大崗山水電站壩區(qū)輝綠巖流變特性的三軸試驗

針對壩區(qū)開挖高邊坡煤系地層軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特點,設(shè)計和開發(fā)飽水條件,軟弱結(jié)構(gòu)面剪切流變試驗裝置,系統(tǒng)開展高邊坡煤系地層中軟弱結(jié)構(gòu)面的時效變形特性研究,尤其是通過長達近1a的流變力學(xué)試驗,應(yīng)用burgers流變本構(gòu)方程,建立各種類型軟弱結(jié)構(gòu)面的綜合時效本構(gòu)方程,獲取壩區(qū)煤系地層軟弱結(jié)構(gòu)面的長期強度參數(shù)。剪切流變試驗結(jié)果表明,飽水狀態(tài)下軟弱結(jié)構(gòu)面長期強度參數(shù)c值為57～160kpa,φ值為12°～18°,比利用攜剪試驗所獲得的軟弱結(jié)構(gòu)面飽水快剪強度參數(shù)折減約60%。研究結(jié)果為水庫蓄水運行期的邊坡安全反饋分析、變形機制、邊坡加固防治對策的采取及支護設(shè)計優(yōu)化提供重要的理論依據(jù),也為類似工程邊坡軟弱結(jié)構(gòu)面提供具有參考價值的本構(gòu)模型。

根據(jù)大崗山水電站廠壩區(qū)工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件,采用三維有限元法,在反演分析天然滲流場的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究施工期滲流場特性,為設(shè)計提供依據(jù)。

大渡河大崗山水電站壩區(qū)斷裂的發(fā)育和空間分布與輝綠巖脈關(guān)系密切,規(guī)模小,優(yōu)勢產(chǎn)狀為南北走向、西傾、中-陡傾角,以脆性變形為主。通過石英形貌分析結(jié)果和電子自旋共振測年說明研究區(qū)內(nèi)的斷裂的主要活動時期是早更新世-晚上新世。

針對大崗山水電站壩區(qū)v型河谷地形地貌特征,根據(jù)地應(yīng)力實測資料及地質(zhì)構(gòu)造條件,考慮邊坡淺表全風(fēng)化、強風(fēng)化地層以及斷層破碎帶對壩區(qū)初始地應(yīng)力場的影響,建立了壩區(qū)初始地應(yīng)力場三維回歸計算分析模型。通過多元回歸三維數(shù)值計算,求得地應(yīng)力最優(yōu)回歸系數(shù),較為準(zhǔn)確地反演了大崗山壩區(qū)的初始地應(yīng)力場。計算結(jié)果表明,大崗山壩區(qū)初始地應(yīng)力場是一個在淺部以構(gòu)造應(yīng)力為主、在深部以自重應(yīng)力為主、由構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力聯(lián)合組成的中等偏高的地應(yīng)力場,研究結(jié)果為壩區(qū)邊坡開挖及長期穩(wěn)定性分析提供了重要依據(jù)。

大崗山水電站樞紐大壩為雙曲拱壩,壩址地質(zhì)條件復(fù)雜,外圍區(qū)域性斷裂發(fā)育,壩址區(qū)小斷層遍布。本文通過對壩址區(qū)范圍內(nèi)小斷層的性狀、特征分析,采用構(gòu)造地質(zhì)法、地貌法和測年法對壩址區(qū)小斷層活動性進行研究,得出壩址區(qū)小斷層早更新世以來不具活動性,其成果對大壩的設(shè)計及運行具有重要意義。

根據(jù)大崗山水電站廠壩區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,采用三維有限元法,對廠壩區(qū)天然滲流場進行反演分析,確定出天然滲流場的滲流模型、滲透參數(shù)和邊界條件,作為施工期和運行期滲控方案研究的依據(jù)。

介紹了大崗山拱壩壩基巖體透水性、地下水分布規(guī)律,壩區(qū)構(gòu)造特點及對滲透性的影響。根據(jù)壩區(qū)水文地質(zhì)條件及滲流特性,重點研究拱壩滲流控制措施設(shè)計,并采用單個排水孔解析理論、密集排水孔模擬方法以及干區(qū)虛擬流動不變網(wǎng)格法進行三維滲流分析,論證滲流控制措施效果。對不同方案及工況進行分析,得到壩基滲流量、揚壓力折減系數(shù)等關(guān)鍵設(shè)計指標(biāo)。通過分析論證,最終優(yōu)選的滲控措施能夠滿足拱壩安全需要。

以設(shè)計優(yōu)化滲控方案計算出的滲流場為基礎(chǔ),采用三維有限元法,研究運行期滲透壓力對拱壩壩體變形和應(yīng)力的影響。

為了保證大崗山水電站截流工程成功實施,進行了截流模型試驗研究。通過對大崗山水電站工程截流方案的試驗研究,獲得了截流過程龍口的水流特性,確定了不同龍口寬度時拋投材料的粒徑和合理的拋投強度,推薦采用單戧雙向截流的較優(yōu)方案,為工程截流的實施提供了科學(xué)依據(jù)。

