錦屏二級(jí)水電站巖石三軸壓縮試驗(yàn)分析

謝華剛 吳玲麗

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000）

1.引言

錦屏二級(jí)水電站由首部低閘、引水隧洞及地下廠房三個(gè)部分組成。該電站位于四川涼山雅礱江干流之上，為了充分利用自然資源，該水電站建在雅礱江150km大河灣的巨大天然落差位置，進(jìn)行引水發(fā)電。隧洞總長可達(dá)16～19km，隧洞直徑高達(dá)13m，隧洞埋深大部分處在1500～2000m的位置，最深處的埋深高達(dá)2500m，因此，該地區(qū)的巖石均處在比較復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。引水隧洞具有洞線長、洞徑大、埋深極大的特點(diǎn)，成為錦屏電站最關(guān)鍵部分之一。隧洞圍巖的巖性組成復(fù)雜，斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，特別重要的是該區(qū)為高地應(yīng)力區(qū)?，F(xiàn)已測得最大應(yīng)力達(dá)42.11MPa，經(jīng)回歸分析沿洞線最大應(yīng)力高達(dá)54MPa。隧洞圍巖經(jīng)地質(zhì)勘測發(fā)現(xiàn)主要以大理巖、砂巖為主構(gòu)成[1]。

為了確定巖石力學(xué)性質(zhì)，很多學(xué)者采用巖樣試驗(yàn)，報(bào)告[1]針對(duì)錦屏二級(jí)水電站地下洞室高地應(yīng)力的實(shí)際情況，選取西雅礱江、東雅礱江隧洞圍巖巖樣，進(jìn)行三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)分析，得出巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由于巖石的形成過程不同以及所經(jīng)歷變形的差異，再加上原位取樣時(shí)巖芯內(nèi)部存在各種節(jié)理、裂紋、空隙等缺陷，使得巖樣之間存在很大的差異[3,4]，試驗(yàn)結(jié)果的處理和所采用的試驗(yàn)方法是研究巖石力學(xué)性質(zhì)的主要方法[5～8]。錦屏二級(jí)水電站巖石性質(zhì)得到了一定的研究成果[10～15]，結(jié)合錦屏二級(jí)水電站巖石三軸壓縮試驗(yàn)研究報(bào)道結(jié)果，對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析研究，以期完善錦屏二級(jí)水電站巖石力學(xué)參數(shù)，優(yōu)化隧洞施工方案。

在圍壓較高，摩擦作用較大時(shí)，巖石內(nèi)部的缺陷等對(duì)變形和強(qiáng)度的影響較小，強(qiáng)度和彈性模量離散性較小。就此而言，利用低強(qiáng)度的材料模擬高應(yīng)力下巖石的變形性質(zhì)是可行的途徑之一[16]。這樣通過采用低圍壓下的巖石性質(zhì)推求高圍壓下的巖石性質(zhì)就有了一定的理論基礎(chǔ)。

2.Coulomb準(zhǔn)則[9]

Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則（破壞定律）認(rèn)為，巖石承載的最大剪切應(yīng)力由材料的固有剪切強(qiáng)度（粘聚力C）和內(nèi)摩擦力確定，為內(nèi)摩擦角，為正應(yīng)力。即巖石承載的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力成線性關(guān)系，

一般巖石的圍壓影響系數(shù)K在3～6之間，參數(shù)Q和K可以利用不同圍壓下常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的結(jié)果回歸分析得到，它們與粘結(jié)力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系是

Coulomb準(zhǔn)則具有簡單、具體，有明確的物理背景，巖樣也多是剪切破壞，且強(qiáng)度與圍壓大致成一定的線性關(guān)系，因而粘結(jié)力和內(nèi)摩擦系數(shù)的概念在巖體工程和地質(zhì)構(gòu)造方面能夠普遍的應(yīng)用。

對(duì)于由巖樣三軸壓縮強(qiáng)度得到的T（Q，K），參數(shù)Q的力學(xué)含義是，完好巖樣在完全剪切破壞單軸壓縮強(qiáng)度，可以作為巖樣的材料強(qiáng)度來看待。實(shí)際壓縮過程中由于巖樣沿軸向的張拉破壞，巖樣無缺陷時(shí)的強(qiáng)度通常也是小于Q的。這就意味著，作為材料強(qiáng)度特性的參數(shù)Q，是不可能從單一試驗(yàn)中得到的，必須通過不同圍壓下的巖樣強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析才能得到[16]。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上面的結(jié)果，對(duì)錦屏二級(jí)水電站一期巖石三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究分析，以期得到合理的內(nèi)摩擦角和粘聚力C。

