本书系统地介绍高拱坝模型试验关键技术的研究成果，针对地质力学模型试验中存在的模型材料及模拟技术方面、模型量测技术方面、试验成果分析方法等关键技术问题，结合工程中的特点和难点，展开高拱坝模拟研究。内容包括：概述、地质力学模型试验理论与方法、模型材料及模拟方法研究、拱坝坝肩稳定破坏机理试验研究、光纤光栅监测在模型试验中的应用研究、高拱坝坝肩典型块体抗滑稳定性分析。
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拱坝是坝工建设中的一种主要坝型，它具有体积小、泄洪布置方便、潜在安全度高、抗震性能好等特点，在坝型选择中优先考虑拱坝坝型已成为坝工建设中的一个重要的发展趋势。然而，我国近期在建或拟建的高拱坝，大多位于西部地区河流上，其主要特点是山高谷深、河谷狭窄、地质条件复杂、地震烈度高等，同时工程规模大、电站装机容量大、水库库容大，拱坝坝肩的稳定问题十分突出，直接影响工程的安全性，因而需要深入开展复杂岩基上高拱坝坝肩稳定性研究，地质力学模型试验是解决上述问题的一种重要方法。
地质力学模型试验是根据一定的相似原理对拱坝与地基联合作用问题进行缩尺研究的一种破坏试验方法。试验的主要目的是研究大坝与地基的整体稳定安全度，了解拱坝及坝肩的变形失稳过程、破坏机理和破坏形态，揭示其影响坝肩稳定的薄弱部位，其试验结果给人以直观的感觉。但地质力学模型试验有许多关键技术难题，至今未得到完全满意的解决。例如，在模型材料相似模拟方面：高拱坝工程地质条件复杂，坝肩各类岩体往往存在着变形模量变化幅度大、不均匀性严重等特点，如立洲拱坝坝肩岩体变形模量从2～12GPa不等，这些岩体的不均匀性是影响坝肩变形的主要因素，同时，坝肩岩体中大多存在着断层、岩脉及各种软弱结构面，对坝肩稳定影响严重，因此在地质力学模型试验中，需要深入系统地开展模型相似材料研究，以适应对复杂地质条件更精细化模拟要求。在模型量测技术方面：光纤应变传感技术是一种新的测试手段，能否将其应用到地质力学模型试验中，需要开展探索性研究。在试验成果分析方面：针对坝肩岩体被断层、裂隙相互切割形成不同规模的典型块体情况，在研究拱坝整体稳定性的同时，还应分析典型滑块的稳定性等。
本书针对上述关键技术问题进行研究，首先总结国内外高拱坝工程的研究现状和研究方法，重点开展地质力学模型材料和试验技术研究，并将研究成果应用于木里河上的立洲拱坝工程，进行了立洲拱坝三维地质力学模型试验，分析复杂地质条件下拱坝及坝肩的稳定性和破坏失稳机理，验证模型试验成果的可靠性，为工程设计、施工和加固处理提供了重要科学依据。本书研究工作与工程实际需要紧密结合，通过开展深入而系统的研究，取得了以下创新性成果。
（1）进行了模型岩体材料变形特性及结构面材料强度特性的相似模拟研究。针对坝肩岩体不均匀性严重，变形模量E变化幅度大的问题，需要研制出与之相适应的模型材料，为此，开展了模型岩体材料中各组成成分对变形模量E的影响研究，试验结果表明，岩体材料组成成分中，水泥、石蜡和机油是控制高、中、低变形模量的主要因素，建立了各组成成分如水泥、石蜡和机油与变形模量E的变化关系曲线，这一研究成果适应了不均匀岩体对模型材料高、中、低变形模量的要求，提出了不同变形模量的岩体材料采用不同尺寸的模型小块体进行精细化模拟。针对各类结构面抗剪强度差异大的问题，提出了采用可熔性高分子软料夹不同塑料薄膜来模拟软弱结构面，通过改变薄膜材料与可熔性高分子软料的组合形式，满足结构面的摩擦系数，并通过控制软料中可熔性高分子材料的含量，以及调整薄膜材料的组合形式，可以实现模型结构面抗剪强度的综合控制。根据上述研究成果，研制了满足立洲拱坝坝体及坝肩岩体、断层和优势裂隙带等力学指标的模型相似材料。
（2）开展了光纤光栅应变传感技术在高拱坝三维地质力学模型试验中的应用研究。研制了适用于地质力学模型试验的光纤光栅应变传感器，并以立洲拱坝三维地质力学模型为试验基础，在坝体上游建基面及顶拱圈周边铺设光纤光栅应变传感器，得到坝体超载过程中的光纤测点的应变分布情况，通过对比分析光纤传感器和传统监测方法对坝体和坝基的监测结果，表明两者在对应部位的监测结果基本一致，证明了光纤光栅应变传感器在三维地质力学模型试验应用中的可行性。
