3.3 基础处理措施模拟技术

随着大型水电工程的发展，越来越多的高坝建在水力资源丰富但地质条件复杂的地区。拱坝是水电建设的主要坝型，对地形地质条件要求较高。因此对建在地质构造条件复杂的地区的高拱坝需要采取适当的坝基加固措施，保证拱坝及地基的整体性和安全性。地质力学模型试验不仅能用于拱坝坝肩稳定性、坝体整体稳定性以及围岩分区破裂现象等工程科学问题研究，还可作为一种坝基处理效果及加固分析的重要手段。本节将重点介绍高拱坝地质力学模型试验中基础加固处理的模拟技术，主要包括建基面混凝土置换、坝基混凝土置换洞、大坝贴角以及预应力锚索等。

3.3.1 建基面混凝土置换

拱坝的建基岩体内往往有地质缺陷，比如断层破碎带及其影响带和软弱岩体等。因为这类缺陷会对拱坝应力和基础变形产生较大影响，因此需要对这类岩体挖除而置换成混凝土。图3.17为某工程的坝基处理措施，其中有多处建基面混凝土置换。

一般建基面置换混凝土块不会太大，以免出现自身的结构问题，另外置换块体的形状需要特别设计，以尽量使拱坝建基面和体型对称，增加拱效应，使拱坝静力受力尽可能好。因此模型试验模拟建基面置换时，置换模型材料与坝体材料相同。模型置换需要在砌筑坝体之前事先雕刻成型，并将其粘接在相应区域，再砌筑该置换模型周围的岩体或者坝体。图3.18为某高拱坝工程河床混凝土置换块体和左岸建基面置换块体模型。

3.3.2 深部混凝土置换

拱坝坝基深部的软弱带在受力后产生的变形可能会影响拱坝及基础的应力，导致坝体变形不对称以及安全度降低。对于这类断层，根据其规模、形状以及与受力状态，一般采用置换网格和灌浆加固的工程加固处理设计。置换网格能够提高断层、岩脉等软弱带的抗剪能力，提高拱坝的整体性，应用在许多大型拱坝工程地基处理中。图3.19为某工程的网格置换图。

地质力学模型试验模拟深部混凝土置换网格时，置换模型材料一般与坝体材料相同。置换网格的形状比较简单，一般可以用规整的模型长条模拟，不需要特别精细地进行雕刻。但模型条之间需要牢固地粘结才能保证置换网格的整体性。图3.20为某工程置换网格模型图。

3.3.3 大坝贴角模拟

在拱坝工程实际施工过程中，坝面与坝肩槽之间空隙狭小，需要设置贴角以方便施工。另一方面，设置贴角能加大拱坝底部刚度，对坝体周边应力和基础部位的传递起到一定的改善作用。目前，许多已建或再建的高拱坝，如小湾、溪洛渡、白鹤滩、大岗山等，均设置贴角，可见其重要性。图3.21是某大型拱坝工程的下游坝端剖面图。从图可见，拱坝仅在下游河床部位设置贴角，也有工程在整个下游坝面设置贴角，如图3.17所示。

与坝体和置换块体相比，贴角的尺寸一般不大，且多呈台阶状。在模拟时需要将砌块精细地雕刻成台阶状，再进行粘接。施工中，一般贴角与大坝坝体整体浇筑，但也有一些拱坝工程，在某高程以下，贴角和坝体整体浇筑，而该高程以上，贴角与坝体分开浇筑。模型砌筑时也应该要模拟该施工过程，整体浇筑部分，贴角与坝体应该一起砌筑，且牢牢粘成整体；分开浇筑的部分，应该在坝体砌筑完成后再砌筑贴角，且贴角与坝体间不用胶水粘接，即该贴角只传递压力，不传拉力。图3.22和图3.23是某两个工程的贴角模型图。

3.3.4 预应力锚索模拟

预应力锚索是减小坝体损伤度，增加坝肩岩体整体性，防止滑坡的有效方法。预应力锚索加固可以直接减小潜在滑动面的剪力，同时，增大滑动面上的正应力来增加滑动面的抗剪摩擦阻力，增加抗剪力。图3.24为预应力锚索原理示意图。

图3.25为溪洛渡拱坝左岸边坡锚索图。由图可见，预应力锚索的布置一般都非常密集，加上锚索非常细长，预应力按照相似比换算后非常小，因此很难严格按照几何比尺制作单根锚索模型并应用于地质力学模型试验。

虽然单根锚索的模型制作和模拟比较困难，但是采用概化方法可以近似地实现锚索加固效应的模拟。所谓概化法，就是根据长度等效和预应力等效的原则，用一根模型锚索模拟多条工程锚索，施加模型锚索的位置为概化范围的几何中心。首先根据工程锚索的布置、长度和预应力大小等，合理划分若干概化范围。某概化范围内部所有的工程锚索用一根模拟锚索模拟，该范围内工程锚索的长度和预应力总和按照相似原理换算成为一个模型锚索的长度和预应力大小。

图3.26为锚索的模型材料。模型材料为细长塑料棒，塑料杆一端装配小螺帽，另一端装配薄金属片。将塑料杆插入模型山体后，通过弹簧秤确定模型锚杆的预应力，再用小螺帽装配有金属薄片的杆端进行固定。图3.27为某工程锚索模型试验图。