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锦屏*级水电站左岸高边坡工程整体稳定性的模型试验研究

（西华*学岩土工程研究所，四川成都610039

MODELTESTRESEARCHONGLOBALSTABILITYOFLEFTBANK

LIU Li,CHEN Rui,QIAO Gaoqian

外墙饰面砖粘贴工程施工工艺feedback should be implemented perennially in later period for slope engineering.It can be found that the mode test is alsoeffectivefor otherhighslopeprojects. Key words: slope engineering; Jinping I Hydropower Station; model test; global stability; safety degree

锦屏 *级水电站坝址区位于普斯罗沟与手爬沟

间，坝区河谷狭窄，谷坡陡峭，呈典型的深切“V” 型谷，自然边坡高度约达1000m；左岸为逆向坡， 1900m高程以上主要为变质砂岩，坡度40°～50°， 岩石完整性差，地质构造复杂，地质条件多样，边 坡表层岩体风化卸荷严重。 坝址区左岸出露地层主要为，**段绿片岩， 此段在地表未出露，而是深埋于河床190m以下， 厚度*般*于90m；*二段*理岩(中上三叠统杂 谷脑组)，多出露于2300～2500m高程，厚度约 600m，分为8层；*三段为砂板岩，多出露于左 岸1900～2300m高程，厚度约400m。另外在坝 址区还出露基性云斜煌斑岩脉，厚度*般2～5m， 岩层在1720m高程以上，从下至上多为由弱～强 风化岩体松弛，而在1720m高程以下则多为新鲜 岩体。边坡内节理裂隙、断层和破碎带发育，边坡 岩体深部存在裂隙，层理明显，层厚从几十米的巨 厚层状到1m的薄层状岩体不等。变质砂岩岩质致 密坚硬、成层性好、单层厚度为1～2m，岩石抗压 强度较高，*般为60～100MPa。煌斑岩脉(X)总体 产状N60°～80°E，SE70°～80°，呈平直延伸的脉 状产出，*般宽2～3m，具斑状结构，块状构造。 粉砂质板岩颜色较深、单层较薄、板理发育，而卸 荷后板理松弛张开明显，岩石抗压强度低。 左岸1960m缆机平台以上开挖工程**开挖 高度145m，开挖边坡分别在2080，2050，2020 和1990m高程设置马道，马道宽3m，开挖坡比 为1：0.5。开挖划分为3个区：按上下游排列分别 为I，ⅡI和ⅢI区，出露于1960～2110m高程。岩 体主要为变质砂岩T22、粉质砂岩T23和煌斑岩 脉(X)。其间还有I和ⅡI，ⅢI危岩体边坡工程，开挖 区坡面支护主要采用挂网喷护、砂浆锚杆(束)防护 网、边坡预灌浆、混凝土框格梁、锚索等。各区每 根锚索预加力主要为：1945m以上为2000kN，以 下为3000kN。支护及防护工程主要采用在开口线 外15m范围清坡、8.0m范围内进行锚杆支护、挂 网喷混凝土、被动防护网、2050m马道、截排水 沟，以及1"～5"危岩体处理、挖排水洞、掘地质勘 探孔、施工Ⅱ，IV山梁顶部锚索、框格梁加固、开 口线锁口锚杆束施工及预灌浆等。

锦屏*级电站左岸高边坡地质力学模型试验的 关键，不仅要求模型在几何尺度上与原型相似，币 面 且在主要物理力学性质上应与原型相似。由于目前 还无法在所有参数和本构关系上使模型与原型完全 相似，根据现场边坡岩体工程条件，选取重度、抗 压强度和弹性模量、泊松比和抗剪强度等作为主要 相似参数。试验模型应满足以下弹塑性体基本关系 相似律： （1）平衡条件：

边界至2110m高程，长度范围从左侧开挖线到右 侧开挖线，模拟现场工程实际长度为300m、厚度 为205m、高度为150m的边坡工程岩体。且每30m 高差设置马道平台，开挖坡度为1：0.5。通过试验 确定模型材料的不同配比以模拟变质砂岩、粉质砂 岩和煌斑岩脉岩体。其上覆山体用混凝土预制加载 版及千斤顶加载系统进行模拟。按上述比尺制作三 维地质模型，尺寸为1000mmx683mmx500mm， 模型剖面图如图1所示

