岩体力学是近代发展较快的科学分支,岩体力学是在岩体结构控制论的基础上,对岩体的力学性状及其变形,位移及破坏过程和规律的研究岩土力学的理论与方法又是学习专业课程与从事土木工程技术上所必需的基础知识.下面是搜素整理的岩土力学论文8篇，供大家借鉴参考。
岩土力学论文第一篇：闸基前置悬挂式防渗墙防渗效果的有限元分析
摘要：闸坝地基渗漏已成为坝基防渗设施老化所表现的重要问题之一。当渗流量危害到闸基安全时，再进行后期闸基防渗处理的难度就非常大，所以在设计阶段应当充分考虑防渗设施的设置及其效果。以四川广元昭化水电站为例，采用有限单元法建立闸基渗流计算模型，计算分析闸基前置防渗墙在深度、厚度变化时闸基渗流量和渗流坡降的变化规律，评价不同尺寸情况下防渗墙的防渗效果，分析结果可用于指导闸基防渗措施设计，也可为类似闸基防渗措施选取提供参考。
关键词：闸基; 防渗墙; 防渗效果; 厚度; 深度;
Analysis of Seepage Control Effect of Gate Foundation Cut-off Wall Based on Finite Element Method
LIU Jian FU Chenghua WANG Xinghua MU Xiaoxiao LIU Qingbin
School of Energy and Power Engineering, Xihua University
Abstract：The seepage of gate dam foundation has become one of the important issues caused by the aging of dam foundation seepage control facilities. When the seepage flow endangers the safety of gate foundation, it is very difficult to carry out the late anti-seepage treatment of gate foundation, so the setting and effects of seepage control facilities should be fully considered in the design stage. Taking Zhaohua Power Station in Guangyuan, Sichuan as an example,this paper establishes the seepage calculation model of gate foundation by finite element method, calculates and analyzes the change law of seepage flow and seepage slope of the gate foundation when the depth and thickness of the cut-off wall before the gate foundation change, and evaluates the seepage control effect of the cut-off wall with different sizes. The analysis results can provide reference for the design of seepage control measures for gate foundation and the selection of seepage control measures for similar gate foundation.
