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    巖體工程特性現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法及其成果相關(guān)性研究

    2013-10-23 05:26:36陳文強(qiáng)趙宇飛趙發(fā)輝曾祥喜王玉杰林興超
    水文地質(zhì)工程地質(zhì) 2013年6期
    關(guān)鍵詞:向家壩波速聲波

    陳文強(qiáng),趙宇飛,趙發(fā)輝,曾祥喜,王玉杰,林興超

    (1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院巖土工程研究所,北京 100048;2.云南省牛欄江-滇池補(bǔ)水工程建設(shè)指揮部,云南 昆明 650051;3.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,湖南 長(zhǎng)沙 410014)

    巖體是由結(jié)構(gòu)面與其切割的巖塊組成的賦存于一定地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體,其工程力學(xué)特性主要由結(jié)構(gòu)面和巖塊的力學(xué)特性共同決定[1~2]。在巖土工程中,巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的確定是制約工程設(shè)計(jì)與施工的關(guān)鍵。實(shí)際工程中,由現(xiàn)場(chǎng)大尺寸巖體力學(xué)試驗(yàn)得到的巖體強(qiáng)度參數(shù)可以較好地反映巖體工程力學(xué)特性,但限于試驗(yàn)中巖體尺寸、時(shí)間以及試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等方面原因,實(shí)際工程中所進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)以及室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)量都非常有限,因此僅靠這些有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)很難得到能夠真實(shí)反映巖體工程特性的設(shè)計(jì)參數(shù)。

    在實(shí)際工程中,巖體強(qiáng)度參數(shù)的確定通常在一定數(shù)量的室內(nèi)外試驗(yàn)基礎(chǔ)上,結(jié)合地質(zhì)勘察以及工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。隨著巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段的不斷發(fā)展,以及在工程中廣泛應(yīng)用,利用這些測(cè)試方法對(duì)巖體進(jìn)行檢測(cè)得到的成果,可以為工程中巖體強(qiáng)度參數(shù)的確定提供重要的參考與借鑒。施建新[3]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巖體聲波波速測(cè)試快速評(píng)判了壩基巖體質(zhì)量。王法剛[4]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆孔聲波測(cè)試和鉆孔彈性模量測(cè)試,建立了基巖體變形模量值與其聲波波速值的相關(guān)關(guān)系,為快速計(jì)算巖體彈性模量提供了依據(jù)。但在實(shí)際工程中,鮮有巖體測(cè)試設(shè)備能直接在工程現(xiàn)場(chǎng)快捷地得到巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。20世紀(jì)末,美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)的Handy教授提出了巖體鉆孔剪切試驗(yàn)方法,并研制了適用于軟—中等硬度巖體的巖石鉆孔剪切儀(Rock Borehole Shear Test,簡(jiǎn)稱(chēng)RBST),已在美國(guó)、日本等國(guó)家得到了初步應(yīng)用[5~6]。我國(guó)在2006年修訂的《工程地質(zhì)手冊(cè)》上也明確提到了土體鉆孔剪切儀,并指出:“其最大的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單,可重復(fù)性較高,鉆孔剪切試驗(yàn)?zāi)壳霸谖覈?guó)還尚未見(jiàn)有實(shí)用報(bào)道”[7]。因此,可以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖體鉆孔剪切試驗(yàn)、巖體鉆孔聲波測(cè)試以及巖體鉆孔彈性模量測(cè)試,對(duì)測(cè)試成果進(jìn)行相關(guān)性分析,可以為實(shí)際工程中的巖體工程力學(xué)參數(shù)的確定提供重要的參考與借鑒。

    本文結(jié)合向家壩水電站壩基巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)工作,利用引進(jìn)的巖體鉆孔剪切試驗(yàn)設(shè)備,與目前工程中常見(jiàn)的巖體鉆孔聲波測(cè)試以及巖體鉆孔彈性模量測(cè)試手段相結(jié)合,開(kāi)展壩基巖體工程質(zhì)量評(píng)價(jià),并對(duì)同一鉆孔中相同孔深處的三種測(cè)試成果進(jìn)行相關(guān)性研究,得到三者相關(guān)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。最后利用已建立的經(jīng)驗(yàn)公式估算巖體的力學(xué)特性參數(shù),分別與《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》和向家壩相關(guān)巖體力學(xué)參數(shù)建議值進(jìn)行比較分析,為巖體工程中設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)行階段中的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)的確定提供重要的參考與借鑒。

