Comparative Analysis of Deformation and Failure of Gravity Dam with Complex Foundation and Cemented Sand-gravel Dam
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摘要: 胶凝砂砾石坝（cemented sand-gravel dam，CSG坝）是一种新型坝，具有大坝整体应力水平低、施工快速以及节约工程投资等优点。本文采用地质力学模型试验法，对CSG坝与重力坝在复杂地基上的深层抗滑稳定问题以及破坏差异进行分析，CSG坝原型选取守口堡大坝，与武都重力坝19#坝段坝址区复杂地基相结合成一新坝段，从而模拟CSG坝在复杂地基下的运行情况，并通过模型加载试验得到坝体的变形特点及复杂地基中断层和层间错动带的破坏形态。通过CSG坝与武都重力坝19#坝段的模型试验数据以及两者破坏形态对比分析可以得到：1）在相同的超载倍数下，重力坝坝体较CSG坝坝体变位更大；2）在最终破坏阶段，CSG坝与重力坝坝体均有轻微的扭转，其中重力坝坝体有轻微的顺时针转动，CSG坝坝体有轻微的逆时针转动；3）CSG坝与重力坝所在复杂地基的断层均发生了不同程度的滑移，其中断层10f2、f115发生了较大的相对变位；4）重力坝整体向下游变位较CSG坝明显，挤压破坏情况较为严重；5）模型试验中得到CSG坝安全度为6.4，重力坝安全度为3.0，运用刚体极限平衡分析得到CSG坝安全度为5.9，重力坝安全度为2.5。模型试验结果与理论分析结果相互验证，因此，从两者数据结果可得出CSG坝的极限承载能力较重力坝强，超载系数大，安全度较重力坝高，说明CSG坝是一种高安全性的坝型。Abstract: Cemented sand-gravel dam (CSG dam) is a new type of dam, and has the advantages of low overall stress level, rapid construction, and saving engineering investment. Aiming at the difference in failure form between the CSG dam and gravity dam on complex foundations and the stability of deep sliding, the method of the geomechanical model test was adopted, selecting the Shoukoubao dam as the prototype of the CSG dam, and comparing it with the Wudu gravity dam 19# dam. The complex foundation of the dam site area was combined to form a new dam section, to simulate the operation of the CSG dam under the complex foundation, and the deformation characteristics of the dam body and the damage of the fault layer and the interlayer dislocation zone of the complex foundation were obtained through the model loading tests. From the model test data of the 19# dam section of the CSG dam and the Wudu gravity dam, and the comparative analysis of the failure modes, the results can be obtained: 1) Under the same overload multiple, the dam body of the gravity dam has a larger displacement than the dam body of the CSG dam; 2) In the final failure stage, both the CSG dam and the gravity dam body are slightly twisted, the gravity dam body rotates slightly clockwise, and the CSG dam body rotates slightly counterclockwise; 3) the faults occur to varying degrees. The relative displacement of the fault layers 10f2 and f115 occurs due to the slippage; 4) The overall downstream displacement of the gravity dam is more obvious than that of the CSG dam, and the crushing damage is more serious; 5) The safety degree of the CSG dam is 6.4 in the model test, the safety degree of gravity dam is 3.0, the safety degree of CSG dam is 5.9 obtained by using the rigid body limit equilibrium analysis, the safety degree of gravity dam is 2.5. The model test results and the theoretical analysis results have been verified by each other. Therefore, from the data results of the two, it can be concluded that the ultimate bearing capacity of the CSG dam is stronger than that of the gravity dam, the overload coefficient is larger, and the safety degree is higher than that of the gravity dam, indicating that the CSG dam is a kind of high-safety dam type.
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Keywords:
- CSG dam /
- gravity dam /
- complex foundation /
- geomechanical model test /
- overload method
