白鹤滩柱状节理岩体几何结构特征与卸荷松弛特性分析

针对白鹤滩水电站柱状节理岩体陡峭结构面发育和卸荷开挖过程中垮塌与掉块问题突出的工程难题,在深入开展柱状节理岩体结构特征现场调查基础上,阐明了柱状节理岩体较为特殊的柱体状结构面网络、不规则多边形断面原生节理等特征及其形成原因,并通过现场钻孔摄像和声波测试揭示了柱状节理岩体在开挖卸荷后的岩体卸荷松弛和结构面开裂特性,并在此基础上探讨了柱状节理岩体的支护参数与开挖方案,其研究成果可为同类工程岩体开挖与支护设计借鉴。     

柱状节理几何参数对硐室稳定性影响的DDA分析

柱状节理岩体几何特征的复杂性为评价柱状节理硐室的稳定性和破坏模式带来了极大的困难,以柱内陡倾角隐节理面为例,该类型节理的存在导致节理密度增大,围岩力学性质被削弱,但同时该节理面的镶嵌特征又十分明显,增强了围岩力学性质。为进一步认识和评价柱状节理岩体几何参数对硐室稳定性的影响,在深入分析其几何分布特征的基础上,采用DDA深入研究这些几何特征对柱状节理硐室稳定性的影响,并以此为基础,对柱状节理岩体的破坏模式进行探讨。研究结果表明:(1)保持柱内近水平隐节理面的倾角不变,当柱间节理面与水平隐节理面夹角小于20°时,硐室稳定性很好;夹角为90°时,硐室稳定性最差;当柱间节理面与柱内近水平隐节理面节理倾角组合为0°和90°时,顶拱的稳定性最差。(2)节理间距对柱状节理硐室稳定性的影响主要体现在节理间距绝对值和节理间距比两方面,对于节理间距比,随着比值增大,硐室越稳定,反之亦然;对于节理间距绝对值,随着其增大,硐室越稳定,并且增加到一定程度会形成不可动块体,硐室稳定性大大增加。(3)柱状节理硐室破坏模式为:首先是部分被柱内陡倾角隐节理所切割裸露在外的小柱体首先发生张拉破坏,而后沿柱间节理面发生剪切破坏,最后沿柱内近水平隐节理面开始向临空面垮落;同时顶拱节理面在切向应力作用下也会发生一定的破坏。     

陡倾柱状节理岩体洞室松弛特征与破坏机制

白鹤滩水电站柱状节理岩体具有特殊的柱体结构特征,洞室开挖后卸荷松弛破坏严重。通过对白鹤滩水电站4#导流洞柱状节理岩体现场破坏调查、位移和松弛深度监测,发现柱状节理洞室呈现典型的非对称破坏特征,不同部位松弛深度差异较大,左右侧边墙破坏模式受倾角影响,分别呈现倾倒破坏和滑移破坏。离散元数值模拟结果显示洞室表层围岩主要以柱间节理张拉破坏为主,内部围岩以剪切破坏为主,左右侧边墙不同的变形破坏特征是柱体倾角和地应力综合作用的结果。最后分析了不同柱体倾角对洞室变形破坏特征的影响,不同倾角下洞室各部位松弛深度差异显著,应根据洞室不同部位塑性区深度和柱体角度进行预应力锚杆设计。     

柱状节理玄武岩各向异性特性的调查与试验研究

针对几何形状特殊且为镶嵌结构的柱状节理岩体,为认识其各向异性力学特点和开挖卸荷下的破坏模式,首先在柱状节理玄武岩截面几何特征的现场调查统计和3类结构面的扫描电镜(SEM)分析基础上阐述柱状节理岩体在结构上的横观各向同性特点,然后通过垂直其柱体轴线方向和平行其柱体轴线方向的柱状节理岩体原位声波测试揭示柱状节理玄武岩的变形各向异性,进而通过不同取样方向岩芯的单轴压缩试验和现场岩块的点荷载试验阐明其强度各向异性特点,最后结合上述所获得的柱状节理玄武岩各向异性认识分析其开挖卸荷下的“结构–应力”控制型破坏模式及其结构劣化的具体表现形式,所得认识和结论对柱状节理岩体地层中地下洞室稳定性分析和支护设计具有参考意义。     

