岩体原位试验新技术在水电工程中的初步应用

我国西部地区大型水电工程岩体多处于复杂的地质环境,在高应力和强卸荷作用下表现出现有理论不能解释的新问题.为了研究西部大型水电工程中复杂岩体与高地应力引起的岩体变形破坏机理、岩体松弛特征、岩体流变特性以及破坏时效特性等复杂岩石力学与工程问题,专门研发和引进了几种新的岩体原位试验技术.简要介绍了现场岩体柔性承压板法流变试验...     

长江科学院成功研发现场岩体流变试验系统

长江科学院岩土力学与工程重点实验室与长春市朝阳试验仪器有限公司合作，研发现场岩体流变试验系统近期获得成功。该试验系统实现压力自动稳压，变形和压力实时自动采集，彻底改变传统现场岩体流变试验劳动密集型的局面，同时将大幅提高试验成果的可靠性。2008年2月26日首批2套系统已应用于金沙江自鹤滩水电站柱状节理玄武岩岩体流变特性研究项目，受到设计单位的好评。     

含原生隐性节理工程岩体分级方法

白鹤滩水电站柱状节理玄武岩体内原生微裂隙发育,分布有宏观肉眼不易辨认的隐性节理,节理面较平整,多呈闭合状,为断续镶嵌结构,但岩石强度大,纵波波速高,岩体本身质量及其实际结构特征与测试得到的物理力学性质不相匹配。以白鹤滩水电站坝基柱状节理玄武岩作为含原生隐性节理的代表性岩体,基于其特殊性状,开展现场钻孔取芯、声波测试与点荷载试验,采用目前较为常用的几种工程岩体分级方法对其开展分级研究,对比分析岩体分级的结果与工程实际情况是否具有一致性;并以BQ分级方法为基础,在特定条件下引入RQD来修正岩体完整性系数K_v值,建立了一种适用含有原生隐性节理的工程岩体分级方法;将该方法用于白鹤滩柱状节理玄武岩的工程分级,分级结果与工程实际具有较好的一致性;最后,通过现场原位岩体变形试验对改进的分级方法进行验证可知,测试得到的柱状节理玄武岩变形参数与改进后BQ法的分级结果具有较好的匹配性。     

构皮滩水电站工程软岩原位流变试验研究

对构皮滩水电站第二级升船机基础的薄层状页岩进行了现场原位流变试验研究。结果表明,薄层状页岩在外荷载的长期作用下蠕变变形较大,表现出显著的黏弹性特征;同时根据半无限空间弹性理论,推导了基于刚性承压板原位流变试验的流变本构关系——Burgers模型解析表达式,并建立了岩体流变本构模型参数的辨识方法。研究结论有效解决了基于原位流变试验的岩体流变力学参数取值问题。     

构皮滩水电站岩石力学研究

针对构皮滩水电站地下厂房、边坡和坝基3大稳定问题,综述了20余年来所开展的岩石力学试验、地应力测试、工程岩体分级以及数值模拟分析等研究工作,对岩体质量评价、岩体力学特性及参数取值、软岩流变及成洞特性、岩体初始应力场、导流洞软岩段和进出口边坡稳定性以及地下厂房洞室群围岩稳定性等研究成果进行了综合分析.     

海甸峡水电站软岩坝基物理力学参数建议值的选取

针对海甸峡水电站软岩坝基进行了大量取样岩石室内试验和现场岩体原位测试,笔者对试验成果进行分类统计分析汇总,舍去不合理的离散值,以整理后的试验值作为标准值,再结合水电站工程具体水工建筑物地基的工程地质条件进行调整。依据并遵循相关规程规范中岩土物理力学参数取值原则,合理选取了海甸峡水电站软岩坝基物理力学参数建议值,供水工设计人员使用。     

白鹤滩水电站导流洞柱状节理玄武岩变形特性分析

在白鹤滩导流洞柱状节理玄武岩已开挖施工的洞段,出现多处局部岩体松弛破裂和垮塌现象。经深入研究玄武岩柱状节理变形特性,根据对开挖、支护阶段围岩变形、锚杆应力、松弛深度检测的成果,对比分析开挖阶段围岩变形差异,提出了支护方式与时机选择,为导流洞的开挖与支护提供了技术支撑。     

节理软岩卸荷流变力学特性试验研究

为了解节理软岩的卸荷流变力学特性,采用RLW-2000岩石三轴流变试验系统进行了恒轴压一次卸围压的流变试验,详细分析了相同轴压不同围压以及相同围压不同轴压条件下试样轴向及侧向流变随时间的变化规律。同时分析了试样流变速率随时间的变化规律及试验后试样的破坏形态。通过试验研究掌握了一些节理软岩的卸荷流变规律,为节理岩体的本构模型的进一步研究建立了基础。     

