水电工程岩体变形模量与波速相关性研究及应用

 水电工程常常用原位岩体承压板法变形试验的变形模量E0与对应部位岩体的纵波速度VP之间的关系来确定大范围及深部岩体宏观变形参数,E0-VP的相关性与试点的地质代表性、测试方法、试验数量、选用的函数关系等有关。介绍建立E0-VP关系的试验方法及影响因素,以典型工程为实例,从试验数量、地质代表性、试验条件及函数关系4个方面研究E0与VP之间的相关性及对宏观变形参数的影响程度,分析国内10多个水电工程建立的E0-VP关系特点及一般规律。研究表明,在考虑主要影响因素后,建立的E0-VP关系具有一定的普遍性和适用性。对评价不同勘探阶段大范围岩体和深部岩体变形参数具有十分重要的工程意义。     

基于质量分级的岩体变形模量统计

 收集筛选920个现场岩体变形模量试验值样本,按质量级别分别统计,据此给出各级别岩体变形模量试验值范围,将统计结果与《工程岩体分级标准》(GB50218–94)取值对比,为标准修订提出建议。收集114个岩体变形模量地质建议值样本,也按级别分别统计,据此给出各级别岩体变形模量地质建议值范围,将地质建议值统计结果与《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487–2008)取值对比。统计及对比结果表明：《工程岩体分级标准》(GB50218–94)中,II,III级岩体变形模量分界线量值偏高;针对IV,V级岩体变形模量分界线,《工程岩体分级标准》(GB50218–94)给出的试验值界线与《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487–2008)给出的地质建议值界线不协调;下阶段修编过程中需对以上问题加以关注。为增加《工程岩体分级标准》(GB50218–94)实用性,建议将各级别岩体变形模量地质建议值取值范围也纳入其中。     

某水电站坝基岩体变形模量与波速相关性研究

坝基岩体开挖过程中，需要快速简便的测试方法测得岩体的变形模量和波速，以满足建基岩体验收的需要。在构皮滩水电站坝基开挖工程中，开展了钻孔变形和声波测试，得到建基岩体的变形模量值和声波波速值，建立了二者之间的相关关系．后者已全面应用于大坝建基岩体的验收工作，并证明是可行的有效方法。基岩固结灌浆后只需快速测得岩体的声波波速，就可根据钻孔变形模量与声波波速之间的相关关系，很方便地计算岩体变形模量，为坝基的快速验收提供依据。     

岩体变形模量随深度的变化关系

针对花岗岩，使用岩石力学参数管理系统ＲＯＭＥＤＡ（ＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓＤａｔａ）中的数据，推导了岩体变形模量随深度的变化关系，并把这种关系应用到三峡永久船闸边坡岩体变形模量的预测中。     

基于纵波波速的边坡岩体变形模量参数研究

岩体变形模量是岩体工程设计中一项非常重要的参数。传统现场原位测试方法不但耗时长、代价高,且代表性较差,往往不可能大量开展。在详细阐述基于纵波波速评价岩体变形特性可行性的基础上,分析国内外岩体质量分级、各级岩体变形模量与纵波波速的对应关系,最后基于大量硬质岩体原位变形试验与相应纵波波速测试资料,建立起具有良好实用价值的岩体变形模量与纵波波速间经验定量关系,并得到实例检验。     

岩体变形模量偏最小二乘回归与神经网络关联性研究

偏最小二乘回归不直接考虑因变量与自变量回归问题，而直接提取与系统有关的新的综合变量，并能利用交叉原理确定成分个数，尤其在分析单因变量与多自变量间关系上。其所得结果更为满意；人工神经网络具有自适应学习和记忆能力，尤其是3层BP网络模型。把这两者相关联。以岩体变形模量为因变量，岩石比重等7个因素为自变量，分析研究了焦作—晋城高速公路试验资料，所得拟合值与实测值误差最大为5．43％，较偏最小二乘法回归分析19．07％的误差好了许多。该方法为参数选取找到了一条新的途径。     

乌东德坝基岩体变形模量与波速相关性及应用

坝基岩体变形模量是拱坝设计最重要的参数之一,实际中由于受到资金、时间、尺寸效应等限制,承压板试验不可能大量开展,工程常采用岩体变形模量与波速之间的相关关系来估算坝基岩体变形模量以评价其工程地质特性是否满足建坝要求。在乌东德水电站坝基边坡开挖工程中,开展了钻孔变形模量和声波测试。乌东德坝基为典型层状岩体,左岸坝基及河床岩体测试孔方向与层面走向近平行,右岸坝基岩体测试方向与层面近垂直,分析表明坝基岩体中有明显充填特征层面对岩体变形模量值和声波值具有不对称影响。结合测试钻孔高清电视选择合理数据,建立了坝基岩体变形模量与单孔声波二者之间的相关关系。通过与坝基岩体的承压板试验成果对比验证,所建立的相关关系是符合实际地质条件的。将该方法应用于大坝坝基深部岩体变形参数估算及坝基表层松弛岩体灌浆处理效果评价工作中,证明是可行的有效方法。本文的研究成果为坝基岩体变形特征的评价提供科学依据,对高拱坝坝基工程勘测设计具有重要的理论和实践意义。     

