CN110532694A - 一种基于地质力学模型综合法试验的拱坝安全评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地质力学模型综合法试验的拱坝安全评价方法，包括如下步骤：S1.根据检测的数据，建立综合法试验安全度评价指标体系；S2.构造拱坝安全度评价的突变模型；S3.将综合法试验的各底层指标进行标准化处理，并转化为0～1之间无量纲的数据；S4.利用归一公式进行突变级数计算，求出目标层的总突变级数值；S5.重复S1‑S4步骤，分别计算出综合法试验中不同超载系数下拱坝安全总突变级数值，并绘制总突变级数值与超载系数关系曲线图，根据总突变级数与超载系数关系曲线的拐点获得高拱坝综合法试验安全系数；S6.综合上述因素评价拱坝工程的整体稳定安全性。本发明利用模型综合法试验中现有的变形监测资料，建立高拱坝综合法试验安全度综合评判体系。

Description

一种基于地质力学模型综合法试验的拱坝安全评价方法

技术领域

本发明涉及大坝安全评价方法领域，更具体地说，涉及一种基于地质力学模型综合法试验的拱坝安全评价方法。

背景技术

近20年来，中国先后建成了7座坝高超过200m的特高拱坝，分别为二滩(240m，为最大坝高，下同)、拉西瓦(250m)、构皮滩(230.5m)、小湾(294.5m)、溪洛渡(285.5m)、锦屏一级(305m)和大岗山(210m)。其中，锦屏一级、小湾、溪洛渡3座拱坝的高度达300m级，位居世界最高拱坝前3名。正在建设或将要建设的特高拱坝有白鹤滩(289m)、乌东德(270m)、叶巴滩(217m)、东庄(230m)、龙盘(277m)、松塔(313m)、马吉(300m)、同卡(278m)、怒江桥(291m)、罗拉(295m)等。这些特高拱坝工程为我国国民经济和社会健康、持续、快速发展，以及实现节能减排目标做出了重大贡献。但由于特殊的地理环境，它们具有坝高库大、地形地质条件复杂、水推力巨大、抗震要求高、坝基加固处理难度大、运行环境复杂、多项工程技术指标已达到或超过世界水平。工程一旦溃坝或重大事故发生势必酿成重大灾难，人民群众生命财产损失惨重，因此，高坝的稳定安全是工程建设的关键科学技术问题。地质力学模型试验是研究高拱坝工程稳定安全性的重要方法之一。该方法是根据一定的相似原理对工程与地质问题进行缩尺研究的一种试验方法。通过试验可以了解大坝在正常工况下的工作性态，获得大坝在超载或降强情况下的破坏模式及破坏机理，揭示大坝与地基的薄弱部位，研究大坝的整体稳定安全性，为工程的设计、施工及加固处理提供科学依据。

目前，地质力学模型试验有超载法、强度储备法(降强法)和综合法三种试验方法。其中，超载法一般通过千斤顶或气袋加载模拟上游水沙荷载，通过逐步加大千斤顶或气袋荷载模拟超标洪水的影响以求得大坝超载安全系数，中国的许多大坝工程均进行过超载法地质力学模型破坏试验来研究坝与地基的整体稳定问题，如：响洪甸、青石岭、紧水滩、东风、渔子溪、陈村、凤滩、安康、牛路岭、新丰江、龙羊峡、东江、二滩、李家峡、江垭、拉西瓦、构皮滩、江口等等，清华大学等通过总结这些大坝工程的试验成果，建立了基于超载法试验的大坝稳定分析评价体系，摸索了一套基于λ1(起裂荷载)、λ2(非线性开始的荷载)、λ3(极限破坏荷载)的安全度评价方法，并将这些评价指标引入工程设计和规范中，应用较为广泛。

超载法提供了一种大坝在上游水荷载超载这一因素下的破坏模式，但是其并未考虑坝肩坝基软弱结构面在工程长期运行中的参数降低的影响。从工程实践可知，大坝工程在蓄水运行后，坝肩坝基岩体结构面在库水的作用下会发生软化现象。如刘新荣等进行了三峡库区砂岩“饱水-风干-饱水”的水-岩循环试验，来近似模拟水库蓄水后水位变化导致岸坡岩体的干湿循环作用，得出在15次循环后，砂岩单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量损失分别可达20.73％、51.96％和33.79％，同时指出，这种干湿循环导致的岩石软化过程是不可逆的。冯夏庭等研究了水岩耦合的水化学腐蚀效应；汤连生等从损伤机制和定量分析方面研究了水岩耦合的水化学损伤现象。另外一个方向是应力场和渗流场多场耦合的研究，如Bellier、Wittke和李瓒等研究认为法国MalPasset拱坝的失事正是由于水库蓄水后，坝肩岩体在承受拱坝传递的水荷载后，形成高的压应力区，改变坝肩岩体的渗透性，同时，因为坝基岩体过分破碎和软弱，继而坝踵基岩开裂，地下渗压发生恶化，最终使坝体连同坝基发生深层滑动而溃坝。杨宝全等在MTS岩石力学测试***上进行锦屏拱坝坝肩主要断层水岩耦合三轴压缩试验，得出在10MPa正应力与3MPa水压的工程条件下，锦屏拱坝坝肩主要断层f2、f5、f13、f14、f18抗剪强度的平均弱化率约为25％，煌斑岩脉X等软弱岩体抗剪强度的平均弱化率约为40％。高拱坝工程蓄水运行后，坝肩坝基岩体中存在的软弱岩体及结构面在上千万吨的水荷载以及复杂的渗流场长期作用下易发生泥化、软化、湿化、流变等强度降低的力学行为，因此在采用地质力学模型试验研究高拱坝的稳定性时，应该对这一因素也进行模拟。

强度储备法(降强法)是考虑不断降低坝基坝肩中岩体和结构面的力学参数来得到大坝的安全系数，模拟岩体结构面的力学参数在渗水、雾化等作用下强度降低的力学行为。该方法也是一个单因素法。

(1)地质力学模型超载法试验或强度储备法(降强法)试验均只考虑的一种影响拱坝稳定的因素，均属于单因素法，提供了一种拱坝可能的破坏模式，但不全面。

综合法是超载法和强度储备法的结合，也就是在一个模型上进行超载法和降强法试验，这种方法既考虑到工程上可能遇到的突发洪水，又考虑到工程长期运行中岩体及软弱结构面力学参数逐步降低的情况，能反映多种因素对工程稳定安全性的影响。但由于受到模型材料和试验技术的限制而起步较晚，目前采用变温相似材料可以实现综合法试验。该综合法试验方法和技术是本发明重点全面公开的内容。该方法是一种多因素法，较符合工程实际，能提供超载和降强多因素影响下拱坝的整体失稳破坏模式。

(2)另外一个就是模型监测数据处理方面，目前的数据处理均是采用在Excel软件里面绘制变位、应变与降强系数和超载系数的关系曲线，然后通过人为观察这些曲线的规律来分析试验结果，但是这种分析方法存在人为主观因素的影响，可能导致不同的人进行分析会得出不同的结果(如对比文件1中所述(论文名称：地质力学模型试验中的变位信息监测及其在工程中的应用，论文出处：《四川大学学报(工程科学版)》))，而且由于地质力学模型试验的结构复杂、模型加工的精度、荷载的等效施加等因素的影响，使得变形监测数据有很大的不确定性。但是监测数据异常值可准确反馈模型试验的失稳破坏信息，特别对于高拱坝工程，关于初裂、大变形、极限失稳各破坏阶段的判别依据至今没有统一的认识，因而发现监测数据中隐含的异常值成为难点，需要通过数学的方法，提出客观的判别依据。