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胶凝砂砾石坝（cemented sand-gravel dam，CSG坝）是一种结合了重力坝与土石坝技术优势而发展起来的一种新型坝，其筑坝材料——胶凝砂砾石材料是将胶凝材料与砂砾石料通过搅拌、碾压等一系列工序混合，形成类似于碾压混凝土性质的新材料[1-2]。由于CSG坝施工简单、造价低廉、高安全性以及对地基条件要求低等各项优势，各国日渐重视并将其应用到实际工程当中[3]，众多学者也对CSG坝应力分布、结构特点以及安全性等方面展开了研究[4-6]。闫菲[7]结合守口堡水库胶凝砂砾石坝实例，得到在静力作用下蓄水后，坝体产生向下游的水平位移，坝体应力分布规则，蓄水工况下，上游靠坝基面出现拉应力区，但拉应力较小。王佳[8]通过荷载计算得到在岩土地基下，地基承载力是CSG坝设计最为重要的控制标准，在满足地基要求的情况下，仅需要考虑抗滑稳定控制标准即可。丁泽霖等[9]利用CSG坝模型试验，得出了CSG坝在其自重的影响下，坝体和坝基均受压，在水荷载的作用下，其最大的应力部位出现在坝基面的中下游区域。杨会臣[10]比较系统且深入地研究了CSG坝坝体的极限承载能力、超载强度以及对地基的适应性等问题，并且在这基础上提出了CSG坝坝体的结构设计原则，这在山西守口堡大坝的工程设计中得到了实际应用。此后，张建伟等[11]运用摩尔–库伦软化模型和混凝土弹塑性损伤本构模型，研究胶凝砂砾石坝应力和变形的特点，验证守口堡胶凝砂砾石坝设计合理，抗压和抗拉特性良好。
随着研究的深入，众多学者开始对CSG坝与重力坝两者比较进行深入探讨。在应力分布及安全性上，李秀琳[12]和杨宝全[13]等研究发现，在相同荷载的条件下，与重力坝相比较，CSG坝应力受水荷载影响较小，应力水平分布合理，安全性优于等高程重力坝。张馨文[14]利用有限元的方法，将CSG坝与重力坝进行对比，其结果显示，CSG坝坝体的整体应力水平重力坝较低并且分布较均匀，对地基的适应能力更强，这就可以充分发挥材料的强度。邓子谦等[15]运用结构模型试验与有限元数值模拟相结合的方法，对CSG坝以及重力坝在均质地基上的应力和变形比较，其研究结果表明，在相同超载倍数下，重力坝坝体位移明显要比CSG坝坝体位移大，并且CSG坝在各种工况下的工作状态以及性能均较好。聂鸿博等[16]虽同样选取重力坝为参考坝型，对比分析了在外荷载作用下CSG坝与重力坝对于复杂地基的适应性以及稳定性，但主要采用有限元计算的方法，并没有运用模型试验结果作为对比，因此CSG坝对复杂地基的实际适应情况、破坏模式以及复杂地基的影响，还需要再进一步的研究。
为了对比分析在复杂地基上CSG坝与重力坝实际适应情况及稳定性，研究将武都重力坝19#坝段[17]坝址区的复杂地基与守口堡大坝的典型坝段相结合[18]，通过地质力学模型试验，确定CSG坝与重力坝坝体结构本身的极限承载能力以及各阶段超载安全系数，对比探究地基承载能力对CSG坝与重力坝坝体稳定的影响。这为今后CSG坝的实际应用及发展提供了参考，对促进其工程实际应用具有积极意义。
1. 试验背景设计
1.1 试验背景选择
本文为对比研究CSG坝与重力坝深层抗滑稳定问题，需选择一个具有典型深层抗滑稳定问题的地质工程作为研究对象。
武都重力坝是武都引水工程的挡水工程，其地基中节理和结构面错综复杂，是作为深层抗滑稳定分析的典型工程[19-21]。守口堡水库是作为中国第一座CSG坝，其相关研究资料丰富，同时结构简单，适合作为模型试验的坝体部分[22]。
CSG坝在国内外均有应用，但相关技术还处于发展起步阶段，尤其是在复杂地基条件下大坝的安全稳定问题，故本文将守口堡大坝典型坝段与武都水库19#坝段复杂地基相结合进行模型试验，并与武都水库19#坝段的模型试验结果进行对比分析。
1.2 重力坝工程概况
本文选取武都重力坝19#坝段作为重力坝模型试验原型，其最大坝高120.34 m，溢流坝段下游坝坡为1∶0.75，试验资料显示地基条件为：坝趾区内构造线主要以NE～S向展布，岩层的总体产状为N41°～68°E/NW∠66°～78°。将地质构造结构面分为5个等级，见表1；武都重力坝19#坝段剖面图如图1所示。
表 1 地质构造结构面Table 1 Structural plane of geological structure等级 第1级 第2级 第3级 第4级 第5级 地质构
造面F11断层 F31断层 10f2、f114、
f115断层JC6-B、JC7-B、
JC21-C、JC2-C
层间错综带陡、缓倾角
的节理裂隙
图 1 重力坝复杂地基剖面图Fig. 1 Section of complex foundation for gravity dam
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1.3 CSG坝工程设计
本文选取守口堡大坝作为CSG坝模型试验原型，最大坝高60.6 m，上下游坝坡为1∶0.6。为了便于对比分析，本文采用守口堡大坝典型坝段与武都水库19#坝段址区的复杂地基相结合的形式进行模型试验。复杂地基上CSG坝剖面图如图2所示。
图 2 CSG坝复杂地基剖面图Fig. 2 Section of complex foundation for CSG dam下载:
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综合考虑试验过程中的加载条件、重力坝与CSG坝筑坝材料以及试验数据与成果的分析，最终选定的重力坝与CSG坝原型坝体以及复杂地基的主要力学参数见表2和表3。
表 2 原型大坝主要力学参数Table 2 Main mechanical parameters of prototype dam类别 容重/(g·cm–3) 弹性模量/GPa 泊松比 CSG坝坝体 2.32 4.6 0.20 重力坝坝体 2.40 20.0 0.17 2. 地质力学模型试验
2.1 模型相似判据
根据弹性力学、塑性理论及相似原理，本文的相似判据[23]为：
$$ \frac{{C}_{\varepsilon }{C}_{l}}{{C}_{\delta }}＝1 \text{，}\frac{{{C_\sigma }}}{{{C_\varepsilon }{C_E}}} = 1\;\text{，} \frac{{C}_{X}{C}_{l}}{{C}_{\sigma }}=1 \text{，}{C_c} = {C_\sigma }\text{，}{C_\mu } = 1 $$ (1) 式中，
${C_\varepsilon }$ 、${C_l}$ 、${C_\delta }$ 、${C_E}$ 、${C_\mu }$ 、${C_\sigma }$ 、${C_X}$ 、${C_\gamma }$ 、${C_c}$ 分别为应变相似常数、几何相似常数、位移相似常数、弹性模量相似常数、泊松比相似常数、应力相似常数、体积力相似常数、容重相似常数、黏聚力相似常数。2.2 模型比较依据
地质力学模型试验通过相似理论模拟重力坝与CSG坝在复杂地基上的实际运行情况，考虑到原型重力坝与CSG坝的坝高不同，采用不同的模型比尺，将两者缩尺为同一级别高度的模型进行比较，根据相似判据将重力坝原型坝高缩尺为80 cm，正常蓄水位缩尺为66 cm，坝体模型弹性模量为133 MPa；将CSG坝原型坝高缩尺为60 cm，正常蓄水位缩尺为57 cm，坝体模型弹性模量为46 MPa，这既保证了两者与原型大坝运行情况一致，也保证了两者模型高度的一致，即可根据模型试验显示的数据结果，进行分析比较可得到CSG坝与重力坝在复杂地基上结构特性以及破坏模式。
2.3 模型比尺设计
本次试验主要对CSG坝与重力坝的坝体和复杂坝基进行模拟，考虑到进行试验时的精度要求以及试验室条件等要求[24-25]，选定本次模型比尺如下：