大崗山水電站右岸邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜,地應(yīng)力較高,發(fā)育有輝綠巖脈、中傾坡外的斷層、卸荷裂隙密集帶等不利組合體,邊坡穩(wěn)定性問題極為突出。將實際微震監(jiān)測技術(shù)與有限差分?jǐn)?shù)值軟件flac~(3d)結(jié)合,對抗剪洞加固前、后的邊坡穩(wěn)定性以及巖-洞兩體的相互作用進行分析。指出邊坡開挖過程中巖體空間損傷劣化的微震活動規(guī)律和可能發(fā)生坡體失穩(wěn)的潛在滑動面位置。研究發(fā)現(xiàn)抗剪洞起到了很好的加固作用,加固后潛在滑體產(chǎn)生的位移幾乎不到加固前的一半、坡體的安全系數(shù)提高了36.2%及微震監(jiān)測得到的微震事件降低了約66.4%。

大崗山水電站混凝土高拱壩施工過程受地形地質(zhì)條件、壩體結(jié)構(gòu)形式、施工工藝、澆筑機械及施工材料等諸多因素影響,使得施工進度計劃安排和資源優(yōu)化配置非常復(fù)雜。通過研究開發(fā)大崗山水電站高拱壩施工進度動態(tài)仿真分析系統(tǒng),對大壩施工進度進行動態(tài)實時仿真分析,提出了與現(xiàn)場生產(chǎn)條件相匹配的最佳資源配置計劃和進度計劃,合理安排了施工進度計劃,實現(xiàn)了對后續(xù)施工方案的實時調(diào)整與優(yōu)化。

大崗山水電站右岸壩肩邊坡具有高地應(yīng)力、高地震烈度、卸荷風(fēng)化強烈的顯著特點,受巖脈、卸荷裂隙、斷層切割影響,形成了一系列關(guān)鍵塊體,而在開挖過程中,這些塊體底部剪出口附近受到開挖卸荷、爆破震動和地下水作用等因素的影響,出現(xiàn)了沿邊界結(jié)構(gòu)面的多次變形開裂與錯動。對右岸開挖邊坡變形開裂的機理進行深入研究,從邊坡的開挖穩(wěn)定、變形及塑性破壞區(qū)等方面,對原設(shè)計擬定的三種深層加固方案進行比選分析,選用方案二作為推薦優(yōu)化方案。為了保證深層抗剪結(jié)構(gòu)施工過程的整體穩(wěn)定性,建議先開挖并回填低高程的三層抗剪洞,然后再進行高高程的抗剪洞施工。

大崗山水電站右岸壩肩邊坡具有高地應(yīng)力、高地震烈度、卸荷風(fēng)化強烈的顯著特點,受巖脈、卸荷裂隙、斷層切割影響,形成了一系列關(guān)鍵塊體,而在開挖過程中,這些塊體底部剪出口附近受到開挖卸荷、爆破震動和地下水作用等因素的影響,出現(xiàn)了沿邊界結(jié)構(gòu)面的多次變形開裂與錯動。對右岸開挖邊坡變形開裂的機理進行深入研究,從邊坡的開挖穩(wěn)定、變形及塑性破壞區(qū)等方面,對原設(shè)計擬定的三種深層加固方案進行比選分析,選用方案二作為推薦優(yōu)化方案。為了保證深層抗剪結(jié)構(gòu)施工過程的整體穩(wěn)定性,建議先開挖并回填低高程的三層抗剪洞,然后再進行高高程的抗剪洞施工。

大崗山水電站壩址區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜,地震烈度高,樞紐布置難度大。根據(jù)壩址區(qū)水文地質(zhì)條件,樞紐布置采取混凝土雙曲拱壩擋水,壩身深孔、右岸泄洪洞泄洪及水墊塘、二道壩消能防沖,以及左岸引水發(fā)電系統(tǒng),很好地利用了上、下游兩個河灣地形,使左岸引水發(fā)電系統(tǒng)和右岸泄洪建筑物都能裁彎取直布置,在保證水流順暢的同時,節(jié)約了工程投資。

大崗山水電站工程場地地震安全性評價表明,工程所在區(qū)域斷裂帶活動性強,工程場地基本烈度為ⅷ度,100a超越概率2%的基巖場地水平峰值加速度為557.5gal,大崗山拱壩設(shè)防地震加速度為目前國內(nèi)外已建和在建工程之首,抗震安全成為工程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題。通過深入開展地震動力反應(yīng)分析、抗震性能評價及抗震措施設(shè)計研究,認(rèn)為在強震作用下,壩踵部位、底部壩基面和壩體中上部梁向為抗震薄弱部位。通過配置梁向鋼筋和跨橫縫阻尼器,可顯著改善強震下壩體損傷程度并減小橫縫開度。采取上述抗震措施后,在設(shè)計地震下,壩體整體安全;在校核地震下,壩體整體穩(wěn)定,并具有較高的安全裕度。

