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摘要：通过对天福庙水库拱坝进行结构模型破坏试验，验证大坝坝肩抗滑稳定的安全度，分析影响坝肩抗滑稳定的因素，为水库的安全运行提出意见。
关键字：拱坝；抗滑稳定
中图分类号： TV642.4 文献标识码： A
Title: Experimental study on the anti slide structure model of Tianfumiao reservoir arch dam//by Chen Zhi-chao.//Yineng Hydropower Co.，Ltd.
Abstract: Through the Tianfumiao Reservoir arch dam structure model failure test, verification of dam abutment stability against sliding safety, influence factor analysis of abutment stability against sliding, put forward suggestions for the safe operation of reservoirs.
Keywords: Arch dam; Anti sliding stability
一、工程簡介
宜昌市天福庙水库位于长江北岸支流黄柏河东支中上游的远安县荷花镇境内，是黄柏河梯级开发的骨干工程之一，距宜昌市城区80km。工程于1974年12月动工兴建，1978年元月投入运行。大坝为单心双曲拱坝，坝顶高程410.3m，防浪墙顶高程411.3m，建基面高程347.0m，最大坝高63.3m。坝顶中心角91.5º，右岸50 º，左岸41.5º，平均半径105.50m，坝顶平均弦长150.76m，平均弧长168.49m，坝底宽20m，顶宽4.2m。
二、试验研究目的
天福庙坝址底层为天河板组岩层，沉积结构面发育，在河床部位，夹泥层是底部水平滑移控制面。右坝肩地形陡峻，岸坡走向20°。据断层、裂隙出露位置与拱端推力方向关系的分析，右坝肩滑移体组成情况为： F15断层和第一组裂隙可能构成滑移块体，内侧向滑移面；F1、F3断层和第二组裂隙可能构成滑移体下游侧临空面或滑移面；F55断层可能构成滑移体的山体外侧临空面。左坝肩总体地形陡峻，坝端局部呈台阶状，岸坡走向20°。其中规模较大、延伸较长的顺河向断裂有F79、F8、F12、F10等，与河流近于垂直的断层有F80、F28。F80断层构成了滑移块体上游切割面；F28断层可能构成下游临空面；F79、F8、F12、F10等断层均可构成滑移体侧向切割面。由此可见，地形和地质条件对坝肩稳定极为不利。
按刚体极限平衡法对左右坝肩用纯摩公式进行抗滑稳定计算，安全系数小于1，不能满足规范的一般要求。
鉴于上述情况，为了验证坝肩抗滑稳定的安全度，特进行整体抗滑稳定结构模型试验。
三、基本资料及依据
1.模型制作的主要图纸依据为：
《天福庙水库枢纽总体布置图》
《天福庙水库坝址地形及地质构造线图》
《天福庙水库右坝肩垫层设计图》
《天福庙水库左岸重力坝非溢流段设计图》
《天福庙水库重力坝溢流段设计图》
《天福庙水库左岸坝肩垫层设计图》
2.右坝肩模拟的断层为F15、F63、F41、F55、F1，不考虑F1以南岩体的支撑作用，假定上游横向切割面通过坝体上游轮廓线，并呈铅直面和水平滑移面相交。各断层特性如表一所示：
表一 右坝肩模拟断层特性表
3.左坝肩模拟的断层F8、F10、F26、F28。考虑F28以南岩体的支撑作用，假定上游横向切割面通过坝体上游轮廓线，并呈铅直面和水平滑移面相交。各断层特性如表二所示：
表二 左坝肩模拟断层特性表
