[0069]
[0070] 其中ξi参表示Vi邻域V|V-Vi|≤λ,λ>0中包含Vj的个数,Vj为与Vi相邻最近的k个观值,j≠i。
[0071] 根据高拱坝地质力学模型综合法试验的变形监测数据序列及变形趋势特点,建议数据分段选取方法如下:
[0072] 设L为数据序列长度内的测值总数,ε=int|L/m|,m根据地质力学模型综合法试验的试验步实际情况确定,i为某个数据在整个序列中的位置1≤i≤L。
[0073] (a)当ε≤i≤L-ε时,取i-ε至i+ε个观测值作为Vi的搜索邻域。
[0074] (b)当i<ε或i>L-ε时,取[1,2i-1]或[2i-n,n]作为Vi的搜索邻域。当少于6个测点时,可取3~5个周围相邻测点进行搜索。
[0075] 3)综合法试验监测数据异常的评价标准
[0076] 在高拱坝地质力学模型综合法试验中,以相邻部位的变形监测数据为计算分析对象,由可信度分布密度函数 可知,若Vi是初裂、大变形、极限失稳的异常值,则大多数测点在这三个阶段的可信度会出现明显的下降和
波动的变化趋势,可信度变化呈现出三个阶段的聚集性变化规律,与模型试验中初裂、大变形和极限失稳的三阶段过程存在一定对应关系;若为其它异常,则只有少数测点的可信度发生下降波动,且分布较为散乱。
[0077] 优选的,在所述S1中,以坝体、坝肩和结构的大变异常程度为基础,对拱坝的整体稳定安全度进行综合评价,重要评价指标放在前面,次要指标放在后面,建立综合法试验安全度评价指标体系。
[0078] (2)综合法试验安全度评价指标体系:
[0079] 1)评价指标选取:由于高拱坝稳定是一个复杂的系统问题,影响高拱坝稳定的因素较多。地质力学模型试验可以较真实的模拟高拱坝稳定状态的演化过程,然而由于模型试验技术及监测技术的局限性,模型的破坏失稳过程是一个“灰色”的过程。在认识有限的情况根据模型试验成果评价拱坝安全度,需选取能直接反映其稳定状态变化的监测指标,不可能将所有方面的因素都加以考虑。目前,地质力学模型试验的成果分析主要依据模型外部和内部测点的变形分布及发展过程,并辅助于破坏过程的开裂及裂缝贯通的现场观测和记录资料,模型开裂过程需要结合现场观测,由于坝体上游面和两岸坝肩上有大量的加载设备和监测设备分布,模型的开裂无法实现实时监测,且模型开裂破坏过程无法定量描述。因此获得各试验步下,关键变形测点的变形分布及发展过程是进行拱坝稳定分析的关键,本发明中基于地质力学模型综合法试验的拱坝稳定安全度指标的选取重点以模型变位监测为主。
[0080] 地质力学模型综合法试验变形监测按部位区域不同分为坝体变形、坝肩表面变位和结构面相对变位三种变形监测数据类型,其中坝体变形监测分为坝体变位和坝体应变,坝肩表面变形监测分为顺河向变位和横河向变位,结构面相对变形监测为结构面内部的相对变位。每种监测项目由多个测点组成,底层监测点的反映了本区域的稳定安全状态。因而本发明选取坝肩表面顺河向变位、坝肩表面横河向变位、坝体变位、坝体应变及结构面相对变位作为拱坝安全度的评价指标。
[0081] 2)拱坝综合法试验安全度评价体系:在模型试验中,随着荷载逐渐增大,在坝体推力的作用下,坝肩岩体的表面变位、坝体变位等逐渐增加,当变位出现较大的波动、反向或快速增加时,往往在该测点部位能观测到模型的开裂破坏,即拱坝与地基出现了大变形,当出现变位量值较大且变位增长速率较快时,拱坝与地基往往也出现了整体失稳的趋势,也即出现极限失稳状态。
