巖體原位試驗(yàn)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(shù)，熊詩(shī)湖，范 雷

(長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)效等一系列復(fù)雜的巖石力學(xué)問(wèn)題，需要發(fā)展新的原位試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行研究。近年來(lái)，長(zhǎng)江科學(xué)院通過(guò)共同研發(fā)和技術(shù)引進(jìn)，推出了柔性承壓板法巖體原位流變?cè)囼?yàn)技術(shù)、復(fù)雜應(yīng)力路徑巖體原位高壓真三軸試驗(yàn)技術(shù)、堅(jiān)硬巖體破壞時(shí)效原位三軸流變?cè)囼?yàn)技術(shù)、聲發(fā)射定位技術(shù)研究巖體變形破壞機(jī)理測(cè)試等，并在西部大型水電工程復(fù)雜巖體力學(xué)問(wèn)題的研究中得到應(yīng)用。

1 柔性承壓板法巖體原位流變?cè)囼?yàn)技術(shù)

巖體原位流變?cè)囼?yàn)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?cè)囼?yàn)獲得的流變模型相對(duì)簡(jiǎn)單，但試驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜;柔性承壓板法流變?cè)囼?yàn)其試驗(yàn)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，但流變模型及計(jì)算公式復(fù)雜。對(duì)于巖體流變?cè)囼?yàn)設(shè)備，一是要保持施加壓力的長(zhǎng)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(chǎng)巖體流變?cè)囼?yàn)設(shè)備，提出了柔性承壓板法巖體原位流變?cè)囼?yàn)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(shí)間;EH，E1，E2分別為不同原件彈性模量(見(jiàn)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?cè)囼?yàn)場(chǎng)景見(jiàn)圖2，獲得的典型曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，采用非線(xiàn)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(yàn)曲線(xiàn)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?cè)囼?yàn)場(chǎng)景Fig.2 The scene of rheological test with flexible bearing plate

圖3 柔性承壓板法巖體流變?cè)囼?yàn)典型曲線(xiàn)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(yàn)技術(shù)

針對(duì)錦屏二級(jí)深埋引水隧洞開(kāi)挖高應(yīng)力復(fù)雜應(yīng)力路徑巖石力學(xué)問(wèn)題，研制了TXGW-20型微機(jī)控制現(xiàn)場(chǎng)巖體真三軸伺服試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)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(jìn)的微機(jī)控制伺服試驗(yàn)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(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)σ1＞σ2≥σ3真三軸試驗(yàn)。通過(guò)配置聲發(fā)射設(shè)備觀(guān)測(cè)巖體漸進(jìn)破壞過(guò)程，將進(jìn)一步深化復(fù)雜應(yīng)力路徑巖體破壞機(jī)理研究。

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

在錦屏二級(jí)引水隧洞埋深2 300 m的試驗(yàn)洞內(nèi)，對(duì)T2b大理巖開(kāi)展了巖體高壓卸圍壓路徑巖體原位真三軸試驗(yàn)，試點(diǎn)地質(zhì)描述見(jiàn)圖5，試驗(yàn)場(chǎng)景見(jiàn)圖6，自動(dòng)采集3個(gè)方向的全過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。試驗(yàn)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(yàn)前試樣地質(zhì)描述及試驗(yàn)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(yàn)場(chǎng)景Fig.6 The scene of rock mass true triaxial unloading test

圖7 巖體真三軸卸圍壓試驗(yàn)全過(guò)程曲線(xiàn)Fig.7 Curves of rock mass true triaxial unloading test

3 堅(jiān)硬巖體破壞時(shí)效原位三軸流變?cè)囼?yàn)技術(shù)

為了研究堅(jiān)硬巖體破壞時(shí)效特征，研制了現(xiàn)場(chǎng)巖體原位三軸流變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)具有適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、三向壓力伺服自動(dòng)穩(wěn)壓精度高、壓力和變形數(shù)據(jù)全過(guò)程采集、聲發(fā)射定位技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控巖體微破裂發(fā)展過(guò)程等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守試驗(yàn)。

采用現(xiàn)場(chǎng)巖體原位三軸流變?cè)囼?yàn)技術(shù)，對(duì)錦屏二級(jí)引水隧洞T2b大理巖開(kāi)展了不同應(yīng)力路徑巖體破壞時(shí)效特征研究，試驗(yàn)場(chǎng)景見(jiàn)圖8，獲得的巖體真三軸加載流變?cè)囼?yàn)曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)曲線(xiàn)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(shí)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?cè)囼?yàn)場(chǎng)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?cè)囼?yàn)曲線(xiàn)加載破壞)Fig.9 Curves of true triaxial rheological test on Jinping marble(，loading σ1until failure)