CSG坝模型比尺为1∶100，CSG坝模型高度为60 cm，正常蓄水位为57 cm，最终确定模型模拟坝基深度、上游范围以及下游范围分别取坝高的1.5倍、0.5倍、2.0倍。
重力坝模型几何比尺为1∶150，重力坝模型高度为80 cm，正常蓄水位为66 cm，最终确定模型模拟坝基深度、上游范围以及下游范围分别取坝高的1.0倍、1.5倍、2.0倍[26-27]。
表 3 岩体与软弱结构面的原型与模型材料力学参数Table 3 Prototype and model material mechanical parameter of rock mass and weak structural plane类别 坝址区岩体名称 容重/(g·cm–3) 抗剪断强度 Em/MPa Ep/GPa 泊松比 f' $C_{\rm{m}}'$/(10–3 MPa) $C_{\rm{p}}'$/MPa 坝址区岩体（CSG坝/重力坝） ${\rm{D}}_2^5$ 2.83 1.00～1.20 11.00/7.33 1.00～1.10 82.50～55.00 6.50～10.00 0.25 ${\rm{D}}_2^4$ 2.70 1.00～1.20 10.50/7.00 1.00～1.10 69.90～46.60 7.00 0.23 ${\rm{D}}_2^2$ 2.65 0.65 4.50/3.00 0.45 27.00～18.00 2.65 0.30 ${\rm{D} }_2^1、 {\rm{D} }_2^3$ 2.72 0.90 9.50/6.33 0.90～1.00 52.50～35.00 5.50 0.22 ${\rm{D}}_1^2$ 2.72 1.00～1.20 10.50/7.00 1.00～1.10 70.00～46.00 7.00 0.23 ${\rm{D}}_2^{5\text{-}1}$ 2.78 1.00 10.00/6.67 1.00 60.00～40.00 6.00 0.24 断层以及层间错动带 f115、f114、10f2 1.65 0.37 0.20/0.13 0.02 2.40/1.60 0.05～0.10 0.40 右JC6-B、右JC7-B 1.80 0.40 0.15/0.10 0.15 1.50/1.00 0.10～0.20 0.40 JC21-C、JC2-C 1.65 0.37 0.20/0.13 0.02 0.70/0.50 0.05～0.10 0.42 注：f'代表摩擦系数， $C_{\rm{m}}'$代表岩体与软弱结构面模型黏聚力， $C_{\rm{p}}'$代表岩体与软弱结构面原型黏聚力，Em代表岩体与软弱结构面模型弹性模量，Ep代表岩体与软弱结构面原型弹性模量。 表 4 坝体模型主要参数Table 4 Main parameters of dam model类别 ${C_l}$ ${C_E}$ ${C_f}$ ${C_\gamma }$ ${C_\mu }$ 模型高度/cm 正常蓄水位/cm 弹性模量/MPa 容重/(g·cm–3) 泊松比 CSG坝坝体 100 100 1 1 1 60 57 46 2.32 0.20 重力坝坝体 150 150 1 1 1 80 66 133 2.40 0.17 2.4 模型加载与量测系统
本次模型试验主要有三部分量测系统[28]，分别是坝体外部位移量测系统、内部相对变位量测系统、坝体应变量测系统。在CSG坝坝体与重力坝坝体下游面的上、中、下3个典型高程共布置6个变位测点，每个测点双向量测（顺河向、竖直向）。在坝基内的断层F31、10f2、f114、f115、f101等控制坝基稳定的主要断层结构面上布置有相对变位测点，在各断层不同高程布置了5支相对位移计，每个测点按单向（沿断层倾向）布置相对位移计，同时在CSG坝与重力坝坝体外侧分别布置10个应变测点与4个应变测点，用于测量两种坝体在加载下的应变情况。应变片编号及测点位置如图3和4所示。
图 3 CSG坝坝段测点布置图Fig. 3 Layout of survey points in CSG dam section dam下载:
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图 4 重力坝坝段测点布置图Fig. 4 Layout of survey points in gravity dam section下载:
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本次试验用超载法对模型进行破坏，首先进行预压，再以0.2P0（P0为正常工况下的荷载）的步长加载到正常荷载的状态，持续按照加载步长加载至坝体模型失稳。坝体加载系统如图5和6所示
图 5 CSG坝加载量测系统布置Fig. 5 CSG dam load measurement system layout下载:
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图 6 重力坝加载量测系统布置Fig. 6 Gravity dam load measurement system layout下载:
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3. 试验结果
3.1 坝体应变特征
CSG坝坝体应变测点整体上在Kp=2.2时出现明显转折或反向，如图7所示（其中，Kp代表超载系数，Δε代表应变）。重力坝坝体应变测点整体上在Kp＝2.0出现明显转折或反向，如图8所示。
图 7 CSG坝超载阶段坝体Δε–Kp关系曲线Fig. 7 Δε–Kp relationship curves of CSG dam during overload stage下载:
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图 8 重力坝超载阶段坝体Δε–Kp关系曲线Fig. 8 Δε–Kp relationship curves of gravity dam during overload stage下载:
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CSG坝与重力坝整体上坝体均为受压状态，由于千斤顶加载主要指向坝体中部的建基面处，而CSG坝在加载初期坝踵及坝趾处出现了受拉情况，重力坝则是在加载后期坝中与坝趾都出现了受拉状况。
3.2 坝体位移特征
CSG坝坝体位移在0≤Kp≤1时，6个测点变位值较小，水平向测点位移变化曲线在Kp=2.2时出现拐点，竖直向上CSG坝测点位移变化曲线在Kp=2.4时出现拐点，如图9和10所示（Δδ代表位移）。重力坝坝体水平向测点与竖直向测点位移变化曲线均在Kp=2.0时就出现拐点，如图11和12所示。
图 9 CSG坝水平向测点位移变化曲线Fig. 9 Displacement curves of CSG dam in horizontal direction下载:
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图 11 重力坝水平向测点位移变化曲线Fig. 11 Displacement curves of gravity dam in horizontal direction下载:
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从图9～12可以看出，CSG坝坝体位移变化曲线出现拐点时的Kp值较重力坝大，并且曲线较平缓。
