1.2 地质力学模型试验的研究现状

1.2.1 地质力学模型试验的发展

国外在20世纪50年代就开始将地质力学模型试验应用于拱坝的破坏研究。比较著名的工作是意大利贝加莫结构与模型试验研究所（Institute of Structure Model Experiment and Simulation，ISMES）用地质力学模型对包括Almendra和Vajont拱坝在内的大坝稳定性进行研究，并给出了很有意义的成果[1]。在南斯拉夫的地质与基础工程学院进行的Glen Calvo拱坝地质力学模型试验规模巨大，试验也十分成功。葡萄牙里斯本的土木工程国家实验室（Laborato’rio Nacional de Engenharia Civil，LNEC）也开展了包括Cambambe拱坝、Alto Lindoso拱坝以及Alqueva拱坝在内的拱坝结构模型试验[6-8]。1979年在贝加莫结构与模型试验研究所召开的地质力学模型国际研讨会上，分别对地质力学模型试验的理论、技术及在大坝、边坡、洞室等工程领域的应用作了介绍。由于欧美国家水电开发趋于饱和，建坝高峰已过，它们基本不再开展拱坝的地质力学模型试验。目前，国外具有较大规模的大坝结构实验室的单位包括俄罗斯国家水工科学研究所、法国国家水工实验室和印度中央水利水电研究所等。

在20世纪50年代中后期，我国的科研单位就开展了地质力学模型试验研究。例如清华大学水利系自1956年在我国首次对广东流溪河拱坝进行结构试验以来，除进行模型材料研究外，还一直进行拱坝坝基和坝肩稳定性的模型试验研究，完成了国内龙羊峡重力拱坝模型试验及三维小块体地质力学模型试验，之后开展了包括二滩、李家峡、小湾[9]、溪洛渡[10]、白鹤滩[11]、锦屏一级、杨房沟[12]、大岗山[13-15]拱坝在内的国内主要大型拱坝工程的模型试验，对大坝的整体稳定性和大坝的超载能力与破坏机理进行了系统的研究，对基础加固措施的实际效果进行了评价。相关的拱坝稳定和整体安全系数的研究成果被编入水利行业标准《混凝土拱坝设计规范》（SL282—2003）和电力行业标准《混凝土拱坝设计规范》（DL/T 5436—2006）。近年来，针对当前高拱坝开展的三维地质力学模型试验研究，在试验规模、试验方法和试验技术方面均已取得了一批创新性的重要成果。

长江水利水电科学研究院一直很重视模型相似材料的研究，并为三峡、葛洲坝、隔河岩等工程做过大量的平面和三维地质力学模型试验，为这些工程的设计和施工提供了比较满意的实验成果，取得了重大工程效益[16]。近年来研究院岩基所对构皮滩、锦屏一级高拱坝[17]及三峡高边坡进行了试验研究，取得了很多成果。

四川大学采用变温相似材料进行强度储备试验法（降强法）对国内一些拱坝和高边坡进行了坝肩稳定的分析研究[18]。变温相似材料的研究是交叉学科的渗透，是将高分子材料与传统的模型材料结合起来，即在模型材料中加入适量的高分子材料及胶结材料。试验中，通过升温的办法使得高分子材料逐步溶解，以模拟材料力学参数的减低。该种方法已经应用于一些工程实践，如：溪洛渡拱坝、沙牌拱坝、小湾拱坝、锦屏一级高拱坝等[18-20]。

近些年来，地质力学模型试验受到了以有限元为代表的数值模拟的挑战，但是地质力学模型试验可以真实地模拟复杂的地质构造，直观地反映模型从加载到完全破坏的全过程，有助于发现一些新的力学现象和规律，可以为建立新的理论和数学模型提供依据。这些使得地质力学模型试验始终作为一种不可替代的研究方法被广泛地应用于高拱坝坝肩稳定和加固分析。另外，拱坝地质力学模型试验和三维数值分析可相互补充、相互研究，两者结合能更好地研究工程结构破坏行为。因此，目前我国还有多家单位保留有实验室可进行大型坝工试验，主要有清华大学、长江水利水电科学研究院、四川大学、中国水利水电科学研究院、河海大学[21]等。