基于GSI系统的岩体变形模量取值及应用

 在分析岩体的变形特性时,岩体变形模量是一个非常重要的参数,一般要通过现场试验来确定。但利用现场试验直接确定岩体变形模量时,具有时间长、代价高以及试验结果可靠性差等缺点。E. Hoek利用地质强度指标GSI,通过大量现场试验数据的分析研究,建立一种新的估算岩体变形模量的公式。分析这种最新计算岩体变形模量的方法,并通过对岩体结构特征和结构面表面特征的定量描述,对GSI系统进行量化取值,特别对岩体体积节理数Jv的取值进行深入分析。最后通过实际工程的运用,研究应用这一方法的具体过程。最后通过与现场试验结果进行对比,分析这一方法的合理性。     

基于Copula理论的岩体抗剪强度参数估值

以锦屏I级水电站坝址微新大理岩岩体原位大剪试验结果为例,分析岩体质量指标与抗剪强度参数间的相关性。利用Copula理论可将边缘分布和相关结构分开研究的优点,建立小样本条件下各变量的边缘分布函数,并在分析岩体质量指标Q与抗剪强度参数f,c间相关结构特点的基础上构造拟合Q-f,Q-c间关系的最优Copula函数。对于相同岩性的同类岩体,在已知Q条件下求条件概率便可得到抗剪强度参数估值的保证率,或可计算一定保证率下的抗剪参数估值。最后运用该函数分析常用的优定斜率法、最小二乘法的保证率,并与Hoek-Brown准则估值进行比较。研究结果表明,岩体质量指标与抗剪断内摩擦因素f呈较高的正相关关系,与抗剪断黏结力c则呈较高的负相关关系,而具有对称结构的Nelsen NO 1和Nelsen NO 2则分别是拟合Q-f、Q-c间关系的最优Copula函数。常用的最优斜率法与最小二乘法由于忽略岩体质量指标与抗剪强度参数的相关性,因此造成较大的偏差,而具有保证率为0.8的抗剪强度估值与Hoek-Brown经验准则相比更接近实际值。该方法注重充分地利用现场有限的数据信息,可以得到具有一定保证率的抗剪强度参数估值,为岩体抗剪强度参数估值提供一种新的途径。     

节理岩体变形模量的结构效应研究

 根据变形等效原则,推导1组结构面单独切割岩体及多组结构面组合切割岩体时,岩体变形模量的理论计算公式。通过引入一种圆形的全空间展示图,结合等值线云图的形式,对节理岩体变形模量进行三维空间全方位展示,为便捷地预测岩体变形模量及其结构效应提供理论依据。在此研究基础上,研究单组结构面单独切割及2,3组结构面任意组合切割岩体时,岩体变形模量的空间分布特征,在全空间展示图上表现为：单组结构面切割时,结构面平行方向变形模量取最大值、表现为一条极值线,结构面垂直方向变形模量取最小值、表现为一极值点;2组结构面切割时,最大值为单独切割时极值线的交点,最小值位于单独切割时极值点的连线上;3组结构面切割时,最大值位于切割时极值线围成的最小三角形内,最小值位于单独切割极值点围成的三角形内。研究还表明,结构面切割组数越多,岩体变形模量的弱化程度越明显。该方法可为三维全空间评价岩体变形模量提供有益的参考。     

松散岩块压实变形模量的试验研究

通过对松散岩块压实试验研究，得到了变形模量与轴向应力、轴向应变的相关性规律。试验结果表明：松散岩块的切线模量与轴向应力间呈指数关系，并随其颗粒粒径和岩性不同而变化；而其割线模量与轴向应力则呈线性关系；松散岩块的切线模量和割线模量均与轴向应地指数相关性。研究结果对松散岩块压实变形机理分析具有重要价值。     

工作应力状态下岩体变形模量的研究

工程岩体力学参数的大小与围压有着密切的关系。对于工程实践而言,用于工程设计的岩体参数值,应该反映该岩体工程在工作应力状态下的性状。以原位载荷试验结果推测拱坝工作状态下受力岩体的变形模量为例,推导了以初始地应力表达的原位试验试样的围压公式和受力岩体在工作应力状态下的围压公式,建立了原位试验结果与围压之间的关系。并将这种根据原位试验结果推求受力岩体在工作应力状态下的变形模量的方法用于计算黄河2号水电站高拱坝坝基(肩)岩体的变形模量,其结果是合理的,可以用于工程设计实践中。     

