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    水库型岩质边坡模型试验固-液两相相似材料研制与应用

    安彩龙 王亮清 田建林 张成 柯睿 孙自豪 牛奕凯

    安彩龙, 王亮清, 田建林, 张成, 柯睿, 孙自豪, 牛奕凯, 2025. 水库型岩质边坡模型试验固-液两相相似材料研制与应用. 地球科学, 50(6): 2372-2386. doi: 10.3799/dqkx.2025.003
    引用本文: 安彩龙, 王亮清, 田建林, 张成, 柯睿, 孙自豪, 牛奕凯, 2025. 水库型岩质边坡模型试验固-液两相相似材料研制与应用. 地球科学, 50(6): 2372-2386. doi: 10.3799/dqkx.2025.003
    An Cailong, Wang Liangqing, Tian Jianlin, Zhang Cheng, Ke Rui, Sun Zihao, Niu Yikai, 2025. Development and Application of Solid-Liquid Two-Phase Similar Material for Reservoir Rock Slope Model Test. Earth Science, 50(6): 2372-2386. doi: 10.3799/dqkx.2025.003
    Citation: An Cailong, Wang Liangqing, Tian Jianlin, Zhang Cheng, Ke Rui, Sun Zihao, Niu Yikai, 2025. Development and Application of Solid-Liquid Two-Phase Similar Material for Reservoir Rock Slope Model Test. Earth Science, 50(6): 2372-2386. doi: 10.3799/dqkx.2025.003

    水库型岩质边坡模型试验固-液两相相似材料研制与应用

    doi: 10.3799/dqkx.2025.003
    基金项目: 

    国家自然科学基金重点项目 41931295

    国家自然科学基金青年科学基金项目 42202316

    详细信息
      作者简介:

      安彩龙(1994-),男,博士研究生,主要从事滑坡灾害演化与防治研究.ORCID:0009-0000-7127-7064. E-mail:acl3832@126.com

      通讯作者:

      王亮清,教授,博士生导师,主要从事岩土体稳定性与地质灾害防治研究.ORCID:0000-0001-9584-5812. E-mail:wlq027@126.com

    • 中图分类号: TU452

    Development and Application of Solid-Liquid Two-Phase Similar Material for Reservoir Rock Slope Model Test

    • 摘要: 相似材料是水库型岩质边坡模型试验的关键.通过正交试验和大量室内试验研制出一种能同时模拟边坡岩体物理力学性能和渗流作用相似的固-液两相相似材料,该材料以石英砂、铁精粉和重晶石粉为骨料、水泥和石膏为胶结剂、硅油为调节剂.系统研究不同配比对材料力学性质的影响规律,确定各性能的主控组分,并利用多元回归分析建立各参数与材料配比之间的经验方程.最后结合工程案例配制相似模型材料,评价该材料的相似效果,并应用于水库型边坡模型试验过程中破坏模式和渗流场分析.试验结果表明:(1)相似材料各物理力学和水理参数分布范围较广,能满足岩质边坡模型试验对材料物理力学性能和渗流作用相似的需求,是一种理想的固-液两相材料;(2)相似材料各参数主控参量明显,便于通过调节配比模拟不同类型边坡岩体;(3)通过多元回归分析能够高效地配制边坡模型所需的相似材料,相似效果较好,边坡模型发生压剪变形破坏,分析了库水作用下模型试验过程中孔隙水压力变化规律.研究成果为进一步开展水库型岩质边坡模型试验多场演化特征研究提供参考.

       

    • 图  1  相似材料组成成分

      Fig.  1.  Components of similar material

      图  2  相似材料部分试样

      Fig.  2.  Partial specimens of similar material

      图  3  相似试样及灰岩单轴压缩破坏形式

      a. 自然状态相似试样;b. 饱和状态相似试样;c. 灰岩原岩

      Fig.  3.  Failure mode of similar samples and limestone under uniaxial compression test

      图  4  密度敏感性因素分析

      Fig.  4.  Sensitivity factor analysis of density

      图  5  抗压强度及其软化效应系数敏感性因素分析

      a. 抗压强度分析;b. 软化系数分析

      Fig.  5.  Sensitivity factors analysis of compressive strength and its softening effect coefficient

      图  6  黏聚力及其软化效应系数敏感性因素分析

      a. 黏聚力分析;b. 黏聚力软化效应系数分析

      Fig.  6.  Sensitivity factors analysis of cohesion and its softening effect coefficient

      图  7  内摩擦角及其软化效应系数敏感性因素分析

      a. 内摩擦角分析;b. 内摩擦角软化效应系数分析

      Fig.  7.  Sensitivity factor analysis of internal friction angle and its softening effect coefficient

