高坝稳定地质力学模型综合法试验科学基础与应用研究

Comprehensive geomechanical model test is a new approach of the physical simulation for studying the stability of high dam project. The comprehensive test is a kind of destructive test method combined with overloading test and strength reduction test. The development of temperature-dependent similar material realizes the comprehensive test. While its scientific basis should be further strengthen, and the evaluation system should be promoted. In this project, experimental investigation, numerical simulation and theoretical analysis are planed to conduct. The correlation of the water pressure overloading and the strength reduction of structural plane in the comprehensive testing are studied to find the best combination of overloading and strength reduction during the destructive process, and the reasonable overloading frequentness △P and the strength reduction gradient △τ are proposed. Through revealing the correlative influencing factors, the distinguish basis for the initial cracking, yield and ultimate instability in the comprehensive testing are established and the corresponding safety evaluation system are constructed. Furthermore, the expressions of the safety factors in different failure stages and the safety factor of overall stability are deduced, and the distribution rang of each safety factor for high dam project is also obtained by statistics. These research results are applied in the stability studies for high dams, such as Baihetan Arch Dam Project. The main goal of the project is to strengthen the scientific basis of comprehensive geomechanical model test, promote the testing evaluation system, and expand its engineering application field.

地质力学模型综合法试验是高坝工程稳定安全物理模拟的一个新途径。综合法是集超载法与降强法为一体的破坏试验方法，变温相似材料的研制成功使得综合法试验得以实现，但是该方法的科学基础还需进一步加深，评价体系还需完善。本项目通过试验研究、数值模拟和理论分析，揭示综合法试验中水荷载超载与岩体结构面降强的相关性，建立破坏试验全过程中超载与降强的最佳组合方式，提出合理的超载频度△P与降强梯度△τ，形成综合法试验模型初裂、屈服、极限失稳的判别依据和评价体系，揭示相关的影响因素，建立综合法试验各阶段的安全系数和整体失稳的安全系数表达式，总结提出高坝工程综合法试验各特征阶段安全系数的分布范围，研究成果将应用于白鹤滩拱坝等高坝工程的稳定安全性研究。通过项目研究，达到进一步加深综合法试验的科学基础，完善试验评价体系的目标，并拓宽其工程应用领域。

地质力学模型综合法试验是研究高坝与地基整体稳定的重要方法之一，其难点在于需要在同一个模型中开展降强试验和超载试验，所用材料属于多学科的交叉、融合，其模型加工制作工艺复杂，该方法的科学基础还需进一步加深，评价体系还需完善。本项目在前期研究工作的基础上，对地质力学模型综合法试验开展了重要科学基础关键问题及典型重大工程的应用研究。取得的主要成果包括：（1）揭示了综合法试验中超载法和降强法之间的相关性，建立了破坏试验全过程的水荷载超载与岩体结构面降强的最佳组合方式；（2）提出了合理的水荷载超载频度△P与岩体结构面降强梯度△τ，其超载频度△P取0.2P更为合理，降强梯度△τ对试验成果影响不大的结论；（3）建立了综合法试验模型初裂、屈服、极限失稳的判别依据和安全评价体系；（4）建立了综合法破坏试验整体稳定安全系数表达式为KCS=Ks’.Kp’ ；（5）结合实际典型高坝工程开展综合法试验研究，评价了工程的安全性，研究成果已被工程采用。通过本项目的研究，加深了地质力学模型综合法试验的科学基础，进一步完善综合法试验的理论基础，发展模型试验技术，提升研究成果的可靠性和实用性，更能反映工程实际情况，满足高坝工程建设的迫切需要。同时，随着我国水利、土木、能源、交通等等一系列工程的建设，一些高陡边坡、地下洞室等的稳定问题也突显出来，需要采用模型试验和数值计算等多种方法开展其稳定性研究，而本项目的研究成果可将地质力学模型综合法试验推广应用在高边坡、地下洞室等其它工程的模型试验研究中，为这些工程的稳定性研究提供新的途径。