4.左右岸的水平滑移控制面高程为350.4m，摩擦系数f=0.3，凝聚力C=0。
5.荷载组合：试验荷载为409.0m水位+坝身自重+山岩自重-底部渗压
6.材料弹性模量：假定坝体和基础的弹性模量相同，采用E坝=E基=105 KN /m3。
7.荷载：坝体自重按r=23.5 KN /m3计算；其他荷载引用《天福庙水库修改补充技术设计》左右坝肩抗滑稳定计算成果。各项荷载数值如表三所示。
表三各项试验荷载数值表
四、模型试验
4.1模型设计
1.坝体作为均质实体，拱端垫座均作为坝体的一部分对待；
2.右岸坝肩山体内模拟断层F15、F1、F63，由于F15的走向与拱端切线方向很接近，故F15以西作临空面与非临空面两种情况进行试验，F1以南作为临空面；
3.左坝肩山体内模拟的断层有F8、F10、F26、F28。由于考虑F28以南岩体的支撑作用，故F28以南为固定支撑；
4.两岸水平控制面为350.4m，但考虑到河床部分与混凝土垫座之间的粘结作用，坝底350.4m高程面按f=0.6，C=0模拟；
5.断层倾角大于85°的和临空面均作成铅直，其余按实际倾角模拟，断层深度一律作到水平滑移控制面350.4m高程为止，以下作为整体，不考虑350.4m以下的岩体重量，地基深度取为坝高的80%。
4.2模型比例
原型与模型的各项相似比例关系为：
几何比例常数CL=250
弹模比例常数CE=6.9
容重比例常数CP=Cr=1/36.25
重量比例常数CG=431000
应变比例常数Cε=1
位移比例常数Cб=250
摩擦系数比例常数 Cr=1
4.3断层模拟
所有断层层面的C值均为0，断层的模拟制式一个摩擦系数问题，由于作用在原型和模型上的各种力的比例系数是同一的，即：
4.4测点布设
1.在坝体和两岸坝肩共布设了18个位移测点，用百分表进行监测，其中坝体2点，左坝肩7点，右坝肩9点；
2.坝体位移测点高程为409.5m，其余均为415.0m；
3.测点方向根据需要测定和可能的位移方向拟定。
五、试验结果
5.1坝肩抗滑整体稳定超载安全系数K
根据四个模型的9次试验结果，当f=0.3时，相应的安全系数K=1.04-1.07。
5.2失稳过程及整体变形
1.试验结果显示该坝的失稳过程及其整体变形情况有一定规律，当库水位压力由0逐渐加大时，坝首先发生变形，其左半拱的变形比右半拱大，这与水库水平位移监测资料一致。
2.由于右岸F15、F63大致与拱中心轴线平行，加载过程中有断层层面缝隙挤压，因此失稳前右岸拱端及山岩的位移一直很小，而左岸岩体中由于断层纵横切割，缝隙较多，因此在加载过程中左拱端的位移比较敏感；
3.由于左岸岩体中断层有可压缩的缝隙，F26以北各岩块将先被挤紧，但这些变形并不引起失稳；
4.当左岸的岩体已被挤压紧密后，最终的失稳即在右岸发生，右岸山体的失稳是突然发生的。
5.3坝体的破坏
5.当右坝肩山岩失稳位移逐渐增大，坝体应力恶化达到极限强度时开始破裂。
6.第一条裂缝出现在坝体中部邻近坝顶1/3坝高范围内，先从下游面拉开，然后贯穿到上游面。
7.第二条裂缝发生在左1/3拱环部位，先从上游面拉裂，然后贯穿到下游面。
六、试验成果分析
1.当不考虑F1以南岩体的支撑作用时，试验表明大坝失稳发生于右坝肩山体。这是因为F1临空面使大坝有可能绕左坝头转动，而左坝头山体内F8、F10则与拱端接近垂直不可能形成滑动面。
2.当350.4m高程水平滑移控制面的f=0.3时，大坝整体抗滑超载安全系数K=1.1左右，但考虑F1以南岩体的支撑作用，估计实际K值比1.1大。
3.试验表明，控制滑动的主要因素是河床部分的水平夹泥层，而层间的f值与超载系数有着较好的线性关系，当f=0.35时，K=1.3，因此进一步研究河床夹泥层的物理力学指标有重要的实际意义。
参考文献：
[1] 张光斗 王光纶.《水工建筑物》上册 ,水利电力出版社,1992年3月第一版：497-520.