多数水闸都建在河流冲击的粉质壤土地基土层上，常含有砂砾石、碎石、卵石等，这层地基的透水性强、抗冲刷能力差，容易发生渗透破坏[1,2,3]。强透水层防渗措施效果不好，就会引起地基渗流变形和水量损失，严重的渗流变形会使地基受到破坏[4]，甚至失事。故在透水性强的地基上采取相应的防渗措施，并且讨论其防渗效果就很有必要[5,6,7,8]。付爱华[9]对软土地基水闸防渗处理方法做了总结归纳;魏文强等人[10]利用有限元软件对复杂闸基进行了稳定渗流分析，讨论了设置灌注桩渗流情况;李露等人[11]以甲米一级水电站闸坝工程为例，采用D-P非线性本构模型，进行三维有限元数值模拟计算，分析了控制工况下的闸基变形特征及振冲效果;安普太[12]通过实例介绍了闸基渗流稳定计算和水闸绕渗计算过程，提出了解决闸基渗流和水闸绕渗的防渗措施，以及有关设计思路。毛昶熙[13]依据管涌的形成原理，详细研究探索了关于渗流控制和分析领域，并且建立了数学模型，通过计算比较了一般饱和渗流与饱和-非饱和渗流2种模型的计算结果，并用实验模型资料进行验证。但针对实际水闸闸基防渗设施的防渗效果探讨较少。
鉴于水闸运行老化问题逐渐显现，本文以四川广元昭化电站为例，分析了闸基防渗墙不同深度、宽度等影响因素下闸底板渗流坡降、出口段渗流坡降和流量等的变化规律，讨论闸基前置悬挂式防渗墙的防渗效果，提出前置防渗墙的最优设置措施。
1 闸基渗流计算理论
闸基渗流可认为是不计黏性的恒定理想势流运动，归结为拉普拉斯解数学物理问题的数值解[14]。闸基稳定渗流基本方程见式(1):
式中h———水头函数;x、y———位置坐标;kx、ky———x、y方向渗透系数[15]。
二维计算过程中考虑水头边界，闸基上下游和底部考虑为无流量交换边界。
2 有限元模型及计算条件
2.1 工程概况
昭化水电站位于广元市昭化古城白龙江河段上。左岸大部基岩裸露，右岸漫滩、高漫滩，地面高程455.0～468.8 m。河槽宽度200～250 m，枯水期水面宽100～126 m。河底高程451.5～456.2 m，河谷呈不对称的“U”型谷。两岸为台阶状地形，山脊与河床相对高差80～150 m，低山-丘陵宽谷地貌。闸坝区覆盖层分为3个工区:粉质壤土，干密度1.38～1.40 g/cm3，粉粒含量64.0%，分布于高漫滩表层，厚度0～9.45 m;松散-稍密砂卵砾石层，局部夹中密～密实透镜体，分布于高漫滩、漫滩及河床表层，厚度1.9～9.7 m;中密-密实砂卵砾石层，局部夹松散-稍密砂卵砾石透镜体，厚度0.0～11.1m工区内的地下水主要是孔隙潜水，砂卵砾石渗透系数平均值3.5×10-2cm/s，属于强透水层，是存于河床、漫滩砂卵砾石的层中。25 m以下是透水性较弱的相对不透水层。河谷覆盖层具有结构相对松散、渗透性强、岩体不均匀、岩层不连续等地质特征。
2.2 计算范围及有限元模型
计算范围:闸高22 m，顺水流方向闸长度为42m，模型向上游选取1.5倍闸高、向下游选取2倍闸高、闸基深度方向选取2倍闸高。
根据选取的计算范围建立二维闸基渗流计算模型见图1，模型网格设置为四边形等参单元，单元总数为699个，节点数为765个。选取图1所示的1-1截面和1'-1'上部砂卵砾石层截面作为后期渗流量分析截面。
图1 闸基渗流模型
2.3 计算参数及条件
闸基岩层由25 m厚的砂卵砾石层组成，取平均渗透系数为3.5×10-2cm/s,25 m以下设置为相对不透水层，渗透系数为3.3×10-4cm/s，闸室底板和闸门默认为不透水。计算水位:上游正常水位466.0 m，下游水位为闸底板高程452.0 m。边界条件:上下游考虑自由水头边界，闸基上下游边界和底部边界考虑为无流量交换边界。
3 无防渗墙条件下闸基渗流分析
