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。     

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。     

白鹤滩水电站柱状节理玄武岩力学特性及松弛控制

柱状节理玄武岩是由火山熔岩冷凝收缩形成的典型节理岩体,岩体结构呈“柱状镶嵌构造”,具有非连续、非均质和各向异性等复杂力学性质,岩体的卸荷松弛控制是白鹤滩水电站工程建设的关键难题。结合近些年的研究成果,首先追溯柱状节理玄武岩的地质成因及演化,介绍白鹤滩柱状节理玄武岩的工程岩体分类。通过现场地质勘查、岩石力学试验和数值模拟分析,阐述柱状节理玄武岩的非连续性、各向异性与尺寸效应等力学性质。针对坝基和地下洞室的松弛变形问题,基于现场监测与数值分析揭示柱状节理玄武岩的松弛特征与时间效应。分析坝基与地下洞室在结构体型优化及开挖支护方法上的防松弛控制措施,总结柱状节理玄武岩松弛控制的支护时机和支护方法。研究表明,白鹤滩柱状节理玄武岩具有显著的卸荷松弛特性,对结构体形适当进行优化能减少松弛范围,在开挖前预先进行加固措施能提高岩体抗松弛能力,开挖后尽快采取支护措施改善应力状态有利于限制浅层岩体松弛向深部发展。     

节理间距对柱状节理玄武岩隧洞稳定的影响研究

在提出一种改进的包含节理间距的柱状节理模型的基础上,针对节理间距、节理倾角、围压三者联合作用对柱状节理岩体应力–应变曲线、岩体强度的影响进行了深入的研究。研究结果表明:(1)节理间距增大至一定程度时,其岩体强度等于岩块强度;节理间距减小至一定程度时,其岩体强度等于遍布节理强度;(2)节理间距对岩体应力–应变曲线的3个阶段均有较大影响,弹性变形、屈服强度和残余强度,均随着节理间距的增大而增大;(3)当围压增高时,节理间距导致的岩体劣化特征减弱,到达岩块强度和遍布节理强度的节理间距均减小;(4)当某一节理面倾角小于45°-φ/2或者大于45°-φ/2时,岩体不沿节理面破坏,即使改变节理面间距,其强度也不发生变化;而当节理面倾角大于45°-φ/2小于45°-φ/2时,岩体沿节理面发生破坏,并且随着节理面间距的增大,强度增大;(5)一类柱状节理可以按照遍布节理模型来考虑,但是二类、三类柱状节理由于节理间距较大不能按照遍布节理来考虑,而应采用本文所提出的包含节理间距的柱状节理模型。     

含隐裂隙柱状节理玄武岩单轴力学特性研究

 对含原生隐裂隙的玄武岩试样开展单轴压缩试验,并同步采集岩样变形破坏过程中的声发射信息,结合试样的结构特征对试验结果进行系统分析,研究结果表明：(1) 隐裂隙影响试样的压缩破坏特征,试样受原生隐裂隙的切割,其压缩变形破坏模式为隐裂隙尖端裂纹的扩展、裂隙面之间的剪切滑移以及由裂隙面剪切变形而引起张拉破裂等构成的剪切–张拉型变形破坏模式。(2) 受原生隐裂隙的影响,试样在变形破坏阶段,应力–应变曲线呈“锯齿”状;(3) 含隐裂隙的玄武岩天然平均单轴抗压强度为106 MPa,低于同场地完整的隐晶质玄武岩;且试样中隐裂隙越发育,其强度越低;(4) 加卸载过程中,不同类型的变形所引发的声发射信号特征不一样,永久应变所引发的声发射信号幅值比弹性应变所引发的高;(5) 试样在破坏之前,内部破裂较少,声发射数保持平稳,进入变形破坏阶段后,声发射数激增;试样中的隐裂隙对声发射能量具有吸收效应,而当隐裂隙闭合时,吸收效果减弱。     