1.2.2 高拱坝地质力学模型试验研究进展

地质力学模型试验从提出至今，在相似理论、相似材料、模型试验系统以及稳定性评价方法上具有较大进步。

地质力学模型试验的基本理论是相似理论，即要求在试验过程中模型和原型的各物理量均需遵循一定的比例关系。目前地质力学模型试验中主要考虑物理量，如变形参数、强度参数，其相似比主要根据相似第一定理确定，即通过已知描述现象的物理方程确定各相似比之间的相互关系。这些已知的物理方程包括平衡方程式、线弹性本构方程、边界条件等。但由于岩石变形具有明显的非线性和时效性，相关的力学模型和数学模型的建立较为复杂，采用第一定理计算相似比不仅困难而且烦琐，因此目前广泛采用量纲分析法确定相似比关系，量纲分析法是以量纲方程为核心，以方程的齐次性为依据而进行的，其理论基础包括两个齐次方程的数学理论和相似第二定理，即白金汉（Buckingham）定理或者π定理。

模型相似材料是地质力学模型试验能否成功的关键。早期的模型相似材料大多用氧化物作为骨料（PbO、Pb3O4、ZnO），用环氧树脂等作为原料，目的是提高容重，保证强度和弹模，但因为这些种骨料有毒而逐渐淘汰。如果按照模型相似材料的骨料分类，目前重晶石粉类相似材料应用最多，金属类（铁粉、铜粉）和河沙类也运用较多。如果需要模拟岩石流变特性，还需要研究能模拟蠕变的相似材料，这无疑会增加相似材料研制的难度，目前国内已经有科研单位开展相关研究，并取得了一定成果。

模型试验系统主要包括加载系统、测量系统和监测系统等。

（1）加载系统主要用于模拟拱坝所受的外荷载，主要是水荷载和泥沙荷载。水荷载和泥沙荷载目前主要采用油压加载法，这种加载方法可控性好，控制精度高；可以改变加压的大小和方向，并可完成联合的合成荷载模拟；可提供较大压力，满足超载破坏试验要求。除了油压加载，还可通过液压加载和气压加载法，但这两种方法已经逐渐不被采纳，只有在模拟如渗透压力等荷载时采用气压加载。

（2）测量系统的作用是获得所需要的各种参量，并将其变成分析问题所依据的数据、图表或曲线。目前采用较多的是电测法。测量系统的核心是传感器和数据采集系统。因为信号采集设备的发展迅速，测量系统可以说是地质力学模型试验中发展最快的部分；国内外均有大型公司甚至是跨国公司研制生产高精度、高可靠性和高采集速率的数据采集系统，并且已经能基本实现实时采集、自动储存、可视化和数据分析的功能。

（3）监测系统主要用于实时监测拱坝坝踵和坝趾裂缝开裂情况，主要由摄像头配合数据采集系统组成。监测系统近年来发展较快，且朝着微型化、自动化和高清晰度方向发展。

地质力学模型试验是三维静力结构破坏试验，其试验方法主要有3种：超载法、强度储备法（降强法）、超载与强度储备相结合的综合法。超载法主要考虑作用荷载和不确定性，通过超载水容重或者超水位两种方式得到拱坝的超载安全系数Kp，以研究结构承受超载作用的能力，这是目前运用较多的一种试验方法。强度储备法则主要考虑材料强度的不确定性和可能的弱化效应，采用Kf作为强度储备安全系数。试验时，要人为降低断层的力学参数，但是不能降低坝肩岩体全部的力学参数，而且很难通过单纯降低材料参数完成拱坝破坏试验，因此这种方法目前还处于探索阶段。综合法是强度储备与超载法的结合，试验一般是先超载后降强，得到综合安全系数Kc评价拱坝整体稳定。