计算未设置防渗墙条件下闸基渗流状况，渗流等势线分布见图2。闸基渗流场的分布规律符合一般规律，无防渗墙下计算得到闸底板渗流坡降为0.260，出口段渗流坡降为0.825，渗流坡降均远超出《水闸设计规范》允许值为0.1～0.15的要求。闸底板下渗流量为2.167×10-3m3/s，渗流量偏大，必须对工程采取有效的防渗措施。
图2 无防渗墙下闸基渗流场
4 闸基防渗墙的防渗效果分析
已有研究表明，防渗墙位置越靠近坝基上游，防渗效果会越好[16,17]，依据廖鸣宇等人[18]的研究结果，本工程采用前置悬挂式防渗墙进行防渗数值模拟[19]。防渗墙默认为不透水，深度方面，从闸基前部底板向下以2 m为单元依次加深，直到加深至闸基底部相对不透水层的顶面处;厚度方面，初步设定防渗墙厚1 m，以0.2 m为单位逐渐加厚，观察出口段渗流坡降渗流坡降满足规范要求时防渗墙的厚度。根据计算结果分析不同防渗墙尺寸下，闸底板和出口段渗流坡降、流量的变化情况。
4.1 防渗墙深度对防渗效果的影响分析
4.1.1 防渗墙底部渗流量变化
防渗墙从底板向下逐渐加深(底板厚4 m)，以2 m为单位直至加深到相对不透水层顶部附近，在加深至18 m时，闸底板渗流坡降满足规范要求，再以0.25 m为单位继续加深，得到不同深度防渗墙下流量变化见表1。流量由计算网格点流量累加获得。由表1可知:(1)对于前置悬挂式防渗墙而言，防渗墙深度从2 m增加至18 m，防渗墙底部的渗流量逐渐减小，1-1截面渗流量减小幅度从4.06%增加至12.43%，可见渗流量还有持续减小的趋势;(2)当防渗墙深度达10 m时，1'-1'截面与1-1截面流量不一致，这说明底层相对不透水层开始承担一部分渗流量，并且防渗墙对砂卵砾石层有明显的挤压限制流量作用。
表1 不同深度防渗墙下渗流量
深度增加渗流量持续减少，增加至不透水层顶部时，与深度18 m相比流量减小幅度已增加了82.83%，可见防渗墙底部贴近相对不透水层或深入后，防渗效果非常明显[20]。
随着防渗墙深度增加，1'-1'截面渗流量占1-1截面总流量的比例变化见图3。从图中可知，在防渗墙到达深度21 m之前，防渗墙深度增加，渗流量主要通过上部砂卵砾石层输出，持水量达99%，而防渗墙深入相对不透水层后，渗流量急剧减小，相对持水量急剧下降到90%，这是相对不透水层发挥阻隔水的效果，由此可见，不透水层对渗流稳定有举足轻重的作用。
图3 防渗墙加深1'-1'截面渗流量占1-1截面总流量比例
4.1.2 渗流坡降变化
闸底板和出口段渗流坡降见表2，闸底板渗流坡降在防渗墙深度达18 m时达到规范要求，而出口段渗流坡降在防渗墙底部快接近相对不透水层顶部时才达到要求，故在闸底板渗流坡降满足要求后，可分析出口特征部位压力水头值。由表2可知，防渗墙深度从无防渗措施增加至20 m时，闸底板渗流坡降减小率为73.10%，出口段渗流坡降减小率为57.58%，闸底板渗流坡降减小率大于出口段，故相对于闸底板渗流坡降，出口段渗流坡降对于防渗墙深度变化不敏感。
表2 闸底板及出口段渗流坡降值
表3为防渗墙深18 m后出口段特征点的压力水头。由表3可知，防渗墙深度从18.25 m增加至靠近相对不透水层顶面处20.75 m，出口段特征点压力水头减小幅度从23.60%变化至83.26%，减小幅度逐渐增加。当到达不透水层顶面时，压力水头急剧下降，可见不透水层控制出口段压力水头效果明显。
表3 出口特征点压力水头
4.2 防渗墙厚度对防渗效果的影响分析
防渗墙深度达到18 m后，闸底板渗流坡降率先达到规范要求，故选防渗墙深度18 m来分析其厚度对渗流量、渗流坡降的影响。
4.2.1 防渗墙底部渗流量变化
防渗墙厚度增加时，防渗墙底部(包括不透水层)以及闸底板下渗流量的变化情况见表4。可知，渗流量随厚度的增加而逐渐减少，防渗墙厚度从0.1 m增加1.8 m,1-1截面渗流量减小幅度从8.5%变化至5.9%,1'-1'截面渗流量减小幅度从10.30%变化至5.85%，两者之间变化不大，幅度减小，说明渗流量趋于稳定，可能在后期形成固定渗流通道。相比深度增加时的情况，防渗墙厚度增加比深度增加渗流量减小的幅度小，可见防渗墙厚度增加，防渗趋于固化，效果变化较弱。