[2] 吴沛寰,陈介贤,宋同益;拱坝坝肩稳定的试验[J];武汉大学学报(工学版);1980年04期
关键字：拱坝；抗滑稳定
中图分类号： TV642.4 文献标识码： A
Title: Experimental study on the anti slide structure model of Tianfumiao reservoir arch dam//by Chen Zhi-chao.//Yineng Hydropower Co.，Ltd.
Abstract: Through the Tianfumiao Reservoir arch dam structure model failure test, verification of dam abutment stability against sliding safety, influence factor analysis of abutment stability against sliding, put forward suggestions for the safe operation of reservoirs.
Keywords: Arch dam; Anti sliding stability
一、工程簡介
宜昌市天福庙水库位于长江北岸支流黄柏河东支中上游的远安县荷花镇境内，是黄柏河梯级开发的骨干工程之一，距宜昌市城区80km。工程于1974年12月动工兴建，1978年元月投入运行。大坝为单心双曲拱坝，坝顶高程410.3m，防浪墙顶高程411.3m，建基面高程347.0m，最大坝高63.3m。坝顶中心角91.5º，右岸50 º，左岸41.5º，平均半径105.50m，坝顶平均弦长150.76m，平均弧长168.49m，坝底宽20m，顶宽4.2m。
二、试验研究目的
天福庙坝址底层为天河板组岩层，沉积结构面发育，在河床部位，夹泥层是底部水平滑移控制面。右坝肩地形陡峻，岸坡走向20°。据断层、裂隙出露位置与拱端推力方向关系的分析，右坝肩滑移体组成情况为： F15断层和第一组裂隙可能构成滑移块体，内侧向滑移面；F1、F3断层和第二组裂隙可能构成滑移体下游侧临空面或滑移面；F55断层可能构成滑移体的山体外侧临空面。左坝肩总体地形陡峻，坝端局部呈台阶状，岸坡走向20°。其中规模较大、延伸较长的顺河向断裂有F79、F8、F12、F10等，与河流近于垂直的断层有F80、F28。F80断层构成了滑移块体上游切割面；F28断层可能构成下游临空面；F79、F8、F12、F10等断层均可构成滑移体侧向切割面。由此可见，地形和地质条件对坝肩稳定极为不利。
按刚体极限平衡法对左右坝肩用纯摩公式进行抗滑稳定计算，安全系数小于1，不能满足规范的一般要求。
鉴于上述情况，为了验证坝肩抗滑稳定的安全度，特进行整体抗滑稳定结构模型试验。
三、基本资料及依据
1.模型制作的主要图纸依据为：
《天福庙水库枢纽总体布置图》
《天福庙水库坝址地形及地质构造线图》
《天福庙水库右坝肩垫层设计图》
《天福庙水库左岸重力坝非溢流段设计图》
《天福庙水库重力坝溢流段设计图》
《天福庙水库左岸坝肩垫层设计图》
2.右坝肩模拟的断层为F15、F63、F41、F55、F1，不考虑F1以南岩体的支撑作用，假定上游横向切割面通过坝体上游轮廓线，并呈铅直面和水平滑移面相交。各断层特性如表一所示：
表一 右坝肩模拟断层特性表
3.左坝肩模拟的断层F8、F10、F26、F28。考虑F28以南岩体的支撑作用，假定上游横向切割面通过坝体上游轮廓线，并呈铅直面和水平滑移面相交。各断层特性如表二所示：
表二 左坝肩模拟断层特性表
4.左右岸的水平滑移控制面高程为350.4m，摩擦系数f=0.3，凝聚力C=0。
5.荷载组合：试验荷载为409.0m水位+坝身自重+山岩自重-底部渗压