基于电镜扫描实验的柱状节理隧洞卸荷破坏机制研究

 采用现场调查、室内力学实验、细观实验的方法,对导流洞内柱状节理玄武岩的卸荷破坏机制进行研究。研究结果表明：(1) 柱状节理岩体内节理面主要包括：柱间节理面、柱内竖直隐节理面、柱内水平节理面,柱间节理面表面粗糙不平,为岩浆岩冷却后形成;柱内竖直隐节理面存在羽毛状陡坎,开挖卸荷后易松弛成为显节理;柱内水平节理面表面平整,方向近乎水平。(2) 将现场破坏面与标准破坏模式下的电镜扫描结果对比表明：柱内竖直隐节理面为原生节理面,破坏形式主要为拉破坏;柱间节理面为原生张拉节理,破坏形式包括拉伸与剪切及其混合破坏;水平节理面为构造运动中形成,无明显开挖卸荷破裂特征。(3) 柱状节理塌方机制为：受多组节理切割,柱体易沿节理面从柱体内外共同破裂,呈小柱体垮落,即硐室开挖后,当法向力超过柱间节理面抗拉强度时,柱状节理沿着柱间节理面开裂,并滑移;在滑移过程中,柱间节理面相互摩擦,形成剪破坏特征;当法向力超过柱内竖直隐节理抗拉强度时,柱体内部沿着柱内竖直隐节理破裂;节理面相互切割形成小柱体,从柱体内外共同破裂,并向临空面滑落;由于水平节理面非常发育,小柱体最终会在重力及开挖扰动作用下垮塌脱离母岩,严重时形成塌方。该机制可以很好地解释现场边墙柱体破裂面中三弱面共存的原因。     

柱状节理玄武岩强度各向异性特征对承压板试验结果的影响分析

针对现有原位试验将岩体视为均匀连续的各向同性线弹性体,应用弹性理论公式计算岩体宏观力学参数,不能反映柱状节理岩体的非连续性和强度各向异性特征问题,基于AutoCAD平台的三维地质可视化技术和计算机图形学的空间三维图形变换技术,建立了白鹤滩水电站柱状节理离散元数值模型,研究柱状节理各向异性力学特征对承压板试验结果的影响。基于刚性承压板试验数值计算结果,发现竖向承压板试验荷载与柱体接触面积小,荷载作用集中,柱状节理倾斜以及节理面切向刚度较小导致承压板边缘处柱体将沿倾斜节理面产生较大的切向变形;水平承压板试验荷载与柱体接触面积大,应力传递连续,柱状节理岩体整体承载能力较好,测得的变形模量比竖向承压板试验大。     

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。     

深埋隧洞TBM掘进微震实时监测与特征分析

 针对深埋硬岩隧洞TBM掘进过程中开展微震实时监测存在的困难与不足,对现有微震监测技术进行优化与改进,并在锦屏II级水电站3#引水隧洞TBM施工洞段开展微震实时监测。监测结果表明：(1) TBM施工环境噪音复杂,但主要噪音特征明显,可通过建议的滤波方法有效滤除。(2) 围岩的微震活动和TBM掘进及掘进速率具有明显的关系,TBM掘进速率增加,围岩微震明显活跃;TBM掘进速率降低,围岩的微震活动明显降低;微震平静期发生在TBM检修期间,最活跃期发生在TBM检修后掘进4～6 h。(3) 一些岩爆发生前,微震事件和能量释放在空间上由随机离散状态变得相对集中,在时间上微震事件的数量和能量有一个迅速增加的趋势;视体积有突增趋势,能量指数有突然下降迹象。(4) 在深埋隧洞TBM掘进过程中进行微震实时监测,可以获得岩爆发生前的有效微震信息,获得岩爆发生前微震活动的演化特征与规律,为岩爆的发生提供较为准确的预警信息。因此,通过微震监测预测预报深埋隧洞TBM掘进过程中岩爆的发生是可行的。     

循环加卸载下柱状节理材料渗透率和孔隙度演化规律研究

 为了研究柱状节理岩体在多次围压循环加卸载下渗透率与孔隙度的演化规律,利用致密岩石惰性气体渗透测试装置,对柱状节理岩体相似材料进行3次围压循环加卸载模型试验,测量柱状节理岩体相似材料在3次围压循环加卸载下渗透率与孔隙度的变化过程,研究渗透率、孔隙度与围压之间的变化关系以及对应力的敏感性。试验结果表明：在第一次围压加载阶段,柱状节理材料渗透率和孔隙度变化较大,且围压卸载后不能恢复初始状态,在此后的围压循环加卸载阶段,围压变化对柱状节理岩体渗透率和孔隙度的影响较小;加载阶段,渗透率和孔隙度与围压均成幂函数关系;卸载阶段,渗透率与围压成幂函数关系,孔隙度与围压成指数函数关系;随围压增大,渗透率和孔隙度对围压变化的敏感性均减少,围压卸载后,渗透率和孔隙度对围压变化的敏感性可以恢复;在每个围压循环加卸载阶段,渗透率对围压变化的敏感性与柱体倾角的关系曲线均呈双峰形,且第一个峰值总是大于第二个峰值;围压加载阶段孔隙度与渗透率成幂函数关系,围压卸载阶段孔隙度与渗透率成指数函数关系;柱状节理材料的孔隙度越大,渗透率对孔隙度变化的敏感性越强;柱状节理材料渗透率对孔隙度变化的敏感性与柱体倾角的关系曲线呈双峰形,且第一个峰值大于第二个峰值。     