C=CC，C=1，C=

式中：Cx为体积力比尺；C为几何比尺，C=300。 其他主要物理力学参数满足表1相似律。

表1边坡模型试验相似律 Table 1Similarity laws of slope model tests

根据相似材料的物理力学参数比尺，按模型比 尺及岩层分布成比例进行制作。

根据锦屏*级水电站坝址区左岸高边坡开挖的 ⅡI，IⅢI区及I，ⅡI和IⅢI危岩体现场工况与项目研 究范围，边坡范围取下侧至1960m缆机平台， F

从勘察资料分析得知：该边坡岩体上中下层为 变质砂岩，其中有*煌斑岩脉(X)贯穿岩体(如图 所示)。根据现场的物理力学性质按相似律进行模 拟。经过*量的试验和数据汇总，*后所选材料确 定为重晶右粉、细砂、炉渣、水泥、机油和水等。 采用不同的配比来模拟现场岩体，以满足相似材料 的物理力学参数要求，如表2所示。 模型采用按比尺模拟现场锚固设计，与模型同 时制作：（1）锚杆的模拟：用钢针插入模型边坡3 cm，注入水泥浆并插入同长度细铁丝凝固，其间距 7～10mm；（2）锚索的模拟：先用长15cm的钢丝 插孔，注入水泥浆，再插入17cm铁丝，间距8～ 10mm，通过这种适量增加铁丝密度及加压水泥浆 注入量以模拟锚索对锚固区岩体的强化作用，外端 用环氧树脂锚固；(3）喷射混凝土及钢筋网模拟： 采用在水泥浆中加p0.1mmx10mm铜丝（平均约20 根/cm²)，以0.2～0.4mm厚抹在模型边坡表面；(4) 模型的框格梁：采用挤环氧树脂凸棱模拟。边坡 模型如图2所示。

图2边坡模型 Fig.2 Slope geomechanical model

3.3试验传感器及安装

试验模型制作时安装了土压力计及千分表。土 压力计的安装选取具有代表性并兼顾均匀性的位置 进行埋设，并水平安装，测试垂直压力，以观察模 型内部的应力变化。土压力计分上下2层，3个剖 面布置，每个断面布置4个，共埋设12个，相邻断 面间距200mm，土压力计安装位置剖面图如图3 所示。土压力计按图3编号：上层近坡面从左至右 是4"，5"及6"土压力计，上层远坡面为1"，2"及3 土压力计，其他以此类推。土压力计通过应变仪接 入计算机。位移计安装位置正视图如图4所示，箭 头方向代表水平或竖向测点。用以观察边坡表面位 移变化。采用磁性表座将千分表固定于模型边坡外 专用支架上，机电于分表通过数采仪接入计算机。

图4位移计安装位置正视图 Fig.4 Schematic diagram of instruments installation of displacement meters

图5部分测试装置安装 Fig.5Image of partial test setting

由于边坡施工削坡、爆破、锚固及原有自然边 坡表层岩体卸荷等原因，致使边坡实际岩体地应力 分布复杂，故本模型试验在对边坡工程状态进行模 拟的同时，重点对边坡模型进行顶部加载试验。其 是模拟边坡工程区上覆岩体引起的正常应力，其 二是模拟当上覆岩体发生异常变化，如山顶坍塌、 *量渗水和岩体变形等，以施加超载的方式模拟意 外因素增加的荷载。另外，通过可调式振动机模拟 爆破振动荷载。 加载系统由千斤顶、测力环和反力架构成。试 验采用油压千斤顶，将其固定在专用底座上，以增 *接触面积，防止滑移db14／t 1664-2018标准下载，通过预制钢筋混凝土板对 模型体上部加载。测力环在标准试验机上进行了复 核标定。 加载系统综合调试：首先在模型上部均匀铺上 细砂找平，然后放置预制钢筋混凝土板使之均匀传 递压力，再在板上安装加载系统。安装调试时使整 个装置垂直。数据采集仪及计算机测试系统图如 图6所示。

图6数据采集仪及计算机测试系统图

加载按每次0.624kN进行分级增加，每级荷载 保持稳定2～3min后采集数据，再进行下*级加 载，不断增加荷载数值，进行相关测试与观察，直 至超过正常荷载继续增加，使边坡破坏为止。 在试验主要采集加载过程中，边坡表面位移和 模型内土压力计应力两部分的数据，分别通过数据 采集仪和应变仪配合计算机及相应软件实现联机集 中测试，通过软件记录保存数据。

经测试，从数采仪收集处理的具有代表性的数 据分析可知：

(1）1"位移计竖直安装在模型的400mm马道 （相当于2080m高程处)，变化值**，达到0.031 mm；而9"位移计竖直安装在100mm马道上(相当 于1990m高程处)，变化值相对较小，为0.019mm。 在顶部荷载作用下，上部岩体垂直变形略*于下部， 从计算机收集数据分析来看，变化曲线总体比较平 缓，仅在局部有微小波动，表明随着正常载荷的增 加，其变形过程较平稳。 (2）在同*高程2020m马道上，从I~IⅢI区相 应的3"，5"，7"水平位移计的变化值较小，由于煌 斑岩脉的存在，对边坡的变形有*定的影响。 (3）在ⅡI，IⅢI危岩体区域，加载过程中变化量 较小，I区变化值稍*。I危岩体变化不*；ⅡI区次 于I区变化值，ⅢI区较小。坡脚位置的水平变化* *，而坡顶位置的竖直变化中**。当模型顶部加 载到超过上部山体边坡岩体等效地应力达到0.294 MPa之后，在模型锚固区之外的坡顶发生开裂，并 出现卸载现象，继续加载，坡顶裂缝扩展，坡底微 鼓，当裂缝宽度扩*后，边坡瞬间破坏。 超载后模型破坏裂缝形态如图7所示(箭头所

屋顶花园施工方案图7超载后模型破坏裂缝形态 F1g.7 State of model crack breakage after overloading

根据模型破坏极限应力水平o与原型现有地 应力o值(2000m左右高程边坡地应力为25～30 MPa)可初步计算边坡工程整体安全系数K为

=omC。β/o=0.294×420×0.33/(25~30) 1.31~1.67