白鹤滩柱状节理玄武岩隧洞开挖微震活动时空演化特征EI北大核心CSCD

金沙江白鹤滩水电站导流洞III1类柱状节理玄武岩发育,开挖过程中松弛破坏明显,对施工人员安全及施工进度造成严重影响。基于微震监测技术对白鹤滩柱状节理玄武岩导流洞开挖全过程进行研究,沿隧洞轴向方向,柱状节理玄武岩微震活动集中于开挖掌子面附近,服从三参数Logistic分布。掌子面附近及其后方微震活动分布可分为3个区域:开挖强卸荷区、综合影响区和时效松弛区,在开挖强卸荷区范围内应完成锚杆支护。隧洞开挖过程中,柱状节理玄武岩微破裂由隧洞边墙快速向围岩内部发展,当掌子面距离较远时,边墙内微破裂活动较微弱,微破裂集中区最终稳定在距边墙6 m范围内。降低开挖速率能有效减弱开挖卸荷对柱状节理玄武岩的影响。所得认识和结论对微震监测技术的应用以及柱状节理隧洞开挖方案和支护措施的优化具有参考意义。     

白鹤滩柱状节理玄武岩隧洞开挖微震活动时空演化特征

金沙江白鹤滩水电站导流洞III1类柱状节理玄武岩发育,开挖过程中松弛破坏明显,对施工人员安全及施工进度造成严重影响。基于微震监测技术对白鹤滩柱状节理玄武岩导流洞开挖全过程进行研究,沿隧洞轴向方向,柱状节理玄武岩微震活动集中于开挖掌子面附近,服从三参数Logistic分布。掌子面附近及其后方微震活动分布可分为3个区域:开挖强卸荷区、综合影响区和时效松弛区,在开挖强卸荷区范围内应完成锚杆支护。隧洞开挖过程中,柱状节理玄武岩微破裂由隧洞边墙快速向围岩内部发展,当掌子面距离较远时,边墙内微破裂活动较微弱,微破裂集中区最终稳定在距边墙6 m范围内。降低开挖速率能有效减弱开挖卸荷对柱状节理玄武岩的影响。所得认识和结论对微震监测技术的应用以及柱状节理隧洞开挖方案和支护措施的优化具有参考意义。     

金沙江白鹤滩水电站柱状节理玄武岩 岩体变形特性研究

 金沙江白鹤滩水电站坝址区柱状节理玄武岩与一般柱状节理玄武岩相比,特点明显,其柱状节理起伏、不规则,柱体断面不规则且切割不完全,柱体内微裂隙发育,岩体内缓倾角构造结构面也较发育,岩体完整性较差,但呈断续镶嵌结构。在柱状节理玄武岩工程地质调查、岩体弹性波测试、多种现场岩体变形试验等工作基础上,系统分析了白鹤滩柱状节理玄武岩的基本力学特性和不同试验加载条件下的岩体变形机制。白鹤滩柱状节理玄武岩中发育的柱状节理、微裂隙及缓倾角结构面是导致岩体变形模量较低的主要因素;柱状节理玄武岩水平向变形模量明显大于铅直向变形模量,是由结构面发育特征和岩体应力状态决定的;新鲜柱状节理玄武岩中的柱状节理和微裂隙为硬性结构面,围压状态下呈闭合状,解除围压后易张开、松弛,保持围岩状态下柱状节理玄武岩仍具有较高的变形模量。     