[0082] 在地质力学模型综合法试验中,以各个区域的变形监测数据为基础,进行拱坝综合法试验安全度评价,即以各个区域(坝体、坝肩和结构)的大变异常程度为基础,对拱坝的整体稳定安全度进行综合评价。因此,按照突变理论的要求,相对重要评价指标放在前面,次要指标放在后面,拱坝综合法试验安全度评价指标体系如图2所示。
[0083] 在
中间层评价指标的相对重要性方面,拱坝稳定性主要受两坝肩抗力体的影响,目前主要是以变形稳定分析为主,这是拱坝失稳破坏的主要因素,同时考虑高拱坝地质力学模型试验的变形监测数据特征,因此两坝肩的表面变位是第一考虑指标。同时坝体变位也能直观的反应拱坝整体受力状态,特别是对于拱冠梁变位,往往也是模型试验中关注的重点,因此坝体变位作为第二考虑的指标。模型中结构面相对变位反映了拱坝深层结构面的破坏情况,但由于测点在结构面内部,敏感性相对于坝体、坝肩的变位较差,因此属于次要因素。综上,中间层的各指标相对重要性排序为:坝肩表面变位>坝体变形>结构面相对变位。
[0084] 在底层评价指标的相对重要性方面,对于坝肩表面变位而言,顺河向变位反映拱坝和地基整体向下游变形趋势,横河向变位反映坝肩向河谷变位,反映的是局部变形,且大多数监测点的顺河向变形值均比横河向大,所以顺河向变位更能反映整体稳定状态变化,其相对重要性为顺河向坝肩表面变位>横河向坝肩表面变位。在坝体变位方面,由于受坝体材料非线性特性的限制,坝体应变值不能换算成坝体应力,是反映坝体破坏程度的间接指标,而变位直接反映了坝体破坏程度的直接指标,所以坝体变位为主要控制因素,坝体应变次之,其相对重要性为坝体变位>坝体应变。
[0085] 优选的,在所述S2中,从中间层到目标层的突变模型中,突变模型为燕尾型;从最底层到中间层的突变模型中,突变模型为尖点型;结构面相对变位有1个最底层指标,其突变模型为折叠型。
[0086] 从中间层到目标层的突变模型中,拱坝稳定安全状态有3个中间层评价指标,与燕尾型突变模型的控制变量的个数一致,其突变模型为燕尾型。同理,从最底层到中间层的突变模型中,坝体变位和坝肩表面变位均有2个最底层指标,其突变模型均为尖点型,结构面相对变位有1个最底层指标,其突变模型为折叠型,拱坝综合法试验安全度评价突变模型见表1所示。
[0087] 表1拱坝综合法试验安全度评价突变模型
[0088]
[0089] 优选的,在所述S3中,所述标准化处理计算公式如下:
[0090]
[0091] 式中xmax和xmin分别代表评价指标的最大值和最小值。
[0092] 综合考虑地质力学模型综合法试验的变形监测数据分布特征,本发明选取大变形异常率作为各区域稳定状态评价指标。大变形异常率表示当荷载逐渐增大至某一超载系数时,模型各区域(坝体、坝肩或结构面)中发生大变形异常的监测点数量占该区域监测点总数量的百分比。通常来讲,大变形异常率越大,表示该区域的破坏程度大,也从整体上反映了拱坝稳定安全性越低。因此,大变形异常率为拱坝综合法试验安全度评价的负指标,首先,它综合反映了各区域内的地质构造、断层分布对拱坝整体稳定安全性的影响,其次,反映了坝肩、结构面和坝体的不同部位的变形情况,大变形异常率越大,说明区域内破坏程度越大。根据高拱坝地质力学模型综合法试验的破坏过程和破坏形态,各评价指标控制点的选取原则如下:
[0093] 典型性:控制点的监测数据能够度量和反映某个区域在不同超载阶段的破坏状态和破坏过程。
[0094] 均匀性:在空间上,控制点断面应尽量满足沿顺河向均匀分布,在高程上,各控制点沿控制断面或结构面从坝顶至河床均匀分布。
