锦屏二级水电站深埋完整大理岩基本破坏方式及其发生机制

 通过对锦屏二级水电站隧洞工程的现场调查,针对深埋完整大理岩,归纳并分析其在隧洞开挖后的4种基本破坏方式及其发生的机制：(1) 拉张型板裂化岩爆：洞壁围岩因开挖卸荷发生拉张型板裂化,同时岩板积聚弹性应变能,当应变能积聚到一定程度时,岩板由于受扰动突然失稳释放应变能形成岩爆。(2) 拉张型板裂化片帮：洞壁围岩发生拉张型板裂化,岩板向洞内发生内鼓弯折,最后岩板失去支撑,在重力作用下垮塌脱离母岩。(3) 剪切型岩爆：洞壁围岩首先形成潜在剪切楔形体,楔形体积聚弹性应变能,当潜在剪切面上的剪应力超过岩体的抗剪强度时楔形体被突然抛出形成岩爆。(4) 剪切型片帮：先形成剪切楔形体,楔形体逐渐与母岩分离,并在重力作用下垮塌脱离母岩。实际工程中,4种基本破坏方式可单独发生也可组合发生,且拉张型破坏的发生频率高于剪切型破坏。锦屏二级水电站深埋完整大理岩基本破坏方式的归纳,对深入认识深埋完整硬岩的力学行为具有重要的工程实际意义。     

锦屏Ⅱ级水电站深部大理岩板裂化破坏试验研究及其对TBM开挖的影响

针对锦屏Ⅱ级水电站TBM引水洞及排水洞深部大理岩发生的剧烈板裂化岩爆与非剧烈板裂化片帮2种板裂化破坏现象,通过采集该工程区深部大理岩岩样,采用真三轴岩爆试验设备,对其在不同高应力作用下的板裂化破坏现象进行室内试验。通过对试验过程中发生的各种现象的全面描述和试验结果的分析表明,试验中岩样发生的板裂化破坏现象与TBM开挖隧道围岩的板裂化破坏具有很好的吻合性,未来围岩的主要破坏方式将以板裂化片帮与岩爆为主。围岩板裂化破坏将影响TBM开挖运行,分别探讨掌子面与洞壁板裂化破坏对TBM开挖的影响。     

深埋隧洞板裂屈曲岩爆机制及物理模拟试验研究

结合锦屏二级水电站深埋隧洞典型岩爆案例,分析板裂屈曲岩爆的发生机制及结构面作用机制,研究表明:开挖卸荷作用导致围岩板裂化结构的形成,切向集中应力作用下岩板向开挖空间内屈曲变形并积聚应变能,当板裂化围岩结构自身积聚的能量超过其储能极限,或在外界扰动作用下发生突发性失稳破坏,形成以岩板压折、岩块弹射为特征的岩爆现象;渐进的板裂化破坏过程起到了活跃结构面的作用,而结构面的存在及其扩展降低了板裂化围岩结构的稳定性,促进了岩爆的发生;不同倾角的结构面在板裂屈曲岩爆中的作用机制不同。结合板裂化围岩的结构特征,配制板裂化模型试样,采用2种不同的加载方式进行板裂屈曲岩爆的物理模拟试验,结果表明:预制裂隙的扩展将试样劈裂成板,压缩荷载进一步作用下岩板向临空面屈曲变形,并最终形成岩板压折、岩片弹射的失稳破坏现象。研究结果对于认识深埋隧洞板裂屈曲岩爆机制及其支护控制具有重要意义。     