(3)还有就是高拱坝综合法试验安全度评价方面，模型试验中通常采用变形监测曲线突变、模型开裂以及裂缝贯通等方法来推断高拱坝安全度，然而变形监测曲线突变判据与敏感监测点的选择关系密切，变形监测成果又受模型比尺、模拟方法、设备精度等因素的影响较大，但拱坝综合法试验安全度评价中关于大变形安全系数分布范围及其取值未有全面的评价标准和体系，因而如何利用模型综合法试验中现有的变形监测资料，建立高拱坝综合法试验安全度综合评判体系，还尚未出现。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于地质力学模型综合法试验的拱坝安全评价方法。

本发明在试验结果分析方面，提出了基于未确知滤波法的模型监测数据异常值处理方法。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种基于地质力学模型综合法试验的拱坝安全评价方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1.根据检测的数据，建立综合法试验安全度评价指标体系；

S2.构造拱坝安全度评价的突变模型；

S3.将综合法试验的各底层指标进行标准化处理，并转化为0～1之间无量纲的数据；

S4.利用归一公式进行计算突变级数，求出目标层的总突变级数值；

S5.重复S1-S4步骤，分别计算出综合法试验中不同超载系数下拱坝安全总突变级数值，并绘制总突变级数值与超载系数关系曲线图，根据总突变级数与超载系数关系曲线的拐点获得高拱坝综合法试验安全系数；

S6.综合上述因素评价拱坝工程的整体稳定安全性。

优选的，在所述S1中，数据的检测方法包括：

S11.模型设计；选定模型几何比尺C_L及确定模拟范围，通过模型相似理论，确定相似关系式，根据岩体、结构面、坝体、加固混凝土的物理力学参数以及相似关系式，计算模型材料的相应的物理力学参数，对工程上的地质平切图、横剖面图、纵剖面图进行概化，设计出模型；

根据每个具体拱坝工程的坝体结构、地形、地质条件、工程荷载及试验任务要求等，结合试验场地规模及试验精度要求，选定模型几何比尺C_L及确定模拟范围，C_L一般为100～300。模拟范围为，在拱坝的地质力学模型试验中，上游坝基的模拟范围一般不小于1.5倍坝底宽或0.8倍坝高，同时要考虑便于安装加压及传压***；下游边界离拱端距离大于2倍坝高；坝基以下模拟深度不小于2/3坝高，坝顶以上模拟高度需要适当考虑坝顶以上岩体的重量；横河向两岸山体模拟范围应使坝肩抗力体的破坏不因边界约束而失真，同时要能将两岸断夹层、蚀变带等控制坝肩稳定的主要地质构造包括在内，不小于该高程拱端厚度的4～5倍，薄拱坝中，一般取顶拱拱端向外1倍坝高左右。同时，为了能对重要的影响因素进行模拟，需要概化一些次要的因素，如一些小的影响不大的结构面可不模拟，将一些地层分界线、断层等不规则的曲线段用折线段模拟。

通过模型相似理论，确定其他的主要相似关系式，如确定变模相似系数C_E、容重相似系数C_γ、荷载相似系数C_F、摩擦系数相似系数C_f、凝聚力相似系数C_c、泊松比相似系数C_μ、应变相似系数C_ε等主要相似系数；

根据各类岩体、结构面、坝体及加固混凝土的物理力学参数，同时根据上一步确定的相似关系式，计算模型材料的相应的物理力学参数；

对工程上的地质平切图、横剖面图、纵剖面图等进行概化，先将这些图纸根据模型几何比尺C_L换算成模型的尺寸，然后将模拟范围在图纸上进行定位，将图纸中的一些次要因素进行概化，将一些地层分界线、断层等不规则的曲线段用折线段表达。并且对地层分界线、断层等的折线拐点标注模型的坐标或者尺寸，便于后期跟进这些坐标和尺寸来对其进行定位模拟。

S12.模型材料准备；配制以重晶石粉+石蜡+机油+高分子材料小白球+聚四氟乙烯薄膜或聚乙烯薄膜或蜡纸等组合方式的模型结构面变温相似材料；

进行各类岩体模型材料的研制，根据各类岩体材料的物理力学参数研制相应的模型材料，见已授权专利(发明专利——用于模拟软弱岩体的地质力学模型相似材料及其制备方法，专利号ZL201110225644.7、用于模拟岩体的地质力学模型相似材料及其制备方法，专利号ZL201110225723.8)；

进行各主要软弱结构面变温相似材料的研制，根据相似关系式，以抗剪断强度为主要的模拟参数，通过常温下的剪切试验，配制以重晶石粉(粒径≤200目)+石蜡(半精炼石蜡：熔点54-60℃)+机油(32号液压机油)+高分子材料小白球+聚四氟乙烯薄膜或聚乙烯薄膜或蜡纸等组合方式的模型个结构面变温相似材料；进行各结构面变温相似材料的升温降强剪切试验，获得抗剪断强度与温度的关系曲线；

模型坝体材料的研制和制作，模型坝体一般采用整体浇筑的方式，其材料根据试验一般选用重晶石粉(粒径≤200目)+石膏+水按照一定配比进行混合，材料配比通过浇筑一批圆柱体试件的材料试验选定。根据拱坝坝体体型，制作木模，通过计算模型坝体体积确定各种材料的用量，称好备用，然后先将重晶石粉和石膏充分混合均匀，再将水加入混合料中，进行快速充分搅拌后，倒入模具成型，1～2天后，待其硬化即可脱模，然后将坝坯放置于通风处，待其自然风干备用。

S13.模型制作；根据模型几何比尺C_L及确定模拟范围的具体尺寸制作模型槽，然后根据模型最下部的地质平切图、边界的地质横剖面图在模型槽的基础及上下左右四周确定出各岩层、各结构面与模型槽相交位置，以及确定拱坝中心线、各纵横剖面线在模型槽上的位置，并有不同颜色的粉笔绘出各线条的位置，然后进行模型的砌筑；

用混凝土材料浇筑能够满足模型模拟范围的模型槽，模型槽的长宽高根据模型几何比尺C_L及确定模拟范围所计算的具体尺寸确定，同时用槽钢在模型槽上游端制作千斤顶加载的反力架。

在模型砌筑前，先根据模型最下部的地质平切图、边界的地质横剖面图等在模型槽的基础及上下左右四周确定出各岩层、各结构面与模型槽相交位置，以及确定拱坝中心线、各纵横剖面线等控制线在模型槽上的位置，并有不同颜色的粉笔绘出各线条的位置。

进行模型的砌筑，采用地质平切图、地质横剖面、地质纵剖面三维立体交叉控制进行砌筑，岩体主要模拟其各类岩体的物理力学参数，同时采用10cm×10cm×(5～10cm)和5cm×5cm×5cm的小块体模拟岩体内的主要节理裂隙和岩体的连通率，岩体地质构造主要模拟结构面空间位置、走向、倾向等地质要素和力学参数，采用敷填法和变温相似材料进行模拟。结合制模要求拟定出模型砌筑的先后顺序，特别是在地质构造较为复杂的部位，需要有一定模型施工的工序组织图，确保避免砌筑过程中不必要的垮塌和重复工序。同时，在结构面安装升温***和温度监控***时，要充分考虑与制模步序的交叉作业，对于导线的引出要预留开挖沟槽，避免出现短路现象。