[0095] 稳定性:选取地质力学模型的稳定性较高区域设置控制点,以减少模型材料、人为因素等外来因素对变形监测数据的影响。
[0096] 在模型综合法试验评价指标中,由于最底层评价指标之间的取值范围、度量单位、评价准则均不相同,各指标之间无法进行比较,需将各底层指标进行标准化处理,转化为0~1之间无量纲的数据。结合模型试验变形监测数据的特点,采用“越小越好”型对所有评价指标数据进行标准化处理,即大变形异常率越小,对应的拱坝稳定安全程度就越高,[0097] 优选的,在所述S4中,
[0098] 尖点型突变模型,其分歧集方程的分解表达式:
[0099]
[0100] 其中xu,xv是对应u和v的x值。当x=1时,则u=-6,v=8,因此可得状态变量x和控制变量u、v的取值范围为|x|∈[0,1],|u|∈[0,6],|v|∈[0,8]。为了达到将控制变量和状态变量的取值范围统一控制在0~1的区间内,需将u取值范围缩小6倍,v取值范围缩小8倍,由此得到其归一化公式为:
[0101]
[0102] 优选的,在所述S6中,根据高拱坝地质力学模型综合法试验变形监测数据的时间和空间分布特征,以坝肩、坝体和结构面的三个部位变形监测数据为基础,对各评价指标的相对重要性进行了排序,建立了拱坝综合法试验安全度评价体系;采用突变级数法计算出综合法试验中不同超载系数下拱坝安全总突变级数值,绘制总突变级数值与超载系数关系曲线图,根据总突变级数与超载系数关系曲线的拐点获得高拱坝综合法试验安全系数,全面评价拱坝工程的整体稳定安全性,为工程的设计施工、加固处理、长期运行等提供重要参考。
[0103] 有益效果
[0104] 相比于现有技术,本发明的优点在于:
[0105] 1.本发明采用未确知滤波法计算变形监测数据的可信度,根据可信度与超载系数的关系曲线分析可知,随着超载系数的逐渐增大,可信度变化呈现出三个阶段的聚集性变化规律,与模型试验初裂、大变形和极限失稳的三阶段破坏过程存在一定对应关系,为初裂、大变形和极限失稳的数据异常识别提供了科学的方法和依据。
[0106] 2.本发明还在最终安全度评价方法方面,建立了基于突变级数法的高拱坝综合法试验安全度评价体系。采用突变级数法计算综合法试验各超载阶段的总突变级数值,结果表明:总突变级数值随着超载系数的增加而逐渐减小,表征拱坝随着超载系数增加逐渐趋于失稳的破坏过程,根据总突变级数与超载系数关系曲线的拐点,可以获得高拱坝综合法试验安全系数。
附图说明
[0107] 图1为本发明典型点位移-超载系数关系曲线;
[0108] 图2为本发明中拱坝综合法试验安全度评价体系;
[0109] 图3为本发明
实施例中各类变温相似材料τm~T关系曲线;
[0110] 图4为本发明实施例中锦屏一级拱坝模型坝体变位的测点布置图;
[0111] 图5为本发明实施例中锦屏一级拱坝模型坝体应变的测点布置图;
[0112] 图6为本发明实施例中模型坝体上游加载系统分层分块图;
[0113] 图7为本发明实施例中坝体典型监测点可信度与超载系数关系曲线(右岸拱端);
[0114] 图8为本发明实施例中坝体典型监测点可信度与超载系数关系曲线(左岸拱端);
[0115] 图9为本发明实施例中坝体典型监测点可信度与超载系数关系曲线(拱冠);
[0116] 图10为本发明实施例中坝肩典型监测点可信度与超载系数关系曲线(顺河向);
[0117] 图11为本发明实施例中坝肩典型监测点可信度与超载系数关系曲线(横河向);
[0118] 图12为本发明实施例中拱坝总突变级数值和超载系数关系曲线。
