巖體流變力學特性研究

費 大 軍， 詹 候 全， 戴 祺 云

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 監測及試驗研究所，四川 成都 610072)

巖體流變力學特性研究

費 大 軍， 詹 候 全， 戴 祺 云

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 監測及試驗研究所，四川 成都 610072)

巖體屬于非均質、不連續、各向異性的地質介質，在長期荷載作用下，工程巖體的應力應變狀態、變形破壞特征均隨時間而不斷發生變化，具有顯著的時效特性，巖體表現出的流變特性對工程安全影響重大。當認識不到位、處理不及時時施工、運行期的工程可能會出現事故或留下安全隱患。因此，深入、系統地開展高拱壩壩基巖體的流變力學特性與工程穩定性研究十分必要。淺談了對巖體流變特性研究的認識，總結了目前的研究成果，以期為其它工程提供借鑒與參考。

流變；松弛；蠕變；彈性后效；模型

1 概 述

眾所周知，巖石(體)力學是一門既富理論內涵、實踐性又很強的應用學科。巖體被廣泛作為建筑物的基礎以及邊坡和圍巖的介質，其自然屬性及工程穩定性直接影響到建筑物的運行與安全。雖然高拱壩要求建基于堅硬、較完整的巖體上，但其壩基巖體往往存在一些地質缺陷，如斷層、擠壓錯動帶、軟弱夾層、蝕變巖帶等軟弱巖帶，以及堅硬、性脆、隱微裂隙發育的“硬、脆、碎”巖體，對壩基巖體穩定不利。同時，壩基巖體在開挖卸荷、大壩荷載及高滲透水壓的長期作用下將呈現出與時間有關的力學特性，主要表現為：時效強度和流變損傷斷裂等。這些時效性的應力降低與變形在很大程度上與壩基軟弱巖帶和“硬、脆、碎”巖體在開挖卸荷和長期荷載作用下產生的應力松弛和流變變形密切相關。不連續性、非均質性和隨時間的變化是工程巖體的基本特點，由此帶來了巖體力學性質的復雜性、多變性和獨特性，因而認識巖體力學性質最直接、最可靠的途徑只能是對巖體(包括巖塊和結構面)進行力學特性試驗研究和變形監測，特別是與時間有關的巖體流變力學特性及其機理的研究。

2 研究意義

我國水電資源的總量位居世界第一，其中西部水電資源占81%，但其開發率較低。因此，大力開發西部水電，實施“西電東送”是我國西部大開發戰略的重要組成部分，也符合我國開發清潔、可再生能源的可持續發展國策。在西部大開發過程中，我國西部地區涌現出了一大批已建、在建和籌建的高拱壩，如已建成的雅礱江二灘拱壩(壩高240 m)、黃河李家峽拱壩(壩高160 m)、烏江構皮灘拱壩(232.5 m)、黃河拉西瓦拱壩(壩高250 m)、瀾滄江小灣拱壩(壩高294.5 m)，金沙江溪洛渡拱壩(壩高285.5 m)、雅礱江錦屏一級拱壩(壩高305 m)、大渡河大崗山拱壩(壩高210 m)；在建的烏東德拱壩(壩高265 m)、金沙江葉巴灘拱壩；籌建的金沙江白鶴灘拱壩(壩高289 m)。此外，正在勘測設計的、壩高200 m以上的拱壩有雅礱江孟底溝、旭龍、怒江同卡、怒江橋、羅拉、松塔、馬吉等。這些高拱壩工程規模巨大，均要求建基于堅硬、較完整的巖體上，但其壩基往往存在一些地質缺陷，如斷層、擠壓錯動帶、軟弱夾層、蝕變巖帶等軟弱巖帶，以及堅硬、性脆、隱微裂隙發育的“硬、脆、碎”巖體，對壩基穩定不利。同時，壩基巖體在開挖卸荷、壩體荷載及高滲透水壓的長期作用下，將可能呈現出與時間有關的變形特性，主要表現為松弛、蠕變、彈性后效、時效強度和流變損傷斷裂等，對高拱壩的施工安全及長期運行穩定產生不利影響，因此，需要對其加深勘察設計論證力度，并采取有針對性的基礎處理措施。當認識不到位、處理不當時，施工、運行期的工程可能會出現事故或留下安全隱患。如法國馬爾帕賽拱壩壩高66.5 m，其右岸上部發育平行壩基的斷層，大壩于1959年12月2日突然潰決，造成400余人死亡[1]；我國安徽省梅山連拱壩壩高88 m，1962年11月6日其右岸壩基突然出現大量滲漏水，壩體出現幾十條裂縫而處于危險狀態，被迫放空水庫進行加固[2]；陳村重力拱壩壩高76.3 m，1977～1979年低水位運行時，發現大壩下游面105 m高程處水平向大裂縫明顯擴展，拱冠部位裂縫擴展1.39 mm，河床10個壩段的縫深超過5 m，壩體出現嚴重缺陷[3]；佛子嶺連拱壩壩高75.9 m，1993年11月下旬河床13個垛墻頂向下游的位移量均超過歷史最大值，被迫控制水位運行[4]。這些拱壩出現的較大變形與破壞在很大程度上均與壩基巖體軟弱巖帶等在荷載長期作用下產生的流變變形密切相關。因此，深入、系統地開展高拱壩壩基巖體流變力學特性與工程穩定性研究是十分必要的，其研究成果不僅對高拱壩設計具有直接的應用和推廣價值，而且對高拱壩施工開挖安全、運行長期穩定具有重大的工程意義和社會意義；同時，其極大地豐富了巖體流變力學特性研究的理論與實踐，具有重大的理論意義。

