錦屏二級水電站圍巖相似材料試驗研究

肖海波

(廣東省公路建設有限公司，廣東廣州510000)

地質力學模型試驗是水工結構模型試驗中的一種重要的試驗方法，又稱為巖石力學模型試驗。它主要研究地基及其上部結構相互作用下的結構與地基的破壞機理，本質上屬于彈塑性結構模型破壞試驗。近代由于生產建設及科學技術的發展，越來越多的建筑物需要修建在具有復雜地質構造的巖基上或者巖體內(如大壩、廠房、隧洞、地下電站等)。這類建筑物的抗滑穩定性、基礎變形對建筑物結構的影響等，都是地質力學模型試驗的研究對象。地質力學模型試驗的研究內容不僅限于已知荷載下的某一狀態，更重要的是研究在漸增荷載下直至破壞的整個變化過程，它采用真實的物理實體，在滿足材料相似，尤其是力學相似的條件下，能真實地反映地質構造與工程建筑之間的關系，能模擬工程建筑對巖體所產生的影響，能更直觀地表示出試驗結果。相似材料對模型試驗的成功與否起著決定性作用。在模型試驗研究中，選擇合理的模型材料及配合比具有重要意義[3]、[4]，正確地選擇模型材料是能否正確模擬原型的關鍵[5]、[6]。本文以錦屏二級水電站3#引水隧洞交叉段圍巖為工程背景，進行地質力學模型材料研究，根據工程現場巖體材料的力學參數，依據相似原理，配制了滿足相似條件的模型材料。

1 國內外相似材料研究現狀

目前，對于巖土相似材料的研究，國內外有關學者已經做了相當多的工作。此項研究始于20世紀60年代，其中以E·Fumagalli為首的專家在意大利結構模型試驗所(ISMES)開創了工程地質力學模型試驗技術。國內關于相似材料的研究始于20世紀70年代，長江科學院、清華大學、中科院武漢巖土力學研究所、中國水利水電科學研究院、山東大學巖土中心、武漢水利電力大學等單位，結合大型水利工程的抗滑穩定問題進行了大量的試驗工作，取得了一大批研究成果。

意大利等國家的科研單位采用的地質力學模型材料主要有兩類。一類是采用鉛氧化物(PbO或Pb3O4)和石膏的混合物為主料，以砂子或小圓石作為輔助材料。另一類模型材料主要以環氧樹脂、重晶石粉和甘油為組分，其強度和彈模均高于第一類模型材料，但是需要高溫固化，其固化過程中散發的有毒氣體也會危害人體的健康[2]。韓伯鯉等人由重晶石粉、膠膜鐵粉和松香酒精溶液攪拌混合而成的相似材料(簡稱MIB材料)，該材料彈性模量可根據膠膜厚度進行有效調整，其缺點是作為鐵粉膠粘劑的氯丁膠含有甲苯，對人體的毒副作用較大[7]。

中科院武漢巖土力學研究所陳從新等人結合反傾巖層邊坡失穩破壞機制的相似模型研究，采用石英砂、石膏和水泥來模擬灰巖，研究了相似材料中骨料與膠結物的配比、膠結物中膠結材料的配比及不同的養護方式對試塊強度的影響規律。該材料采用石膏作為膠結劑，但石膏是水溶性材料，其性能易受溫度和濕度影響，且干燥緩慢[8]。山東大學張強勇等人研制出一種新型鐵晶砂膠結巖土相似材料，該材料由鐵礦粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液按規定配比均勻拌和壓實而成。其中鐵礦粉、重晶石粉和石英砂作為主料，松香酒精溶液作為膠結劑，石膏粉作為調節劑[9]。清華大學李仲奎等人研制出一種NIOS地質力學模型材料，它由磁鐵礦精礦粉、河砂、粘結劑石膏或水泥、拌和用水及添加劑組成，該材料的特點是重度大、價格低廉、性能穩定，但模型干燥慢、養護時間長[6]。此外，還有研究者用石膏、硅藻土和水配合而成的相似材料，但隨著硅藻土摻入量的增加，會出現體積縮小的現象[10]、[11]。

2 工程背景

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處，利用雅礱江干流下游河段150 km長大河彎的天然落差，通過長約16.67 km的引水隧洞，裁彎取直，獲得落差約310 m。水電站包括地下廠房、4條引水隧洞、2條交通輔助洞、2條施工支洞、1條排水洞和若干條輔助性隧洞，隧洞長約16.67 km。隧洞群穿越錦屏山主峰山體，洞群沿線最大地應力值達69.94 MPa。引水隧洞工程區內出露的地層為前泥盆系～侏羅系的一套淺海～濱海相、海陸交替相地層。引水隧洞沿線地層巖性主要為三迭系中、上統的大理巖、灰巖及砂巖、板巖。從東到西分別經過鹽塘組(Ty2)、白山組(Tb2)、三迭系上統(T3)、雜谷腦組(Tz2)、三迭系下統(T1)等地層。區內結構面主要表現為順層擠壓和北東向的逆沖斷層性質。逆沖斷層規模大，層間錯動頻率較高，其次為近東西向的橫切斷層，多表現為逆平移或正平移性質，此類斷層中，多見方解石脈、細晶巖脈及石英巖脈充填。根據設計文件對引水隧洞的檢算及廣泛收集國內外相關資料，把3#引水隧洞交叉節點，作為基本的試驗對象進行模型試驗，該處屬于Ⅲ類圍巖，其物理力學參數見表1。