具体实施方式
[0119] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述;显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0120] 以锦屏一级高拱坝为例
[0121] 基本工况概况
[0122] 锦屏一级
水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内,是雅砻江干流上的重要
梯级电站,其混凝土双曲拱坝最大坝高305m,是目前已建成的世界第一高拱坝,电站总装机3600MW,枢纽建成后的主要任务是发电。高拱坝坝址区地质条件复杂,存在断层、蚀变岩脉、层间
挤压带、节理裂隙及深部裂缝等各类软弱结构面,坝肩坝基岩体非均匀性、非线性、非连续性和
各向异性现象突出,坝址区河道顺直,河流流向N25°E,河谷为典型的深切“V”型峡谷,相对高差1500m~1700m。左岸为反向坡,上为砂板岩,下为大理岩;右岸为顺向坡,全为大理岩,下陡上缓。拱坝坝肩岩体受地质构造作用影响强烈,岩体内断层、层间挤压错动带、节理裂隙等发育,对坝与地基的整体稳定产生较大影响。对坝体稳定影响较大的地质构造如左岸断层f5、f2、f8、f42-9、f9、F1,挤压带g,煌斑岩脉X、深部裂缝;右岸断层f13、f14、f18,绿片岩透镜体,近SN向陡倾裂隙等。为使坝体达到良好的受力状态、满足拱座的抗滑稳定与变形稳定等要求,工程上采取了大量的加固措施,如对坝肩坝基的断层、破碎带采用坝肩垫座、混凝土网格洞塞置换、刻槽置换、传力洞、固结灌浆等。加固后,坝肩的整体稳定性以及坝肩坝基的加固效果如何是工程上关心的重要问题。
[0123] 为了分析加固处理后,拱坝及坝肩坝基的整体稳定性及安全性,评价加固效果,本研究采用三维地质力学模型综合法试验进行研究,对坝址区地形、地质条件,包括岩体断层、X煌斑岩脉、裂隙等主要地质
缺陷及加固处理方案进行模拟,抓住影响大坝安全的主要因素,根据岩体力学参数及结构面参数,研制适合锦屏工程地质条件的变温相似材料进行模拟,采用强度储备和超载相结合的综合法进行破坏试验研究,分析坝体及基础变形特征,探讨坝肩、坝基失稳的破坏过程、形态和机理,确定坝肩综合稳定安全度,评价坝肩坝基加固处理效果及目前实施方案的安全性,为工程的设计和施工提供重要依据。
[0124] 模型设计
[0125] 1)选定模型几何比尺CL、确定模拟范围以及其他相似系数:根据模型相似理论,其需要满足以下相似关系:Cγ=1,Cε=1,Cf=1,Cμ=1,Cσ=CεCE,Cσ=CE=CL,其中,CE,Cγ,CL,Cσ及CF分别为变形模量比、容重比、几何比、应力比及集中力比;Cμ,Cε及Cf分别为泊松比、应变及摩擦系数比。结合锦屏一级拱坝工程实际,选择几何比CL为300,容重比Cγ为1.0;根据锦屏一级高拱坝的主要地质构造特征、试验研究内容等因素综合分析,确定模型的模拟范围为:①横河向边界:在顶拱拱端处,向外取大于1倍坝高的范围,同时把左岸断层f2、f5及煌斑岩脉X,右岸断层f13、f14、f18包括在模型中,从拱坝中心线往右岸取550m,往左岸取650m,总宽度为1200m。②顺河向边界:上游边界离拱冠上游面的距离为210m;下游边界离拱冠上游面的距离为990m,顺河向模拟总长度为1200m。③坝底和坝顶边界:坝基模拟至1350m高程,深度230m,大于2/3坝高;两岸山体顶部模拟至2200m高程,模拟总高度为850m。综上,模型模拟范围为1200m×1200m×850m(顺河向×横河向×高度),相应模型尺寸为4m×4m×2.83m(顺河向×横向×高度)。