升温***由埋设在模型内的电阻丝(直接与变温相似材料接触的加热设备)、模型外的加热控制设备(主要通过调压器进行加热控制)、以及连接电阻丝和调压器的电线组成，调压器可调整电压实现温度的调节。温度控制***由模型外的温度巡回检测仪、埋设在变温相似材料中的热电偶以及两者的连线组成，连接好后通过外部的温度巡回检测仪(XJ-100型温度巡回检测仪)，测试埋设部位的温度值。电阻丝和热电偶分别埋设在模型软弱结构面的设计位置。电阻丝一般均匀地绕设在结构面下盘岩体的顶面，与结构面变温相似材料直接接触，热电偶埋设于电阻丝旁一定距离处或者是结构面的上盘岩体内，避免与电阻丝直接接触而损坏，二者均通过引出线与模型外的控制设备相连

S14.安装测量***；拱坝地质力学模型试验属于非线性破坏试验，它所使用的模型材料为高容重、低变模及低强度的材料，因此模型量测主要进行变位量测。目前，拱坝地质力学模型试验主要有三大量测***，即拱坝坝体及坝肩坝基岩体表面变位量测、坝体应变量测、升温降强监控***。其中，升温降强监控***在上一步模型制作过程中已经安装。

拱坝坝体及坝肩坝基岩体表面变位量测，采用相同的变位量测设备，目前多采用SP-10A位移数显仪进行量测。该量测***有SP-10A位移数显仪主机、连接线、接触式探头，以及磁性表座、钢架和测点标点等组成。测试前，先在模型槽上、拱坝模型表面安设(与模型不能接触)钢架，这些钢架有一定间距，同时又能保证能够在需要测试点布置磁性表座和安装位移计探头。然后在钢架上安装磁性表座和固定位移计探头的支架，最后安装位移计探头。

坝体应变量测，在坝体的下游面不同高程及拱冠梁、拱端、半拱等不同梁向位置布置应变测点，在这些测点位置粘贴三花应变片(即0°、45°和90°三个方向)，然后通过电缆线将应变片与测试的副机连接起来，副机再连接到主机上，测试的主机采用的是UCAM-70A(或UCAM-8BL)万能应变测试仪，其采用惠斯通电桥的原理进行应变测试。

S15.安装模型加载***；模型中上游水荷载的加载采用分层分块，油压千斤顶作用在每块的重心的位置进行模拟。模型的加载***由WY-300/V型八通道自控油压稳压装置、油管、千斤顶、传压板组成。

传压板的作用是需要将千斤顶作用的集中荷载均匀的分散在坝面上，扩散为分布荷载，传压板一般为木块，其与坝面接触的一端需要根据拱坝坝面的弧度进行精修，能与坝面吻合，传压板与坝体接触面，还需要垫一层橡皮或海绵，起到减少与加载面的摩擦作用和保护坝面的作用。

千斤顶主要就是起到将油压荷载作用到坝面，在试验中，常在千斤顶的顶头和传压板之间另加一个一头与千斤顶顶面吻合、另一头与木块面吻合的圆形金属垫块，这样有利于传力和顶头定位。

WY-300/V型八通道自控油压稳压装置，由高压油泵、稳压器、量测仪表、加卸载开关等组成，可直接通过各个通道的仪表盘及加卸载开关进行荷载的施加，也可以连接电子计算机，通过加卸载程序进行自动化的荷载施加。

WY-300/V型八通道自控油压稳压装置施加的荷载油压通过油管与千斤顶连接，千斤顶再作用在坝面上，从而达到施加和模拟水荷载的目的。

S16.进行模型试验；采用集降强法和超载法为一体的综合法进行模型试验。

地质力学模型综合法试验是集降强法(强度储备法)和超载法为一体的模型试验方法，一般在拱坝模型试验中，具体试验程序为：首先对模型用0.3P0～0.5P0(P0为一倍正常水荷载)作用的荷载进行预压，然后逐步加载至一倍正常荷载P0，在此基础上进行强度储备试验(降强法试验)，即通过升温降强的方法对拱坝坝肩主要的软弱结构面进行升温降低其抗剪断强度，升温过程需进行分级，一般每升高0.5℃～1.0℃进行一次读数，直到主要结构面抗剪断强度降低到设计的数值(具体升温多少需根据变温相似材料研制时的升温降强曲线所得)。在保持降低后的强度参数条件下，用油压千斤顶加载***对上游水荷载进行超载，每级荷载以0.2P₀～0.3P₀的步长进行增大，直至坝与地基出现整体失稳为止。在每一级荷载步(包括升温和超载)下，均需要进行表面变位数据的采集记录和坝体应变的数据记录，同时还需要进行开裂破坏过程的观测和记录。

试验成果分析

(1)基于未确知滤波法模型监测数据处理方法

1)处理的思路，由于地质力学模型试验受结构复杂性、材料非均匀性、模型加工精度、荷载等效施加等因素的影响，使得变形监测数据有很大的不确定性，但监测数据异常值可准确反馈模型试验的失稳破坏信息，对于高拱坝工程地质力学模型综合法试验，关于初裂、大变形、极限失稳的判别依据至今没有统一的认识，因而发现监测数据中隐含的异常值成为难点，需要通过数学的方法，提出客观的判别依据。本发明提出：从大坝地质力学模型综合法试验监测数据的基本特征出发，提出了初裂、大变形、极限失稳异常值分类概念。采用未确知滤波法计算变形监测数据的可信度，根据可信度与超载系数的关系曲线变化规律，寻求可信度变化与模型试验中初裂、大变形和极限失稳的三阶段过程的对应关系，为模型试验变形监测数据异常的处理提供了科学依据。

如图1所示，拱坝模型的破坏失稳经历了弹性阶段、弹塑性阶段以及塑性变形直至最终整体失稳三个阶段，曲线中有两个突变拐点，拐点1之前，模型完全处于弹性变形，工程处于正常运行阶段，超载至拐点1时，模型开始出现初裂，因此此时的超载系数(超载步)K_p也叫初裂安全系数K_p初裂，之后进入弹塑性变形阶段，这一阶段虽然模型的开裂破坏在不断发生和扩展，但工程仍能正常运行，处于稳定状态，当超载至拐点2之后，模型的变形突然大幅增加，模型上的裂缝开始逐渐相互贯通，模型开始进入塑性变形阶段，直至最终出现整体失稳。模型试验中把拐点2叫做大变形拐点，对应的超载系数K_p称为K_p大变形，而把最终整体失稳对应的超载系数称为K_p极限。根据突变理论和工程实践，突变拐点2是判断模型是否稳定的重要依据，因此，本发明提出，在地质力学模型综合法试验中，把大变形拐点2对应的安全系数K_p大变形作为工程超载阶段的安全性系数。因此，在高拱坝地质力学模型综合法试验中变形监测数据异常可分为3类：初裂、大变形、极限失稳。

