CN110457853A - 一种含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法，包括步骤为：建立结构面的应力、应变关系，得到断层带的剪力‑剪切位移的关系；构建岩体失稳的尖点突变模型；监测结构面产生的位移，当达到失稳条件时，会发出警报。通过上述方式，本发明构造了结构面岩体失稳的突变模型，给出了岩体失稳判别依据，采用尖点突变理论解决实际岩体不连续问题，此种方法不再将岩体作为连续整体，而是考虑了围岩与裂隙的性质对岩体稳定的影响，更为合理，一旦结构面将要失稳即发出警报，便于及时采取措施。

Description

一种含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法

技术领域

本发明涉及水工结构工程技术领域，特别是涉及一种含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法。

背景技术

拱坝是一种建筑在峡谷中的拦水坝，做成水平拱形，凸边面向上游，两端紧贴着峡谷壁，是一种呈曲线形、能把一部分水平荷载传给两岸的挡水建筑。拱坝运行过程中，必须要密切关注拱坝的稳定性。以往一些拱坝事故的原因，绝大多数是由于坝肩岩体失稳或变形过大所致，很少是由于拱坝本身应力问题所造成。因此，拱坝的稳定性主要体现在两岸拱座的稳定性上，拱坝的稳定性分析应主要对两岸拱座的稳定性进行分析。

坝肩岩体滑动的主要原因是岩体内存在着裂隙，导致在拱坝推力作用下，岩体发生失稳。目前坝肩岩体稳定性分析方法主要有三类：(1)将岩体作为刚体考虑的刚体极限平衡法，这种方法结果较为粗略；(2)将坝和地基作为弹性体或弹塑性体的有限元法，将应力、变形和稳定统一起来进行分析，但是考虑三维模型时，计算量很大；(3)采用模型试验方法，地质力学模型是惟一能够相当全面地模拟不连续岩体的自然条件和岩石力学性质的方法，通过试验可以了解到拱座从加荷开始到破坏的过程和机理。但是试验法工作量大、费用昂贵。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法，包括步骤为：

(1)建立结构面的应力、应变关系，取为负指数形式：

式中，τ_f为断层带的剪应力，γ_f为断层带的剪应变，γ₀为初始剪应变，G_f为剪切模量，m为形状参数。

令：A为断层带的面积，b为断层带半宽度，得到断层带的剪力-剪切位移的关系为：

式中，R_f为断层带剪力，u_f为断层带位移；u₀是常量。

(2)构建岩体失稳的尖点突变模型

系统的状态由控制变量p、q和一个状态变量x确定。在由(x，p，q)构成的三维状态空间中，其势函数的标准形式为：

突变点在控制变量p-q平面的投影就构成了分叉集B：

4p³+27q²＝0 (4)

构建岩体结构面的尖点突变模型：

令则有：

p≤0是系统失稳的必要条件，因此

式为结构面岩体失稳时满足的条件。

(3)监测结构面产生的位移，当达到式(9)的失稳条件时，会发出警报。

在本发明一个较佳实施例中，步骤(1)中形状参数m与断层介质的力学性质有关。

在本发明一个较佳实施例中，步骤(2)中平衡曲面的点在控制平面(p,q)内变化，只要不跨越分岔集，系统的平衡点个数及稳定性不会发生变化，一旦跨越分岔集，系统性质就会发生突变，只有当p≤0时，分岔集才会存在，因此p≤0是系统失稳的必要条件。

在本发明一个较佳实施例中，步骤(3)中在岩体结构面设置位移计和应力计，监测结构面产生的位移。

本发明的有益效果是：本发明的含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法，构造了结构面岩体失稳的突变模型，给出了岩体失稳判别依据，采用尖点突变理论解决实际岩体不连续问题，此种方法不再将岩体作为连续整体，而是考虑了围岩与裂隙的性质对岩体稳定的影响，更为合理，一旦结构面将要失稳即发出警报，便于及时采取措施。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明的含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法一较佳实施例中断