基于岩体波速的Hoek-Brown准则预测岩体力学参数方法及工程应用

 根据建立的由岩体波速估算地质强度指标GSI和岩体扰动参数D的计算公式,引入Hoek-Brown准则,给出岩体波速预测岩体力学参数方法(简称岩体波速法)。以中缅油气管道(国内段)澜沧江跨域工程边坡岩体力学参数研究为例,并以室内岩石物理力学参数和场区声波测试数据为基础,采用岩体波速法和E. Hoek建议法预测场区的岩体力学参数。结果表明：岩体波速法和E. Hoek建议法所得的结果平均相对误差均较小,两者基本等效,数值模拟结果更进一步验证了工程应用效果的合理性。该方法在试验资料不足的情况下,能为岩体力学参数的快速评价提供一条新途径。     

岩体裂隙化程度与岩体变形参数的关系研究

岩体的裂隙化程度是影响岩体结构类型、岩体质量优劣以及工程岩体综合评价利用的重要因素,因此岩体裂隙化程度的定量评价具有重要的工程意义.在介绍岩体结构面分类情况的基础上,选用单位面积节理数即平硐内硐壁每5 m硐段的裂隙总条数作为岩体裂隙化程度的量化指标.然后,结合黄河上游某水电站的工程实例,运用单位面积节理数指标,通过数理统计方法统计分析岩体中的裂隙条数,探讨了该指标与岩体变形参数的关系,为可利用岩体的评价提供了较好的理论基础.     

多组贯穿节理岩体正交各向异性变形参数研究

目前对于节理岩体各向异性变形参数的解析方法研究不多。假设岩块为各向同性线弹性体,结构面的应力与位移之间满足线性刚度关系,建立多组贯穿节理岩体的正交各向异性变形参数计算模型,相关计算公式简单实用。进一步的研究结果表明：对于贯穿节理岩体,其体积变形具有正交各向异性变形特性,而剪切变形并不具有明显的正交各向异性。最后通过3DEC数值验证与辅助研究,相关数值成果与理论计算相差较小,说明该理论模型对于岩体各向异性变形与稳定性评价有一定的参考价值。     

大断面黄土隧道围岩弹性抗力系数、变形模量与压缩模量试验研究

 对于高速铁路大断面黄土隧道严格的设计计算而言,黄土隧道围岩的弹性抗力系数、变形模量和压缩模量十分重要。以郑西客运专线大断面黄土隧道工程为依托,利用现场平板载荷试验研究大断面黄土隧道围岩水平方向和拱底竖直方向的弹性抗力系数、变形和压缩模量,并提出与隧道埋深有关的弹性抗力系数、变形和压缩模量的参考计算公式。     

多组贯穿裂隙岩体变形特性研究

 天然岩体通常含有多组平行分布的贯穿裂隙,因此,在工程设计和围岩的稳定性分析中,研究多组贯穿裂隙岩体的变形及其变形特性具有重要意义。假设岩块为各向同性线弹性体,裂隙的应力与位移之间满足线性刚度关系,利用莫尔应力圆方法,建立多组贯穿裂隙岩体变形的计算模型。在此基础上,将裂隙岩体等效为各向异性连续体,给出裂隙岩体的等效弹性模量和等效泊松比,研究岩块和裂隙的材料和几何参数对岩体等效弹性模量和等效泊松比的影响。模型能较全面的考虑构成岩体的岩块和裂隙的材料参数与几何参数对岩体变形的影响,对预测岩体的变形和稳定性有一定的参考价值。     

用渗透性随埋深变化趋势 反求岩体变形模量的简化模型

 取得大尺度范围岩体的宏观力学参数是地质工程领域的难题。渗透性随埋深衰减的趋势恰恰反映岩体在大尺度范围的渗流场–应力场耦合行为,为解决这个问题提供契机。根据自重应力作用下岩体的应变–渗透耦合机制,以孔隙度和裂隙宽度为中间参数,建立利用渗透性随埋深变化趋势反求岩体变形模量的简化模型,推导了岩块体积模量和结构面法向刚度的反演公式。这种简化模型是在假设岩体物质结构相对均匀、只存在单组裂隙、无构造应力的理想情况下建立的,但为获取大尺度范围岩体的宏观应力–应变参数提供一种新的参考途径。     

岩体与基础原位变形监测与稳定性评估

概括了岩体与基础稳定性观测的技术特点和要求，介绍了MD系列化仪器的型号、功能与用途、技术特点，总结了4个大型水电工程中应用MD系列化岩体与基础变形监测仪器对坝址区坝基(肩)及边坡进行岩体原位变形监测的情况，结合已获得的观测成果，分别对监测目标的稳定性进行了评估。