    1 三種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法簡(jiǎn)介

    1.1 鉆孔剪切試驗(yàn)

    巖石鉆孔剪切儀和其核心器件——剪切頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示。與室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)的直剪試驗(yàn)原理類(lèi)似,巖石鉆孔剪切儀是在鉆孔內(nèi)某一深度將兩塊對(duì)稱(chēng)的帶有齒狀突起的剪切板壓入鉆孔孔壁內(nèi),使剪切板兩平行的齒狀凸起間形成一薄層巖片,然后通過(guò)提拉與剪切板連接的鋼桿,實(shí)現(xiàn)嵌入齒狀凸起的巖片與孔周?chē)鷰r體的直接剪切破壞。該試驗(yàn)可以看作沿著這一薄層巖片(圖1b中虛線(xiàn)部分)的強(qiáng)制直剪破壞試驗(yàn)。在巖石鉆孔剪切試驗(yàn)中,如嵌于齒狀凸起間巖片的面積為A,作用于巖片上的法向力和連桿的提拉力分別為P和T,則作用在巖片上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為:

    圖1 巖石鉆孔剪切儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of a rock bore shear test meter

    巖石鉆孔剪切儀主要由剪切頭、法向力和剪切力(提拉力)的液壓控制裝置、提供應(yīng)力的液壓千斤頂和連桿以及油管等附屬部分組成。

    剪切頭是鉆孔剪切儀的核心部位,由2塊有平行齒狀凸起的弧形剪切板和可以帶動(dòng)剪切板擴(kuò)張和回縮的活塞組成。剪切板大小為2.5cm×2.0cm,其中沿鉆孔軸向長(zhǎng)2.5cm。剪切板上的齒狀凸起呈“∧”型,高1mm,角度為60°。兩齒狀凸起沿鉆孔軸向平行,且相距2.2cm。這意味著兩齒狀凸起間可嵌入的巖片(或單片剪切面積)的面積為(2.2×2.0)cm2。

    液壓千斤頂主要用于給連接剪切頭的連桿施加拉力,一般放置在孔口處。由于剪切頭被封裝在帶孔的框架內(nèi),通過(guò)孔口提拉與這一框架相連的連桿使框架底部的基座向上推壓剪切頭從而施加剪應(yīng)力。

    1.2 鉆孔聲波測(cè)試

    鉆孔聲波測(cè)試技術(shù)主要是根據(jù)巖體介質(zhì)的聲學(xué)性質(zhì)所開(kāi)展的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試手段,不同巖體的物理特性、巖性、結(jié)構(gòu)特征、力學(xué)性能等都對(duì)其聲學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系。因此,利用可檢測(cè)到的聲學(xué)信息(包括聲速、振幅、頻率等)并加以處理與解釋?zhuān)梢耘袛鄮r體的物理力學(xué)特性以及構(gòu)造(或缺陷)特征,從而進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)、工程應(yīng)力分析及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等[8]。

    利用波速對(duì)巖體進(jìn)行質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面[8]:(1)試驗(yàn)所得的巖體聲波速度指標(biāo),可以反映巖石性質(zhì)、巖體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及巖體風(fēng)化程度等性狀,能夠較好地反應(yīng)巖體綜合特性;(2)巖體的波速與其他巖體力學(xué)指標(biāo)有較好的相關(guān)性;(3)巖體波速測(cè)試簡(jiǎn)便快速,便于工程應(yīng)用。

    由上所述,可知實(shí)際工程中巖石聲波測(cè)試應(yīng)用廣泛。許多國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)巖體質(zhì)量分類(lèi)方面的內(nèi)容,都將巖石聲波波速作為一個(gè)重要的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)[9~11]。