图 12 重力坝竖直向测点位移变化曲线Fig. 12 Displacement curves of gravity dam in vertical direction下载:
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图 10 CSG坝竖直向测点位移变化曲线Fig. 10 Displacement curves of CSG dam in vertical direction下载:
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3.3 软弱结构面相对位移特征
3.3.1 断层10f2的相对位移特征
CSG坝地基断层10f2在Kp=1.2时迅速增加，增加至2.4时又迅速减小，然后在3.4≤Kp≤4.6时曲线相对平缓，但加载至4.2时再次开始迅速增大，直到Kp=6.2时应变值最大，之后再迅速减小；重力坝与CSG坝不同的是，在1.6≤Kp≤2.0时，变位曲线出现拐点，变位值开始明显增大，在2.0≤Kp≤2.4以后，变位幅度显著加大，如图13所示。
图 13 断层10f2相对位移计应变变化曲线Fig. 13 Relative displacement gauge strain change curves of fault 10f2下载:
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从图13中可以看出，CSG坝中断层10f2的相对变位值出现拐点时的Kp值较重力坝大，并且曲线较平缓。
3.3.2 断层f114、f115的相对位移特征
CSG坝地基断层f114、f115在Kp=1.6时应变值开始增加，之后在2.2≤Kp≤4.0时曲线较为平缓，增加至4.2时突然增大，直至加载到4.6增速开始减小，并在Kp=6.0左右达到最大值；重力坝与CSG坝不同的是在1.6≤Kp≤1.8时，变位曲线出现拐点，重力坝在Kp≥2.0，CSG坝在Kp≥2.2以后，相对变位的变化幅度明显加大，如图14和15所示。
图 14 断层f114相对位移计应变变化曲线Fig. 14 Relative displacement gauge strain change curves of fault f114下载:
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图 15 断层f115相对位移计应变变化曲线Fig. 15 Relative displacement gauge strain change curves of fault f115下载:
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在加载的最后阶段可以看到，重力坝地基中断层f114的相对变化曲线波动与CSG坝相差不大，但CSG坝地基中断层f115的相对变化曲线波动较重力坝平缓。
3.4 滑移趋势与破坏趋势
通过现场试验记录和数据分析，重力坝与CSG坝的滑移趋势与破坏趋势如下：
1）在正常工况Kp=1.0时，重力坝与CSG坝地基处于正常工作状态，断层面上的相对变位值均较小，无开裂现象发生。重力坝在Kp=2.0时，各断层出现微裂纹，当重力坝超载至2.4≤Kp≤3.0时，坝基破坏严重，10f2与f115的开裂间隙较大，在其下游侧的坝基内有大量相互贯通的节理裂隙，挤压破坏情况较为严重；CSG坝在2.4≤Kp≤2.6时，各断层有裂缝产生，加载至Kp=6.4时，10f2、f114和f115形成滑动面。
2）重力坝与CSG坝整体均向下游变位明显，破坏区有形成向下游滑动失稳的趋势。重力坝同时发生坝踵向上、坝趾向下的不均匀竖直向变位，坝踵、坝趾破坏严重；CSG坝坝踵有轻微的沉降，坝趾隆起，坝体破坏程度较小。重力坝模型与CSG坝模型最终破坏情况如图16、17所示。
图 16 重力坝外侧破坏形态Fig. 16 Failure pattern of gravity dam outside下载:
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图 17 CSG坝外侧破坏形态Fig. 17 Failure pattern of CSG dam outside下载:
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4. 深层抗滑稳定的对比分析
由于在重力坝及CSG坝模型试验超载过程中，断层10f2、f115均发生了较大的相对变位，产生了贯通性裂纹，具体的滑移通道如图18、19所示。
图 18 重力坝滑移通道示意图Fig. 18 Schematic diagram of gravity dam slip passage下载:
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图 19 CSG坝滑移通道示意图Fig. 19 Schematic diagram of CSG dam slip passage下载:
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故在本文中将断层10f2、f115视作影响坝与地基深层抗滑稳定的控制性因素，进行如下分析：
1）CSG坝与重力坝断层产生了不同的滑移情况，可运用刚体极限平衡法分析双斜面深层抗滑稳定，计算时，以滑动面折点B为界，将滑动体分成２个部分，其中，BD面以左为①区，BC面以右为②区如图20和21所示。
图 20 重力坝受力分析简图Fig. 20 Stress analysis diagram of gravity dam下载:
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图 21 CSG坝受力分析简图Fig. 21 Stress analysis diagram of CSG dam下载:
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抗滑稳定安全系数K可表示为：
$$ K = \frac{{{f_2}(R\sin (\psi + \beta ) + {W_2}) + {c_2}{A_2}}}{{R\cos (\psi + \beta ) - {W_2}\sin\; \beta }} $$ (2) 抗力R可表示为：
$$ R = \frac{{P\cos\; \alpha + {W_1}\sin\; \alpha - {f_1}{W_1}\cos\; \alpha + {f_1}P\sin\; \alpha - {c_1}{A_1}}}{{\cos (\psi - \alpha ) - {f_1}\sin (\psi - \alpha )}} $$ (3) 式（2）～（3）中：f1、c1分别为①区滑动面上的摩擦系数与凝聚力；f2、c2分别为②区滑动面上的摩擦系数与凝聚力；A1、A2分别为AB、BC面可能滑动的面积；W1，W2分别为①区、②区的自重，其中在CSG坝受力分析图中表述含义为①区、②区的自重加上静水总压力的竖直向分力；α，β为滑动面与水平面的夹角；ψ为被动抗力与水平面的夹角，根据工程经验常假定ψ为0。
为方便计算重力坝与CSG坝安全度及分析其受力情况，分别做两种坝型受力分析简图，如图20和21所示。重力坝坝体只受水平方向的水推力P，类似于悬臂梁结构，造成重力坝不但有向下游滑动的趋势，坝体还会有轻微顺时针扭转的趋势，通过式（1）与（2）的计算可得安全度为2.5；CSG坝分别受水平方向和竖直方向的推力，造成CSG坝不但有向下游的滑动趋势，还有逆时针扭动的趋势，通过式（2）与（3）的计算可得安全度为5.9。