[0126] 2)计算坝体、各类岩体及结构面的模型物理力学参数:根据相似关系及
原型参数计算得到的物理力学参数如表2所示,
[0127] 表2原型和模型材料主要物理力学参数表
[0128]
[0129] 注:表中下标m表示相似模型,p表示原模型。
[0130] 3)模型概化:对工程上的地质平切图、横剖面图、纵剖面图等进行概化。
[0131] 模型材料制备
[0132] 1)进行各类岩体模型材料的研制,根据各类岩体材料的物理力学参数研制相应的模型材料,采用以重晶石粉为主、机油(32号液压机油)为胶结剂以及掺加添加剂,按不同配合比制成混合料,再用BY-100半自动压模机压制成10cm×10cm×(5~7)cm(长×宽×高)的
块体材料备用。
[0133] 2)各主要软弱结构面变温相似材料的研制:试验中,对影响坝肩稳定的主要地质构造进行模拟,如左岸断层f2、f5、f42-9、F1,煌斑岩脉X,层间挤压错动带,深部裂缝及节理裂隙,右岸断层f13、f14、f18,绿片岩透镜体等。其中采用变温相似材料进行升温降强模拟的结构面主要有左岸断层f2、f5、煌斑岩脉X,右岸断层f13、f14、f18。根据表2参数,变温相似材料按断层fi及挤压带、煌斑岩脉X两类分别进行研制,其变温过程剪切试验获得的抗剪断强度τ、f、c与温度T之间的关系曲线如图3所示。
[0134] 3)模型坝体材料的研制和制作,选用重晶石粉(粒径≤200目)+石膏+水按照一定配比进行混合,材料配比通过浇筑一批圆柱体试件的材料试验选定。浇筑的圆柱体试件,根据拱坝坝体体型,制作木模,通过计算模型坝体体积确定各种材料的用量,称好备用,然后先将重晶石粉和石膏充分混合均匀,再将水加入混合料中,进行快速充分搅拌后,倒入模具成型,1~2天后,待其硬化即可脱模,然后将坝坯放置于通风处,待其自然风干备用。
[0135] 模型的制作
[0136] 1)模型槽的制作以及放线:用混凝土材料浇筑能够满足模型模拟范围的模型槽,同时用槽钢在模型槽上游端制作千斤顶加载的反力架;在模型砌筑前,先根据模型最下部的地质平切图、边界的地质横剖面图等在模型槽的基础及上下左右四周确定出各岩层、各结构面与模型槽相交位置,以及确定拱坝中心线、各纵横剖面线等控制线在模型槽上的位置,并有不同颜色的粉笔绘出各线条的位置。
[0137] 2)进行模型的砌筑,根据本专利公开的前述的方法进行模型砌筑,采用地质平切图、地质横剖面、地质纵剖面三维立体交叉控制进行砌筑。各主要结构面模拟其空间位置、走向、倾向等地质要素和力学参数,采用敷填法和变温相似材料进行模拟。结合制模要求拟定出模型砌筑的先后顺序,特别是在地质构造较为复杂的部位,需要有一定模型施工的工序组织图,确保避免砌筑过程中不必要的垮塌和重复工序。同时,在结构面安装升温系统和温度监控系统,要充分考虑与制模步序的交叉作业,对于导线的引出要预留开挖沟槽,避免出现短路现象。
[0138] 量测系统布置与安装
[0139] 1)拱坝坝体及坝肩坝基岩体表面变位量测:坝体变位量测在坝体下游面的▽1880m、▽1830m、▽1750m、▽1670m、▽1620m等5个典型高程布置了13个双向或三向变位测点,分别测试径向、切向及竖向变位,共布置28支位移计,用SP-10A型数字显示仪监测变位,坝体变位的测点布置图如图4所示。