3 研究現狀

國外自20世紀30年代以來開始對巖石流變特性及其本構關系開展了試驗與理論研究。1939年，Griggs根據對砂巖、泥巖、粉砂巖等進行的蠕變試驗，提出了采用對數型經驗公式來描述巖石流變本構關系。

我國的巖石流變力學研究始于20世紀50年代末期，巖石力學界的先驅者陳宗基先生對砂巖進行過8 400 h的蠕變試驗，研究了巖石的封閉應力、蠕變和擴容現象，建立了巖石流變擴容方程[5]。

中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司早在20世紀80年代即在二灘水電站對壩基蝕變玄武巖進行了現場柔性承壓板(直徑1 000 mm)巖體壓縮蠕變試驗；2000年在溪洛渡水電站對壩基層間層內錯動帶開展了現場柔性承壓板(直徑1 000 mm)巖體壓縮蠕變試驗[6]；2003年在錦屏一級水電站對壩基綠片巖、層間擠壓帶進行了現場柔性承壓板(直徑1 000 mm)巖體壓縮蠕變和室內中型剪切流變試驗；2006年在大崗山水電站對壩基輝綠巖脈及斷層破碎帶進行了現場中心孔剛性承壓板(直徑1 000 mm)巖體壓縮蠕變試驗[7]；2010年在錦屏一級水電站對壩址左岸f42-9斷層開展了現場剛性承壓板(直徑500 mm)巖體壓縮蠕變和室內中型剪切流變試驗。2009年，中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司在白鶴灘水電站對壩基柱狀節理玄武巖進行了現場柔性雙枕法(30 cm×50 cm)巖體壓縮蠕變和層內錯動帶剪切流變試驗。通過上述一系列現場原位巖體壓縮蠕變試驗、室內巖石流變力學試驗、理論分析、數值仿真和現場監測等，取得了一批具有較高價值的成果，在對高拱壩壩基巖體流變力學特性與工程穩定性的研究中進行了有益的探索，并將其初步應用于工程設計。

目前，國內外學者對軟巖、軟弱巖帶進行了不同加載條件下的單、三軸壓縮蠕變試驗。但針對堅硬、性脆、隱微裂隙發育的“硬、脆、碎”巖體尚未開展其在不同應力路徑下的室內三軸壓縮蠕變試驗；對巖石流變力學特性的試驗研究也主要集中在室內試驗方面，而由于現場流變試驗耗資、費時、難度較大，僅開展了少量現場巖體壓縮蠕變試驗及現場巖體剪切流變試驗，尤其針對“硬、脆、碎”巖體的研究更是處于空白狀態[8]。

巖石(體)流變力學特性的研究現狀具有以下顯著特點：

(1)研究對象。

①流變試驗的研究對象仍以巖石為主，僅在少數工程進行過巖體壓縮蠕變試驗，其試驗結果不能全面反映巖體流變的實際特性。工程巖體由結構面分割并形成一定的結構類型，其蠕變變形和長期強度受結構面和結構體兩方面流變特性的影響。因此，有必要進行結構面和含結構面巖體的流變試驗。

②流變試驗主要集中在軟巖流變力學特性研究方面，而對于堅硬巖石(花崗巖、灰巖、輝綠巖)流變力學特性的研究相對較少。這主要是人們對軟巖和軟弱巖帶具有明顯的流變特性認識較深，而對堅硬巖石流變特性的認識還有待深化。

(2)研究內容。

①對變形進行的研究較多，對強度進行的研究少。已有的巖體流變試驗研究以壓縮蠕變試驗為主，剪切流變試驗開展的較少。

②尚無人開展“硬、脆、碎”巖體的流變力學試驗，包括巖石室內三軸壓縮蠕變試驗、巖體現場壓縮蠕變試驗及剪切流變試驗。

③對巖體卸荷松弛時間效應研究的少。

通過大量加載試驗的進行及理論分析，目前已建立起反映巖體在加載條件下發生變形破壞的、較為完整的理論。然而，由于卸荷松弛與連續加載具有完全不同的應力路徑，兩者所引起的巖體變形和破壞特性無論在力學機理還是力學響應上都有很大差異，故沿用連續加載強度理論來預測工程巖體在開挖卸荷作用下的力學特性及其穩定性顯然會產生明顯的誤差。

在工程界，對巖體松弛及時效變形測試的主要方法有：地震聲波法、超聲波測井法、探地雷達、微地震監測、鉆孔全景圖像測試及多點位移計監測等。國內利用長觀孔聲波及鉆孔全景圖像測試對壩基巖體的松弛情況進行監測是最近幾年才發展起來的。