CSG坝与重力坝模型规模相同，但CSG坝因自身的剖面形式以及自重，受到的水推力即P较小，其坝体位移会小于重力坝。
2）CSG模型与重力坝模型的弹性模量分别为40和130 MPa，两者在超载时坝体都没有发生明显破坏，两者均在断层10f2、f115形成了滑移面，发生了深层抗滑问题，表明深层抗滑破坏对坝体影响较小。在最后破坏阶段，CSG坝的顺河向位移小于重力坝，其滑移通道破坏程度也小于重力坝。
3）对于复杂地基上的重力坝与CSG坝，模型试验结果与受力分析结果规律基本一致，大坝总体发生向下游的顺河向变位，重力坝坝体有轻微的顺时针转动，CSG坝坝体有轻微的逆时针转动，断层都发生了不同程度的滑移，CSG坝坝体位移相较于重力坝要小，并且在最终破坏阶段，重力坝整体向下游变位较CSG坝明显，挤压破坏情况较为严重。
综上，在相同复杂地基以及超载倍数的情况下，CSG坝要比重力坝安全性要高。
5. 结 论
本文采用地质力学模型试验的方法，对CSG坝与重力坝在复杂地基的稳定性和安全度进行对比研究，结果表明：
1）典型CSG坝与典型重力坝在应变分布规律以及变位规律上均类似，在加载过程中，两种坝体整体上处于受压状态，且存在向下游微小变位。随着超载倍数的不断增加，CSG坝与重力坝有轻微的扭转。
2）在含有软弱结构面的复杂地基上，CSG坝模型最终测得的安全度Kp为6.4，重力坝模型最终测得的安全度Kp为3.0，说明在相同规模下，CSG坝的深层抗滑稳定安全度更高。
3）运用刚体极限平衡法得到重力坝与CSG坝双斜面深层抗滑稳定安全度分别2.5与5.9，这与模型试验测得到的安全度相互验证。
4）重力坝与CSG坝在加载的过程中，所受荷载方向虽不同，但整体上，CSG坝坝体的结构未出现明显破坏现象，而重力坝挤压破坏情况较为严重，表明CSG坝的极限承载能力更强，对复杂地基有更为良好的适应性，可以得出CSG坝是一种高安全性的坝型。
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图 1 重力坝复杂地基剖面图
Fig. 1 Section of complex foundation for gravity dam
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图 2 CSG坝复杂地基剖面图
Fig. 2 Section of complex foundation for CSG dam
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图 3 CSG坝坝段测点布置图
Fig. 3 Layout of survey points in CSG dam section dam
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图 4 重力坝坝段测点布置图
Fig. 4 Layout of survey points in gravity dam section
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图 5 CSG坝加载量测系统布置
Fig. 5 CSG dam load measurement system layout
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图 6 重力坝加载量测系统布置
Fig. 6 Gravity dam load measurement system layout
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图 7 CSG坝超载阶段坝体Δε–Kp关系曲线
Fig. 7 Δε–Kp relationship curves of CSG dam during overload stage
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图 8 重力坝超载阶段坝体Δε–Kp关系曲线
Fig. 8 Δε–Kp relationship curves of gravity dam during overload stage
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图 9 CSG坝水平向测点位移变化曲线
Fig. 9 Displacement curves of CSG dam in horizontal direction
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图 11 重力坝水平向测点位移变化曲线
Fig. 11 Displacement curves of gravity dam in horizontal direction
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图 12 重力坝竖直向测点位移变化曲线
Fig. 12 Displacement curves of gravity dam in vertical direction
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图 10 CSG坝竖直向测点位移变化曲线
Fig. 10 Displacement curves of CSG dam in vertical direction
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图 13 断层10f2相对位移计应变变化曲线
Fig. 13 Relative displacement gauge strain change curves of fault 10f2
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图 14 断层f114相对位移计应变变化曲线
Fig. 14 Relative displacement gauge strain change curves of fault f114
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图 15 断层f115相对位移计应变变化曲线
Fig. 15 Relative displacement gauge strain change curves of fault f115
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图 16 重力坝外侧破坏形态
Fig. 16 Failure pattern of gravity dam outside
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图 17 CSG坝外侧破坏形态
Fig. 17 Failure pattern of CSG dam outside
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图 18 重力坝滑移通道示意图
Fig. 18 Schematic diagram of gravity dam slip passage
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图 19 CSG坝滑移通道示意图
Fig. 19 Schematic diagram of CSG dam slip passage