2)综合法试验的数据异常分析

未确知信息是指因模型试验中模型材料、试验方法、测量技术等条件限制，现有变形监测数据不足以描述模型破坏过程，或因决策者认识不清造成主观上和认识上的不确定性。目前，未确知数学理论已被成功应用于经济、电力、水利、煤矿等多个领域的研究中，从而获得更广泛的应用和更迅速的发展。在地质力学模型试验的失稳破坏过程中，由于变形监测类型的不同，则在模型中相同部位监测数据的变化规律也会不同；同种监测类型的数据，在模型不同部位变形监测量也会有较大差别，很难用一种固定的数学模型或方法进行处理，因此，模型试验变形监测数据也是一种未确知信息。

①未确知滤波法原理

未确知滤波是将未确知有理数理论用于监测数据的粗差和异常值处理过程。在地质力学模型试验变形监测中，变形监测数据中存在粗差、初裂、大变形、极限失稳的异常值，可通过研究这些异常值本质区别进行有效区分，即粗差具有偶然性和单独性，异常值具有趋势性和连续性，为此，可作如下考虑：

设一变形监测数据序列

V₁,V₂,K,V_i,L,V_n

可以定义一个未确知有理数

其中是可信度分布密度函数。

根据粗差和异常值本质区别可知，若V_i是异常值，则V_i的某个邻域内测值V_j个数会越来越多；如果V_i是偶然粗差，则V_i是孤立的，在V_i的某个邻域内的测值V_j(1≤j≤n,j≠i)个数为零。

因此，通过对的特殊定义可很好区别粗差和异常值，当V_i邻域中V_j个数多，则认为可信度大，反之可信度小。具体表示为：

其中ξ_i表示V_i邻域|V-V_i|≤λ中包括V_j(j≠i)中包含的个数，λ为领域范围。

②邻域范围λ值的确定

在监测数据异常值处理中，首先需确定V_i邻域范围，即|V-V_i|≤λ中的λ值。若λ取值过大，则邻域范围较大，可能不能识别所有粗差，若λ取值过小，则邻域范围太小，可能导致将正常数据中的偏大值误认为是粗差。因此λ取值应根据实际的监测数据情况来进行合理确定，若测值变化趋势比较平缓，则λ取值应较小，若测值变化趋势比较离散，则λ取值应较大。在统计学上，标准差经常作为衡量变形监测数据是否异常的标准，考虑地质力学模型综合法试验的各部位变形监测数据的特点，建议λ可以取差值方差的整数倍，即

λ＝n·S(n＝1,2或3)

③数据分段

由于地质力学模型破坏试验的变形监测数据序列较长，包括从初裂、大变形至失稳破坏的全过程，且观测值变化量较大，若对整个观测序列进行异常值判别，会导致数值上较接近的粗差之间的互相遮蔽，很难对粗差和异常值进行有效的区分。

为此，将监测数据序列的n个测值分成若干个段，每段分别含有k+1(k<n)个测值，然后针对每段进行计算分析。

其中ξ_i参表示V_i邻域V|V-V_i|≤λ，λ＞0中包含V_j的个数，V_j为与V_i相邻最近的k个观值，j≠i。

根据高拱坝地质力学模型综合法试验的变形监测数据序列及变形趋势特点，建议数据分段选取方法如下：

设L为数据序列长度内的测值总数，ε＝int|L/m|，m根据地质力学模型综合法试验的试验步实际情况确定，i为某个数据在整个序列中的位置1≤i≤L。

(a)当ε≤i≤L-ε时，取i-ε至i+ε个观测值作为V_i的搜索邻域。

(b)当i＜ε或i＞L-ε时，取[1,2i-1]或[2i-n,n]作为V_i的搜索邻域。当少于6个测点时，可取3～5个周围相邻测点进行搜索。

3)综合法试验监测数据异常的评价标准

在高拱坝地质力学模型综合法试验中，以相邻部位的变形监测数据为计算分析对象，由可信度分布密度函数可知，若V_i是初裂、大变形、极限失稳的异常值，则大多数测点在这三个阶段的可信度会出现明显的下降和波动的变化趋势，可信度变化呈现出三个阶段的聚集性变化规律，与模型试验中初裂、大变形和极限失稳的三阶段过程存在一定对应关系；若为其它异常，则只有少数测点的可信度发生下降波动，且分布较为散乱。

优选的，在所述S1中，以坝体、坝肩和结构的大变异常程度为基础，对拱坝的整体稳定安全度进行综合评价，重要评价指标放在前面，次要指标放在后面，建立综合法试验安全度评价指标体系。

(2)综合法试验安全度评价指标体系：

1)评价指标选取：由于高拱坝稳定是一个复杂的***问题，影响高拱坝稳定的因素较多。地质力学模型试验可以较真实的模拟高拱坝稳定状态的演化过程，然而由于模型试验技术及监测技术的局限性，模型的破坏失稳过程是一个“灰色”的过程。在认识有限的情况根据模型试验成果评价拱坝安全度，需选取能直接反映其稳定状态变化的监测指标，不可能将所有方面的因素都加以考虑。目前，地质力学模型试验的成果分析主要依据模型外部和内部测点的变形分布及发展过程，并辅助于破坏过程的开裂及裂缝贯通的现场观测和记录资料，模型开裂过程需要结合现场观测，由于坝体上游面和两岸坝肩上有大量的加载设备和监测设备分布，模型的开裂无法实现实时监测，且模型开裂破坏过程无法定量描述。因此获得各试验步下，关键变形测点的变形分布及发展过程是进行拱坝稳定分析的关键，本发明中基于地质力学模型综合法试验的拱坝稳定安全度指标的选取重点以模型变位监测为主。

地质力学模型综合法试验变形监测按部位区域不同分为坝体变形、坝肩表面变位和结构面相对变位三种变形监测数据类型，其中坝体变形监测分为坝体变位和坝体应变，坝肩表面变形监测分为顺河向变位和横河向变位，结构面相对变形监测为结构面内部的相对变位。每种监测项目由多个测点组成，底层监测点的反映了本区域的稳定安全状态。因而本发明选取坝肩表面顺河向变位、坝肩表面横河向变位、坝体变位、坝体应变及结构面相对变位作为拱坝安全度的评价指标。

2)拱坝综合法试验安全度评价体系：在模型试验中，随着荷载逐渐增大，在坝体推力的作用下，坝肩岩体的表面变位、坝体变位等逐渐增加，当变位出现较大的波动、反向或快速增加时，往往在该测点部位能观测到模型的开裂破坏，即拱坝与地基出现了大变形，当出现变位量值较大且变位增长速率较快时，拱坝与地基往往也出现了整体失稳的趋势，也即出现极限失稳状态。

在地质力学模型综合法试验中，以各个区域的变形监测数据为基础，进行拱坝综合法试验安全度评价，即以各个区域(坝体、坝肩和结构)的大变异常程度为基础，对拱坝的整体稳定安全度进行综合评价。因此，按照突变理论的要求，相对重要评价指标放在前面，次要指标放在后面，拱坝综合法试验安全度评价指标体系如图2所示。

在中间层评价指标的相对重要性方面，拱坝稳定性主要受两坝肩抗力体的影响，目前主要是以变形稳定分析为主，这是拱坝失稳破坏的主要因素，同时考虑高拱坝地质力学模型试验的变形监测数据特征，因此两坝肩的表面变位是第一考虑指标。同时坝体变位也能直观的反应拱坝整体受力状态，特别是对于拱冠梁变位，往往也是模型试验中关注的重点，因此坝体变位作为第二考虑的指标。模型中结构面相对变位反映了拱坝深层结构面的破坏情况，但由于测点在结构面内部，敏感性相对于坝体、坝肩的变位较差，因此属于次要因素。综上，中间层的各指标相对重要性排序为：坝肩表面变位>坝体变形>结构面相对变位。