表1 圍巖材料物理力學參數一覽表

4 模型試驗相似原理

模型試驗的相似原理是指模型上重現的物理現象應與原型相似，即要求模型材料、模型形狀和荷載等均須遵循一定的規律。把原型(P)和模型(M)之間具有相同量綱的物理量之比稱為相似比尺，用字母C代替。定義L為長度，γ為重度，δ為位移，E為彈性模量，σ為應力，ε為應變，σt為抗拉強度，σc為抗壓強度，c為粘聚力，φ為摩擦角，μ為泊松比，f為摩擦系數。

根據原型和模型的平衡方程、幾何方程、物理方程、應力邊界條件和位移邊界條件可推導出地質力學模型試驗如下相似關系[12]、[13]:

(1)應力相似比尺Cσ、容重相似比尺Cγ和幾何相似比尺CL之間的相似關系為

(2)位移相似比尺Cδ、幾何相似比尺CL和應變相似比尺Cε之間的相似關系為

(3)應力相似比尺Cσ、彈性模量相似比尺CE和應變相似比尺Cε之間的相似關系為

(4)地質力學模型試驗要求所有量綱－物理量(如應變、內摩擦角、摩擦系數、泊松比等)的相似比尺等于1，相同量綱物理量的相似比尺相等，即

表2 原型巖石和相似材料參數

模型試驗結合實際情況首先選幾何相似比CL=30，根據相似關系，各物理力學參數原型值與模型值的相似比如下:幾何相似比，CL=30;重度相似比為Cγ=1;泊松比、應變、摩擦角相似比，Cμ=Cε=Cφ=1;強度、應力、凝聚力、彈性模量相似比，CR=Cσ=CC=CE=30。相似材料原型和模型的力學主要參數如表2所示。

4 相似材料的選材原則

在滿足地質力學模型試驗相似原理的前提下，相似材料的選材還應滿足以下幾項原則[1]、[2]、[12]、[13]。

(1)相似材料的主要力學性質應與原型材料的物理、力學性能相似;

(2)凝固前具有較好的和易性，便于施工和修補;

(3)物理、力學、化學、熱學等性能穩定，力求不受時間、濕度、溫度等外界條件的影響;

(4)改變材料的配比，可使材料的力學性能發生改變，以適應相似條件的需要;

(5)容易成型，制作方便，凝固時間短;

(6)材料來源廣，成本低廉;

(7)對人體無任何毒害作用。

相似材料通常由幾種材料配置而成，組成相似材料的原材料可分為2類。

一是骨料:主要有砂、尾砂、鐵粉、重晶石粉、云母粉、軟木屑等;

二是膠結材料:主要有石膏、水泥、石灰、膨潤土(高嶺土)、碳酸鈣、石蠟、樹脂等。

一般常用來模擬巖石的相似材料是以砂子或尾砂為骨料，以石膏為主要膠結材料，以水泥、石灰、膨潤土(高嶺土)等為輔助膠結材料，這些材料的優點是材料的脆性與巖石比較接近。目前國內外通常使用的模型試驗相似材料有石膏混合料、水泥浮石混合料、合成樹脂材料、橡膠材料以及其它混合料。相似材料及其配比的選擇，應根據力學性質的不同，采用不同配比混合制成模型，也可根據不同試驗，按照相似條件選用其它材料。根據圍巖的實際條件，結合國內外圍巖相似材料研究現狀，本次模型試驗圍巖相似材料采用重晶石粉、河砂、石英砂、粉煤灰、機油來進行模擬。

5 相似材料配合比試驗

模擬試驗主要尋求較好的C和φ指標，故主要通過直剪試驗來獲得。骨料和膠結料的比例，各種膠結物之間的比例對材料強度有顯著影響。參照前人成功經驗得到的材料配比，再結合此次試驗實際情況，因此主要從河砂、石英砂、機油三個參數的變化來尋求合適的材料配比，一共進行了15組試驗，試驗所用材料以及直剪試驗，最后得到如表3所示結果。

根據相似判據，可得第15組試樣最符合相似判據，相似配比為重晶石0.7 kg，粉煤灰0.24 kg，河砂0.645 kg，石英砂0.4 kg，機油0.1 kg。在試驗過程中，通過改變河砂、石英砂、機油三個參數的含量來改變材料力學參數。通過直剪試驗發現機油作為膠結劑對C、φ值的影響為，適當提高機油含量能提高C值，但過量的機油反而降低C值，對摩擦角的影響為機油含量越大，摩擦角越小。石英砂作為骨料對C、φ值的影響為，隨石英砂含量增加，摩擦角增大，粘聚力減小。河砂的含量對C值影響較大。

表3 相似材料配合比試驗

6 結論

本文以錦屏二級水電站3#引水隧洞交叉段圍巖為工程背景，利用相似準則，結合國內外圍巖相似材料研究現狀，針對本工程圍巖性質狀況，采用了重晶石粉、河砂、石英砂、粉煤灰、機油來模擬圍巖材料，并進行了大量的材料配比直剪試驗，確定了本工程Ⅲ類圍巖材料相似配合比，相似配合比為重晶石0.7 kg，粉煤灰0.24 kg，河砂0.645 kg，石英砂0.4 kg，機油0.1 kg。試驗結果取得了良好的相似材料力學性能，為下一步試驗做好了準備。

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