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图 20 重力坝受力分析简图
Fig. 20 Stress analysis diagram of gravity dam
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图 21 CSG坝受力分析简图
Fig. 21 Stress analysis diagram of CSG dam
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表 1 地质构造结构面
Table 1 Structural plane of geological structure
等级 第1级 第2级 第3级 第4级 第5级 地质构
造面F11断层 F31断层 10f2、f114、
f115断层JC6-B、JC7-B、
JC21-C、JC2-C
层间错综带陡、缓倾角
的节理裂隙表 2 原型大坝主要力学参数
Table 2 Main mechanical parameters of prototype dam
类别 容重/(g·cm–3) 弹性模量/GPa 泊松比 CSG坝坝体 2.32 4.6 0.20 重力坝坝体 2.40 20.0 0.17 表 3 岩体与软弱结构面的原型与模型材料力学参数
Table 3 Prototype and model material mechanical parameter of rock mass and weak structural plane
类别 坝址区岩体名称 容重/(g·cm–3) 抗剪断强度 Em/MPa Ep/GPa 泊松比 f' $C_{\rm{m}}'$/(10–3 MPa) $C_{\rm{p}}'$/MPa 坝址区岩体（CSG坝/重力坝） ${\rm{D}}_2^5$ 2.83 1.00～1.20 11.00/7.33 1.00～1.10 82.50～55.00 6.50～10.00 0.25 ${\rm{D}}_2^4$ 2.70 1.00～1.20 10.50/7.00 1.00～1.10 69.90～46.60 7.00 0.23 ${\rm{D}}_2^2$ 2.65 0.65 4.50/3.00 0.45 27.00～18.00 2.65 0.30 ${\rm{D} }_2^1、 {\rm{D} }_2^3$ 2.72 0.90 9.50/6.33 0.90～1.00 52.50～35.00 5.50 0.22 ${\rm{D}}_1^2$ 2.72 1.00～1.20 10.50/7.00 1.00～1.10 70.00～46.00 7.00 0.23 ${\rm{D}}_2^{5\text{-}1}$ 2.78 1.00 10.00/6.67 1.00 60.00～40.00 6.00 0.24 断层以及层间错动带 f115、f114、10f2 1.65 0.37 0.20/0.13 0.02 2.40/1.60 0.05～0.10 0.40 右JC6-B、右JC7-B 1.80 0.40 0.15/0.10 0.15 1.50/1.00 0.10～0.20 0.40 JC21-C、JC2-C 1.65 0.37 0.20/0.13 0.02 0.70/0.50 0.05～0.10 0.42 注：f'代表摩擦系数， $C_{\rm{m}}'$代表岩体与软弱结构面模型黏聚力， $C_{\rm{p}}'$代表岩体与软弱结构面原型黏聚力，Em代表岩体与软弱结构面模型弹性模量，Ep代表岩体与软弱结构面原型弹性模量。 表 4 坝体模型主要参数
Table 4 Main parameters of dam model
类别 ${C_l}$ ${C_E}$ ${C_f}$ ${C_\gamma }$ ${C_\mu }$ 模型高度/cm 正常蓄水位/cm 弹性模量/MPa 容重/(g·cm–3) 泊松比 CSG坝坝体 100 100 1 1 1 60 57 46 2.32 0.20 重力坝坝体 150 150 1 1 1 80 66 133 2.40 0.17 -
[1] 张镜剑.碾压混凝土坝的历史、现状和趋势[J].华北水利水电学院学报,2000,21(3):1–7. doi: 10.19760/j.ncwu.zk.2000.03.001 Zhang Jingjian.History,current situation and trend of roller compacted concrete dam[J].Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,2000,21(3):1–7 doi: 10.19760/j.ncwu.zk.2000.03.001 [2] 彭云枫,何蕴龙,万彪.Hardfill坝——一种新概念的碾压混凝土坝[J].水力发电,2008,34(2):61–63. doi: 10.3969/j.issn.0559-9342.2008.02.020 Peng Yunfeng,He Yunlong,Wan Biao.Hardfill Dam—A new design RCC dam[J].Water Power,2008,34(2):61–63 doi: 10.3969/j.issn.0559-9342.2008.02.020 [3] 贾金生,马锋玲,李新宇,等.胶凝砂砾石坝材料特性研究及工程应用[J].水利学报,2006,37(5):578–582. Jia Jinsheng,Ma Fengling,Li Xinyu,et al.Study on material characteristics of cement-sand-gravel dam and engineering application[J].Journal of Hydraulic Engineering,2006,37(5):578–582 [4] Arefian A,Noorzad A,Ghaemian M,et al.Seismic evaluation of cemented material dams—A case study of Tobetsu Dam in Japan[J].Earthquakes and Structures,2016,10(3):717–733. doi: 10.12989/eas.2016.10.3.717 [5] 黄虎,李坡,张献才.胶凝砂砾石材料的细观滞回模型[J].建筑材料学报,2021,24(2):254–259. doi: 10.3969/j.issn.1007-9629.2021.02.004 Huang Hu,Li Po,Zhang Xiancai.Mesoscopic hysteretic model of cemented sand and gravel material[J].Journal of Building Materials,2021,24(2):254–259 doi: 10.3969/j.issn.1007-9629.2021.02.004 [6] 郑雪,卢民,杨璐瑶,等.某水库胶凝砂砾石坝筑坝技术分析[J].珠江水运,2022(1):105–107. doi: 10.14125/j.cnki.zjsy.2022.01.036 Zheng Xue,Lu Min,Yang Luyao,et al.Technical analysis of cementing gravel dam construction in a reservoir[J].Pearl River Water Transport,2022(1):105–107 doi: 10.14125/j.cnki.zjsy.2022.01.036 [7] 闫菲.