    1.3 鉆孔彈性模量測(cè)試

    鉆孔彈性模量測(cè)試是一種在巖體深部或地下水位以下巖體進(jìn)行分段量測(cè)深部巖體變形特性及彈性參數(shù)的一種擾動(dòng)很小的原位測(cè)試方法。這種方法的基本原理是:通過(guò)可移動(dòng)的探頭,對(duì)鉆孔孔壁施加徑向壓力,測(cè)出巖體在壓力作用下產(chǎn)生的變形量,根據(jù)巖體壓力與變形關(guān)系曲線(xiàn)求出巖體的彈性模量、變形模量及各向異性參數(shù)等,主要用于巖體分類(lèi)評(píng)價(jià),或與工程物探檢測(cè)設(shè)備一起檢測(cè)建筑物基礎(chǔ)灌漿效果等。鉆孔彈性模量測(cè)試驗(yàn)儀器主要由鉆孔壓力儀、鉆孔膨脹儀、鉆孔彈性模量計(jì)等組成。

    2 三種測(cè)試手段的相關(guān)分析

    2.1 向家壩水電站壩基巖體現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成果

    向家壩水電站廠(chǎng)房壩段基巖現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要布置在廠(chǎng)房一壩段的JC2-5軟弱夾層影響帶內(nèi)的較軟巖體中。利用巖石鉆孔剪切儀對(duì)廠(chǎng)房壩段和泄水壩段的泥質(zhì)粉砂巖、砂巖和黑色泥巖共進(jìn)行了17個(gè)孔近50余組的鉆孔剪切試驗(yàn),其中黑色條帶狀泥質(zhì)粉砂巖中進(jìn)行了3組鉆孔剪切試驗(yàn),黑色泥巖進(jìn)行了43組鉆孔剪切試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖見(jiàn)圖2。

    圖2 向家壩水電站壩基巖體鉆孔剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖Fig.2 Results of the bore hole shear tests in the Xiangjiaba dam site

    在向家壩水電站的前期勘探以及施工期中,進(jìn)行了大量的鉆孔聲波測(cè)試。表1中為向家壩水電站壩基不同類(lèi)別巖體中相同鉆孔同一深度處鉆孔剪切試驗(yàn)得到f值與現(xiàn)場(chǎng)聲波測(cè)試得到的聲波特征值[12]。

    在向家壩水電站二期工程中,也進(jìn)行了巖體鉆孔彈性模量測(cè)試,表2為測(cè)試得到的不同類(lèi)別的巖體變形模量[13]。

    2.2 鉆孔剪切測(cè)試與鉆孔聲波測(cè)試相關(guān)性分析

    在向家壩水電站壩基巖體現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中,由于鉆孔剪切試驗(yàn)與聲波測(cè)試設(shè)備及工作條件的差異性,僅有11對(duì)鉆孔剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)與鉆孔聲波測(cè)試數(shù)據(jù)是完全在同一巖體鉆孔深度上試驗(yàn)得到的,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由于通過(guò)試驗(yàn)得到的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)中c離散型較大,因此僅對(duì)鉆孔剪切試驗(yàn)所得的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)f與巖體聲波波速Vp的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了分析。

    表1 向家壩水電站壩基RBST和聲波測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Results of RBST and wave velocity tests in the Xiangjiaba dam site

    表2 向家壩水電站壩基巖體鉆孔變形模量試驗(yàn)成果表Table 2 Results of bore hole deformation module tests in the Xiangjiaba dam site

    考慮到鉆孔孔口位置處的巖體受擾動(dòng)較大,試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)代表性差,經(jīng)過(guò)去除表1中試驗(yàn)點(diǎn)擾動(dòng)較大位置所得數(shù)據(jù),繪制由鉆孔剪切試驗(yàn)得到的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)與巖體聲波波速的相關(guān)關(guān)系回歸曲線(xiàn),如圖3所示。

    圖3 f~Vp線(xiàn)性擬合圖Fig.3 Correlation between the shear strength parameter(f)and the wave velocity(Vp)

    由圖3可見(jiàn),鉆孔剪切試驗(yàn)所得的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)f與鉆孔聲波測(cè)試所得的VP具有明顯的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系,通過(guò)最小二乘法分析得到二者關(guān)系式見(jiàn)式(3),并通過(guò)相關(guān)分析,得到巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)f與巖體聲波波速的擬合優(yōu)度系數(shù)為0.7977,兩者相關(guān)系數(shù)為0.8653:

    式中:f——由巖體鉆孔剪切試驗(yàn)得到的巖體內(nèi)摩擦系數(shù);

