柱状节理玄武岩的破坏模式、破坏机制及工程对策

柱状节理玄武岩是火山岩区所特有的地质现象,其地质成因独特,工程特性、开挖响应特征明显不同于一般常见岩体。通过分析地下洞室中柱状节理岩体的开挖响应特征和揭示现象,结合岩石力学理论和数值分析,对柱状节理玄武岩表现出的典型破坏模式及其破坏机制进行深入分析和总结。在此基础上,针对柱状节理玄武岩卸荷易松弛的特点,结合现场监测、检测数据等信息,总结提炼现场实施过程中有效的支护措施、支护时机、开挖方案、爆破控制等支护手段和施工方法,以有效控制围岩松弛变形和松弛向深部扩展,实现复杂条件下的地下洞室围岩稳定控制。     

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。     

白鹤滩水电站巨型地下洞室群关键岩石力学问题与工程对策研究

 白鹤滩水电站地下洞室群规模宏大、围岩地质条件复杂且地应力水平较高,在现阶段的开挖过程中,普遍揭露了脆性岩体的高应力破坏、软弱层间带导致的深层变形、柱状节理玄武岩的破裂松弛三类典型岩石力学问题。基于室内岩石力学试验,定义脆性玄武岩的启裂强度标准,并结合FLAC3D的Hoek-Brown模型对开挖过程中的洞室顶拱和墙角应力集中区进行分析,提出针对岩体高应力破裂风险区域的支护措施;针对层间带出露于洞室顶拱或高边墙引起的剪出口坍塌、顶拱深层变形、边墙错动变形问题,采用3DEC的Coulomb-slip模型与位移监测相结合开展反馈分析,确定加强支护措施及范围;针对柱状节理岩体的各向异性变形松弛特性,应用专门研发的Comba本构模型与声波检测相结合的研究方法,对柱状节理围岩各向异性松弛深度进行分析,为支护参数拟定提供依据。研究表明,巨型地下洞室围岩的稳定问题通常较为复杂,在施工期依据施工地质、数值模拟和监测成果相结合的反馈分析,不仅能够解释围岩变形破坏机制,而且能够为动态优化设计提供依据。     

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。     

白鹤滩水电站左岸坝基柱状节理玄武岩开挖与锚固施工技术研究

白鹤滩水电站左岸坝基高程665m以下为柱状节理玄武岩岩体,岩体结构为柱状镶嵌结构,柱体长度一般2~3m,直径13~25cm,微风化原岩条件下柱状节理处于压紧状态,岩体性状较好,但由于柱状节理玄武岩的岩体结构特点,开挖后岩体性状可能受松弛影响较大。柱状节理玄武岩对特高拱坝变形应力、坝基及边坡局部稳定、基础处理等都可能带来一定的影响。     

大型地下洞室柱状节理玄武岩松弛圈特征及应对措施讨论

本文利用单孔声波法判别松弛深度,采用数据统计方法,以白鹤滩水电站导流洞内17条松弛检测断面、2个底板灌浆试验区测试数据为样本,统计出柱状节理玄武岩洞段不同部位平均松弛深度(松弛圈特征),结合柱状节理玄武岩发育特征、地应力条件、开挖支护方式等影响因素,分析洞室不同部位松弛深度产生差异的原因,并对支护措施进行讨论。分析得出大型地下洞室内柱状节理玄武岩边墙中上部松弛最为严重,顶拱次之,底板最小,边墙松弛深度最大可达10.2m,松弛后岩体波速可降低30%左右,需针对性加强支护和进行固结灌浆处理。     

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。     

柱状节理玄武岩弹性波特性研究

金沙江白鹤滩水电站坝址区坝基范围内发育有大量柱状节理玄武岩,对其工程地质特性的研究对划分风化卸荷带、评价建基面岩体质量、确定合理开挖深度具有重要意义。通过对坝区所揭露柱状节理玄武岩的平硐弹性波和钻孔声波测试成果的统计、对比分析可知,各种玄武岩新鲜完整岩块波速有所差异,其中柱状节理玄武岩和隐晶质玄武岩的波速较高,杏仁状玄武岩和角砾熔岩波速较低;随着岩体风化、卸荷程度加剧,地震波和声波速度均呈降低的趋势,其中声波速度变化相对较小;坝基岩体的钻孔声波速度和平硐声波速度、地震波速度分布多呈近正态分布特征,峰值波速主要对应为微新岩体或弱风化下段岩体;平硐侧壁的松弛深度随着卸荷、风化程度的加剧,呈逐渐增大的趋势。     