某水电坝基柱状节理玄武岩固结灌浆试验研究

柱状节理岩体作为一种特殊的岩体,地质结构特点与常见岩体有很大不同。柱状节理面起伏、不规则,柱体断面不规则且切割不完全,柱体内隐裂隙发育、变形模量较低,层间层内错动带发育,变形及抗剪强度均较低,部分岩性段还存在劈理密集带。作为拱坝的坝基岩体,要求有足够的承载力和稳定性,由于柱状节理岩体特殊的岩体结构、结构面发育特征等,应充分了解柱状节理玄武岩、弱风化下段弱卸荷岩体、层间层内错动带、断层影响带等经灌浆处理后其整体性、刚度和强度的提高幅度及相应的岩体力学参数,为加大基础抗变形能力、提高结构面抗剪抗渗能力,有必要对坝基开展固结灌浆试验,研究论证灌后岩体作为拱坝基础的可行性和可靠性,为坝区岩体固结灌浆的合理设计和确定施工参数提供参考。     

坝基岩体开挖卸荷与分带研究——以小湾水电站坝基岩体开挖为例

 小湾坝基开挖引起了一系列岩体卸荷变形破坏现象,包括岩体中已有结构面的回弹松动与剪切错动,以及完整岩体的岩爆拱裂、薄板状破裂等新生破裂。开挖中岩体的新生破裂面在空间分布上有如下特点：破裂面产状与开挖面具有较好的一致性;在深度分布上,开挖卸荷破裂面相对集中在开挖面之下4～6 m的深度以上。岩体的卸荷变形破坏导致了岩体完整性的显著降低,但卸荷松动过程的主体部分多在几个月内完结。无论是岩体开挖卸荷还是河流天然切割卸荷都是一个能量释放过程,并且卸荷变形破坏具有显著的空间分布规律,因此采用能量方法研究岩体的卸荷分带是合适的。给出了岩体卸荷分带的应变能方法,小湾水电站的实际应用表明该方法是可行的、有效的。     

深埋硬岩隧洞复杂岩性挤压破碎带塌方过程及机制分析——以锦屏地下实验室为例

 深埋大断面隧洞开挖同时揭露多种不同岩性的岩体,各岩体之间物理力学性质差异大,其破坏规律也不相同。深入研究复杂岩性挤压破碎带的塌方演化过程及机制,对于防塌和治塌具有重要作用。针对锦屏地下实验室二期中3#实验室的复杂岩性挤压破碎带区塌方,通过现场地质调查及矿物分析,发现该处破碎带本身岩性复杂、地应力高是影响这次塌方的关键因素。同时结合现场录像观察的塌落岩体破坏形态、室内电镜扫描结果和不同岩性岩体的空间分布特点,认为此次塌方具有明显的渐进性破坏特征;不同岩性岩体具有不同的破坏机制：南侧边墙和掌子面分布的花斑角砾状大理岩、溶蚀状大理岩为剪切滑移型破坏,北侧边墙方解石化大理岩为节理张开倾倒破坏,顶拱镶嵌组合胶结状大理岩、花斑角砾状大理岩和溶蚀状大理岩为重力型塌落破坏。基于现场录像观察到塌方发生时间的先后顺序和电镜扫描不同岩性岩体的破坏机制,归纳其演化过程为：开挖卸荷→隧洞周边薄层岩体松散垮落→南侧边墙岩体剪切滑移破坏→北侧边墙岩体节理张开倾倒破坏→在两侧边墙卸荷作用下顶拱岩体发生卸荷回弹→重力坍塌破坏。根据岩体破坏机制和塌方演化过程,建议采用围岩表面和内部综合治理的支护措施(初喷不少于10 cm厚的混凝土+带锚垫板的注浆锚杆+挂网+复喷混凝土)。该研究成果可为深埋隧洞穿越复杂 岩性挤压破碎带的类似设计、施工、支护提供参考。     