在底层评价指标的相对重要性方面，对于坝肩表面变位而言，顺河向变位反映拱坝和地基整体向下游变形趋势，横河向变位反映坝肩向河谷变位，反映的是局部变形，且大多数监测点的顺河向变形值均比横河向大，所以顺河向变位更能反映整体稳定状态变化，其相对重要性为顺河向坝肩表面变位>横河向坝肩表面变位。在坝体变位方面，由于受坝体材料非线性特性的限制，坝体应变值不能换算成坝体应力，是反映坝体破坏程度的间接指标，而变位直接反映了坝体破坏程度的直接指标，所以坝体变位为主要控制因素，坝体应变次之，其相对重要性为坝体变位>坝体应变。

优选的，在所述S2中，从中间层到目标层的突变模型中，突变模型为燕尾型；从最底层到中间层的突变模型中，突变模型为尖点型；结构面相对变位有1个最底层指标，其突变模型为折叠型。

从中间层到目标层的突变模型中，拱坝稳定安全状态有3个中间层评价指标，与燕尾型突变模型的控制变量的个数一致，其突变模型为燕尾型。同理，从最底层到中间层的突变模型中，坝体变位和坝肩表面变位均有2个最底层指标，其突变模型均为尖点型，结构面相对变位有1个最底层指标，其突变模型为折叠型，拱坝综合法试验安全度评价突变模型见表1所示。

表1拱坝综合法试验安全度评价突变模型

优选的，在所述S3中，所述标准化处理计算公式如下：

式中x_max和x_min分别代表评价指标的最大值和最小值。

综合考虑地质力学模型综合法试验的变形监测数据分布特征，本发明选取大变形异常率作为各区域稳定状态评价指标。大变形异常率表示当荷载逐渐增大至某一超载系数时，模型各区域(坝体、坝肩或结构面)中发生大变形异常的监测点数量占该区域监测点总数量的百分比。通常来讲，大变形异常率越大，表示该区域的破坏程度大，也从整体上反映了拱坝稳定安全性越低。因此，大变形异常率为拱坝综合法试验安全度评价的负指标，首先，它综合反映了各区域内的地质构造、断层分布对拱坝整体稳定安全性的影响，其次，反映了坝肩、结构面和坝体的不同部位的变形情况，大变形异常率越大，说明区域内破坏程度越大。根据高拱坝地质力学模型综合法试验的破坏过程和破坏形态，各评价指标控制点的选取原则如下：

典型性：控制点的监测数据能够度量和反映某个区域在不同超载阶段的破坏状态和破坏过程。

均匀性：在空间上，控制点断面应尽量满足沿顺河向均匀分布，在高程上，各控制点沿控制断面或结构面从坝顶至河床均匀分布。

稳定性：选取地质力学模型的稳定性较高区域设置控制点，以减少模型材料、人为因素等外来因素对变形监测数据的影响。

在模型综合法试验评价指标中，由于最底层评价指标之间的取值范围、度量单位、评价准则均不相同，各指标之间无法进行比较，需将各底层指标进行标准化处理，转化为0～1之间无量纲的数据。结合模型试验变形监测数据的特点，采用“越小越好”型对所有评价指标数据进行标准化处理，即大变形异常率越小，对应的拱坝稳定安全程度就越高，

优选的，在所述S4中，

尖点型突变模型，其分歧集方程的分解表达式：

其中x_u,x_v是对应u和v的x值。当x＝1时，则u＝－6，v＝8，因此可得状态变量x和控制变量u、v的取值范围为|x|∈[0,1]，|u|∈[0,6]，|v|∈[0,8]。为了达到将控制变量和状态变量的取值范围统一控制在0～1的区间内，需将u取值范围缩小6倍，v取值范围缩小8倍，由此得到其归一化公式为：

优选的，在所述S6中，根据高拱坝地质力学模型综合法试验变形监测数据的时间和空间分布特征，以坝肩、坝体和结构面的三个部位变形监测数据为基础，对各评价指标的相对重要性进行了排序，建立了拱坝综合法试验安全度评价体系；采用突变级数法计算出综合法试验中不同超载系数下拱坝安全总突变级数值，绘制总突变级数值与超载系数关系曲线图，根据总突变级数与超载系数关系曲线的拐点获得高拱坝综合法试验安全系数，全面评价拱坝工程的整体稳定安全性，为工程的设计施工、加固处理、长期运行等提供重要参考。

有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

1.本发明采用未确知滤波法计算变形监测数据的可信度，根据可信度与超载系数的关系曲线分析可知，随着超载系数的逐渐增大，可信度变化呈现出三个阶段的聚集性变化规律，与模型试验初裂、大变形和极限失稳的三阶段破坏过程存在一定对应关系，为初裂、大变形和极限失稳的数据异常识别提供了科学的方法和依据。

2.本发明还在最终安全度评价方法方面，建立了基于突变级数法的高拱坝综合法试验安全度评价体系。采用突变级数法计算综合法试验各超载阶段的总突变级数值，结果表明：总突变级数值随着超载系数的增加而逐渐减小，表征拱坝随着超载系数增加逐渐趋于失稳的破坏过程，根据总突变级数与超载系数关系曲线的拐点，可以获得高拱坝综合法试验安全系数。

附图说明

图1为本发明典型点位移-超载系数关系曲线；

图2为本发明中拱坝综合法试验安全度评价体系；

图3为本发明实施例中各类变温相似材料τm～T关系曲线；

图4为本发明实施例中锦屏一级拱坝模型坝体变位的测点布置图；

图5为本发明实施例中锦屏一级拱坝模型坝体应变的测点布置图；

图6为本发明实施例中模型坝体上游加载***分层分块图；

图7为本发明实施例中坝体典型监测点可信度与超载系数关系曲线(右岸拱端)；

图8为本发明实施例中坝体典型监测点可信度与超载系数关系曲线(左岸拱端)；

图9为本发明实施例中坝体典型监测点可信度与超载系数关系曲线(拱冠)；

图10为本发明实施例中坝肩典型监测点可信度与超载系数关系曲线(顺河向)；

图11为本发明实施例中坝肩典型监测点可信度与超载系数关系曲线(横河向)；

图12为本发明实施例中拱坝总突变级数值和超载系数关系曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以锦屏一级高拱坝为例

基本工况概况

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流上的重要梯级电站，其混凝土双曲拱坝最大坝高305m，是目前已建成的世界第一高拱坝，电站总装机3600MW，枢纽建成后的主要任务是发电。高拱坝坝址区地质条件复杂，存在断层、蚀变岩脉、层间挤压带、节理裂隙及深部裂缝等各类软弱结构面，坝肩坝基岩体非均匀性、非线性、非连续性和各向异性现象突出，坝址区河道顺直，河流流向N25°E，河谷为典型的深切“V”型峡谷，相对高差1500m～1700m。左岸为反向坡，上为砂板岩，下为大理岩；右岸为顺向坡，全为大理岩，下陡上缓。拱坝坝肩岩体受地质构造作用影响强烈，岩体内断层、层间挤压错动带、节理裂隙等发育，对坝与地基的整体稳定产生较大影响。对坝体稳定影响较大的地质构造如左岸断层f5、f2、f8、f42-9、f9、F1，挤压带g，煌斑岩脉X、深部裂缝；右岸断层f13、f14、f18，绿片岩透镜体，近SN向陡倾裂隙等。为使坝体达到良好的受力状态、满足拱座的抗滑稳定与变形稳定等要求，工程上采取了大量的加固措施，如对坝肩坝基的断层、破碎带采用坝肩垫座、混凝土网格洞塞置换、刻槽置换、传力洞、固结灌浆等。加固后，坝肩的整体稳定性以及坝肩坝基的加固效果如何是工程上关心的重要问题。