深埋隧洞应变型岩爆倾向性评估的新数值指标研究

应变型岩爆是深埋隧洞常见且频发的岩爆类型,严重威胁深埋隧洞施工安全,其破坏位置和程度的准确评估对该类岩爆的防治具有极为重要的工程意义.在系统总结和分析国内外岩爆倾向性数值指标评估方法优势和不足的基础上,从局部能量释放率基本理论出发,提出新的岩爆倾向性评估数值指标,即相对能量释放指数(RERI).全面地阐述该指标的构建思想和基本原理及其物理意义,并将该指标成功应用于锦屏二级水电站引水隧洞应变型岩爆和加拿大Rm415试验洞脆性破坏等问题分析,验证新指标的合理性和适用性.研究表明,RERI指标能够较为准确地指出高应变型岩爆风险区域和位置,并能相对准确地指出深埋隧洞岩体开挖损伤区的范围,为深埋隧洞应变型岩爆灾害和脆性破坏的评估与防治提供新理论和分析工具.     

深部试验隧洞围岩脆性破坏及数值模拟

 围岩破坏模式和机制的深入认识和把握、围岩破坏程度的合理评价对于深部地下工程围岩稳定性的分析和调控至关重要。锦屏二级水电站深部地下试验隧洞即为针对该问题而建设的国际上埋深最大(2 500m)的地下试验隧洞之一。通过大理岩室内试验结果的分析,深入研究和认识大理岩基本工程力学特性。基于此,分析试验洞开挖后围岩的破坏模式和机制,应用脆性岩体本构模型(RDM)、数值模拟方法和FAI评价方法分析开挖后围岩脆性破坏的范围和深度,并与现场揭露情况进行对比。分析结果较好地体现高应力条件下大理岩的脆性破坏特征,达到对围岩破坏程度合理把握的目的,为引水隧洞开挖期间支护参数的设计和施工处理措施的制定奠定坚实的基础。     

深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类与调控策略

 根据锦屏II级水电站地下隧洞的地质条件、现场试验、数值分析和支护设计与施工全过程,建立深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类方法。该分类方法依据支护要求和控制因素将深埋硬岩隧洞的破坏现象分为3个大类、9种典型破坏模式,分析各种破坏模式的发生机制、表现形态以及调控策略,重点讨论岩爆的机制以及相应的调控策略。应用该分类方法对锦屏II级水电站地下隧洞围岩的破坏模式进行识别、机制分析,相应的调控措施也得到采纳。工程实践表明,该分类方法全面、实用,为现场设计、地质和施工工程师等在深埋硬岩条件下进行隧洞开挖和支护设计优化提供具体指导方针。     

深埋硬岩隧洞岩爆倾向性指标RVI的建立及验证

 在总结国内外岩爆倾向性研究的主要成果和理论方法的基础上,针对性地提出适合于深埋隧洞工程的岩爆倾向性评估新方法的建立过程和基本构架。分析锦屏II级水电站深埋隧洞群中62例岩爆案例,揭示岩爆的特征和主要控制因素,在此基础上提出新的岩爆倾向性指标RVI及其建立方法,确定RVI中岩爆控制因素的选取原则。RVI由4个控制因子构成,即应力控制因子Fs、岩石物性因子Fr、岩体系统刚度因子Fm和地质构造因子Fg,4个控制因子分别反映不同岩爆控制因素对岩爆倾向性的贡献。研究发现,锦屏II级水电站深埋隧洞岩爆破坏深度与RVI存在显著的相关性,建立的经验关系式的确定系数可达到80%以上,该经验关系式可评估深埋隧洞工程的岩爆倾向性和破坏程度。锦屏II级水电站深埋隧洞典型岩爆实例分析验证RVI的适用性。     

深埋硬岩隧洞开挖诱发破坏的防治对策研究

 针对深埋硬岩隧洞围岩脆性破坏分析时传统应力指标的局限性和相应防治措施理论研究不足的特点,在数值分析中应用反映高地应力下硬岩脆性破坏特点的RDM本构模型,结合局部能量释放率评价指标分析硬岩脆性破坏过程中能量释放的强弱,对深埋隧洞开挖过程中防治围岩脆性破坏的设计及施工措施进行综合性研究。首先,通过评价隧洞群洞间距、施工进度等设计方案对围岩能量释放的影响,提出预防岩爆发生的区域性对策。然后,针对能量释放的时空演化规律,本着减压卸能的原则,给出支护时机、支护类型和参数的设计建议。同时,在施工控制措施方面通过分析在掌子面上布置应力释放孔爆破卸压防治岩爆的效果,给出应力释放孔布置方案的优化建议。最后,应用上述方法对锦屏二级水电站辅助洞围岩的脆性破坏提出工程防治措施,实践结果表明,所提出的防治对策完全可行,可供类似工程借鉴。     