胶凝砂砾石坝静动力应力变形特性有限元分析[D].西安:西安理工大学,2017. Yan Fei.Finite element analysis about static and dynamic stress deformation characteristics of cemented sand and gravel dam[D].Xi’an:Xi’an University of Technology,2017. [8] 王佳.百米级胶凝砂砾石坝剖面设计准则研究[D].郑州:华北水利水电大学,2020. Wang Jia.Study on section design criteria of 100-meter-class cemented gravel dam[D].Zhengzhou:North China University of Water Resources and Electric Power,2020. [9] 丁泽霖,杨世锋,孙明权.胶凝砂砾石坝模型试验研究[J].人民黄河,2016,38(9):92–95. doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2016.09.023 Ding Zelin,Yang Shifeng,Sun Mingquan.Model test study on CSG dam[J].Yellow River,2016,38(9):92–95 doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2016.09.023 [10] 杨会臣.胶凝砂砾石坝结构设计研究与工程应用[D].北京:中国水利水电科学研究院,2013. Yang Huichen.Structural design research on cemented sand and gravel dam and engineering application[D].Beijing:China Institute of Water Resources and Hydropower Research,2013. [11] 张建伟,武佳谋,杨世锋,等.胶凝砂砾石坝应力及变形特点研究[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2020,41(4):39–45. doi: 10.19760/j.ncwu.zk.2020047 Zhang Jianwei,Wu Jiamou,Yang Shifeng,et al.Study on stress and deformation characteristics of cement-sand-gravel dam[J].Journal of North China University of Water Resources and Electric Power (Natural Science Edition),2020,41(4):39–45 doi: 10.19760/j.ncwu.zk.2020047 [12] 李秀琳,吕小彬,彭云枫.考虑应力水平的胶凝砂砾石坝安全分析[J].大坝与安全,2015(4):25–30. doi: 10.3969/j.issn.1671-1092.2015.04.007 Li Xiulin,Lv Xiaobin,Peng Yunfeng.Safety analysis of cemented sand and gravel dam considering different stress levels[J].Dam & Safety,2015(4):25–30 doi: 10.3969/j.issn.1671-1092.2015.04.007 [13] 杨宝全,张林,陈媛,等.基于模型试验的硬填料坝结构特性研究[C]//中国大坝协会2015学术年会暨第七届碾压混凝土坝国际研讨会.重要会议论文集.郑州:黄河水利出版社,2015:51–57. Yang Baoquan,Zhang Lin,Chen Yuan,et al.Research on structural characteristics of hard fill dams based on model tests[C]//China Dam Association 2015 Academic Annual Meeting and the 7th International Symposium on Roller Compacted Concrete DAMS.Proceedings of important conferences.Zhengzhou:Yellow River Water Conservancy Press,2015:51–57. [14] 张馨文.胶凝砂砾石坝应力与稳定及其影响因素研究[D].宜昌:三峡大学,2019. Zhang Xinwen.Study on stress and stability of CSG dam and its influencing factors[D].Yichang:China Three Gorges University,2019. [15] 邓子谦,张林,陈媛,等.Hardfill坝与重力坝结构特性对比分析[J].四川大学学报(工程科学版),2014,46(增刊1):63–68. doi: 10.15961/j.jsuese.2014.s1.011 Deng Ziqian,Zhang Lin,Chen Yuan,et al.Contrastive analysis on structural characteristic of hardfill dam and gravity dam[J].Journal of Sichuan University(Engineering Science Edition),2014,46(Supp1):63–68 doi: 10.15961/j.jsuese.2014.s1.011 [16] 聂鸿博,张林,董建华,等.复杂地基上Hardfill坝与重力坝破坏模式及稳定性对比分析[J].水电能源科学,2015,33(4):76–80. Nie Hongbo,Zhang Lin,Dong Jianhua,et al.Comparative analysis of failure mode and stability between hardfill dam and gravity dam on complex foundation[J].Water Resources and Power,2015,33(4):76–80 [17] 康增云.武都水利枢纽工程坝与地基整体稳定性研究[D].成都:四川大学,2006. Kang Zengyun.Study on monolithic stability of dam and foundation of Wudu hydro project[D].Chengdu:Sichuan University,2006. [18] 丁泽霖,高昱芃,张宏洋,等.胶凝砂砾石坝深层抗滑稳定模型试验研究[J].