6.材料弹性模量：假定坝体和基础的弹性模量相同，采用E坝=E基=105 KN /m3。
7.荷载：坝体自重按r=23.5 KN /m3计算；其他荷载引用《天福庙水库修改补充技术设计》左右坝肩抗滑稳定计算成果。各项荷载数值如表三所示。
表三各项试验荷载数值表
四、模型试验
4.1模型设计
1.坝体作为均质实体，拱端垫座均作为坝体的一部分对待；
2.右岸坝肩山体内模拟断层F15、F1、F63，由于F15的走向与拱端切线方向很接近，故F15以西作临空面与非临空面两种情况进行试验，F1以南作为临空面；
3.左坝肩山体内模拟的断层有F8、F10、F26、F28。由于考虑F28以南岩体的支撑作用，故F28以南为固定支撑；
4.两岸水平控制面为350.4m，但考虑到河床部分与混凝土垫座之间的粘结作用，坝底350.4m高程面按f=0.6，C=0模拟；
5.断层倾角大于85°的和临空面均作成铅直，其余按实际倾角模拟，断层深度一律作到水平滑移控制面350.4m高程为止，以下作为整体，不考虑350.4m以下的岩体重量，地基深度取为坝高的80%。
4.2模型比例
原型与模型的各项相似比例关系为：
几何比例常数CL=250
弹模比例常数CE=6.9
容重比例常数CP=Cr=1/36.25
重量比例常数CG=431000
应变比例常数Cε=1
位移比例常数Cб=250
摩擦系数比例常数 Cr=1
4.3断层模拟
所有断层层面的C值均为0，断层的模拟制式一个摩擦系数问题，由于作用在原型和模型上的各种力的比例系数是同一的，即：
4.4测点布设
1.在坝体和两岸坝肩共布设了18个位移测点，用百分表进行监测，其中坝体2点，左坝肩7点，右坝肩9点；
2.坝体位移测点高程为409.5m，其余均为415.0m；
3.测点方向根据需要测定和可能的位移方向拟定。
五、试验结果
5.1坝肩抗滑整体稳定超载安全系数K
根据四个模型的9次试验结果，当f=0.3时，相应的安全系数K=1.04-1.07。
5.2失稳过程及整体变形
1.试验结果显示该坝的失稳过程及其整体变形情况有一定规律，当库水位压力由0逐渐加大时，坝首先发生变形，其左半拱的变形比右半拱大，这与水库水平位移监测资料一致。
2.由于右岸F15、F63大致与拱中心轴线平行，加载过程中有断层层面缝隙挤压，因此失稳前右岸拱端及山岩的位移一直很小，而左岸岩体中由于断层纵横切割，缝隙较多，因此在加载过程中左拱端的位移比较敏感；
3.由于左岸岩体中断层有可压缩的缝隙，F26以北各岩块将先被挤紧，但这些变形并不引起失稳；
4.当左岸的岩体已被挤压紧密后，最终的失稳即在右岸发生，右岸山体的失稳是突然发生的。
5.3坝体的破坏
5.当右坝肩山岩失稳位移逐渐增大，坝体应力恶化达到极限强度时开始破裂。
6.第一条裂缝出现在坝体中部邻近坝顶1/3坝高范围内，先从下游面拉开，然后贯穿到上游面。
7.第二条裂缝发生在左1/3拱环部位，先从上游面拉裂，然后贯穿到下游面。
六、试验成果分析
1.当不考虑F1以南岩体的支撑作用时，试验表明大坝失稳发生于右坝肩山体。这是因为F1临空面使大坝有可能绕左坝头转动，而左坝头山体内F8、F10则与拱端接近垂直不可能形成滑动面。
2.当350.4m高程水平滑移控制面的f=0.3时，大坝整体抗滑超载安全系数K=1.1左右，但考虑F1以南岩体的支撑作用，估计实际K值比1.1大。
3.试验表明，控制滑动的主要因素是河床部分的水平夹泥层，而层间的f值与超载系数有着较好的线性关系，当f=0.35时，K=1.3，因此进一步研究河床夹泥层的物理力学指标有重要的实际意义。
参考文献：
[1] 张光斗 王光纶.《水工建筑物》上册 ,水利电力出版社,1992年3月第一版：497-520.
[2] 吴沛寰,陈介贤,宋同益;拱坝坝肩稳定的试验[J];武汉大学学报(工学版);1980年04期