(3)研究設備與方法、手段。

①早期的流變力學試驗設備與方法較落后，試驗條件僅能在一定程度上還原巖體原始賦存環境，其隨科技水平的發展正在逐漸改進。

②研究方法和手段的不足主要體現在：

a.僅開展了少量現場巖體壓縮蠕變試驗，未開展現場巖體剪切流變試驗。由于現場巖體流變試驗人力物力投入大、技術難度大、試驗周期長；而室內巖石流變試驗條件易控制、成本較低，故對室內巖石流變力學試驗研究開展的較多。

b.宏觀研究多，微觀研究少。由于目前測試技術的制約及研究方法的不完善，在微細觀上對巖石流變特性大多進行的是定性的研究，而定量化的研究成果較為少見。

c.巖體流變力學特性與其內在的地質機理研究結合的少。壩基巖體作為地質體的一部分，其地質本質應包括物質組成、結構構造、賦存環境(地應力、地下水、溫度)等。如在高地應力條件下，巖石自然埋藏中擠壓緊密，巖石結構效應淡化，其物理力學性能強于低應力條件下的巖石。當巖石從高應力向低應力狀態轉化時，聚集的應變能釋放，伴隨著體積膨脹、結構松弛、結構效應顯化，同時其物理力學性能下降，甚至比長期低地應力條件下的巖石更差。

通過宏觀巖石流變試驗，得到了各種巖石的流變力學特性，但由于缺少對巖石所處宏觀地質環境及流變微細觀物質、結構變化的研究，對巖石流變機理無法解釋清楚。因此，既要對巖石流變的力學現象進行深入的認識，還要對巖石流變的本質進行深入研究，才能從巖石賦存環境及微細觀結構變化的角度把握巖石流變力學特性及其規律。

(4)理論水平尚未成熟。

國內對巖石流變力學特性的研究隨著葛洲壩、二灘、三峽等大型水電工程的興建而成為巖石力學研究的熱點，但至今其理論水平尚不成熟。國內外流變研究重視巖石流變力學試驗的設計與研究及在此基礎上的流變本構模型的建立與參數選取，而相對忽視從地質科學的角度作出流變力學行為的解釋，其研究理論缺少地質機理的分析。

(5)工程應用。

巖石流變的本構模型研究是巖石流變力學理論研究中最基本、也是最重要的組成部分，同時也是將試驗研究成果用于工程實踐的必經環節。經過數十年的研究，巖石力學與工程界已經積累了許多關于巖石流變本構模型的理論研究成果。

但是，現有的巖石流變模型主要是通過對流變試驗結果進行分析、建立符合試驗曲線的元件組合模型或經驗模型，而元件組合模型和經驗模型是無法描述加速流變階段的，盡管有些學者也提出了一些可以描述巖石加速流變階段的非線性流變元件模型，但由于這些模型方程復雜，模型參數多，目前多停留在理論研究階段，離實際應用尚遠，與工程應用結合甚微。

4 結 語

(1)巖石流變特性的研究必須由外及內、從現象到本質、將宏觀與微觀相結合才能將巖石流變特性研究透徹，掌握其內在規律，提高理論水平，從而對其進行有效地控制和利用，更好地為工程建設服務。

(2)高拱壩工程規模巨大，且其均要求建基于堅硬、較完整的巖體上，但其壩基往往存在一些地質缺陷，如斷層、擠壓錯動帶、軟弱夾層、蝕變巖帶等軟弱巖帶，以及堅硬、性脆、隱微裂隙發育的“硬、脆、碎”巖體，對壩基穩定不利。為揭示巖體流變力學特性，根據筆者多年的工作體會，總結出以下巖體流變力學研究的技術路線(圖1)。

圖1 研究技術路線圖

(3)根據巖體流變力學試驗研究成果，優化設計方案，指導施工。不僅能夠豐富和拓寬巖石力學學科研究領域的內容，而且可以為實際巖體工程提供有價值的成果，具有重要的理論意義，為其它工程類似問題的處理提供重要的借鑒與參考。

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[5] 徐 平，丁秀麗，全 海，等. 溪洛渡水電站壩址區巖體蠕變特性試驗研究[J]. 巖土力學， 2003, 24(S1): 220-222.

[6] 賀如平，張強勇，王建洪，等. 大崗山水電站壩區輝綠巖脈壓縮蠕變試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2007, 26(12): 2495-2503.

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[8] 孫 鈞. 巖土材料流變及其工程應用[M]. 北京：中國建筑工業出版社, 1999.

(責任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7;TU192;[TV221.2];TV522

B

1001-2184(2017)01-0004-04

費大軍(1974-)，男，四川仁壽人，高級工程師，學士，從事巖土工程方面的試驗研究工作;

詹候全(1984-)，男，四川眉山人，高級工程師，學士，從事水工混凝土試驗研究及試驗室管理工作；

戴祺云(1984-)，男，四川成都人，工程師，學士，從事巖土工程試驗研究工作.