岩土工程学报,2022,44(2):392–398. doi: 10.11779/CJGE202202022 Ding Zelin,Gao Yupeng,Zhang Hongyang,et al.Model testst on deep anti-sliding stability of cemented sand-gravel dam[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2022,44(2):392–398 doi: 10.11779/CJGE202202022 [19] 聂志明,张林,陈建叶,等.复杂地质条件下重力坝坝基稳定及失稳机理研究[J].四川水力发电,2008,27(2):83–85. doi: 10.3969/j.issn.1001-2184.2008.02.024 Nie Zhiming,Zhang Lin,Chen Jianye,et al.Study on stability and instability mechanism of dam foundation of gravity dam under difficult geological conditions[J].Sichuan Water Power,2008,27(2):83–85 doi: 10.3969/j.issn.1001-2184.2008.02.024 [20] 段斌,张林,陈媛,等.复杂岩基上重力坝坝基稳定模型试验与有限元分析[J].四川大学学报(工程科学版),2011,43(5):77–82. doi: 10.15961/j.jsuese.2011.05.033 Duan Bin,Zhang Lin,Chen Yuan,et al.Geomechanical model test and FEM analysis of stability of gravity dam on complex rock foundation[J].Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition),2011,43(5):77–82 doi: 10.15961/j.jsuese.2011.05.033 [21] 刘咏梅.水位下降对复杂地基重力坝深层抗滑稳定分析——以武都水库重力坝19#坝段为例[J].水利与建筑工程学报,2016,14(4):123–126. doi: 10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.025 Liu Yongmei.Deep anti-sliding stability analysis of gravity dam under water level drawdown condition:Case of Wudu 19# dam[J].Journal of Water Resources and Architectural Engineering,2016,14(4):123–126 doi: 10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.025 [22] 燕荷叶.守口堡水库胶凝砂砾石坝断面尺寸研究[J].水利水电技术,2012,43(6):39–43. doi: 10.13928/j.cnki.wrahe.2012.06.016 Yan Heye.Study on section size of cemented sand-gravel dam of Shoukoubao Reservoir[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2012,43(6):39–43 doi: 10.13928/j.cnki.wrahe.2012.06.016 [23] 李树山,解伟.混凝土结构模型试验的相似理论研究[J].河南科技,2010(1):83–85. doi: 10.3969/j.issn.1003-5168.2010.01.048 Li Shushan,Xie Wei.Study on similarity theory of concrete structure model test[J].Journal of Henan Science and Technology,2010(1):83–85 doi: 10.3969/j.issn.1003-5168.2010.01.048 [24] 王仲发.水工模型试验中薄壁堰缩尺效应分析[J].山东农业大学学报(自然科学版),2002,33(4):499–502. doi: 10.3969/j.issn.1000-2324.2002.04.021 Wang Zhongfa.Analysis of scale effect of thin-plate weir in hydraulic model test[J].Journal of Shandong Agricultural University (Natural Science),2002,33(4):499–502 doi: 10.3969/j.issn.1000-2324.2002.04.021 [25] 耿大伟.胶凝砂砾石坝结构模型试验研究[D].郑州:华北水利水电大学,2017. Geng Dawei.Model test of integral structure of CSG[D].Zhengzhou:North China University of Water Resources and Electric Power,2017. [26] 李征,张林,陈媛,等.复杂地基上重力坝的破坏过程及稳定安全度研究[J].中国农村水利水电,2016(2):130–133. doi: 10.3969/j.issn.1007-2284.2016.02.033 Li Zheng,Zhang Lin,Chen Yuan,et al.Using different approaches to study the failure mode and stability of the gravity dam on complex foundation[J].China Rural Water and Hydropower,2016(2):130–133 doi: 10.3969/j.issn.1007-2284.2016.02.033 [27] 丁泽霖,张林,陈媛,等.重力坝深层抗滑稳定三维地质力学模型破坏试验研究[J].水利学报,2011,42(4):499–504. doi: 10.13243/j.cnki.slxb.2011.04.015 Ding Zelin,Zhang Lin,Chen Yuan,et al.3D geo-mechanical model failure test on stability against deep sliding of gravity dam[J].Journal of Hydraulic Engineering,2011,42(4):499–504 doi: 10.13243/j.cnki.slxb.2011.04.015 [28] 蔡守允,张晓红.水利工程模型试验量测技术的发展[J].水资源与水工程学报,2009,20(1):78–80. Cai Shouyun,Zhang Xiaohong.Development of the measuring technology in the model test of hydraulic engineering[J].Journal of Water Resources and Water Engineering,2009,20(1):78–80