白鹤滩坝址柱状节理玄武岩爆破损伤质点峰值振速安全阈值研究

白鹤滩水电站坝址处柱状节理玄武岩分布广泛,节理裂隙发育,爆破损伤控制是白鹤滩坝基开挖中的技术难题之一。结合白鹤滩水电站坝基保护层开挖,开展水平预裂爆破、水平光面爆破和竖直孔复合消能爆破条件下的现场爆破试验,基于不同爆破方式下爆前爆后岩体声波速度的对比检测数据以及坝基岩体钻孔内预埋速度传感器的振动测试结果,建立坝基岩体损伤程度与质点峰值振速的对应关系,提出与声波速度降低率相关的质点峰值振速安全阈值。现场试验结果表明:质点峰值振速安全阈值是岩体的固有性质,不受爆破方式和爆破参数的影响;在声波速度降低率为5%,10%和15%的条件下,对应的柱状节理玄武岩爆破损伤质点峰值振速安全阈值可大致确定为50,65和90 cm/s。     

高应力下硬岩卸荷破裂:白鹤滩水电站地下厂房玄武岩开裂观测实例分析

依托我国目前在建最大的白鹤滩水电站地下厂房面临的高应力诱发围岩破坏问题,通过现场围岩破坏统计调查和岩体钻孔摄像连续观测,全面揭示洞室开挖强卸荷下玄武岩内部破裂的演化全过程。厂房洞室现场围岩表层开裂破坏调查表明:玄武岩卸荷片帮破裂不仅可发生在完整岩体表面,还可发生在含一、二组非充分发育节理的岩体表面,失稳表现形式为片状与板状剥落。进一步的破裂岩片表面细观三维光学扫描和微观电镜扫描分析显示其表面较为粗糙(JRC一般大于8),晶体撕裂无擦痕,揭示了玄武岩片帮的张拉破坏机制。厂房洞室围岩的钻孔摄像连续观察揭示:玄武岩卸荷开裂具有空间非连续性、最大开裂深度逐步增长、裂隙宽度时效增大或减小、锚杆和锚索支护对开裂抑制作用明显等特征。且现场观测还发现,围岩表面的破坏与内部的时效开裂具有协调性,即围岩的开挖损伤区范围内岩体是逐步开裂,当围岩开裂随着时间发展到一定深度且裂缝随时间发展到一定宽度,围岩表层剥落、片帮等破坏行为随即出现。对白鹤滩玄武岩卸荷开裂的观测研究不仅直观揭示了一种高应力下硬岩卸荷破坏的表现形式,还表明监测岩体时效开裂发展过程对于深部硬岩的工程灾害预警和支护优化具有十分重要的意义。     

节理岩体中洞室围岩大变形数值模拟及模型试验研究

根据节理岩体的特性，按弹簧块体理论模拟节理岩体中大型地下洞室开挖与锚杆支护的变形特征。同时，开展了开挖条件下节理围岩变形特性和锚固效应的模型试验研究，得到不同初始地应力场条件下，大型地下洞室分步开挖和锚杆支护的围岩力学行为的变化规律，数值计算结果和实测结果所反映的节理岩体围岩的运动规律基本一致。     

柱状节理岩体各向异性特性及尺寸效应研究

 白鹤滩水电站坝基基岩及深部洞室围岩以柱状节理岩体为主,其力学特性极其复杂。为此,开发多弱面软化本构模型,可以方便地定义和描述多组斜交节理面的力学属性和屈服后的软化特性;并考虑柱状节理岩体内部介质的非均匀性,从细观角度建立整体力学属性满足Weibull分布的概率模型;在对概率分布参数进行敏感性分析的基础上,结合刚性承压板试验结果,确定反映现场岩体结构的概率分布参数。同时,采用Voronoi算法构建了无规则性和随机性排列的四面体、五面体和六面体柱面的随机模型,综合该三方面因素对柱状节理岩体的各向异性特性展开研究,得出不同方向承载性能和变形特性的差异。对不同尺寸下多组试块进行分析计算,获取了不同方向的弹性模量和抗压强度随试块尺寸的变化曲线,证明柱状节理岩体还具有明显的尺寸效应,并确定了其特征尺度。     

基于层状岩体卸荷演化的锦屏I级地下厂房洞室群稳定性与调控

 锦屏I级水电站地下厂房洞室群开挖支护设计与施工控制以及整体稳定性等问题十分突出,施工期已经明显呈现出高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏特征。根据锦屏I级地下厂房层状岩体力学特性,采用考虑卸荷演化的层状岩体本构模型及其数值模拟方法,反演获得初始地应力场以及层状岩体力学参数。在此基础上,对锦屏I级地下厂房洞室群进行三维数值模拟分析,获得一些对高应力下锦屏I级水电站大型地下洞室群施工期围岩稳定与支护安全等方面的认识,提出洞室群围岩应力释放调控、松弛区承载力调控以及变形开裂调控等适时工程调控措施与建议。研究结果表明,洞室群整体开挖完成后的现场监测结果和围岩稳定现状等证实了所提出的认识和调控措施的合理性,表明层状岩体本构模型及其数值模拟分析方法能够较好地反映高应力下层状岩体中大型地下洞室群施工期的工作性状。     