锦屏二级水电站引水隧洞岩爆特征及微震监测规律研究

 通过对锦屏二级水电站引水隧洞施工期间大量岩爆记录的深入研究,分析总结出岩爆沿里程分布规律、岩爆围岩破坏方式、隧洞横断面岩爆位置规律、岩爆次数与距掌子面的距离关系、岩爆次数与开挖后暴露时间关系、岩爆烈度与其围岩破坏范围关系等岩爆特征规律。通过对这些规律及岩爆分布与地质构造之间关系的研究,总结地质构造和岩爆的相互作用规律。将微震监测技术用于引水隧洞工程施工,进行深埋隧洞的岩爆监测预警,实现对微震活动的全天候连续监测分析,并根据现场对岩爆的微震监测结果,对微震的时空演化与岩爆之间的关系进行初步探讨。研究结果表明：深埋岩体隧洞中,岩爆的时间、空间、强度等分布存在较明显的规律性,并且与地质结构、施工工法、施工扰动等影响因素之间有着必然的联系,其中地质结构对岩爆的发生起控制作用;岩爆发生之前普遍存在一个孕育过程,并伴随着大量微破裂的产生和微震能量的释放(微震前兆),微震活动对岩爆事件普遍具有时间优先性和空间一致性,可利用其指导安全施工。本文的工程实践验证了微震监测技术用于深埋岩体隧洞岩爆监测预警的可行性,并具有较高准确率,从而为隧洞的岩爆预测和安全施工提供新的研究思路。     

柱状节理岩体各向异性强度准则研究

以正六棱柱型柱状节理岩体为研究对象,根据柱状节理的分布特性,在参考Ramamurthy非线性强度准则的基础上,引入节理系数表征节理对岩体强度的影响,建立正六棱柱型柱状节理岩体各向异性强度准则。该强度准则以幂指数形式反映柱状节理岩体的强度非线性。分析时首先针对正六棱柱型柱状节理岩体,研究节理系数的计算方法,然后结合模拟柱状节理岩体单轴和三轴压缩试验结果确定各向异性强度准则中的常数,在此基础上采用已有试验数据对该各向异性强度准则进行初步验证。结果表明:该各向异性强度准则能够较好地反映柱状节理岩体强度的各向异性和非线性,预测值与实测值比较吻合。     

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。     

不规则柱状节理网络随机模拟方法研究

现场调研发现,不规则柱状节理岩体柱列横截面为不同边数多边形镶嵌组合图形。为了生成不规则柱状节理网络,基于voronoi图生成原理建立了不规则柱状节理岩体柱列横截面镶嵌组合图形的随机模拟方法,即:先将不规则柱状节理岩体区域假设为矩形区域,确定该矩形区域的范围,然后在该区域内采用随机函数生成一定数量的随机点,通过控制镶嵌组合图形不同边数多边形的比例对随机点进行筛选,得到生成voronoi图所需数据点,然后采用delaunay三角剖分算法生成voronoi图,即为所需不规则柱状节理岩体柱列横截面镶嵌组合图形,再在CAD软件中对该镶嵌组合图形进行编辑处理,即可得到不规则柱状节理网络三维模型,可为后续3D打印柱状节理网络实体模型和建立不规则柱状节理网络数值计算几何模型提供支撑。最后,以Giant's Causeway典型柱状节理岩体为例进行其柱列横截面镶嵌组合图形随机模拟,初步验证了上述方法的可靠性。     

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。     

柱状节理玄武岩松弛圈尺寸效应及地应力影响

为研究柱状节理玄武岩松弛圈尺寸效应及地应力对其产生的影响,选取了8种不同尺寸典型洞室,利用单孔声波法测试松弛深度,对161组测试成果进行数据统计及曲线拟合,建立了松弛深度经验计算公式。研究结果表明,断面尺寸及地应力是影响洞室松弛深度的2个主要因素;洞室边墙中上部松弛深度最大,尺寸效应明显,与洞室高度表现出明显的线型相关性,高地应力会加剧这种尺寸效应,在低地应力条件下,松弛深度一般是洞室高度的1/6,高地应力条件下,松弛深度一般是洞室高度的1/3,极端情况下24 m高洞室边墙中部松弛深度会达到10.2 m。     