3.巖石力學(xué)參數(shù)三軸壓縮試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用RMT-150B多功能全自動(dòng)剛性巖石伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)分析。RMT-150B多功能全自動(dòng)剛性巖石伺服試驗(yàn)機(jī)，是在美國MTS公司的剛性伺服試驗(yàn)機(jī)基礎(chǔ)上結(jié)合我國國情由中科院武漢巖土所研制、開發(fā)出來的。主要功能是可以做巖石和混凝土的單軸或者三軸壓縮全過程試驗(yàn)分析，直接剪切、直接和間接拉伸試驗(yàn)分析，測定巖石和混凝土所有力學(xué)參數(shù)。試驗(yàn)可以完全在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行，試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)人員可以干涉，轉(zhuǎn)換控制方式和試驗(yàn)參數(shù)，可以預(yù)先設(shè)置試驗(yàn)步驟，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。

2.2 試驗(yàn)步驟

試樣采用φ50×100mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)巖樣進(jìn)行試驗(yàn)[1]，試驗(yàn)按以下步驟進(jìn)行：

（1）測量試件的尺寸，同時(shí)在試件上套上薄橡皮套，在伺服試驗(yàn)機(jī)壓力室中安裝巖石試件，同時(shí)排出壓力室內(nèi)的空氣。

（2）在側(cè)向和軸向同步施加壓力至預(yù)定側(cè)壓力值，加載速率是0.5MPa/s，并控制側(cè)壓力值在試驗(yàn)過程中始終保持不變。

（3）加載采用應(yīng)變控制方式，即設(shè)定壓縮位移上限值，以一定應(yīng)變速率施加軸向荷載，直至達(dá)到位移限值為止。試驗(yàn)過程中機(jī)器自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算處理，輸出繪制全應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線。

（4）試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行試驗(yàn)記錄描述。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表1是一期巖石三軸壓縮試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)表，其三軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖見圖1。采用matlab7.1軟件對(duì)巖石力學(xué)強(qiáng)度與圍壓采用公式進(jìn)行回歸分析，得出考慮單軸壓縮強(qiáng)度和不考慮單軸壓縮強(qiáng)度強(qiáng)度隨圍壓變化趨勢，并擬合出強(qiáng)度隨著圍壓變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式。采用公式（1）、（2）計(jì)算巖石內(nèi)摩擦角和粘聚力C的大小，結(jié)果見表1。部分巖石強(qiáng)度與圍壓變化趨勢見圖2、3。

表1 錦屏二級(jí)水電站巖石三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果[1]

注：（1）為每級(jí)圍壓下峰值強(qiáng)度的平均值（巖樣3個(gè)）；（2）試驗(yàn)對(duì)于板巖等有明顯層理面的巖樣，軸向壓力均垂直層理面；（3）單軸表示單軸壓縮和三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)回歸；（4）三軸表示采用三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸。

圖1 圍壓5MPa、25MPa下板巖（QY-1）應(yīng)力-應(yīng)變曲線[1]

圖2 大理巖強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系

圖3 中細(xì)砂巖強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系

（1）大理巖強(qiáng)度隨著圍壓變化數(shù)學(xué)表達(dá)式（三軸）

相關(guān)系數(shù)R＝0.9742；

（2）中細(xì)砂巖強(qiáng)度隨著圍壓變化數(shù)學(xué)表達(dá)式（三軸）

相關(guān)系數(shù)R＝0.9815；

（3）板巖強(qiáng)度隨著圍壓變化數(shù)學(xué)表達(dá)式（三軸）

相關(guān)系數(shù)R＝0.9963；

（4）灰?guī)r強(qiáng)度隨著圍壓變化數(shù)學(xué)表達(dá)式（三軸）

相關(guān)系數(shù)R＝0.9846。

通過對(duì)各種巖石的強(qiáng)度與圍壓的線性回歸分析，得出強(qiáng)度與圍壓存在相關(guān)系數(shù)很高的線性關(guān)系，從而可以利用擬合公式推求深部巖石的強(qiáng)度值的大小，從而更好的利用巖石的力學(xué)性質(zhì)，減少現(xiàn)場巖爆的發(fā)生概率。

通過對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€的分析，發(fā)現(xiàn)峰后軟化過程與圍壓沒有直接關(guān)系，圍壓的增加只會(huì)提高殘余強(qiáng)度值的大小，見圖1。峰前的曲線沒有明顯的屈服平臺(tái)，峰前變形與圍壓沒有直接的關(guān)系，圖1沒有明顯的屈服平臺(tái)。

3.結(jié)論

（1）應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€的峰后軟化過程與圍壓沒有直接關(guān)系，圍壓的增加只會(huì)提高殘余強(qiáng)度；

（2）應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€峰前曲線沒有明顯的屈服平臺(tái)，說明峰前的變形與圍壓沒有直接關(guān)系；

（3）巖石強(qiáng)度與圍壓存在一定的線性關(guān)系，通過采用數(shù)值模擬軟件擬合推求深部巖石強(qiáng)度成為可能，從而會(huì)更好為現(xiàn)場施工提供一定的依據(jù)，減少巖爆的發(fā)生率。

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