      图  8  渗透系数敏感性因素分析

      Fig.  8.  Sensitivity factor analysis of permeability coefficient

      图  9  各参数多元回归拟合结果与试验结果比较

      a. 密度;b. 干、湿抗压强度;c. 干、湿黏聚力;d. 干、湿内摩擦角;e. 渗透系数

      Fig.  9.  Comparison of fitted and experimental results for physical and mechanical parameters

      图  10  模型试验系统

      a. 试验模型结构;b. 模型监测系统布设

      Fig.  10.  Model test system

      图  11  试验模型

      Fig.  11.  Test model of slope

      图  12  模型试验水位方案

      Fig.  12.  Water level scheme of model test

      图  13  破坏后的试验模型

      Fig.  13.  Test model after destruction

      图  14  蓄水阶段和整个试验过程孔隙水压力变化规律

      a. 蓄水阶段;b. 整个试验过程

      Fig.  14.  Variation law of pore water pressure during impoundment stage and the whole test process

      表  1  相似材料配比正交设计

      Table  1.   Orthogonal design of similar material

      水平 因素A(%) 因素B(%) 因素C(%) 因素D(%)
      1 2 60 25 15
      2 4 70 35 20
      3 6 80 45 25
      4 8 90 55 30
      5 10 100 65 35
      注:每组试验设定固体材料、水和硅油质量恒定,分别取600 g、90 g、3.6 g;早强剂和减泡剂质量取胶结材料质量的0.1%.
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      表  2  相似材料物理力学参数测试结果

      Table  2.   Physical and mechanical parameters test results of similar material

      试验号 设计配比 ρ(g·cm-3) 抗压强度(MPa) 剪切强度 软化效应系数 k(cm·s-1)
      σc σ c(MPa) cω(MPa) φ(°) φω(°) krσ krc krφ
      No.1 A1B1C1D1 2.54 0.19 0.13 0.15 0.11 36.63 19.94 0.69 0.73 0.54 5.05×10-6
      No.2 A1B2C2D2 2.52 0.20 0.10 0.19 0.13 38.06 21.71 0.51 0.68 0.57 6.67×10-6
      No.3 A1B3C3D3 2.45 0.32 / 0.56 / 45.00 / / / /
      No.4 A1B4C4D4 2.40 0.55 / 0.68 / 50.42 / / / /
      No.5 A1B5C5D5 2.28 1.18 0.38 1.10 0.59 58.51 33.37 0.32 0.54 0.57 9.63×10-5
      No.6 A2B1C2D3 2.53 0.44 0.29 0.28 0.18 34.76 21.42 0.65 0.64 0.62 1.38×10-5
      No.7 A2B2C3D4 2.49 0.39 0.20 0.34 0.23 39.41 26.81 0.51 0.68 0.68 2.87×10-5
      No.8 A2B3C4D5 2.41 0.68 0.27 0.55 0.33 41.08 28.25 0.39 0.60 0.69 6.21×10-5
      No.9 A2B4C5D1 2.20 0.81 0.34 0.97 0.45 46.36 30.78 0.42 0.46 0.66 8.73×10-5
      No.10 A2B5C1D2 2.56 1.23 / 0.73 / 32.27 / / / / /
      No.11 A3B1C3D5 2.54 0.76 0.47 0.54 0.28 35.39 26.82 0.62 0.52 0.76 2.65×10-5
      No.12 A3B2C4D1 2.46 0.69 0.40 0.55 0.32 40.32 29.75 0.58 0.58 0.74 3.75×10-5
      No.13 A3B3C5D2 2.41 0.94 0.43 0.82 0.35 43.10 31.16 0.46 0.43 0.72 5.12×10-5
      No.14 A3B4C1D3 2.63 1.29 0.50 0.92 0.68 33.19 20.89 0.39 0.74 0.63 2.12×10-6
      No.15 A3B5C2D4 2.65 2.22 0.82 1.23 0.89 31.17 19.10 0.37 0.72 0.61 1.36×10-5
      No.16 A4B1C4D2 2.44 1.07 0.63 0.56 0.37 37.12 27.54 0.59 0.66 0.74 2.41×10-5
      No.17 A4B2C5D3 2.34 1.06 0.57 0.65 0.36 37.37 26.34 0.54 0.55 0.70 4.61×10-5
      No.18 A4B3C1D4 2.66 1.80 0.81 0.98 0.57 21.44 17.90 0.45 0.58 0.83 2.64×10-6
      No.19 A4B4C2D5 2.55 1.83 0.99 0.72 0.40 27.26 21.69 0.54 0.56 0.80 1.45×10-5
      No.20 A4B5C3D1 2.51 2.69 0.94 1.06 0.61 25.72 20.81 0.35 0.58 0.81 2.61×10-5
      No.21 A5B1C5D4 2.37 1.45 1.19 0.81 0.42 40.43 33.10 0.82 0.52 0.82 4.59×10-5
      No.22 A5B2C1D5 2.71 2.48 1.07 0.71 0.58 18.77 15.37 0.43 0.82 0.82 3.15×10-6
      No.23 A5B3C2D1 2.60 2.33 1.47 1.08 0.59 25.39 19.57 0.63 0.55 0.77 1.26×10-5
      No.24 A5B4C3D2 2.52 2.21 1.28 1.24 0.70 25.41 20.46 0.58 0.56 0.81 3.95×10-5
      No.25 A5B5C4D3 2.44 3.10 1.30 1.70 0.74 33.56 28.37 0.42 0.44 0.85 5.12×10-5
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      表  3  原岩物理力学参数和水理性参数