“深埋大直径软岩隧洞变形与稳定”项目通过验收

<正>2014年1月12日,"深埋大直径软岩隧洞变形与稳定"项目通过中国水电工程顾问集团有限公司验收。会议认为,该项研究成果经济效益显著,具有较高的推广应用价值。该项目依托锦屏二级水电站引水隧洞工程,针对深埋大直径软岩隧洞的变形机理、支护机理、支护设计与长期安全性评价等关键技术问题进行了全面系统地研究,相关成果已成功应用于锦屏二级水电站引水隧洞工程,并获得6项专利,取得了良好的效果。项目主要成果:①通过系统的物理、力学及水理特性的试验研究,揭示了高应力条件下绿泥石片岩低强度、低变模、遇水软化和流变等特性,为工程设计与施工奠定了基础。②系统研究了深埋高应力环境下软岩变形破坏的控制因素,揭示了高应力环境与低岩石强度的复杂变形机理,提出了深埋大直径软岩隧洞的支护原则和支护对策。③利用深埋软岩隧洞反分析方法,结     

考虑卸荷损伤的柱状节理岩体开挖特性研究

通过建立柱状节理岩体径向应力比与力学劣化系数的数学关系,获取柱状节理岩体卸荷损伤效应的定量表达式。结合FLAC~(3D)提出一种考虑卸荷损伤的柱状节理岩体开挖分析方法,实现岩体单元的力学参数在开挖过程中随实际应力状态得到动态调整。在此基础上开展柱状节理岩体试验洞的开挖特性分析。结果表明,考虑卸荷损伤的计算数据与实测数据基本吻合,试验洞围岩的位移、体积应变增量和塑性区均随开挖断面的逐步增加而增大,且呈边墙最大,底板次之,拱顶最小的分布规律。最后采用体积应变增量大于0.10%和塑性区作为岩体松弛的综合判别指标,其分析结果与钻孔声波测试数据相一致。     

刚性钻孔弹模计在白鹤滩电站坝基岩体-变形参数测定中的应用

白鹤滩水电站是我国继三峡、溪洛渡之后又一座千万kW级的水电站。白鹤滩水电站挡水建筑物为双曲拱坝,坝基岩体主要为二迭系厚层玄武岩,其中第三层（P₂ β₃）微晶隐晶玄武岩柱状节理发育,坝基岩体的变形参数是大坝设计的重要依据。介绍了钻孔弹模计试验原理、方法和白鹤滩水电站坝址区柱状节理玄武岩弹模试验成果,以及钻孔弹模计与现场承压板法对照性试验成果。对照性试验表明,钻孔弹模计试验岩体的变形参数可以直接在工程上应用。     

TBM施工深埋水工长隧洞围岩综合分类研究

目前常用的水工隧洞围岩分类方法主要是在浅埋隧洞和钻爆法施工的基础上建立的,在隧道掘进机(TBM)施工的深埋水工长隧洞应用中存在不足。在对国内外常用的围岩分级和分类方法进行统计的基础上,结合深埋水工长隧洞的特点以及TBM施工中可能遇到的主要地质问题进行分析,选取了围岩稳定性、高地应力风险、地下水风险和TBM施工围岩可掘性等作为评价隧洞围岩性质的主要因素,提出了一种既能描述隧洞围岩稳定性,又能描述地质风险类型及等级的TBM施工深埋水工长隧洞围岩综合分类方案。该方法已在新疆某输水工程中进行实践应用,取得了良好的应用效果。研究成果可为深埋水工隧洞开挖和支护设计提供技术支撑,为TBM选型及施工中可能遭遇的地质风险采取处理针对性措施提供依据。     

基于地应力实测与能量判据的深埋隧道岩爆预测

根据巴基斯坦N-J水电站TBM引水隧洞地质构造和岩体赋存状况,采用套孔应力解除技术对深埋TBM隧道进行了现场地应力实测,进而依据地应力场分布差异将其分为构造和非构造应力影响区。岩石力学室内试验结果表明:砂岩的储能极限对卸载速率不敏感,在一定初始围压下基本为定值。在此基础上,从岩爆能量角度采用数值模拟分析揭示深埋隧道围岩能量分布变化规律,预测不同埋深、不同地应力场条件下隧洞岩爆的级别及规模范围。研究成果可为深部地下工程岩爆的预测提供一种新的思路。     