4 巖體破壞機(jī)理研究聲發(fā)射定位測(cè)試技術(shù)

巖體包含不同尺度的節(jié)理和裂隙，破壞機(jī)理十分復(fù)雜。由于巖體的非均質(zhì)性和破裂過(guò)程的復(fù)雜性，目前采用數(shù)值方法難以真實(shí)模擬巖體破裂過(guò)程，測(cè)試技術(shù)的發(fā)展為巖體破壞機(jī)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(shí)時(shí)記錄加載過(guò)程中巖體破裂部位，追蹤巖體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展、貫通破壞過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體漸進(jìn)破壞全過(guò)程的精細(xì)測(cè)試，為揭示巖體漸進(jìn)破壞機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

4.1 巖體直剪試驗(yàn)聲發(fā)射定位測(cè)試

巖體直剪試驗(yàn)布置于試驗(yàn)洞側(cè)壁，剪切面試件尺寸 50 cm(長(zhǎng))×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(jí)施加，每隔5 min加荷一級(jí)，直至巖體剪切破壞。剪應(yīng)力-剪位移關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖10所示，巖體直剪試驗(yàn)過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)單位時(shí)間撞擊率見(jiàn)圖11，不同剪切應(yīng)力聲發(fā)射定位見(jiàn)圖12。

聲發(fā)射定位技術(shù)對(duì)巖體直剪破壞過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)刻畫(huà):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(guān)破裂面。這與先前的巖體剪切破壞從前端開(kāi)始的研究成果有很大的不同，表明裂隙巖體直剪破壞機(jī)理的復(fù)雜性。

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

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

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

4.2 巖體三軸試驗(yàn)聲發(fā)射定位測(cè)試

巖體三軸試驗(yàn)應(yīng)力路徑為:σ2和σ3加載至7.5 MPa，σ1加載至37 MPa，逐級(jí)卸載 σ3，卸載速率為 0.16 MPa/min，至1.2 MPa試樣破壞，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)時(shí)間為9 728 s。

試驗(yàn)過(guò)程中采用SAMOS聲發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行聲發(fā)射測(cè)試，聲發(fā)射信號(hào)撞擊率柱狀圖見(jiàn)圖13;根據(jù)聲發(fā)射源三維定位技術(shù)，獲得三軸試驗(yàn)過(guò)程中巖體內(nèi)部聲發(fā)射事件定位結(jié)果見(jiàn)圖14。為了更清晰地表示試驗(yàn)過(guò)程中巖體內(nèi)部聲發(fā)射事件的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，根據(jù)試驗(yàn)的應(yīng)力路徑對(duì)圖14進(jìn)行分解，獲得各級(jí)應(yīng)力狀態(tài)巖體聲發(fā)射事件定位圖(見(jiàn)圖15)。

4.3 地下洞室開(kāi)挖圍巖松弛聲發(fā)射定位測(cè)試

采用SH-Ⅱ-SRM聲發(fā)射在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)地下洞室開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)。通過(guò)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(jī)制的研究與圍巖加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖13 聲發(fā)射信號(hào)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(yàn)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(yàn)過(guò)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(yàn)洞為城門(mén)洞型，開(kāi)挖后洞室斷面尺寸為13 m(高)×6.5 m(寬)。設(shè)置 A'，B'2 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面共4個(gè)監(jiān)測(cè)鉆孔對(duì)第3層開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)布置見(jiàn)圖16。底板聲發(fā)射累積曲線(xiàn)見(jiàn)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(shí)效性。

圖16 開(kāi)挖聲發(fā)射監(jiān)測(cè)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(kāi)挖底板聲發(fā)射事件累積曲線(xiàn)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(kāi)挖時(shí)試驗(yàn)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(kāi)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(yǔ)

將所研發(fā)和引進(jìn)的巖體原位試驗(yàn)新技術(shù)應(yīng)用于白鶴灘、烏東德、錦屏二級(jí)等大型水電工程復(fù)雜巖體力學(xué)問(wèn)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(jī)理、深部巖體破壞時(shí)效特征和流變特性、復(fù)雜巖體洞室開(kāi)挖圍巖松弛演變規(guī)律等初步研究成果。在這些原位試驗(yàn)新技術(shù)基礎(chǔ)上，下一步將結(jié)合光纖傳感技術(shù)和遠(yuǎn)程通訊技術(shù)的應(yīng)用，重點(diǎn)研發(fā)巖體原位試驗(yàn)可視化技術(shù)和數(shù)值模擬試驗(yàn)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體變形破壞過(guò)程的精細(xì)測(cè)試，探索巖體微細(xì)觀(guān)破壞機(jī)理、演變規(guī)律及其與宏觀(guān)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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