（3）开展了典型滑移块体的失稳机理研究。针对高拱坝坝肩岩体被断层或裂隙相互切割形成不同规模的典型块体，在拱推力作用下可能沿着结构面产生滑移而失稳的情况，本书结合立洲工程，根据坝肩结构面产状及组合形态，对立洲拱坝坝肩潜在典型滑移失稳问题进行了初步分析，得到了四个典型块体及其潜在滑移模式，并在地质力学模型试验中对四个典型块体的滑裂面进行监测。由试验所得结果，分析了坝肩典型块体滑动机理及滑移模式，得到了四个典型块体抗滑稳定安全系数，总结了坝肩典型块体侧裂面及底滑面的非线性滑动失稳的相对变位临界值，论证了坝肩典型块体的稳定安全性。
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 高坝地基稳定研究方法 3
1.3 地质力学模型试验方法 5
1.3.1 模型材料及模拟技术概况 6
1.3.2 模型量测技术方法概述 7
1.3.3 模型试验成果分析方法概况 8
1.4 主要研究内容和成果 9
第2章 地质力学模型试验理论与方法 11
2.1 模型试验相似理论 11
2.1.1 相似理论 11
2.1.2 相似条件 13
2.2 地质力学模型试验相似关系 15
2.2.1 弹性阶段的相似关系 15
2.2.2 塑性阶段的相似关系 19
2.3 破坏试验方法 22
2.3.1 超载法 23
2.3.2 强度储备法 23
2.3.3 综合法 24
2.4 超载法安全度评价 25
2.4.1 基于相似原理和破坏试验理论的超载法安全系数关系式 25
2.4.2 超载法安全度评价方法 27
2.4.3 相关工程超载法试验安全度对比分析 27
2.5 典型高坝地质力学模型试验研究实例 28
2.5.1 沙牌水电站 28
2.5.2 瓦依昂拱坝 31
第3章 模型材料及模拟方法研究 35
3.1 地质力学模型材料选用原则 35
3.2 模型坝肩坝基岩体材料模拟研究 36
3.2.1 高性能岩体相似模拟 36
3.2.2 中等性能岩体相似模拟 37
3.2.3 低性能岩体相似模拟 38
3.3 模型结构面模拟研究 40
3.3.1 结构面模型材料研究 40
3.3.2 模型结构面几何特性与力学特性相似模拟 42
第4章 拱坝坝肩稳定破坏机理试验研究 44
4.1 工程概况及地形地质条件分析 44
4.1.1 工程概况 44
4.1.2 地形地貌 44
4.1.3 坝址区地质特点分析 45
4.2 坝肩(坝基)岩体及地质构造模拟研究 49
4.2.1 模型相似系数及模拟范围 49
4.2.2 坝肩岩体材料研究 50
4.2.3 坝肩结构面模拟研究 54
4.3 模型量测与加载布置 55
4.3.1 模型量测系统 55
4.3.2 模型试验方法及加载系统 62
4.4 试验成果及分析 64
4.4.1 坝体变位分布特征 64
4.4.2 坝体下游面典型高程应变分布特征 65
4.4.3 坝肩及抗力体表面变位分布特征 66
4.4.4 主要结构面相对变位分布特征 67
4.5 模型破坏过程及破坏形态 68
4.5.1 模型破坏过程 68
4.5.2 最终破坏形态及特征 70
4.6 拱坝与地基整体稳定安全度评价 72
第5章 光纤光栅监测在模型试验中应用研究 74
5.1 光纤传感器原理 74
5.2 光纤光栅传感器工作原理及发展现状 75
5.2.1 光纤光栅工作原理 75
5.2.2 应变传感器及发展应用 78
5.2.3 温度传感器及发展应用 79
5.2.4 压力传感器及发展应用 79
5.3 光纤光栅应变传感器在大坝模型试验中的监测研究 80
5.3.1 应变传感器封装及布置 80
5.3.2 光纤测试结果分析 81
5.3.3 测试结果对比分析 85
第6章 典型块体抗滑稳定性分析 87
6.1 坝肩稳定影响因素及块体滑移模式 87
6.2 立洲拱坝坝肩典型块体滑移模式分析 89
6.3 模型坝肩典型块体的滑动监测 93
6.4 模型坝肩典型块体稳定分析及破坏形态 94
6.4.1 左坝肩抗滑稳定分析及破坏形态 94
6.4.2 右坝肩抗滑稳定性分析及破坏形态 95
6.5 模型坝肩典型块体安全系数分析 96
6.6 滑裂面失稳判定区间 97
第7章 结论 99
第8章 附图及照片 101
8.1 坝体变位测试成果 101
8.2 坝体下游面应变 104
8.3 坝肩及抗力体表面变位 106
8.4 坝肩及抗力体内部相对变位 109
8.5 附照片 111
参考文献 117
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