[0140] 左右两坝肩及抗力体表面变位量测主要在典型的高程以及结构面出露位置布置测点,每个测点双向量测,获得各测点的顺河向及横河向的变位情况,本模型中在坝肩和河床表面共布置表面变位测点56个,其中左岸布置33个测点,右岸布置23个测点,共安装表面位移计112支,用SP-10A型数字显示仪监测变位。
[0141] 2)坝体应变量测:坝体应变量测在拱坝下游面▽1880m、▽1830m、▽1750m、▽1670m、▽1620m等5个典型高程的拱冠及拱端布置15个应变测点,每个测点在水平向、竖向及45°向贴上三张电阻应变片,用UCAM-70A万能数字测试装置进行应变量测,坝体应变的测点布置图如图5所示。
[0142] 模型加载系统布置及安装
[0143] 模型模拟的荷载为正常蓄水位的水压力+淤沙压力+自重。加载系统为在坝体上游面分层分块布置油压千斤顶加载系统模拟水沙荷载。根据锦屏一级高拱坝坝体水沙荷载分布形态、荷载大小、坝高及千斤顶规格与油压出力等因素综合考虑,将荷载沿坝高方向分为5层,每层由相同油压的千斤顶进行加压。再根据各层荷载大小、拱弧长度及千斤顶出力进行分块,并将每块荷载的重心作为千斤顶的作用点。全坝共分24块,分别由24支不同吨位的油压千斤顶加载,并用WY-300/Ⅷ型8通道自控油压稳压装置供压。模型坝体上游加载系统分层分块照片如图6所示。
[0144] 模拟试验过程
[0145] 对加固地基条件下的锦屏一级高拱坝进行了三维地质力学模型综合法破坏试验,试验时,首先对模型进行预压,然后加载至一倍正常荷载,在此基础上进行降强阶段试验,即升温降低坝肩坝基岩体内f2、f5、左岸煌斑岩脉X、f13、f14、f18等主要结构面的抗剪断强度,升温过程分为六级,由T1升至T6,最高温度升至50℃,此时上述主要结构面的抗剪断强度降低约30%。在保持降低后的强度参数条件下,再进行超载阶段试验,对上游水荷载分级进行超载,超载按0.2P0~0.3P0(P0为正常工况下的水荷载)的步长超载,当Kp=7.6P0时,拱坝与地基出现整体失稳的趋势,试验终止。在试验过程中,观测各级荷载下坝体、坝肩岩体和抗力体内部软弱结构面的变位,以及岩体的破坏情况,通过试验获得了坝体变位和应变、坝肩抗力体表面变位、坝肩软弱结构面内部相对变位的分布及变化发展过程,以及坝与地基的破坏过程和破坏形态。
[0146] 试验结果分析
[0147] 1)变形监测数据异常分布特征:综合考虑锦屏一级高拱坝地质力学模型试验中变形监测数据特点,采用未确知滤波法对坝体变形、坝肩表面变位、结构面相对变位的监测数据进行可信度分析,从而判断各监测点数据的初裂、大变形和极限失稳的异常,各试验步流程时刻表如表3所示。
[0148] 表3未确知滤波法的试验步流程时刻表
[0149]
[0150] 坝体数据异常的分布特征:
[0151] 通过未确知滤波法计算得到坝体典型监测点可信度与超载系数关系曲线如图7~图9所示。根据可信度随超载系数的发展变化过程,当Kp=1.0~2.0时,各监测点的可信度均降低到0.2~0.5,这是由于在超载和降强开始阶段时,坝体表面监测点变形变化量较大,各测点的可信度均降低,说明坝体表面出现了初裂异常。随着超载系数的增大,各测点的可信度逐渐增大至0.8左右,当Kp=3.0~4.0时,各测点可信度均开始降低至0.6左右,说明此时坝体表面各监测点均产生了大变形,属于大变形异常。之后各监测点的可信度均又逐渐增大至0.8左右,当Kp=4.3时,左右拱端大部分测点可信度开始降低,当Kp=5.0时,坝体各监测点可信度均降低至0.5以下,说明此时坝体处于极限失稳状态。