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。     

脆性岩体破裂扩展时间效应对引水隧洞长期稳定性影响研究

 对于锦屏二级引水隧洞,脆性岩体破裂损伤发展的时间效应已从现场围岩破坏情况及多种监测仪器长期监测数据中得到反映,成为影响引水隧洞长期稳定性的控制因素。为系统研究这一问题,针对锦屏二级引水隧洞沿线所占比例最大的岩层之一--白山组大理岩,在论述岩体破裂扩展时间效应的现场体现的基础上,进行破裂时效室内试验,得到破裂时效拟合式和临界驱动应力比;继而采用CPM模型建立可以考虑脆–延–塑转换特征的白山组大理岩数值试样,标定其微观参数,并进行室内破裂扩展试验的PFC模拟;最后,首次对工程尺度的引水隧洞进行破裂扩展时效的PFC模拟,研究不同岩性、不同埋深下,在100 a运行期内引水隧洞围岩的破裂情况。结果表明,室内试验中破坏时间的增加和荷载的降低呈现出较明显的指数非线性关系,且亚临界裂纹开始扩展,具有一个门槛值(定义为临界驱动应力比),对于白山组大理岩此应力比为0.492。采用CPM模型标定的PFC短期细观参数可较好反映锦屏白山组大理岩试样的三轴压缩应力–应变曲线及屈服破坏特征表现出的明显围压相关性,低围压下裂纹数目随围压增加明显,高围压下增加速度减缓,且拉裂纹在高围压下数目不再随围压增高而增加。数值试验中发现轴向应变和裂纹数目发展均表现出明显的蠕变三阶段特征。随着驱动应力比减少,由蠕变产生的应变量值是增加的。侵蚀裂纹的发展也符合蠕变三阶段特征,驱动应力比越小,侵蚀裂纹数目基本线性增加,但侵蚀裂纹发展速率呈指数减少。在开挖完成100 a后,II类大理岩岩体中引水隧洞的破裂区最大范围为2.1～3.1 m,III类大理岩为3.3～4.5 m,引水隧洞的长期稳定性可以得到较好保障。     

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。     

多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响研究

 针对深埋硬岩在多轴应力条件下的破坏特征,在笔者所在课题组工作的基础上,提出能够反映岩石在多轴应力作用下力学参数随塑性内变量的演化关系以及中间主应力和最小主应力对深埋硬岩脆延转换行为影响的岩体局部劣化模型(rock mass local deterioration model,RLDM),该模型考虑真实岩体应力状态对岩体力学行为的控制作用,并嵌入到自行开发的三维弹塑性细胞自动机软件系统中,而基于局部作用原理的细胞自动机方法能够方便地考虑岩石破坏过程中局部力学参数的动态更新。实验室尺度岩样的破坏过程模拟,较好地反映了随着围压的升高,岩石由脆性向延性转化的试验现象;工程尺度的锦屏二级水电站引水隧洞破坏行为模拟,获得的隧洞破裂模式较好地反映现场实际破坏现象,从而验证模型和模拟方法的正确性和合理性。在此基础上,以深埋硬岩为研究对象,分别考虑不同侧压力系数、不同中间主应力大小和方向,分析多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响,解释造成深埋硬岩隧洞复杂破裂模式的原因。结果表明,最小主应力升高使深埋隧洞的稳定性增强;深埋隧洞围岩的稳定性具有中间主应力效应及其区间性的特征。     