为了分析加固处理后，拱坝及坝肩坝基的整体稳定性及安全性，评价加固效果，本研究采用三维地质力学模型综合法试验进行研究，对坝址区地形、地质条件，包括岩体断层、X煌斑岩脉、裂隙等主要地质缺陷及加固处理方案进行模拟，抓住影响大坝安全的主要因素，根据岩体力学参数及结构面参数，研制适合锦屏工程地质条件的变温相似材料进行模拟，采用强度储备和超载相结合的综合法进行破坏试验研究，分析坝体及基础变形特征，探讨坝肩、坝基失稳的破坏过程、形态和机理，确定坝肩综合稳定安全度，评价坝肩坝基加固处理效果及目前实施方案的安全性，为工程的设计和施工提供重要依据。

模型设计

1)选定模型几何比尺C_L、确定模拟范围以及其他相似系数：根据模型相似理论，其需要满足以下相似关系：C_γ＝1，C_ε＝1，C_f＝1，C_μ＝1，C_σ＝C_εC_E，C_σ＝C_E＝C_L，其中，C_E，C_γ，C_L，C_σ及C_F分别为变形模量比、容重比、几何比、应力比及集中力比；C_μ，C_ε及C_f分别为泊松比、应变及摩擦系数比。结合锦屏一级拱坝工程实际，选择几何比C_L为300，容重比C_γ为1.0；根据锦屏一级高拱坝的主要地质构造特征、试验研究内容等因素综合分析，确定模型的模拟范围为：①横河向边界：在顶拱拱端处，向外取大于1倍坝高的范围，同时把左岸断层f₂、f₅及煌斑岩脉X，右岸断层f₁₃、f₁₄、f₁₈包括在模型中，从拱坝中心线往右岸取550m，往左岸取650m，总宽度为1200m。②顺河向边界：上游边界离拱冠上游面的距离为210m；下游边界离拱冠上游面的距离为990m，顺河向模拟总长度为1200m。③坝底和坝顶边界：坝基模拟至1350m高程，深度230m，大于2/3坝高；两岸山体顶部模拟至2200m高程，模拟总高度为850m。综上，模型模拟范围为1200m×1200m×850m(顺河向×横河向×高度)，相应模型尺寸为4m×4m×2.83m(顺河向×横向×高度)。

2)计算坝体、各类岩体及结构面的模型物理力学参数：根据相似关系及原型参数计算得到的物理力学参数如表2所示，

表2原型和模型材料主要物理力学参数表

注：表中下标m表示相似模型，p表示原模型。

3)模型概化：对工程上的地质平切图、横剖面图、纵剖面图等进行概化。

模型材料制备

1)进行各类岩体模型材料的研制，根据各类岩体材料的物理力学参数研制相应的模型材料，采用以重晶石粉为主、机油(32号液压机油)为胶结剂以及掺加添加剂，按不同配合比制成混合料，再用BY-100半自动压模机压制成10cm×10cm×(5～7)cm(长×宽×高)的块体材料备用。

2)各主要软弱结构面变温相似材料的研制：试验中，对影响坝肩稳定的主要地质构造进行模拟，如左岸断层f2、f5、f42-9、F1，煌斑岩脉X，层间挤压错动带，深部裂缝及节理裂隙，右岸断层f13、f14、f18，绿片岩透镜体等。其中采用变温相似材料进行升温降强模拟的结构面主要有左岸断层f2、f5、煌斑岩脉X，右岸断层f13、f14、f18。根据表2参数，变温相似材料按断层fi及挤压带、煌斑岩脉X两类分别进行研制，其变温过程剪切试验获得的抗剪断强度τ、f、c与温度T之间的关系曲线如图3所示。

3)模型坝体材料的研制和制作，选用重晶石粉(粒径≤200目)+石膏+水按照一定配比进行混合，材料配比通过浇筑一批圆柱体试件的材料试验选定。浇筑的圆柱体试件，根据拱坝坝体体型，制作木模，通过计算模型坝体体积确定各种材料的用量，称好备用，然后先将重晶石粉和石膏充分混合均匀，再将水加入混合料中，进行快速充分搅拌后，倒入模具成型，1～2天后，待其硬化即可脱模，然后将坝坯放置于通风处，待其自然风干备用。

模型的制作

1)模型槽的制作以及放线：用混凝土材料浇筑能够满足模型模拟范围的模型槽，同时用槽钢在模型槽上游端制作千斤顶加载的反力架；在模型砌筑前，先根据模型最下部的地质平切图、边界的地质横剖面图等在模型槽的基础及上下左右四周确定出各岩层、各结构面与模型槽相交位置，以及确定拱坝中心线、各纵横剖面线等控制线在模型槽上的位置，并有不同颜色的粉笔绘出各线条的位置。

2)进行模型的砌筑，根据本专利公开的前述的方法进行模型砌筑，采用地质平切图、地质横剖面、地质纵剖面三维立体交叉控制进行砌筑。各主要结构面模拟其空间位置、走向、倾向等地质要素和力学参数，采用敷填法和变温相似材料进行模拟。结合制模要求拟定出模型砌筑的先后顺序，特别是在地质构造较为复杂的部位，需要有一定模型施工的工序组织图，确保避免砌筑过程中不必要的垮塌和重复工序。同时，在结构面安装升温***和温度监控***，要充分考虑与制模步序的交叉作业，对于导线的引出要预留开挖沟槽，避免出现短路现象。

量测***布置与安装

1)拱坝坝体及坝肩坝基岩体表面变位量测：坝体变位量测在坝体下游面的▽1880m、▽1830m、▽1750m、▽1670m、▽1620m等5个典型高程布置了13个双向或三向变位测点，分别测试径向、切向及竖向变位，共布置28支位移计，用SP-10A型数字显示仪监测变位，坝体变位的测点布置图如图4所示。

左右两坝肩及抗力体表面变位量测主要在典型的高程以及结构面出露位置布置测点，每个测点双向量测，获得各测点的顺河向及横河向的变位情况，本模型中在坝肩和河床表面共布置表面变位测点56个，其中左岸布置33个测点，右岸布置23个测点，共安装表面位移计112支，用SP-10A型数字显示仪监测变位。

2)坝体应变量测：坝体应变量测在拱坝下游面▽1880m、▽1830m、▽1750m、▽1670m、▽1620m等5个典型高程的拱冠及拱端布置15个应变测点，每个测点在水平向、竖向及45°向贴上三张电阻应变片，用UCAM-70A万能数字测试装置进行应变量测，坝体应变的测点布置图如图5所示。

