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。     

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。     

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。     

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。     

秦岭输水隧洞微震活动特征研究

岩爆是深埋地下岩体工程中面临的世界性难题。针对秦岭输水隧洞岭南工程开挖过程中面临的岩爆问题,本文基于微震监测技术,分析了相邻洞段不同开挖方式、相同开挖方式不同洞段条件下的微震活动特征。结果表明:微震活跃性与岩爆风险高低密切相关,可作为岩爆防治的重要参考依据;埋深与岩性相近条件下,钻爆法比TBM法的微震能量相对更低,岩爆风险相对更低,但TBM法掘进效率更高;微震活跃性与开挖进尺、隧洞埋深不存在明显正相关性,围岩较好、微震活跃性较低时可适当增加掘进速度,提高开挖效率,当围岩变差、微震活跃性较高时宜适当降低掘进速度,延缓或降低岩爆风险。本研究结果可供类似工程岩爆防治和微震监测参考。     

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。     

白鹤滩水电站地下厂房开挖过程微震特征分析

 白鹤滩水电站左岸地下厂房规模巨大,开挖卸荷导致局部围岩破坏问题突出。为研究开挖扰动下围岩破坏演化机制及变形机制,通过构建微震监测系统,开展地下厂房开挖卸荷过程微震实时监测。监测结果表明：(1) 微震活动与爆破开挖密切相关,地下厂房第一层开挖过程中,形成3个潜在失稳区域：主厂房4#与5#机组之间下游侧拱肩、主厂房6#与7#机组之间上游侧拱肩和主厂房8#机组顶拱至主变室顶拱的条带状区域。(2) 开挖强度以及断层构造主导下聚集的微震事件矩震级、Es/Ep等参数特征有所差异,由此引起的围岩潜在破坏形式不同,微震活动特征可为微震聚集区围岩提供针对性施工参考。(3) 局部围岩外观变形前的数日内,微震事件在该区域迅速聚集,同时视应力显着增加,累积视体积基本稳定。研究结果可为白鹤滩水电站左岸地下洞室群后期开挖和支护提供重要参考。     

白鹤滩水电站左岸边坡开挖卸荷过程微震视应力特征研究

微震事件视应力可反映岩质边坡应力变化情况。以白鹤滩水电站左岸边坡为研究背景,分析岩质边坡爆破开挖卸荷过程微震视应力与能量、地震矩的关系,重点研究微震视应力在爆破开挖前后变化特征,结合数值模拟,通过微震视应力变化情况开展边坡稳定性评价。研究结果表明:微震视应力随地震矩和辐射能量的增大而增大;高视应力微震事件的出现可反映工程施工中的强烈爆破开挖扰动程度;通过微震视应力分布特征圈定的主要损伤区与RFPA3D数值模拟结果基本吻合;视应力急剧下降,累积视体积呈增长趋势,是边坡围岩变形的前兆信号。研究成果可为基于微震监测的类似大型岩石边坡稳定性评价提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

不同开挖方式下深埋隧洞微震特性与岩爆风险分析

在分析钻爆法和TBM法开挖下围岩应力状态的基础上,基于锦屏二级水电站深埋隧洞微震监测数据,对比研究了钻爆法和TBM法开挖条件下深埋隧洞的微震特性及岩爆风险。结果表明:1钻爆法开挖引起的围岩应力集中距洞壁较远,形成的应力梯度较小;而TBM法开挖引起的围岩应力集中临近洞壁,形成的应力梯度较大。2钻爆法开挖时围岩应变能主要集中在爆破后数小时,尤其是在1 h内释放,而TBM法以连续的方式开挖卸载,剧烈的能量释放伴随着施工全过程。3TBM法开挖导致的事件震级及震源破裂尺度均比钻爆法开挖引起的大。4钻爆法开挖时,围岩积聚的应变能大多以岩体破裂的形式耗散,以岩爆形式显现的较少;而TBM法开挖时,围岩应变能常逐次释放,导致事件频繁发生,而且部分应变能以岩爆形式显现,一般地,同一小范围内常多次发生轻微岩爆,高等级岩爆孕育过程中常伴有低等级岩爆,如中等岩爆发生前伴有轻微岩爆,强烈岩爆孕育过程中伴有轻微和(或)中等岩爆,以此类推。综合上述研究结果认为,在具有强岩爆风险的深埋隧洞中,就防治岩爆而言,钻爆法优于TBM法。