巖體原位試驗新技術(shù)在水電工程中的初步應(yīng)用

周火明，鐘作武，張宜虎，李維樹，熊詩湖，范 雷

(長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010)

西部大型水電工程多在高山峽谷和深部巖體中修建，地質(zhì)條件復(fù)雜。超高拱壩巖石基礎(chǔ)、深埋地下洞室、深切巖質(zhì)高陡邊坡等面臨巖體松弛、巖石流變、巖爆及破壞時效等一系列復(fù)雜的巖石力學(xué)問題，需要發(fā)展新的原位試驗技術(shù)進行研究。近年來，長江科學(xué)院通過共同研發(fā)和技術(shù)引進，推出了柔性承壓板法巖體原位流變試驗技術(shù)、復(fù)雜應(yīng)力路徑巖體原位高壓真三軸試驗技術(shù)、堅硬巖體破壞時效原位三軸流變試驗技術(shù)、聲發(fā)射定位技術(shù)研究巖體變形破壞機理測試等，并在西部大型水電工程復(fù)雜巖體力學(xué)問題的研究中得到應(yīng)用。

1 柔性承壓板法巖體原位流變試驗技術(shù)

巖體原位流變試驗的關(guān)鍵技術(shù)主要是加壓方法和加載設(shè)備。就加壓方法而言，三軸加壓流變試驗獲得的流變模型相對簡單，但試驗過程復(fù)雜;柔性承壓板法流變試驗其試驗過程相對簡單，但流變模型及計算公式復(fù)雜。對于巖體流變試驗設(shè)備，一是要保持施加壓力的長期穩(wěn)定，二是在潮濕的環(huán)境中保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)正常工作。為此，研制了YLB－60型現(xiàn)場巖體流變試驗設(shè)備，提出了柔性承壓板法巖體原位流變試驗技術(shù)，推導(dǎo)了柔性承壓板加載五參量廣義Kelvin模型等巖體蠕變公式(式1、圖1)。

式中:

式中:w為巖體變形;f為柔性承壓板加載系數(shù);P為施加壓力;μ為巖體泊松比;K為巖體體積模量;t為加壓時間;EH，E1，E2分別為不同原件彈性模量(見圖1);η1，η2分別為不同原件黏滯系數(shù)。

圖1 五參量廣義Kelvin模型Fig.1 Generalized Kelvin model with five parameters

柔性承壓板法巖體原位流變試驗場景見圖2，獲得的典型曲線見圖3，采用非線性最小二乘法擬合反演巖體蠕變五參量廣義Kelvin模型參數(shù)。研究成果表明:五參量廣義Kelvin模型與試驗曲線相關(guān)性明顯優(yōu)于三參量廣義Kelvin模型(圖4)。

圖2 柔性承壓板法巖體原位流變試驗場景Fig.2 The scene of rheological test with flexible bearing plate

圖3 柔性承壓板法巖體流變試驗典型曲線Fig.3 Typical curve of rheological test with flexible bearing plate

2 復(fù)雜應(yīng)力路徑下巖體原位高圍壓真三軸試驗技術(shù)

針對錦屏二級深埋引水隧洞開挖高應(yīng)力復(fù)雜應(yīng)力路徑巖石力學(xué)問題，研制了TXGW-20型微機控制現(xiàn)場巖體真三軸伺服試驗系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)能提供15 MPa圍壓和20 MN軸向載荷，試樣尺寸為50 cm×50cm×100cm。由于采用先進的微機控制伺服試驗技術(shù)，能夠獲得高壓真三軸復(fù)雜應(yīng)力路徑、包括破壞后在內(nèi)的全過程應(yīng)力-應(yīng)變試驗曲線，實現(xiàn)σ1＞σ2≥σ3真三軸試驗。通過配置聲發(fā)射設(shè)備觀測巖體漸進破壞過程，將進一步深化復(fù)雜應(yīng)力路徑巖體破壞機理研究。