針對低堿度軟水條件下水泥灌漿帷幕的耐久性,采用加速腐蝕的室內(nèi)試驗方法,以溶出性ca2+量為評價指標(biāo),研究了滲透壓力、hco-3濃度、漿液配合比和水溫等因素對帷幕耐久性的影響程度和規(guī)律。在高水頭和低堿度軟水作用下,100年后大崗山水電站壩基帷幕結(jié)石體性能將會出現(xiàn)一定下降,但幅度不大,不會對帷幕防滲體系產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。試驗所采用的研究方法和成果可為類似工程提供參考。

大崗山水電站拱壩壩身泄洪流量大、水頭高,泄洪消能是工程的關(guān)鍵技術(shù)難題之一?；谏羁仔购闀r流態(tài)、泄流能力、水墊塘內(nèi)動水壓力及流速水力學(xué)原型觀測成果、工程實際運行效果,對水墊塘的水力特性進行分析,論證了當(dāng)前深孔及水墊塘泄洪運行的安全性,并對工程的合理化運行、下一步研究提出了建議。

為確保大崗山水電站2008年施工期安全渡汛,保護已建工程免受洪水毀損,進行了施工渡汛水力學(xué)模型試驗研究.通過水工模型試驗,對設(shè)計渡汛方案進行了對比試驗并提出了推薦方案,觀察了渡汛時全河床過流時的水流流態(tài),測試了上、下游圍堰堰面過流時的水面線、流態(tài)、脈動壓力、流速分布等水力特性并觀測了圍堰堰面過流時的沖刷及破壞情況;通過動床試驗,研究了汛期基坑不同堆渣高程河床過流時的水流流態(tài),下游石渣的沖刷流失情況;為大崗山水電站的安全渡汛設(shè)計及施工提供了可靠的科學(xué)依據(jù).

通過對二灘水電站右壩肩纖閃石化玄武巖軟弱巖帶的實地調(diào)查,并結(jié)合室內(nèi)及現(xiàn)場流變試驗結(jié)果,建立了該軟弱巖帶的流變模型——三參數(shù)固體模型。應(yīng)用曲線求參及有限元反演方法獲得兩組流變參數(shù),并在此基礎(chǔ)上對現(xiàn)場巖體的流變參數(shù)進行預(yù)測,從而確立了該軟弱巖帶的本構(gòu)方程。隨后,引進金屬材料研究領(lǐng)域的成果,利用“轉(zhuǎn)換法”求得各級正應(yīng)力下的長期抗剪強度,并對現(xiàn)場巖體的長期抗剪強度參數(shù)進行了預(yù)測。

利用土體流變試驗機對溫州地區(qū)水泥土進行了流變試驗,研究結(jié)果顯示:水泥土具有較強的流變性,水泥土的流變特性隨軸向應(yīng)力水平的增大而加劇;同一圍壓下,軸向應(yīng)力水平越大,應(yīng)變速率也越大;水泥土的瞬時變形非常顯著;隨著圍壓的增大,流變變形有減小的趨勢,圍壓對水泥土的流變變形起限制作用.水泥土的流變特性可以采用經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃腿Sburgers模型進行描述.對水泥土的電鏡照片進行分析,發(fā)現(xiàn)水泥土內(nèi)部存在著許多裂紋、孔隙等初始損傷.隨著應(yīng)力水平提高,水泥土體內(nèi)部出現(xiàn)新的損傷;應(yīng)力水平越大,持續(xù)時間越長,損傷積累越多,因此水泥土流變特性隨應(yīng)力和時間增加而加劇,穩(wěn)態(tài)速率增加.

綠片巖三軸流變力學(xué)特性的研究i試驗結(jié)果——為了解錦屏一級水電站壩基綠片巖的流變力學(xué)特性，采用巖石全自動流變伺服儀對綠片巖進行了三軸壓縮流變試驗?；谠囼灲Y(jié)果，研究了綠片巖在不同圍壓作用下的軸向應(yīng)變以及側(cè)向應(yīng)變隨時間的變化規(guī)律，討論了流變特性對...

根據(jù)大崗山水電站施工導(dǎo)流期壩肩開挖巖石時石渣落入河中,形成河床堆渣,產(chǎn)生土石圍堰過流度汛的工程情況,為此,采用水工模型試驗的方法,確定上下游圍堰高程以及基坑堆渣的部位和高程,為大崗山水電站過水土石圍堰安全有效的度汛提供設(shè)計依據(jù)。