饱和岩体渗透性动态演化对引水隧洞稳定性的影响研究EI北大核心CSCD

水力耦合分析一直是水电站深埋引水隧洞稳定性研究的热点和难点。基于多孔介质有效应力原理,得到了改进后的饱和岩体孔隙率、渗透系数的动态演化模型,该模型能实现围岩体受力破坏全过程的水力完全耦合,然后通过子程序二次开发将模型嵌入到有限元软件ABAQUS中,计算分析某深埋引水隧洞施工开挖时的变形分布,与现场多点位移计监测结果对比,考虑渗透性动态演化的模型计算结果更符合工程实际,证明了模型和计算程序的准确性和合理性。为研究引水隧洞在运营期的充水和排水对围岩和衬砌的影响,通过数值仿真计算,与传统的视渗透系数为定值的工况对比,对于围岩,采用渗透性动态演化模型工况时得到的孔隙水压力分布在充水和排水后均变化较大,拱顶变形比渗透系数为定值要大接近100%、拱底位移要大接近180%~200%,塑性分布范围和屈服程度要远大于渗透系数为定值的工况;对于隧洞衬砌,从充水到排水,系数为定值工况时的衬砌最大拉力增长幅度约11%,而采用演化模型工况得到的衬砌最大拉力增长幅度约35%,且量值更大,应引起足够重视。     

锦屏二级水电站引水隧洞岩爆特征及微震监测规律研究

通过对锦屏二级水电站引水隧洞施工期间大量岩爆记录的深入研究,分析总结出岩爆沿里程分布规律、岩爆围岩破坏方式、隧洞横断面岩爆位置规律、岩爆次数与距掌子面的距离关系、岩爆次数与开挖后暴露时间关系、岩爆烈度与其围岩破坏范围关系等岩爆特征规律。通过对这些规律及岩爆分布与地质构造之间关系的研究,总结地质构造和岩爆的相互作用规律。将微震监测技术用于引水隧洞工程施工,进行深埋隧洞的岩爆监测预警,实现对微震活动的全天候连续监测分析,并根据现场对岩爆的微震监测结果,对微震的时空演化与岩爆之间的关系进行初步探讨。研究结果表明:深埋岩体隧洞中,岩爆的时间、空间、强度等分布存在较明显的规律性,并且与地质结构、施工工法、施工扰动等影响因素之间有着必然的联系,其中地质结构对岩爆的发生起控制作用;岩爆发生之前普遍存在一个孕育过程,并伴随着大量微破裂的产生和微震能量的释放(微震前兆),微震活动对岩爆事件普遍具有时间优先性和空间一致性,可利用其指导安全施工。本文的工程实践验证了微震监测技术用于深埋岩体隧洞岩爆监测预警的可行性,并具有较高准确率,从而为隧洞的岩爆预测和安全施工提供新的研究思路。     

白鹤滩大型地下厂房开挖围岩片帮破坏特征、规律及机制研究

 在建的金沙江白鹤滩水电站地下厂房开挖规模巨大,其复杂地质条件和高应力导致围岩破坏现象突出。针对左、右厂房第一层开挖过程中曾频繁遭遇到的围岩片帮破坏问题,结合地质、施工、测试、试验及数值分析资料,全面总结和深入分析玄武岩片帮机制。首先,归纳和总结地下厂房围岩片帮破坏的基本特征与规律,包括其表现形式、形态特征、空间位置、破坏规模、滞后规律、破坏发展特征、对应岩性及支护特征等主要信息;进而重点探讨厂区地应力、岩体结构、岩性、施工因素等对围岩片帮的影响规律;最后,综合分析揭示片帮的形成与发生机制。该研究可为白鹤滩水电站地下厂房后续开挖过程中围岩片帮破坏的预防和调控提供重要支撑,也可为同类高地应力条件下大型地下洞室类似围岩破坏的防控提供参考。     

深埋隧洞TBM掘进微震与岩爆活动规律研究

以锦屏二级水电站TBM开挖的深埋隧洞为工程背景,基于微震监测数据和岩爆实例,研究了深埋隧洞TBM掘进过程中微震与岩爆时空分布特征及岩爆孕育过程微震演化规律。结果表明:(1)微震活跃期和岩爆高发期处于TBM作业时段及停机后的1 h以内;微震活动范围主要介于掌子面后方3倍洞径至前方0.4倍洞径之间,其峰值位于掌子面后方0.8倍洞径附近;而岩爆主要发生在掌子面后方2倍洞径以内,尤其是掌子面后方1倍洞径以内是岩爆高发区;可见,微震与岩爆具有良好的时空相关性。(2)在时间序列上,微震能突增现象,以及累积视体积快速上升而Schmidt数急剧下降的现象均属微震活动异常,属岩爆前兆。(3)在空间序列上,微震事件逐渐向某个区域高度集结且大震级高能量事件不断增多的现象属微震活动异常,预示高岩爆风险,属岩爆前兆。