圖4 廣義Kelvin模型擬合曲線及擬合參數(shù)Fig.4 Fitted curves of generalized Kelvin model

在錦屏二級引水隧洞埋深2 300 m的試驗洞內(nèi)，對T2b大理巖開展了巖體高壓卸圍壓路徑巖體原位真三軸試驗，試點地質(zhì)描述見圖5，試驗場景見圖6，自動采集3個方向的全過程應(yīng)力-應(yīng)變試驗曲線見圖7。試驗軸向應(yīng)力σ1=65.50 MPa，中間主應(yīng)力σ2=11.15 MPa，最小主應(yīng)力σ3從11.15 MPa卸載至2.16 MPa破壞。

圖5 試驗前試樣地質(zhì)描述及試驗后試樣破壞形態(tài)Fig.5 Geological description of the sample before the test and failure mode after the test

圖6 巖體真三軸卸圍壓試驗場景Fig.6 The scene of rock mass true triaxial unloading test

圖7 巖體真三軸卸圍壓試驗全過程曲線Fig.7 Curves of rock mass true triaxial unloading test

3 堅硬巖體破壞時效原位三軸流變試驗技術(shù)

為了研究堅硬巖體破壞時效特征，研制了現(xiàn)場巖體原位三軸流變試驗系統(tǒng)。該試驗系統(tǒng)具有適應(yīng)環(huán)境能力強、三向壓力伺服自動穩(wěn)壓精度高、壓力和變形數(shù)據(jù)全過程采集、聲發(fā)射定位技術(shù)實時監(jiān)控巖體微破裂發(fā)展過程等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場無人值守試驗。

采用現(xiàn)場巖體原位三軸流變試驗技術(shù)，對錦屏二級引水隧洞T2b大理巖開展了不同應(yīng)力路徑巖體破壞時效特征研究，試驗場景見圖8，獲得的巖體真三軸加載流變試驗曲線見圖9。通過對試驗曲線以及聲發(fā)射定位監(jiān)控成果分析，將獲得T2b大理巖破壞時效特性以及巖體蠕變模型和參數(shù)等研究成果。

圖8 巖體原位真三軸流變試驗場景Fig.8 The scene of rock mass true triaxial rheological test

圖9 錦屏大理巖真三軸加載流變試驗曲線加載破壞)Fig.9 Curves of true triaxial rheological test on Jinping marble(，loading σ1until failure)

4 巖體破壞機理研究聲發(fā)射定位測試技術(shù)

巖體包含不同尺度的節(jié)理和裂隙，破壞機理十分復(fù)雜。由于巖體的非均質(zhì)性和破裂過程的復(fù)雜性，目前采用數(shù)值方法難以真實模擬巖體破裂過程，測試技術(shù)的發(fā)展為巖體破壞機理的研究提供了更為有效的途徑。聲發(fā)射定位技術(shù)能實時記錄加載過程中巖體破裂部位，追蹤巖體內(nèi)部裂紋擴展、貫通破壞過程，實現(xiàn)對巖體漸進破壞全過程的精細測試，為揭示巖體漸進破壞機理奠定基礎(chǔ)。

4.1 巖體直剪試驗聲發(fā)射定位測試

巖體直剪試驗布置于試驗洞側(cè)壁，剪切面試件尺寸 50 cm(長)×50 cm(寬)，施加法向應(yīng)力2.65 MPa。剪切應(yīng)力按預(yù)估最大值分12級施加，每隔5 min加荷一級，直至巖體剪切破壞。剪應(yīng)力-剪位移關(guān)系曲線見圖10所示，巖體直剪試驗過程中聲發(fā)射信號單位時間撞擊率見圖11，不同剪切應(yīng)力聲發(fā)射定位見圖12。

聲發(fā)射定位技術(shù)對巖體直剪破壞過程進行了詳細刻畫:隨著剪切應(yīng)力的增加，微破裂先在后區(qū)產(chǎn)生，后轉(zhuǎn)向前區(qū)，最后破裂貫通形成宏觀破裂面。這與先前的巖體剪切破壞從前端開始的研究成果有很大的不同，表明裂隙巖體直剪破壞機理的復(fù)雜性。

圖10 剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.10 Curves of shear stress vs.shear displacement

圖11 聲發(fā)射信號撞擊率變化曲線Fig.11 Histograms of AE hit rate

圖12 巖體直剪試驗聲發(fā)射定位圖Fig.12 AE events locations during shear test

4.2 巖體三軸試驗聲發(fā)射定位測試

巖體三軸試驗應(yīng)力路徑為:σ2和σ3加載至7.5 MPa，σ1加載至37 MPa，逐級卸載 σ3，卸載速率為 0.16 MPa/min，至1.2 MPa試樣破壞，整個試驗過程持續(xù)時間為9 728 s。

