软硬互层边坡倾倒变形破坏特征及支护效果的大型离心机试验研究——以苗尾右岸坝前边坡为例

摘要

苗尾水电站是澜沧江干流水电基地古水至苗尾河段开发方案中最下游一个梯级电站。其砾质土心墙堆石坝坝高131.3m，坝顶高程为1414.8m比正常蓄水位高程高6.8m，水库库容为6.6亿m3，总装机容量1400MW。苗尾水电站右坝前边坡为典型的反倾层状岩质边坡，自然条件下倾倒变形现象十分明显，水库蓄水后边坡的稳定性为建设部门关心的关键工程技术问题。本文在现场调查基础上，通过离心机试验和数值模拟，深入开展右坝前边坡倾倒变形特征和支护效果研究。取得的主要研究成果如下:
　　(1)根据相似量纲分析原理推导了倾倒变形边坡离心机模型试验的相似比，并结合边坡现场情况及现有的模型箱尺寸选择了相似系数，开展了模型软岩、硬岩、粘接材料的选材和配比试验等，通过试验确定硬岩的最优相似材料配比为重晶石粉∶石英砂∶石膏∶水泥∶水=28∶28∶27∶3∶15;确定软岩的最优相似材料配比为重晶石粉∶石英砂∶石膏∶甘油∶水=40∶40∶14∶1∶7;确定粘接材料的最优相似材料配比为重晶石粉∶石英砂∶石膏∶水=5∶5∶2∶3;断层相似材料质量配合比为黏土∶石英砂=3∶1;锚杆选用φ0.8mm的铁丝，框锚结构采用PVC塑料条进行模拟。
　　(2)离心机试验结果表明:天然岸坡模型坡体沉降量大，其中坡顶试验前后位移差约13cm，坡中监测点位移4.6cm，坡脚位移0.45cm，坡面裂缝比较密集，坡面整体比较破碎;其坡中监测点变形速率比坝基边坡坡中监测点变形速率大;坡体浅层监测点应力值普遍比平行于坡体浅层布置在坡体深层的传感器应力值小;其变形破坏模式为“顶部下座+中部膨胀+下部滑出”。
　　(3)岸坡进行支护后，离心机模拟试验结果表明:支护岸坡模型的坡体沉降量相比于天然岸坡模型的坡体沉降量值有了大幅度降低，坡顶的沉降由13cm降到了5cm，坡脚位移由3.65cm降至0.91 cm，支护岸坡坡面裂缝较少，坡面相比于天然岸坡坡面整体还是比较完整;支护岸坡模型坡脚变形速率小于坝基边坡的变形速率;坡体浅层监测点应力值普遍比平行于坡体浅层布置在坡体深层的应力值大;支护岸坡主要呈现“顶部出现小幅下沉现象+中部略有鼓胀”现象。
　　(4)采用FLAC3D有限差分数值模拟对天然岸坡、支护岸坡进行位移、应力分析，结果表明:天然岸坡模型坡体整体变形最大位移位于F148与坡体表面交接处，位移量为4.56m（相当于离心机模型中换算位移0.760cm），变形破坏主要集中在坡表区域;对于支护边坡，坡体整体变形最大位移同样也是位于F148与坡体表面交接处，位移量为1.147m（相当于离心机模型中换算位移0.191cm）;岸坡浅层监测点应力值小于深层监测点应力值。
　　(5)采用Goodman-Bray法对离心机中天然岸坡模型试验后可能出现的现象进行预测，结果表明:当天然岸坡模型沿浅层破坏时，模型破坏区域整体发生滑移破坏;当天然岸坡模型沿深层破坏时，模型破坏区域沿深层滑动面可分为下部滑动区、中部倾倒区、上部稳定区，这与离心机中的试验后的现象近一致。

目录

声明

摘要

1．1 选题依据及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 倾倒边坡变形破坏机理研究现状

1．2．2 岩质边坡变形加固处理措施研究现状

1．2．3 离心机模型试验在边坡工程领域的应用现状

1．3 研究内容

1．4 技术路线

第2章 研究区自然地理及工程地质条件

2．1 自然地理条件

2．1．1 地理位置

2．1．2 气象水文

2．2 工程地质条件

2．2．1 地形地貌

2．2．2 地层岩性

2．2．3 地质构造

2．2．4 水文地质条件

第3章 倾倒变形离心机模型试验设计与模型制作

3．1 试验模型边坡工程地质特性

3．2 模型试验仪器设备

3．3 模型试验原理及相似关系

3．3．1 模型试验基本原理

3．3．2 相似理论推导

3．3．3 相似常数确定

3．4 模型试验相似材料的比选

3．5 相似材料基本岩土体物理力学试验

3．5．1 相似材料剪切试验

3．5．2 相似材料单轴压缩及变形试验

3．6 模型箱的选取与边界条件处理

3．7 试验传感器及测点布置

3．7．1 传感器的选取

3．7．2 传感器误差分析

3．7．3 试验监测点布置

3．8 试验模型设计

3．9 试验模型制作及试验步骤

3．9．1 模型制作

3．9．2 离心机模型试验过程

3．10 本章小结

第4章 倾倒变形模型变形破坏特征及支护效果研究

4．1 不同离心模型演化阶段对比分析

4．2 不同加载离心加速度条件下模型变形特征分析

4．2．1 试验前后模型剖面变形分析

4．2．2 不同加载离心加速度条件下模型坡面变形特征

4．3 监测数据分析

4．3．1 监测位移数据对比分析

4．3．2 天然岸坡、支护岸坡应力分析

4．4 天然岸坡模型变形破坏模式

4．5 本章小结

第5章 试验模型数值模拟及稳定评价

5．1 模型有限差分数值模拟

5．1．1 模型的建立与计算参数的选取

5．1．2 天然岸坡应力、变形分析

5．1．3 支护状态下岸坡应力、变形分析

5．2 天然岸坡基于Goodman-Bray法稳定评价

5．2．1 边坡稳定倾倒分析的Goodman-Bray法

5．2．2 倾倒模型计算

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果