模型加载***布置及安装

模型模拟的荷载为正常蓄水位的水压力+淤沙压力+自重。加载***为在坝体上游面分层分块布置油压千斤顶加载***模拟水沙荷载。根据锦屏一级高拱坝坝体水沙荷载分布形态、荷载大小、坝高及千斤顶规格与油压出力等因素综合考虑，将荷载沿坝高方向分为5层，每层由相同油压的千斤顶进行加压。再根据各层荷载大小、拱弧长度及千斤顶出力进行分块，并将每块荷载的重心作为千斤顶的作用点。全坝共分24块，分别由24支不同吨位的油压千斤顶加载，并用WY-300/Ⅷ型8通道自控油压稳压装置供压。模型坝体上游加载***分层分块照片如图6所示。

模拟试验过程

对加固地基条件下的锦屏一级高拱坝进行了三维地质力学模型综合法破坏试验，试验时，首先对模型进行预压，然后加载至一倍正常荷载，在此基础上进行降强阶段试验，即升温降低坝肩坝基岩体内f2、f5、左岸煌斑岩脉X、f13、f14、f18等主要结构面的抗剪断强度，升温过程分为六级，由T1升至T6，最高温度升至50℃，此时上述主要结构面的抗剪断强度降低约30％。在保持降低后的强度参数条件下，再进行超载阶段试验，对上游水荷载分级进行超载，超载按0.2P0～0.3P0(P0为正常工况下的水荷载)的步长超载，当Kp＝7.6P0时，拱坝与地基出现整体失稳的趋势，试验终止。在试验过程中，观测各级荷载下坝体、坝肩岩体和抗力体内部软弱结构面的变位，以及岩体的破坏情况，通过试验获得了坝体变位和应变、坝肩抗力体表面变位、坝肩软弱结构面内部相对变位的分布及变化发展过程，以及坝与地基的破坏过程和破坏形态。

试验结果分析

1)变形监测数据异常分布特征：综合考虑锦屏一级高拱坝地质力学模型试验中变形监测数据特点，采用未确知滤波法对坝体变形、坝肩表面变位、结构面相对变位的监测数据进行可信度分析，从而判断各监测点数据的初裂、大变形和极限失稳的异常，各试验步流程时刻表如表3所示。

表3未确知滤波法的试验步流程时刻表

坝体数据异常的分布特征：

通过未确知滤波法计算得到坝体典型监测点可信度与超载系数关系曲线如图7～图9所示。根据可信度随超载系数的发展变化过程，当K_p＝1.0～2.0时，各监测点的可信度均降低到0.2～0.5，这是由于在超载和降强开始阶段时，坝体表面监测点变形变化量较大，各测点的可信度均降低，说明坝体表面出现了初裂异常。随着超载系数的增大，各测点的可信度逐渐增大至0.8左右，当K_p＝3.0～4.0时，各测点可信度均开始降低至0.6左右，说明此时坝体表面各监测点均产生了大变形，属于大变形异常。之后各监测点的可信度均又逐渐增大至0.8左右，当K_p＝4.3时，左右拱端大部分测点可信度开始降低，当K_p＝5.0时，坝体各监测点可信度均降低至0.5以下，说明此时坝体处于极限失稳状态。

坝肩数据异常的分布特征：坝肩典型监测点可信度与超载系数关系曲线如图10～图11所示，根据可信度随超载系数发展变化过程，当K_p＝1.0～1.3时，大部分监测点可信度均下降至0.3～0.6，这是由于在超载和降强开始阶段时，坝肩表面监测点变形变化量较大，各测点的可信度均降低，说明坝肩表面出现了初裂异常。随着超载系数的增大，各监测点可信度逐渐增大至0.8，当K_p＝3.0～4.0时，各监测点的可信度均开始降低至0.6左右，说明此时坝肩各监测点均产生了大变形，属于大变形异常。之后大部分监测点的可信度又逐渐增大至约0.8，当K_p＝4.6时，坝肩各测点可信度均开始出现下降趋势，当K_p＝5.0时，坝肩各监测点的可信度均降低至0.5以下，说明此时坝体处于极限失稳状态。

数据异常总体分布特征：根据坝体变位、坝肩表面变位和结构面相对变位的可信度与超载系数的关系曲线分析可知：

a.监测数据异常总体分布：在K_p＝1.3～2.0之前，大部分监测点可信度下降至0.3～0.8，这些异常不是由于观测错误引起，这是由于模型在超载和结构面降强作用下，大部分监测点数据产生了初裂，导致了可信度降低。随着超载系数的增大，各监测点可信度逐渐增大至0.7～1.0，当K_p＝3.0～4.3时，大部分测点的可信度开始降低至0.6～0.8左右，说明此时各监测点均产生了大变形，属于大变形异常。之后大部分监测点的可信度又逐渐增大至约0.8～1.0，当K_p＝5.0～5.5时，各测点可信度均降低至0.5左右，说明此时拱坝与地基处于整体失稳状态。因此，随着超载系数的逐渐增大，坝体、坝肩和结构面各监测点可信度变化呈现出三个阶段的聚集性变化规律，与模型试验中初裂、大变形和极限失稳的三阶段过程存在一定对应关系。

b.当模型产生初裂时，坝体、坝肩表面测点的可信度先降低，结构面次之，这是因为在外荷载作用下，坝体和坝肩表面变位的响应更为敏感和明显。

c.当模型处于大变形状态时，坝体、坝肩表面测点的可信度首先降低，结构面次之，与初裂变化规律相同，反映了高拱坝地质力学模型破坏过程中从表面破坏到内部破坏的变化规律，此时对应的超载系数为大变形安全系数，可以作为拱坝综合法试验安全度评价的依据。

当模型处于极限失稳状态时，即当K_p＝5.0～5.5时，坝体、坝肩和结构面的测点可信度均降低至0.5左右，说明此时拱坝与地基处于整体失稳状态。

拱坝安全度评价

①底层评价指标的选取及标准化处理：在地质力学模型试验中，拱坝综合法试验安全度评价体系是建立在各个区域(坝体、坝肩和结构面)现场监测数据的基础上，综合考虑到各控制断面的仪器位置、监测点数量分布情况，本例子中，锦屏一级拱坝模型试验各评价指标的控制点数量如下：坝肩表面顺河向监测点28个，坝肩表面横河向监测点28个，坝体变位监测点19个，坝体应变监测点30个，结构面相对变位监测点36个。采取坝工常识、专家经验、未确知滤波法等方法对相邻点的测值进行综合分析，确定各超载阶段的大变形异常率。