[0152] 坝肩数据异常的分布特征:坝肩典型监测点可信度与超载系数关系曲线如图10~图11所示,根据可信度随超载系数发展变化过程,当Kp=1.0~1.3时,大部分监测点可信度均下降至0.3~0.6,这是由于在超载和降强开始阶段时,坝肩表面监测点变形变化量较大,各测点的可信度均降低,说明坝肩表面出现了初裂异常。随着超载系数的增大,各监测点可信度逐渐增大至0.8,当Kp=3.0~4.0时,各监测点的可信度均开始降低至0.6左右,说明此时坝肩各监测点均产生了大变形,属于大变形异常。之后大部分监测点的可信度又逐渐增大至约0.8,当Kp=4.6时,坝肩各测点可信度均开始出现下降趋势,当Kp=5.0时,坝肩各监测点的可信度均降低至0.5以下,说明此时坝体处于极限失稳状态。
[0153] 数据异常总体分布特征:根据坝体变位、坝肩表面变位和结构面相对变位的可信度与超载系数的关系曲线分析可知:
[0154] a.监测数据异常总体分布:在Kp=1.3~2.0之前,大部分监测点可信度下降至0.3~0.8,这些异常不是由于观测错误引起,这是由于模型在超载和结构面降强作用下,大部分监测点数据产生了初裂,导致了可信度降低。随着超载系数的增大,各监测点可信度逐渐增大至0.7~1.0,当Kp=3.0~4.3时,大部分测点的可信度开始降低至0.6~0.8左右,说明此时各监测点均产生了大变形,属于大变形异常。之后大部分监测点的可信度又逐渐增大至约0.8~1.0,当Kp=5.0~5.5时,各测点可信度均降低至0.5左右,说明此时拱坝与地基处于整体失稳状态。因此,随着超载系数的逐渐增大,坝体、坝肩和结构面各监测点可信度变化呈现出三个阶段的聚集性变化规律,与模型试验中初裂、大变形和极限失稳的三阶段过程存在一定对应关系。
[0155] b.当模型产生初裂时,坝体、坝肩表面测点的可信度先降低,结构面次之,这是因为在外荷载作用下,坝体和坝肩表面变位的响应更为敏感和明显。
[0156] c.当模型处于大变形状态时,坝体、坝肩表面测点的可信度首先降低,结构面次之,与初裂变化规律相同,反映了高拱坝地质力学模型破坏过程中从表面破坏到内部破坏的变化规律,此时对应的超载系数为大变形安全系数,可以作为拱坝综合法试验安全度评价的依据。
[0157] 当模型处于极限失稳状态时,即当Kp=5.0~5.5时,坝体、坝肩和结构面的测点可信度均降低至0.5左右,说明此时拱坝与地基处于整体失稳状态。
[0158] 拱坝安全度评价
[0159] ①底层评价指标的选取及标准化处理:在地质力学模型试验中,拱坝综合法试验安全度评价体系是建立在各个区域(坝体、坝肩和结构面)现场监测数据的基础上,综合考虑到各控制断面的仪器位置、监测点数量分布情况,本例子中,锦屏一级拱坝模型试验各评价指标的控制点数量如下:坝肩表面顺河向监测点28个,坝肩表面横河向监测点28个,坝体变位监测点19个,坝体应变监测点30个,结构面相对变位监测点36个。采取坝工常识、专家经验、未确知滤波法等方法对相邻点的测值进行综合分析,确定各超载阶段的大变形异常率。
[0160] 各超载阶段的锦屏一级高拱坝各评价指标的大变形异常率值见表4所示,按本发明公开的相应理论对各评价指标值进行标准化处理,各评价指标标准化处理结果见表5所示。
[0161] 表4锦屏一级高拱坝各评价指标的大变形异常率表
[0162]
[0163] 表5评价指标的大变形异常率标准化处理后数据表
[0164]
[0165]