开挖动态卸荷对节理岩体渗透特性的影响研究

 利用应力波理论分析高地应力条件下节理岩体边坡开挖过程中的动态卸荷效应，探讨卸荷松动后节理岩体渗透特性的变化规律。研究结果表明，高地应力作用下节理岩体边坡开挖过程中的动态卸荷松动效应显著，其影响必须考虑。开挖荷载幅值、岩体弹性模量和节理分布间距等因素通过影响节理开度而影响岩体的渗透特性；岩体中完整母岩与节理岩体的结合部位往往是开挖松动较大的部位，其渗透系数变化明显。对于等间距平行节理组垂直切割的直立坡岩体，若岩体的弹性模量由坡外向坡内呈线性增大，计算得到的节理岩体渗透系数分布符合幂函数衰减规律(由坡外向坡内)；若节理岩体的弹性模量由坡外向坡内无变化，则开挖动态卸荷松动现象不会发生。     

开挖卸荷的瞬态特性研究

  针对中、高地应力条件下的岩体爆破开挖,通过岩体开挖荷载释放过程的力学分析及卸荷持续时间的计算,提出并论证岩体开挖荷载的释放为瞬态卸荷的观点,认为在中、高地应力条件下,岩体开挖荷载的释放需要考虑荷载的瞬态特性及其动力效应。同时,对与分段微差爆破对应的分步开挖荷载、瞬态卸荷方式、开挖卸荷诱发围岩振动及节理岩体瞬态卸荷松动机制等关键问题进行讨论。最后,结合二滩和瀑布沟等高地应力地区水电站地下厂房开挖瞬态卸荷诱发围岩振动的实测资料及观察到的动力破坏现象,对所提出的观点进行例证。     

单轴压缩条件下柱状节理岩体变形和强度各向异性模型试验研究

 柱状节理岩体作为一种典型的结构岩体,由于柱状节理构造的存在,其变形和强度表现出显著的各向异性特性。为研究柱状节理岩体的力学各向异性,采用模型试验方法,以石膏、水泥和水的混合物为模型材料,制作具有不同柱体倾角(? = 0°～90°)的圆柱形柱状节理岩体试件,通过单轴压缩试验得到柱状节理岩体在不同柱体倾角?下的变形模量和单轴抗压强度。在此基础上绘制出变形和强度随柱体倾角变化的各向异性曲线,分析柱状节理岩体变形和强度的各向异性特性：柱状节理岩体变形和强度各向异性曲线都呈现近似“U”型,单轴抗压强度在? = 30°时取得最小值,在? = 90°时取得最大值,强度各向异性比达到1.5,表现出较显著的各向异性;变形模量在? = 30°～60°范围内取得较小值,侧向应变比大于0.5。同时,根据试验结果,总结柱状节理岩体在单轴压缩应力条件下的4种典型破坏模式,并对其破坏机制进行分析。     

Unloading performances and stabilizing practices for columnar jointed basalt: A case study of Baihetan hydropower station

The columnar jointed rock mass(CJR), composed of polygonal cross-sectional columns cut by several groups of joints in various directions, was exposed during the excavations of the Baihetan hydropower station, China. In order to investigate the unloading performances and the stability conditions during excavation of the columns, an experimental field study was performed. Firstly, on-site investigations indicated that the geotechnical problems, including rock relaxation, cracking and collapse, were the most prominent for the CJR Class I that contains intensive joint network and the smallest column sizes.Comprehensive field tests, including deformation measurement by multi-point extensometers, ultrasonic wave testing, borehole television observation and stress monitoring of rock anchors, revealed that the time-dependent relaxation of the CJRs was marked. The practical excavation experiences for the Baihetan columnar jointed rock masses, such as blasting scheme, supporting time of shotcrete and rock bolts, were presented in the excavations of the diversion tunnels. These detailed investigations and practical construction experiences can provide helpful information for similar geotechnical works in jointed rock mass.     