表4 防渗墙不同厚度下闸基渗流量
随着防渗墙厚度增加，1'-1'截面闸底流量占1-1截面防渗墙下总流量的比例见图4，渗流坡降从图中可知在厚度以小单位增加时，上部砂卵砾石层承担主要的持水量，厚度不断增加，持水量比例减少，但减少幅度不大，直至出口段满足规范时(厚度达40 m)，也保持在97%，由此可知，防渗墙厚度增加对流量稳定影响不大。
图4 防渗墙厚度增加1'-1'截面渗流量占1-1截面总流量比例
4.2.2 渗流坡降变化
闸底板和出口渗流坡降情况见表5，随着防渗墙厚度增加，闸底板和出口段渗流坡降均在减小，但减小幅度均很小。闸底板坡降是按接近规范要求深度18 m开始计算，厚度以0.1 m为单位增加，当厚度为0.4 m时，闸底板渗流坡降达到规范要求，增加到3 m时，闸底板渗流坡降平均减小幅度为9.85%，出口段平均减小幅度为5.03%。综上所述，防渗墙厚度增加对防渗效果的影响不明显。
表5 防渗墙不同厚度下闸底板和出口渗流坡降
5 结语
根据闸基前置防渗墙不同尺寸下闸基渗流及闸室稳定情况分析，得到主要结论如下。
a)防渗墙深度对闸基渗流坡降影响较为显著，随着深度增加，闸基渗流坡降明显降低。同时，闸底板渗流坡降较出口段率先达到规范要求。
b)当防渗墙底部接近相对不透水层顶部时，渗流量将大大减少，相对不透水层也有少许的渗流量，但对闸室的影响很小。对于分层的地基，相对不透水层可作为重要的设计参考依据。
c)防渗墙厚度增加对闸基防渗设置的防渗效果影响不明显。
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岩土力学论文第二篇：某水电站地下厂房系统岩爆发育特点研究
摘要：瀑布沟水电站地下厂房系统为大型地下室群，主要包括地下厂房、主变室、尾水闸门室;地下厂房系统属于高地应力区，围岩为澄江期中粗粒花岗岩，以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，完整性好;岩性坚硬，岩石饱和单轴抗压强度一般在100 MPa以上，地下水不丰富;岩石饱和单轴抗压强度Rb与最大主应力σ1比值在3. 9～7. 6间，根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)岩爆分级及判别标准，厂房系统岩体可能发生中等～轻微岩爆。施工中对围岩采用打超前小导洞、控制爆破、掌子面喷水及钻孔注水、及时加固支护等处理后，有效地降低了围岩岩爆发生的强度和频率，保证了作业人员、设备安全，提高了施工进度。
关键词：瀑布沟水电站; 地下厂房系统; 岩爆; 防治措施; 变形监测;
Analysis on Rockburst Pattern of Underground Powerhouse System at Pubugou Hydropower Station
WANG Guangwei
1 概述
瀑布沟水电站地跨四川省汉源和甘洛两县，下距乌斯河镇7 km，上距汉源县城28 km，附近可通铁路和公路，交通方便。电站最大坝高186 m，正常蓄水位850.0 m，死水位790.0 m，控制流域面积68 512 km2，总库容53.37亿m3;水电站共装有6台机组，装机容量3 600 MW，保证出力926 MW，年发电量147.9亿kW·h。发电建筑物采用地下厂房型式，地下厂房系统主要由地下厂房、主变室、尾水闸门室三大洞室组成，尾水闸门室与尾水隧洞相连。
