗材料特性

3.1.2模型試驗材料分類

3.1.3材料試驗和配比確定

3.2小塊體砌筑技術

3.2.1小塊體砌筑技術簡介

3.2.2小塊體制作

3.2.3壩拱壩體砌筑和雕琢

3.2.4裂隙巖體模擬

3.2.5斷層、破碎帶模擬

3.3基礎處理措施模擬技術

3.3.1建基面混凝土置換

3.3.2深部混凝土置換

3.3.3大壩貼角模擬

3.3.4預應力錨索模擬

3.4小結

參考文獻

第4章模型試驗裝置和加載系統(tǒng)

4.1模型試驗裝置

4.1.1基座式試驗槽

4.1.2鋼架式試驗槽

4.1.3新型多功能模型試驗平臺

4.1.4其他新型模型試驗平臺

4.2模型荷載模擬

4.2.1重力荷載

4.2.2靜水荷載

4.2.3聯合的合成荷載模擬

4.2.4滲透壓力模擬

4.2.5地應力荷載模擬

4.2.6洞室內壓

4.3拱壩水壓力模型荷載計算

4.3.1基本參數

4.3.2每層單位寬度內的集中力計算

4.3.3集中力垂直作用位置

4.3.4集中力的水平坐標位置和大小

4.4模型加載設備

4.4.1手工油泵千斤頂加載

4.4.2多點伺服加載系統(tǒng)

4.5小結

參考文獻

第5章數據采集和監(jiān)測

5.1應變測量原理

5.1.1測量原理

5.1.2線路分析

5.1.3溫度補償

5.1.4橋路

5.1.5光纖測量

5.2數據采集

5.2.1應變測量及應力計算

5.2.2位移測量方式

5.2.3絕對位移的測量

5.2.4相對位移的測量

5.2.5溫度測量

5.3破壞監(jiān)測

5.3.1攝像頭監(jiān)測

5.3.2聲發(fā)射

5.4數據處理和結果分析

5.4.1測量結果的誤差分析

5.4.2統(tǒng)計分析

5.4.3試驗精度的影響因素

5.5小結

參考文獻

第6章基于地質力學模型試驗的高拱壩穩(wěn)定評價分析

6.1整體穩(wěn)定的評價準則

6．2基于地質力學模型試驗的國內高拱壩安全穩(wěn)定評價

6．3試驗位移分布與整體穩(wěn)定性的關系

6．3．1大崗山拱壩模型試驗整體安全度

6．3．2拱梁及壩周順河向位移分析

6．3．3拱壩位移方向角分析

參考文獻

第7章溪洛渡拱壩地質力學模型試驗及破壞模式分析

7．1概述

7．2地質力學模型試驗

7．2．1模型砌筑

7．2．2加載布置

7．2．3測點布置

7．2．4數據采集系統(tǒng)和破壞監(jiān)控系統(tǒng)

7．3試驗結果分析

7．3．1壩體位移分布

7．3．2壩體應力分布

7．3．3壩肩巖體變形分布

7．3．4層間層內錯動帶相對位移分布規(guī)律

7．3．5破壞形態(tài)及機理

7．3．6整體安全度和破壞分析評價

7．4試驗主要結論

參考文獻

第8章基于地質力學模型試驗的大崗山拱壩加固效果分析

8．1工程概況

8．2地質力學模型試驗

8．2．1模型試驗設計

8．2．2壩基裂隙巖體模擬

8．2．3斷層模擬

8．2．4基礎加固模擬

8．2．5加載及量測系統(tǒng)

8．3試驗結果分析

8．3．1壩體位移分析

8．3．2應力分析

8．3．3超載位移分析

8．3．4開裂破壞過程分析

8．3．5整體穩(wěn)定評價

8．4加固措施影響評價

8．4．1應力影響

8．4．2變形影響

8．4．3超載破壞模式影響

8．4．4整體穩(wěn)定性影響

8．5與數值模擬的對比

8．5．1位移對比

8．5．2應力對比

8．5．3開裂破壞對比分析

8．5．4加固措施效果對比

8．5．5整體穩(wěn)定

8．6試驗主要結論

參考文獻

第9章不對稱拱壩地質力學模型試驗及與數值模擬的對比

9．1工程概況

9．2地質力學模型試驗

9．2．1相似比參數選擇

9．2．2模型模擬范圍

9．2．3測點布置

9．3試驗結果分析

9．3．1壩體位移分析

9．3．2正常水載下壩體的應力分布

9．3．3壩體超載變形及開裂

9．3．4巖基變形及破壞機制

9．3．5各平切高程的開裂和破壞結果分析

9．3．6壩踵和壩趾開裂

9．3．7壩肩滑塊的破壞情況

9．4與數值模擬成果的對比

9．4．1壩踵開裂對比

9．4．2壩趾破壞和不平衡力計算結果對比

9．5試驗主要結論

參考文獻

第10章有縫高拱壩的地質力學模型試驗

10．1概述

10．2地質力學模型試驗

10．2．1模型試驗設計

10．2．2模型砌筑

10．2．3壩體裂縫的模擬

10．2．4模型試驗裝置

10．2．5監(jiān)測點布置

10．3試驗結果分析

10．3．1應力分析

10．3．2變位分析

10．3．3內部觀測分析

10．3．4開裂破壞研究

10．4試驗主要結論

參考文獻

附錄A變形加固理論簡介

A．1結構的穩(wěn)定和失穩(wěn)