各超载阶段的锦屏一级高拱坝各评价指标的大变形异常率值见表4所示，按本发明公开的相应理论对各评价指标值进行标准化处理，各评价指标标准化处理结果见表5所示。

表4锦屏一级高拱坝各评价指标的大变形异常率表

表5评价指标的大变形异常率标准化处理后数据表

②各超载阶段的突变级数计算：

以超载系数K_p＝3.3阶段的拱坝稳定状态为例，其总突变级数的计算步骤如下：

X_A1＝0.43^1/2＝0.65

X_A2＝0.68^1/3＝0.88

X_{坝肩表面变位}＝average{X_A1，X_A2}＝0.77

X_B1＝0.84^1/2＝0.92

X_B2＝0.87^1/3＝0.95

X_坝体变形＝average{X_B1，X_B2}＝0.94

X_C1＝0.81^1/2＝0.90

X_{结构面相对变位}＝0.90

X_A＝X_{坝肩表面变位}＝0.77^1/2＝0.88

X_B＝X_坝体变形＝0.94^1/3＝0.98

X_C＝X_{结构面相对变位}＝0.90^1/4＝0.97

X_变形＝min{X_A，X_B，X_C}＝min{0.88，0.98，0.97}＝0.88

因此，当超载系数K_p＝3.3时，拱坝的安全稳定状态的总突变级数值为0.88。

同理，计算综合法试验不同超载系数的拱坝安全总突变级数值，总突变级数计算成果见表6。为了更直观，将表6的分析结果以图形显示如图12所示。

表6总突变级数计算结果

③安全度评价：

总突变级数值随着超载系数的增加而逐渐减小。在模型试验中，当K_p＝3.8时，模型的两坝肩裂缝明显增多，坝踵裂缝开裂明显、左右贯通，大部分变形监测曲线出现波动或拐点，说明此时模型出现了明显的破坏失稳特征，即进入了大变形失稳破坏阶段。此时，总突变级数与超载系数关系曲线出现了拐点，表征拱坝随着超载系数增加逐渐趋于失稳的破坏过程，根据总突变级数与超载系数关系曲线的拐点，可以获得高拱坝综合法试验安全系数：降强系数K_s＝1.3，超载系数K_p＝3.8，则模型试验的大变形安全系数可表示为

K_c＝K_s×K_p＝1.3×3.8＝4.94

将本专利公开的定量的客观的评价方法与对比文件1(论文名称：地质力学模型试验中的变位信息监测及其在工程中的应用，论文出处：《四川大学学报(工程科学版)》)进行比较可知，对比文件1通过定性的判断个变位曲线的拐点、反向获得的安全系数为：降强系数为K’_S＝1.3，拱坝与地基发生大变形时的超载系数为K’_P＝4.0～4.6(见各典型变位曲线上所示的特征点)，则加固后锦屏一级拱坝与地基的整体稳定综合法试验安全度K_CS＝K’_S×K’_P＝5.2～6.0。两者结果基本一致，较为接近，但本方法是一个较为客观的评价方法，结果更优。

最终评价

通过上一步的各试验成果(包括变位曲线、应变曲线、降强系数、破坏性态)的综合分析，全面评价拱坝工程的整体稳定安全性，为工程的设计施工、加固处理、长期运行等提供重要参考。锦屏拱坝采用以坝肩垫座、混凝土网格置换洞塞、刻槽置换为主的加固处理方案，对坝肩坝基起到了良好的加固效果，改善了拱坝与地基的受力和变形特性，明显改善了变位的对称性，提高了拱坝与坝肩的承载能力，增大了坝与地基的整体稳定安全度。坝基在加固处理之后，试验结果还揭示了两拱端附近发育的断层f_42-9、f₁₃、f₁₈等结构面仍是影响坝肩稳定的薄弱部位，如在现有加固处理措施的基础上，适当扩大处理范围、加强处理程度，再结合混凝土置换、预应力锚索、固结灌浆等措施，可进一步改善坝肩抗力体的工作性态，提高拱坝与地基的整体稳定性。

Claims (7)

1.一种基于地质力学模型综合法试验的拱坝安全评价方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1.根据检测的数据，建立综合法试验安全度评价指标体系；

S2.构造拱坝安全度评价的突变模型；

S3.将综合法试验的各底层指标进行标准化处理，并转化为0～1之间无量纲的数据；

S4.利用归一公式进行突变级数计算，求出目标层的总突变级数值；

S5.重复S1-S4步骤，分别计算出综合法试验中不同超载系数下拱坝安全总突变级数值，并绘制总突变级数值与超载系数关系曲线图，根据总突变级数与超载系数关系曲线的拐点获得高拱坝综合法试验安全系数；

S6.综合上述因素评价拱坝工程的整体稳定安全性。

2.根据权利要求1所述的一种基于地质力学模型综合法试验的拱坝安全评价方法，其特征在于：在所述S1中，数据的检测方法包括：

S11.模型设计；选定模型几何比尺C_L及确定模拟范围，通过模型相似理论，确定相似关系式，根据岩体、结构面、坝体、加固混凝土的物理力学参数以及相似关系式，计算模型材料的相应的物理力学参数，对工程上的地质平切图、横剖面图、纵剖面图进行概化，设计出模型；

S12.模型材料准备；配制以重晶石粉+石蜡+机油+高分子材料小白球+聚四氟乙烯薄膜或聚乙烯薄膜或蜡纸等组合方式的模型结构面变温相似材料；配制以重晶石粉+石蜡+机油+水泥等组合方式的坝肩坝基岩体模型材料，并压制成小块体备用；

S13.模型制作；根据模型几何比尺C_L及确定模拟范围的具体尺寸制作模型槽，然后根据模型最下部的地质平切图、边界的地质横剖面图在模型槽的基础及上下左右四周确定出各岩层、各结构面与模型槽相交位置，以及确定拱坝中心线、各纵横剖面线在模型槽上的位置，并有不同颜色的粉笔绘出各线条的位置，然后采用三维立体交叉的方法和小块体砌筑技术进行模型的砌筑；

S14.安装测量***；

S15.安装模型加载***；

S16.进行模型试验；采用集降强法和超载法为一体的综合法进行模型试验。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于地质力学模型综合法试验的拱坝安全评价方法，其特征在于：在所述S1中，以坝体、坝肩和结构的大变形异常程度为基础，对拱坝的整体稳定安全度进行综合评价，重要评价指标放在前面，次要指标放在后面，建立综合法试验安全度评价指标体系。

4.根据权利要求1所述的一种基于地质力学模型综合法试验的拱坝安全评价方法，其特征在于：在所述S2中，从中间层到目标层的突变模型中，突变模型为燕尾型；从最底层到中间层的突变模型中，突变模型为尖点型；结构面相对变位有1个最底层指标，其突变模型为折叠型。

5.根据权利要求1所述的一种基于地质力学模型综合法试验的拱坝安全评价方法，其特征在于：在所述S3中，所述标准化处理计算公式如下：

式中x_max和x_min分别代表评价指标的最大值和最小值。

6.根据权利要求4所述的一种基于地质力学模型综合法试验的拱坝安全评价方法，其特征在于：在所述S4中，

尖点型突变模型，其分歧集方程的分解表达式：

其中x_u,x_v是对应u和v的x值。当x＝1时，则u＝－6，v＝8，因此可得状态变量x和控制变量u、v的取值范围为|x|∈[0,1]，|u|∈[0,6]，|v|∈[0,8]。为了达到将控制变量和状态变量的取值范围统一控制在0～1的区间内，需将u取值范围缩小6倍，v取值范围缩小8倍，由此得到其归一化公式为：

同理，折叠型突变模型的归一化公式为：

燕尾型突变模型的归一化公式为：

其中，控制变量相对重要性的u＞v＞w。

7.根据权利要求1所述的一种基于地质力学模型综合法试验的拱坝安全评价方法，其特征在于：在所述S6中，根据高拱坝地质力学模型综合法试验变形监测数据的时间和空间分布特征，以坝肩、坝体和结构面的三个部位变形监测数据为基础，对各评价指标的相对重要性进行了排序，建立拱坝综合法试验安全度评价体系；采用突变级数法计算出综合法试验中不同超载系数下拱坝安全总突变级数值，绘制总突变级数值与超载系数关系曲线图，根据总突变级数与超载系数关系曲线的拐点获得高拱坝综合法试验安全系数，全面评价拱坝工程的整体稳定安全性，为工程的设计施工、加固处理、长期运行等提供重要参考。