层带剪力-剪切位移关系图；

图2是图1所述含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法中尖点突变模型的

平衡曲面以及分岔集图；

图3是图1所述含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法中含结构面岩体失

稳判别流程图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

提供一种含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法，包括步骤为：

(1)对岩体结构面进行试验，建立结构面的应力、应变关系，取为负指数形式：

式中，τ_f为断层带的剪应力，γ_f为断层带的剪应变，γ₀为初始剪应变，G_f为剪切模量，m为形状参数。

考虑几何方程、同时令：A为断层带的面积，b为断层带半宽度，得到断层带的剪力-剪切位移的关系为：

式中，R_f为断层带剪力，u_f为断层带位移；u₀是常量；形状参数m与断层介质的力学性质有关，m值越大，表示断层带初始刚度越大，脆性越大。m值的影响请参阅图1。

(2)构建岩体失稳的尖点突变模型

系统的状态可由控制变量p、q和一个状态变量x确定。在由(x，p，q)构成的三维状态空间中，其势函数的标准形式为：

突变点在控制变量p-q平面的投影就构成了分叉集B。该分叉集为如图2所示：

4p³+27q²＝0 (4)

构建岩体结构面的尖点突变模型：

令B为岩石表面到断层带的深度，为图1中的曲线拐点处所对应的位移值。u为位移自变量，代表断层带的位移，为推导尖点突变模型时所做的代换。u_f＝u。

则有：

平衡曲面的点在控制平面(p,q)内变化，只要不跨越分岔集，系统的平衡点个数及稳定性不会发生变化，一旦跨越分岔集，系统性质就会发生突变。只有当p≤0时，分岔集才会存在，因此p≤0是系统失稳的必要条件。因此

上式即为结构面岩体失稳时满足的条件。

(3)请参阅图3，在岩体结构面设置位移计及应力计，监测结构面产生的位移。一旦达到式(9)的失稳条件时，系统即发出警报。

本发明的有益效果是：

一、所述含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法构造了结构面岩体失稳的突变模型，给出了岩体失稳判别依据；

二、所述含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法采用尖点突变理论解决实际岩体不连续问题；

三、所述含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法不再将岩体作为连续整体，而是考虑了围岩与裂隙的性质对岩体稳定的影响，更为合理；

四、一旦结构面将要失稳即发出警报，便于及时采取措施。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法，其特征在于，包括步骤为：

(1)建立结构面的应力、应变关系，取为负指数形式：

式中，τ_f为断层带的剪应力，γ_f为断层带的剪应变，γ₀为初始剪应变，G_f为剪切模量，m为形状参数。

令：A为断层带的面积，b为断层带半宽度，得到断层带的剪力-剪切位移的关系为：

式中，R_f为断层带剪力，u_f为断层带位移；u₀是常量。

(2)构建岩体失稳的尖点突变模型

系统的状态由控制变量p、q和一个状态变量x确定。在由(x，p，q)构成的三维状态空间中，其势函数的标准形式为：

突变点在控制变量p-q平面的投影就构成了分叉集B：

4p³+27q²＝0 (4)

构建岩体结构面的尖点突变模型：

令则有：

p≤0是系统失稳的必要条件，因此

式为结构面岩体失稳时满足的条件。

(3)监测结构面产生的位移，当达到式(9)的失稳条件时，会发出警报。

2.根据权利要求1所述的含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法，其特征在于，步骤(1)中形状参数m与断层介质的力学性质有关。

3.根据权利要求1所述的含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法，其特征在于，步骤(2)中平衡曲面的点在控制平面(p,q)内变化，只要不跨越分岔集，系统的平衡点个数及稳定性不会发生变化，一旦跨越分岔集，系统性质就会发生突变，只有当p≤0时，分岔集才会存在，因此p≤0是系统失稳的必要条件。

4.根据权利要求1所述的含结构面的拱坝坝肩岩体失稳判断方法，其特征在于，步骤(3)中在岩体结构面设置位移计和应力计，监测结构面产生的位移。