A．2高拱壩整體穩(wěn)定性評價

A．3變形加固理論的有限元表述及局部破壞評價

A．4小結

參考文獻2100433B

隨著我國國民經濟的快速發(fā)展，西南、西北等地區(qū)的水利水電建設取得了蓬勃發(fā)展。一大批高拱壩，例如溪洛渡（285.5m）、小灣（292.5m）、錦屏（305m）、大崗山（210m）等已經接近完工，另外一些高拱壩，例如白鶴灘（287m）、松塔（313m）、馬吉（290m）等處于設計之中。這些高拱壩無一例外都處在河谷陡峻、高地應力的復雜地形地質賦存環(huán)境中，對高拱壩工程的安全有著巨大的影響。

高拱壩的安全性主要受大壩基巖控制，壩肩穩(wěn)定是其安全的核心問題。伴隨著巖石力學理論和計算技術的發(fā)展，拱壩設計水平得到了很大的發(fā)展。穩(wěn)定分析和加固設計也取得了很大的進展。但是由于高拱壩賦存的地質環(huán)境的復雜性，傳統(tǒng)的理論解析方法難以處理巖體的非線性特征，飛速發(fā)展的數值模擬技術在巖體裂隙模擬及破壞仿真方面，也具有自身的局限性。而地質力學模型試驗，以其直觀、形象和巖體模擬的真實性成為高拱壩整體作用機理、破壞分析和加固設計的重要手段。尤其是對于我國的300m級高拱壩，更需要通過地質力學模型試驗，深入研究其破壞模式，對其進行有針對性的加固設計，以保證大壩的安全可靠運行。

清華大學水利系水工結構實驗室在1956年開始進行拱壩的地質力學模型試驗研究，是國內最早開展拱壩地質力學模型試驗的單位。先后完成了青石嶺、龍羊峽、李家峽、東風、緊水灘、二灘、銅頭、拉西瓦、大崗山、錦屏一級、溪洛渡、小灣、白鶴灘等高拱壩的地質力學模型試驗研究，為這些高拱壩的穩(wěn)定分析和加固設計提供了科學依據。相關加固設計建議也已經成功應用到工程實踐中。地質力學模型試驗的相關創(chuàng)新性研究成果也獲得了國家科技進步二等獎。同時，也編入了我國的水利行業(yè)標準《混凝土拱壩設計規(guī)范》（SL282—2003）和電力行業(yè)標準《混凝土拱壩設計規(guī)范》（DL/T5436—2006），以及2011年修訂的《水工設計手冊》（第5卷混凝土壩）中。

本書共分10章。第1章為緒論，介紹了高拱壩地質力學模型試驗及發(fā)展現狀；第2章介紹了地質力學模型試驗的理論基礎——相似理論；第3章介紹了地質力學模型試驗相似材料的研制及模型加工技術的開發(fā)，重點闡述了能較好同時模擬巖體結構變形和強度特點的小塊體砌筑技術；第4章針對模型試驗裝置和加載系統(tǒng)，闡述了模型試驗臺和多點伺服加載設備的研制；第5章闡述了數據采集和破壞監(jiān)測，介紹了小尺寸、低成本的內部位移計和外部位移計的研制；第6章介紹了基于地質力學模型試驗的高拱壩穩(wěn)定評價理論，提出了整體穩(wěn)定性的評價指標，并分析了拱壩位移分布與整體穩(wěn)定性的關系；第7~10章分別介紹了溪洛渡、大崗山、白鶴灘和小灣等4個典型高拱壩的地質模型試驗情況，其中第7章重點闡述了溪洛渡拱壩的破壞模式及內在成因；第8章重點介紹了大崗山拱壩的加固效果評價；第9章重點介紹了白鶴灘這一典型不對稱高拱壩的模型試驗及與數值模擬的對比研究；第10章介紹了壩體內部存在裂縫的高拱壩的地質力學模型試驗情況。

本書的研究成果和出版得到國家自然科學基金面上項目、水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室科研項目、教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃的資助，作者在此深表謝意！

本書是清華大學水利系水工結構實驗室近十年在地質力學模型試驗方面的理論研究和工程實踐的總結，包含了試驗技術和高拱壩穩(wěn)定分析理論方面的研究成果。參加本書研究工作的還有沈大利、張瀧、何柱、程立、武哲書、潘元煒、常強、鄧檢強、呂慶超、宋子亨、呂征、林聰、官福海、王峻、李波、崔智雄、冷曠代等。本書的研究成果也得到了中國水電顧問集團所屬的多個勘測設計研究院的大力支持和幫助，在此一并致謝！

由于作者水平有限，書中難免存在疏漏和欠妥之處，敬請讀者批評指正。

作者

2015年12月于清華園