锦屏二级水电站深埋引水隧洞岩爆特征及防治措施

硬脆性大理岩条件下深埋隧洞的岩爆问题是西部开发建设中遇到的工程难题之一。文中通过对锦屏二级水电站辅助洞、施工排水洞与引水隧洞施工中发生的岩爆规律与特征的分析总结,提出了该地区地质条件下岩爆的基本条件、分类、风险分区、时空分布特征等。文中阐述了岩爆防治设计思想与原则,并从设法降低潜在震源区的应力水平与设法提高围岩的抗震(抗冲击)能力两个方面出发,针对TBM掘进与钻爆法掘进的不同开挖方案,分别提出了不同的岩爆防治措施。     

深部岩体开挖方式对损伤区影响的试验研究

 深埋隧洞开挖过程中,钻爆法和TBM开挖所对应的不同围岩应力调整路径对开挖损伤区的形成有重要影响,但这一影响尚未引起足够的重视。依托锦屏二级水电站深埋隧洞群的开挖,通过损伤区原位检测试验对比分析2种不同开挖方式下围岩损伤区的特性及形成原因;作为现场试验的补充,在考虑锦屏大理岩基本力学特性和应力瞬态调整效应的基础上,采用数值方法比较应力瞬态和准静态调整所分别形成的开挖损伤区大小。试验结果表明,锦屏二级引水隧洞钻爆开挖的洞段,内损伤区(即严重损伤区)深度可以占到总损伤区深度的50%以上,岩体基本失去承载力。另外,此区域在断面上的分布特性受到开挖二次应力场的影响,表明伴随爆破过程发生的地应力瞬态卸载效应是内损伤区形成的直接原因之一;而TBM开挖洞段,内损伤区深度约占总损伤区深度的30％,该区域的形成可能更多地受到锦屏大理岩强度时间效应的影响,是表面应力松弛破坏逐渐发展的结果;考虑锦屏大理岩脆–延–塑性转换特性和应力瞬态调整效应后,可以利用数值计算方法较为客观地估计不同开挖应力路径下围岩开挖损伤区的范围。研究结论对深埋隧洞开挖方式选择及支护策略制定具有借鉴意义。     

深埋圆形隧洞板裂化弧形岩板凹曲变形的论证

以锦屏二级水电站TBM开挖的圆形断面施工排水洞为例,首先根据围岩实际破坏特性明确指出围岩劈裂后产生弧形岩板的客观存在性,然后提出其存在发生凹曲变形（指其发生弯曲方向指向隧洞外部、半径减小即曲率增大的弯曲变形）的可能性,最后从力学分析与数值试验两个方面对弧形岩板发生凹曲变形的可能性进行了论证。论证显示：对处于垂直地应力与水平地应力不相等条件下的深埋圆形隧洞,弧形岩板可以发生凹曲变形,发生的控制因素是两向应力差对圆形隧洞产生的垂直方向压缩、水平方向拉伸的压扁作用。弧形岩板凹曲变形的论证对今后深入认识深埋圆形隧洞完整或较完整硬岩动力破坏的发生机制提供了一条新思路。     

深埋硬岩隧洞开挖响应合理解译与监测优化

在地下工程建设过程中,为及时了解围岩状态及其决定的支护型式,需要依赖于有效的监测方法和可靠的监测数据。锦屏二级深埋隧洞沿线以硬脆性大理岩为主,最大埋深达到2525m,75%以上洞段埋深超过了1 500 m,在如此复杂的地质环境下开挖14m的大跨度隧洞,面临着巨大的工程风险,而监测方法的针对性和指示性与浅埋条件下存在较大差异。大理岩的压缩试验和现场开挖响应都揭示了完整大理岩开挖以后的主要响应不是变形,而是破裂。通过对锦屏二级深埋隧洞的变形、应力和声波测试成果的深入解译,表明围岩破坏时变形仍可能在围岩变形的控制标准范围之内,变形监测失去了预警的意义,而锚杆应力计对围岩状态的变化比多点位移计更加敏感,更具有预警价值,声波测试成果也与锚杆应力监测成果具有很好的一致性。最后,利用数值方法对围岩内部的应力状态进行详细描述,利用大理岩的脆–延–塑转换特征可以合理地解释变形与破裂之间的矛盾关系。     