      Table  3.   Physical and mechanical parameters and hydro⁃physical properties of original rock

      介质 ρ(g·cm-3) 抗压强度(MPa) 剪切强度 软化效应系数 k(cm·s-1)
      σc σ c(MPa) cω(MPa) φ(°) φω(°) krσ krc krφ
      灰岩基岩区(原岩①) 2.70 102.30 65.00 1.00 0.66 45.00 33.30 0.64 0.66 0.74 2.49×10-4
      灰岩卸荷区(原岩②) 2.60 81.30 49.50 0.60 0.30 38.66 26.57 0.61 0.50 0.69 2.49×10-4
      泥灰岩基岩区(原岩③) 2.70 70.31 40.00 0.60 0.35 38.66 27.06 0.57 0.58 0.70 2.65×10-4
      泥灰岩卸荷区(原岩④) 2.60 54.05 30.00 0.48 0.24 30.96 21.80 0.56 0.50 0.70 2.65×10-4
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      表  4  模型试验相似材料配比

      Table  4.   Proportion of similar materials in model test

      介质 A(%) B(%) C(%) D(%)
      模型材料① 7.26 65.27 48.99 27.75
      模型材料② 6.33 66.62 50.63 13.36
      模型材料③ 5.42 68.34 47.52 26.99
      模型材料④ 4.38 71.18 46.54 23.75
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      表  5  相似材料力学参数相似效果对比

      Table  5.   Comparison of similar effects of similar materials

      介质 ρ
      (g·cm-3)
      抗压强度(MPa) 剪切强度 软化效应系数 k(cm·s-1)
      σc σ c(MPa) cω(MPa) φ(°) φω(°) krσ krc krφ
      相似比Cx 计算
      结果
      1.07 107 107 107 107 1 1 1 1 1 9.35
      模型材料① 换算
      结果
      2.52 0.96 0.61 0.009 3 0.006 2 45.00 33.30 0.64 0.66 0.74 2.66×10-5
      拟合
      结果
      2.50 1.00 0.61 0.56 0.34 34.18 26.06 0.61 0.61 0.76 2.66×10-5
      验证
      试验
      2.50 1.02 0.60 0.57 0.40 36.70 26.41 0.59 0.70 0.72 1.79×10-5
      模型材料② 换算
      结果
      2.43 0.76 0.46 0.005 6 0.002 8 38.66 26.57 0.61 0.50 0.69 2.66×10-5
      拟合
      结果
      2.45 0.71 0.46 0.51 0.28 35.83 25.94 0.65 0.55 0.72 2.66×10-5
      验证
      试验
      2.49 0.69 0.43 0.50 0.30 37.68 26.06 0.62 0.60 0.69 2.87×10-5
      模型材料③ 换算
      结果
      2.52 0.66 0.37 0.005 6 0.003 3 38.66 27.06 0.57 0.58 0.70 2.84×10-5
      拟合
      结果
      2.49 0.64 0.37 0.47 0.30 37.44 26.13 0.58 0.64 0.70 2.84×10-5
      验证
      试验
      2.49 0.62 0.36 0.45 0.29 37.14 27.53 0.58 0.64 0.74 3.01×10-5
      模型材料④ 换算
      结果
      2.43 0.51 0.28 0.004 5 0.002 2 30.96 21.80 0.56 0.50 0.70 2.84×10-5
      拟合
      结果
      2.47 0.51 0.28 0.45 0.28 38.98 25.89 0.56 0.62 0.66 2.84×10-5
      验证
      试验
      2.46 0.50 0.26 0.39 0.25 38.83 26.82 0.52 0.64 0.69 3.18×10-5
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    出版历程
    • 收稿日期:  2024-08-22
    • 刊出日期:  2025-06-25

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