地下厂房由外向里依次布置副厂房、主厂房和安装间，轴线方向N42°E，断面呈圆拱直墙型;副厂房尺寸为25.5 m×26.8 m×40.1 m(长×宽×高)，主厂房尺寸为208.6 m×26.80 m(吊车梁以下)×70.1 m(长×宽×高)，安装间尺寸60 m×26.80 m(吊车梁以下)×29.1 m(长×宽×高)。主变室位于地下厂房下游，断面呈圆拱直墙型，尺寸为249.1 m×18.30 m×25.975 m(长×宽×高)。尾水闸门室位于主变室下游，断面呈圆拱直墙型，尺寸为212.085 m×16.4 m×56.35 m(长×宽×高)。瀑布沟水电站地下厂房系统纵向布置示意见图1。
瀑布沟水电站第一台机组于2009年12月发电，2010年12月6台机组全部投产。截至目前，水电站已经正常发电近10年，社会经济效益显著。
图1 瀑布沟水电站地下厂房系统纵向布置示意
2 工程地质条件
地下厂房系统洞室群布置在大渡河左岸山体中，地形完整，水平埋深240～540 m，垂直埋深200～360 m，距大渡河边约400 m，洞室轴线方向N42°E;围岩为澄江期中粗粒花岗岩，仅有少量辉绿岩脉分布，微风化～新鲜，主要呈次块状～块状结构，完整性好，以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主;岩性坚硬，强度高，岩石饱和单轴抗压强度一般在100 MPa以上，岩体弱卸荷水平深度38 m，弱风化水平深度221 m。
厂房系统内无大的断层分布，构造表现为小断层、挤压破碎带、节理裂隙。小断层、挤压破碎带绝大多数产状为N40°～60°W/SW∠20°～40°，宽度多小于50 cm;断层带多由碎裂岩、碎块岩及少量糜棱岩组成，结构挤压紧密。围岩中优势节理有4组，分布有明显的区段性，一般为两组或两组节理加随机节理的组合，结构面大多平直粗糙，常见蚀变膜。
地下厂房系统地下水类型为基岩裂隙水，接受大气降水补给，向大渡河排泄;开挖揭示地下水不丰富，仅局部段渗滴水或湿润，渗滴水多沿软弱结构面出现，随着开挖的进行，出水量逐渐减小、消失，对围岩稳定无大的影响。如交通洞和1号施工支洞刚揭穿断层带及其影响带时有小股涌水，之后渐小。据水质分析，基岩裂隙水属弱碱性低矿化度淡水，对混凝土结构具微腐蚀性。
前期针对地下厂房系统的现场地应力测试，岩体地应力场最大主应力σ1为21.1～27.3 MPa，方位稳定，厂房轴线与最大主应力方向夹角一般为26.7°～36.7°，自重应力σH与垂直应力σZ之比小于50%，平均σ1∶σ2∶σ3=1∶0.65∶0.27，表明是以构造应力为主的地应力场，且偏应力较大。岩石饱和单轴抗压强度Rb与最大主应力σ1比值在3.9～7.6间，根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)岩爆分级及判别标准，地下厂房系统岩体可能发生中等～轻微岩爆。岩爆分级及判别见表1。
表1 岩爆分级及判别
注:Rb为岩石饱和单轴抗压强度(MPa)，σ1为最大主应力。
3 岩爆发育规律
岩爆是围岩突然释放大量弹性应变能导致岩石产生脆性破坏的现象。它一般只发生在高地应力地区，并且围岩坚硬完整，有积蓄较大弹性应变能的能力。瀑布沟水电站地下厂房系统属于高地应力区，围岩为澄江期中粗粒花岗岩，以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，完整性好;岩性坚硬，岩石饱和单轴抗压强度一般在100 MPa以上，地下水不丰富;围岩具备了发生岩爆的地质条件。
开挖揭示，地下厂房系统洞室群局部完整岩体中有岩爆现象，掘进时发出噼啪破裂声，根据洞室施工过程中现场记录统计分析，洞室岩爆主要有两种方式。
第一种岩爆方式为爆裂弹射方式，发生岩爆时伴有清脆响声，同时伴有灰雾及震动现象。围岩呈片、板状由洞室拱座附近向内侧或由开挖面向临空面发生弹射，弹射距离2～3 m不等，一般呈中间厚、边缘薄透镜体状，厚度一般3～20 cm。