試驗過程中采用SAMOS聲發(fā)射系統(tǒng)進行聲發(fā)射測試，聲發(fā)射信號撞擊率柱狀圖見圖13;根據(jù)聲發(fā)射源三維定位技術(shù)，獲得三軸試驗過程中巖體內(nèi)部聲發(fā)射事件定位結(jié)果見圖14。為了更清晰地表示試驗過程中巖體內(nèi)部聲發(fā)射事件的發(fā)生發(fā)展過程，根據(jù)試驗的應(yīng)力路徑對圖14進行分解，獲得各級應(yīng)力狀態(tài)巖體聲發(fā)射事件定位圖(見圖15)。

4.3 地下洞室開挖圍巖松弛聲發(fā)射定位測試

采用SH-Ⅱ-SRM聲發(fā)射在線監(jiān)測系統(tǒng)，對地下洞室開挖過程進行聲發(fā)射監(jiān)測。通過聲發(fā)射定位技術(shù)研究洞室圍巖松弛破壞的發(fā)生、發(fā)展和演變規(guī)律，可為圍巖松弛機制的研究與圍巖加固設(shè)計提供依據(jù)。

圖13 聲發(fā)射信號撞擊率柱狀圖(4#通道)Fig.13 Histograms of AE hit rate(channel 4#)

圖14 巖體三軸試驗聲發(fā)射事件定位圖Fig.14 AE events locations of rock mass triaxial test

圖15 三軸試驗過程中聲發(fā)射事件分步定位圖Fig.15 AE events locations of rock mass in triaxial test steps

試驗洞為城門洞型，開挖后洞室斷面尺寸為13 m(高)×6.5 m(寬)。設(shè)置 A'，B'2 個監(jiān)測斷面共4個監(jiān)測鉆孔對第3層開挖過程進行聲發(fā)射監(jiān)測，監(jiān)測布置見圖16。底板聲發(fā)射累積曲線見圖17，在爆破后1 h內(nèi)為底板松弛聲發(fā)射事件集中突發(fā)期，1 h后底板聲發(fā)射事件還在緩慢發(fā)生，表明巖體松弛具有時效性。

圖16 開挖聲發(fā)射監(jiān)測布置圖(B'斷面)Fig.16 Layout of AE sensors during the excavation(section B')

圖17 K0+27－30 m洞段開挖底板聲發(fā)射事件累積曲線Fig.17 The cumulative curve of acoustic emission events during the excavation at K0+27－30 m

圖18為K0+27－30 m洞段開挖時試驗洞底板聲發(fā)射事件定位圖，可明顯看到底板巖體松弛(微破裂)范圍。

圖18 K0+27－30 m洞段開挖底板聲發(fā)射事件定位圖(圖中柱體邊框尺寸為51 m×10.32 m×18.83 m)Fig.18 AE events locations of the soleplate rock mass in the excavation at K0+27－30 m(the model size is 51 m×10.32 m×18.83 m)

5 結(jié)語

將所研發(fā)和引進的巖體原位試驗新技術(shù)應(yīng)用于白鶴灘、烏東德、錦屏二級等大型水電工程復(fù)雜巖體力學(xué)問題研究，取得了真三軸應(yīng)力狀態(tài)卸圍壓路徑巖體變形破壞機理、深部巖體破壞時效特征和流變特性、復(fù)雜巖體洞室開挖圍巖松弛演變規(guī)律等初步研究成果。在這些原位試驗新技術(shù)基礎(chǔ)上，下一步將結(jié)合光纖傳感技術(shù)和遠程通訊技術(shù)的應(yīng)用，重點研發(fā)巖體原位試驗可視化技術(shù)和數(shù)值模擬試驗技術(shù)，以實現(xiàn)對巖體變形破壞過程的精細測試，探索巖體微細觀破壞機理、演變規(guī)律及其與宏觀破壞特征之間的復(fù)雜關(guān)系，揭示復(fù)雜地質(zhì)條件壩基、邊坡和地下洞室?guī)r體變形破壞規(guī)律。

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