坝基岩体开挖卸荷松弛效应工程特性研究坝

大岗山水电站位于大渡河中游,为混凝土双曲拱坝,坝高210m。由于河谷狭窄,谷坡高陡,地应力较高,坝基岩体开挖过程中产生了强烈的卸荷松弛。本文基于现场地质环境调查、声波检测,结合声波孔波速值和声波衰减率,分析了开挖卸荷松弛的典型特征及其松弛机理,归纳了卸荷松弛类型。通过分析岩体质量与检测成果在时间、空间上的关系得出了坝基岩体开挖卸荷松弛的时间、空间效应,并对坝基岩体开挖卸荷松弛时空效应与其建造、蚀变及构造的关系进行了地质分析研究。深入研究高拱坝建基岩体开挖松弛工程特性,可为高坝建基面的合理选择、松弛岩体工程处理提供科学依据。     

基于微结构张量的岩石各向异性弹塑性本构及其应用

提出了一种基于微结构张量理论的各向异性弹塑性本构关系,引入了微结构张量表征横观各向同性材料强度参数的空间分布函数,将莫尔–库仑准则拓展到各向异性。基于FLAC3D实现了自定义本构模型的二次开发,对柱体倾角为75°的柱状节理试样进行了三轴数值试验模拟,模拟结果与实验成果基本吻合验证了模型的合理性。将所开发本构模型应用于白鹤滩高坝坝基开挖工程的数值仿真计算,结果表明:坝基岩体开挖工况下各向异性模型较各向同性模型的变形特征更接近于现场监测。研究成果可为白鹤滩水电工程建设提供理论参考。     

白鹤滩水电站拱坝及坝肩加固效果分析及整体 安全度评价

 白鹤滩水电站拱坝左侧坝肩断层及层间、层内错动带发育,拱推力作用下易发生剪切变形。坝基柱状节理层发育,变形模量等力学指标相对较低,表现出显著的各向异性力学特性。由于以上地质缺陷的影响,设计采取沿拱推力方向设置抗剪洞及扩挖坝基处柱状节理层岩体设置垫座的工程处理措施,以期对坝肩、坝基岩体的抗剪、传力等进行改善。采用三维非线性数值分析方法,根据实际地质信息建立三维数值模型,模拟白鹤滩中坝址主要地质现象及相关工程措施,通过坝肩、坝基岩体及坝体的应力、位移对比,定量分析主要地质缺陷的影响以及工程处理措施的效果。采用超载法、强度折减法及点安全系数法评价下坝线拱坝的安全度,为该水电站坝线比选提供技术依据和科研成果支撑。     

柱状节理岩体随机模拟及其表征单元体尺度研究

柱状节理岩体地质成因特殊,地质结构特点与常见岩体有很大不同,成规则或不规则柱状排列,其裂隙统计及节理的随机模拟方法也与常见岩体采用的方法不尽相同.根据白鹤滩水电站柱状节理岩体的地质构造特点及现场统计资料,以其中最为常见的一类柱状节理为例,引入Voronoi方法对其进行随机模拟,并将随机模型导入3DEC,生成三维随机柱状节理模型进行数值试验,得出其表征单元体(REV)尺度约为典型节理迹长的3～4倍.同时数值试验结果表明,平行于柱轴向(y方向)与垂直于柱轴向(x-z方向)的弹性模量及泊松比值相差较大,柱状节理显示有强烈的各向异性.x-z方向弹性模量及泊松比值相差较小,在REV尺度下可近似认为x-z方向材料性质相同,将柱状节理视为横观各向同性体进行计算和分析.     

拱坝建基面开挖过程中不平衡力变化及处理效果研究

300 m级高拱坝建基面开挖造成的岩体卸荷松弛对高拱坝的整体稳定性影响巨大。白鹤滩拱坝左岸建基面开挖至628 m高程时也出现了卸荷松弛、结构面错动等现象。基于变形加固理论,提出了使用不平衡力作为坝基岩体松弛卸荷的定量判据,阐释了不平衡力分析岩体开裂与坝基卸荷时效松弛的理论基础,通过试验和数值模拟的对比说明了不平衡力应用于卸荷松弛判据的准确性。使用三维非线性有限元程序TFINE,对白鹤滩拱坝原始地形和开挖过程进行精细模拟,分析了开挖过程中建基面基础(尤其是结构面)的卸荷松弛演变过程。分别对无基础处理、预留保护层和施加锚索情况下的开挖卸荷松弛进行了研究分析。模拟结果表明,在开挖到630 m高程时,在结构面交汇处和坡面出露段附近结构面的不平衡力与屈服区出现集中情况,这与观测到的建基面卸荷松弛以及结构面出现错动裂缝等现象符合;继续开挖过程中,LS331、LS3318不平衡力较大,相对比较危险。另外,坝体底部的陡坎开挖成型时,陡坎底部的不平衡力增加较明显,需减缓陡坎坡度。预留保护层和建基面锚固对控制松弛卸荷作用较小。