第二种岩爆方式为劈裂剥落方式，爆裂发生时无响声或声音很小，爆裂岩体经开挖爆破震动部分发生塌落，部分爆裂松弛后经过一段时间塌落或仅开裂而不塌落。表部岩体多呈片状开裂，影响深度可达0.1～1.0 m。
从洞室开挖情况统计，平行洞室间的岩柱(厚度较小的)、隧洞从两头开挖接近贯通时的部位、洞室轮廓线变化处，都是应力集中较大的地点，易于发生岩爆。瀑布沟水电站地下厂房系统岩爆特征统计见表2。
表2 瀑布沟水电站地下厂房系统岩爆特征统计
4 岩爆防治措施
瀑布沟水电站地下厂房系统属于高地应力区，开挖过程主要通过改变洞室围岩应力状态，减缓围岩应力集中来实现岩爆防治。岩爆防治主要施工措施如下。
(1)打超前小导洞。全断面掘进开挖对围岩扰动大，易诱发岩爆，在开挖面打超前小导洞，通过小导洞提前释放部分应力，减少围岩岩爆现象。地下厂房系统围岩均在开挖面打超前小导洞，提前释放部分应力，有效减少了围岩岩爆频率，降低了围岩岩爆强度。
(2)控制爆破。洞室开挖中采用浅孔多循环光面控制爆破，严格控制最大单响药量，提高爆破残孔率，使洞室开挖面尽量圆顺，避免局部洞壁围岩产生应力集中，减少围岩岩爆现象。地下厂房系统围岩爆破残孔率要求大于90%，保证洞室开挖面尽量圆顺。
(3)掌子面喷水、钻孔注水。在新开挖的掌子面上喷水、钻孔注水，使围岩表部应力缓慢释放，从而降低岩爆的影响范围和强度，减少了岩爆对作业人员、生产设备的威胁。地下厂房系统围岩在新开挖的掌子面上多次实施喷水作业，使围岩表部应力缓慢释放的同时降低了洞室内灰尘，保证了施工安全。
(4)及时加固支护。在洞室开挖完成后，及时对围岩进行加固支护是防治岩爆的主要措施，这不仅可以改善围岩应力大小和分布，还能使洞室周边岩体从平面应力状态变为空间三向应力状态，达到减轻岩爆危害，防止岩石弹射、剥落事故发生。瀑布沟水电站地下厂房系统主要采用“径向锚杆+喷混凝土”“径向锚杆+喷混凝土+钢筋网”“锚索+径向锚杆+喷混凝土”等型式对围岩进行支护，实践证明，上述支护处理有效减少了围岩岩爆事故，保证了作业安全。
5 围岩变形监测
洞室施工期间，围岩应力将发生重新分布且不断进行调整。变形监测的目的是掌握洞室围岩及支护的变形动态，确保施工的安全性、经济性，同时对设计起到一定的指导和检验作用。如发现支护变形增加，说明围岩变形加大，应及时采取补强加固处理措施。为及时监测地下厂房系统围岩应力、应变的变化情况，在地下厂房、主变室、尾水闸门室等部位埋设了多点位移计、锚杆应力计、锚索测力计。
经对地下厂房系统围岩进行喷锚、挂网、锚索等支护处理后，根据围岩变形监测成果，对个别监测断面处围岩进行了补强加固处理。监测成果分析显示，经支护措施处理后，地下厂房系统围岩应力、应变已经趋于收敛，围岩稳定。截至目前，地下厂房系统已经安全运行近10年，社会经济效益显著。
6 结语
(1)瀑布沟水电站地下厂房系统属于高地应力区，围岩为澄江期中粗粒花岗岩，以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，完整性好;岩性坚硬，岩石饱和单轴抗压强度一般在100 MPa以上，地下水不丰富;围岩具备了发生岩爆的地质条件。根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)岩爆分级及判别标准，厂房系统岩体可能发生中等～轻微岩爆。
(2)瀑布沟水电站地下厂房系统包括地下厂房、主变室、尾水闸门室等洞室，施工中有岩爆现象发生，多发生在拱座部位，围岩呈片、板状爆裂弹射及劈裂剥落，弹射岩片厚度一般为3～18 cm，并伴随清脆响声及灰雾。
(3)在地下厂房系统施工中，对围岩采取打超前小导洞、控制爆破、掌子面喷水及钻孔注水、及时加固支护等工程措施，有效地降低了围岩岩爆发生的强度和频率，提高了施工进度、保证了作业人员、设备安全。
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