[0166] ②各超载阶段的突变级数计算:
[0167] 以超载系数Kp=3.3阶段的拱坝稳定状态为例,其总突变级数的计算步骤如下:
[0168] XA1=0.431/2=0.65
[0169] XA2=0.681/3=0.88
[0170] X坝肩表面变位=average{XA1,XA2}=0.77
[0171] XB1=0.841/2=0.92
[0172] XB2=0.871/3=0.95
[0173] X坝体变形=average{XB1,XB2}=0.94
[0174] XC1=0.811/2=0.90
[0175] X结构面相对变位=0.90
[0176] XA=X坝肩表面变位=0.771/2=0.88
[0177] XB=X坝体变形=0.941/3=0.98
[0178] XC=X结构面相对变位=0.901/4=0.97
[0179] X变形=min{XA,XB,XC}=min{0.88,0.98,0.97}=0.88
[0180] 因此,当超载系数Kp=3.3时,拱坝的安全稳定状态的总突变级数值为0.88。
[0181] 同理,计算综合法试验不同超载系数的拱坝安全总突变级数值,总突变级数计算成果见表6。为了更直观,将表6的分析结果以图形显示如图12所示。
[0182] 表6总突变级数计算结果
[0183]
[0184]
[0185] ③安全度评价:
[0186] 总突变级数值随着超载系数的增加而逐渐减小。在模型试验中,当Kp=3.8时,模型的两坝肩裂缝明显增多,坝踵裂缝开裂明显、左右贯通,大部分变形监测曲线出现波动或拐点,说明此时模型出现了明显的破坏失稳特征,即进入了大变形失稳破坏阶段。此时,总突变级数与超载系数关系曲线出现了拐点,表征拱坝随着超载系数增加逐渐趋于失稳的破坏过程,根据总突变级数与超载系数关系曲线的拐点,可以获得高拱坝综合法试验安全系数:降强系数Ks=1.3,超载系数Kp=3.8,则模型试验的大变形安全系数可表示为[0187] Kc=Ks×Kp=1.3×3.8=4.94
[0188] 将本专利公开的定量的客观的评价方法与对比文件1(论文名称:地质力学模型试验中的变位信息监测及其在工程中的应用,论文出处:《四川大学学报(工程科学版)》)进行比较可知,对比文件1通过定性的判断个变位曲线的拐点、反向获得的安全系数为:降强系数为K’S=1.3,拱坝与地基发生大变形时的超载系数为K’P=4.0~4.6(见各典型变位曲线上所示的特征点),则加固后锦屏一级拱坝与地基的整体稳定综合法试验安全度KCS=K’S×K’P=5.2~6.0。两者结果基本一致,较为接近,但本方法是一个较为客观的评价方法,结果更优。
[0189] 最终评价
[0190] 通过上一步的各试验成果(包括变位曲线、应变曲线、降强系数、破坏性态)的综合分析,全面评价拱坝工程的整体稳定安全性,为工程的设计施工、加固处理、长期运行等提供重要参考。锦屏拱坝采用以坝肩垫座、混凝土网格置换洞塞、刻槽置换为主的加固处理方案,对坝肩坝基起到了良好的加固效果,改善了拱坝与地基的受力和变形特性,明显改善了变位的对称性,提高了拱坝与坝肩的承载能力,增大了坝与地基的整体稳定安全度。坝基在加固处理之后,试验结果还揭示了两拱端附近发育的断层f42-9、f13、f18等结构面仍是影响坝肩稳定的薄弱部位,如在现有加固处理措施的基础上,适当扩大处理范围、加强处理程度,再结合混凝土置换、预应力锚索、固结灌浆等措施,可进一步改善坝肩抗力体的工作性态,提高拱坝与地基的整体稳定性。