深埋锦屏大理岩力学特性与能量演化研究

与浅层岩体相比,深层岩体赋存环境更为复杂,导致其力学特性与常见的浅部岩体存在较大差异。锦屏二级隧洞工程最大埋深超过2 500 m,其引水隧洞最高地应力达70 MPa,开展高应力条件下硬岩的力学特性研究,具有重要的理论价值和现实意义。采用四川大学MTS815岩石力学试验系统对取自2 400 m深的锦屏大理岩开展单轴和三轴压缩等系列静态力学试验。试验结果表明:锦屏大理岩的单轴抗压强度为180.43 MPa,随围压的增长,大理岩表现出“脆-延-塑”力学特征,围压32.0 MPa为分界点;同时,起裂应力、损伤应力和峰值应力均具有相似的增长趋势,所定义的脆性指标的下降趋势逐渐趋于平缓;低围压下,弹性能在峰前占主导,而高围压下,耗散能增长更为显著,弹性能峰前峰后差值减小,表现出更为明显的塑性特征。研究结果为准确描述深层岩石力学行为、确保深部工程稳定性提供了一定的理论基础。     

不同埋深对某水电站隧洞围岩流变稳定性影响

在高埋深下进行隧洞的开挖意味着将克服巨大的构造应力与自重应力,而在进行洞室开挖设计中地应力作用也是不容忽视的。因此,基于卸荷岩体理论和流变理论,依托室内流变试验进行了相关流变参数的反演,结合有限元分析软件ANSYS以及有限差分软件FLAC对比分析了不同埋深下隧洞围岩在加衬砌前后的蠕变变形量、塑性区等。结果表明:随着埋深的增加,隧洞周围的卸荷作用会越来越明显;洞室的开挖卸荷及洞侧围岩的共同作用,使得隧洞在埋深由浅及深的过程中经历了从“压力拱”的出现到消失的过程;当埋深增加时隧洞的水平向位移越来越大,洞侧变形将成为影响隧洞稳定的一个主要控制因素。     

高应力软岩破碎巷道围岩变形控制研究

由于岩石在高矿压条件下具有较大塑性变形,深部软岩巷道变形与破坏特征较为复杂,巷道的稳定性控制变得非常棘手,因此选择合适的巷道支护方法尤其重要。以具有上述地质赋存条件的邢村煤矿为工程背景,根据支护理论分析与数值分析,基于FLAC^3D有限差分软件,系统研究了支护参数对于围岩变形、应力和塑性区分布的影响规律。结果表明对于软岩破碎巷道,采用复合支护方法比传统单一支护,具有显著支护效果,更能有效控制巷道变形,从而为控制软岩破碎巷道变形提供一定的研究基础。     

高拱坝建基岩体条件研究

高拱坝拦蓄水体巨大,要求建基岩体应具有较高的承载力及抗变形能力,但坝基嵌入深度过大,坝基大量开挖会影响坝基上下游高边坡的稳定,此外,存在高地应力导致的坝基岩体卸荷松弛问题等。在对比研究国内外设计标准对建基面的要求基础上,结合锦屏一级特高拱坝建基面的确定进行分析,总结出几点新的认识在采取可靠基础处理措施的前提下,可适当降低对建基岩体的质量要求;可采取适当增加坝体厚度、降低拱坝应力水平的方式,降低建基岩体受载;采取在拱坝下游抗力体区域施加横向锚索锁固的方式,可提高建基岩体承载能力。     

输水隧洞软岩段TBM掘进挤压大变形与支护受力分析

隧洞软岩大变形严重威胁到 TBM 安全运行,软弱围岩的变形具有明显的蠕变特性。针对某深埋输水隧洞软岩TBM掘进洞段的围岩变形和支护结构安全展开分析和评价,研究高应力条件下软岩的蠕变特性,比较不同支护方式管片结构的受力状态。研究表明:软岩洞段TBM掘进采取大断面扩挖和管片+豆砾石层+聚乙烯泡沫板缓冲层支护,缓冲层的施加明显改善管片的受力状态,有效地提高了管片结构的安全裕度。建议在类似的深埋软岩隧洞工程中,开展有针对性的岩体流变试验和变形监测,选取合适扩挖断面尺寸和支护方式,给围岩变形预留足够空间,为TBM的顺利掘进提供可靠的作业条件。研究成果为保障隧洞顺利掘进提供了技术支持,也可为其他同类超长深埋隧洞的修建提供参考。     

二滩水电站工程勘察综述

对二滩水电站的地质勘察工作进行了总结。比较全面、完整地介绍了坝址的选择、坝基岩体的力学特性和参数取值方法、坝轴线的优选、岩体质量分级、蚀变玄武岩破碎软弱带的工程特性、地应力和坝基岩体工程关系,以及建基面的优化等一系列科研成果。