基于颗粒流程序的仿真节理岩体模型及其应用

为实现采矿巷道周边节理网络的仿真模拟以及节理岩体中巷道的稳定性分析,构建了包含颗粒流块体模型、原生节理网络和次生节理网络的仿真节理岩体模型。针对岩体内部次生节理产状和面积不可准确测量的难题,提出了卸荷作用下次生节理产状和面积的计算方法:根据开挖前后应力张量变化计算卸荷方向,利用Fisher分布函数生成围绕在卸荷方向附近的随机节理产状;监测卸荷前后颗粒中储存能量的变化,计算节理面积和半径。通过布置测线方式获得巷道中原生节理密度和产状信息,利用Monte-Carlo方法实现对原生节理的重建;利用次生节理计算方法实现次生节理网络的建立,从而建立仿真节理网络以及仿真节理岩体模型。计算结果显示:无节理模型中顶板和底板先破坏,以张拉破坏为主;而在仿真节理岩体模型中节理部位最先破坏,原生节理以剪切破坏为主,次生节理以张拉破坏为主,在高应力作用下巷道周边基本全部破坏,需整体支护且重点在左右两帮。该计算方法可为节理岩体中巷道的稳定性计算提供参考及建议。     

基于3D打印技术的模拟柱状节理岩体试样制备方法

以规则正六棱柱型柱状节理岩体为对象,介绍了基于3D打印技术的模拟柱状节理岩体试样制备方法,即在SolidWork中建立柱状节理网络3D打印数字模型,以光敏树脂为打印材料,采用3D打印技术打印具有不同倾角的圆柱形柱状节理网络模型,并以此为模具,采用白水泥浆为模型材料进行浇筑,经过拆模、黏结等程序制备具有不同倾角的模拟柱状节理岩体试件;再通过对试件进行单轴抗压强度试验,分析模拟柱状节理岩体试件的强度、变形和破坏特征,初步验证了上述基于3D打印技术的制样方法能够较好考虑柱状节理岩体的结构特性,反映柱状节理对岩体强度的弱化效应,所制备的柱状节理岩体试件基本满足柱状节理岩体室内试验的要求。     

节理岩体爆破开挖过程的动态卸载松动机理研究

提出岩体爆破开挖过程中初始应力场的卸载是一动态过程的观点，并利用波动理论分析了岩块在初始应力场瞬态卸载条件下的运动过程。研究表明，瞬间卸载条件下，岩块除产生弹性回复位移外，还会发生水平向的刚体位移，导致岩体结构面被拉开，岩体产生水平向松动现象。岩体初始应力较高条件下。动态卸载引起的岩块水平刚体位移远大于弹性回复变形值。计算结果同时表明，岩体结构面的张开位移与初始应力的平方近似成正比。岩体初始应力场的动态卸载过程能较好解释节理岩体开挖过程的松动机理。     

柱状节理岩体渗透性模型试验研究

针对柱状节理岩体渗透性质的研究较少,开展了柱状节理岩体相似材料的模型试验,研究了柱状节理岩体相似材料在多次围压循环加卸载作用下的渗透性质,分析得出柱状节理岩体存在表征单元体积,可以采用等效连续介质模型分析柱状节理岩体的渗流性质,提出了计算柱状节理岩体渗透率张量的方法,基于张量不变性理论,推导出了柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数的计算公式。研究表明:在围压初次加载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数随围压加载显著降低,在随后的围压循环加卸载阶段主渗透系数保持较低值,围压的加卸载对柱状节理岩体的主渗透系数影响较少,且在每个围压加卸载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数与围压均呈幂函数关系;柱状节理岩体渗透张量的主方向随着围压加卸载逐渐增大,在初次围压加卸载阶段增长显著,在此后的围压加卸载阶段缓慢增长;柱状节理岩体在低围压下渗透各向异性较为显著,且随着柱体倾角增大渗透各向异性逐渐减弱,在第一次围压加载阶段,随围压增大柱状节理岩体的渗透各向异性迅速减弱,当加载到高围压时,柱体倾角对柱状节理岩体的渗透各向异性几乎没有影响,在此后的围压循环加卸载阶段,柱状节理岩体的渗透各向异性稳定在较低水平,柱体倾角对渗透各向异性的影响很微弱;柱状节理岩体的渗透性质均是在第一次围压加载阶段发生显著变化,且围压卸载后渗透性质不能恢复,此后的围压循环加卸载对其渗透性质影响很小。