深埋硬岩隧洞岩爆的结构面作用机制分析

 岩爆是深埋硬岩隧洞开挖过程中常遇到的动力地质灾害,从锦屏二级水电站深埋隧洞施工中发现结构面对岩爆具有重要控制作用。本文在总结国内外结构面型岩爆研究现状、列举典型结构面型岩爆案例的基础上,分析了不同结构面类型、产状、不同生产环境、施工方法等条件下结构面对岩爆的作用机制;提出了依据不同作用机制的结构面型岩爆分类方法。分析认为：结构面型岩爆可分为滑移型、剪切破裂型和张拉板裂型;边墙竖直产状的结构面易使围岩压制拉裂而诱发张拉板裂型岩爆,倾斜产状的结构面则会诱发滑移型或剪切破裂型岩爆;未揭露的倾斜产状的结构面诱发的剪切破裂型岩爆强度可能要大于相同条件下揭露出的结构面诱发的滑移型岩爆;采矿工程中容易发生大尺度的滑移型岩爆,而水电交通隧洞更容易发生小尺度的滑移型岩爆,且结构面控制爆坑深度和边界;对剪破坏主导的结构面型岩爆,结构面的力学性质、强度特征因控制所诱发岩爆的能量来源,因而影响岩爆的强度等级。本研究将对深埋硬岩隧洞结构面型岩爆的发生机制、控制方法等具有一定指导意义。     

岩爆风险下深埋长大隧洞支护设计与工程实践

岩爆风险下合理的支护设计能够有效防治和规避岩爆灾害的发生,减轻灾害造成的损失,确保人员和工程安全。但岩爆不同于普通的高应力破坏,有其特殊的诱发机制和控制策略。以世界埋深最大的锦屏二级水电站深埋隧洞为工程背景,基于不同类型岩爆的诱发机制,对施工中存在的支护单元选择存在的问题进行深入探讨。并针对深埋大理岩破裂和脆–延–塑转换两点突出特性,分别从破坏深度与承载能力、能量释放量与吸能能力、变形量与变形适应能力3个方面,提出岩爆条件下需关注的支护能力,并对支护单元的特点和功能进行详细分析,提出适合岩爆条件下的支护单元选型方法,并利用非连续力学方法对围岩的破裂损伤特征进行深入分析。最后,对岩爆条件下支护优化设计方法进行讨论。相关研究成果和实践经验可以为类似工程设计提供参考。     

锦屏水电站大理岩在高应力条件下的卸荷力学特性研究

结合锦屏水电站深埋引水隧洞开挖工程,选取该区域典型大理岩,并以隧洞围岩实际应力环境为基础,开展卸围压破坏试验以及卸围压多级破坏试验.研究成果表明,锦屏大理岩在高应力条件下的卸荷力学性质主要表现为:(1)相同初始应力条件下,岩石达到卸荷破坏所需应力变化量比轴向压缩破坏时小,卸荷更容易导致岩石破坏;(2)岩石卸荷开始后侧向变形明显加快,且表现出显著扩容,如果忽略卸荷前岩样变形,则体积变形几乎按照侧向变形的规律增大;(3)卸围压过程中,泊松比近似按照多项式关系增长.变形模量初始变化不显著,屈服前微量围压减少引起变形模量急剧减小;(4)卸荷条件下抗剪强度参数c值比加载条件下低14%,而φ值比加载条件下高23%.这些结论揭示高应力条件下大理岩的卸荷力学特性,为深埋引水隧洞开挖稳定分析提供可靠依据.     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。