    VP——由鉆孔聲波測(cè)試得到的巖體聲波縱波波速(km/s)。

    2.3 鉆孔聲波測(cè)試與彈性模量測(cè)試相關(guān)性分析

    在向家壩水電站壩基巖體工程特性研究中,在同一鉆孔深度進(jìn)行聲波測(cè)試與鉆孔彈性模量測(cè)試得到的試驗(yàn)資料共130組,將巖體聲波測(cè)試和鉆孔彈性模量測(cè)試結(jié)果按照“巖體聲波波速—巖體變形模量”以及“巖體聲波波速—巖體彈性模量”進(jìn)行整理,其散點(diǎn)分布圖如圖4所示。

    利用常用的線(xiàn)性函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)以及冪函數(shù),對(duì)巖體變性模量、彈性模量與聲波波速的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了擬合研究,通過(guò)對(duì)這些擬合函數(shù)的對(duì)比,選取擬合效果最好的函數(shù)對(duì)兩者相關(guān)關(guān)系進(jìn)行描述。對(duì)巖體變形模量與單孔聲波波速進(jìn)行擬合研究得到的擬合結(jié)果見(jiàn)表3,可見(jiàn)采用冪函數(shù)對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可靠性較高。

    圖4 巖體單孔聲波測(cè)試與彈性模量測(cè)試數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖Fig.4 Relationship between the wave velocity and the result of borehole elastic module tests

    表3 向家壩壩址巖體鉆孔剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)與巖體波波速擬合結(jié)果表Table 3 Results of RBST and wave velocity tests in the Xiangjiaba dam site

    為了保證擬合到的巖體鉆孔聲波分別與鉆孔變形模量和彈性模量試驗(yàn)結(jié)果有較好的相關(guān)關(guān)系,采用90%的概率保證率對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的粗差進(jìn)行剔除,在剔除粗差后再進(jìn)行擬合回歸分析,見(jiàn)圖5所示。

    對(duì)于巖體變性模量E0與巖體聲波波速VP進(jìn)行冪函數(shù)回歸得到的相關(guān)關(guān)系式如式(4)所示,其回歸擬合優(yōu)度為0.8055,兩者相關(guān)系數(shù)為0.8930。

    式中:E0——由鉆孔彈性模量試驗(yàn)得到的巖體變形模量(GPa)。

    對(duì)于巖體彈性模量E與巖體聲波波速VP進(jìn)行冪函數(shù)回歸得到的相關(guān)關(guān)系式如式(5)所示,其回歸擬合優(yōu)度為0.6976,兩者相關(guān)系數(shù)為0.7892。

    式中:E——由鉆孔彈性模量試驗(yàn)得到的巖體彈性模量(GPa)。

    對(duì)比錦屏一級(jí)水電站中所進(jìn)行的巖體鉆孔聲波與巖體鉆孔彈性模量測(cè)試結(jié)果的相關(guān)性分析結(jié)果[14],本次試驗(yàn)中得到的巖體鉆孔聲波與巖體鉆孔彈性模量測(cè)試結(jié)果是合理可信的,兩個(gè)工程中得到的關(guān)系式中參數(shù)較為相近,二者之間存在的差異主要是因?yàn)閹r體特性不同導(dǎo)致的。

    2.4 鉆孔剪切測(cè)試與彈性模量測(cè)試相關(guān)性分析

    結(jié)合分析得到的巖體聲波波速與鉆孔剪切試驗(yàn)得到的巖體摩擦系數(shù)的相關(guān)關(guān)系,可以得到向家壩水電站鉆孔巖石變形模量E0和彈性模量E與鉆孔剪切試驗(yàn)得到的巖體摩擦系數(shù)f之間的相關(guān)關(guān)系:

    圖5 巖體單孔聲波波速與巖體變形參數(shù)擬合回歸曲線(xiàn)Fig.5 Correlation between the wave velocity and the deformation modulus

    2.5 討論

    利用《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)中給出的不同類(lèi)型壩基巖體的聲波特征值和向家壩巖體分類(lèi)中的聲波特征值,通過(guò)式(3)~(5),可以估算不同壩基巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)f、巖體變形模量E0與巖體彈性模量E的取值范圍,見(jiàn)表4和表5。

    表4 不同類(lèi)別壩基巖體工程特性參數(shù)估算表(《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》)Table 4 Mechanical parameters of rock mass estimated with the values of wave velocity in the code for water resources and hydropower engineering geological investigation

    分析表4和表5可知:

    (1)巖體強(qiáng)度參數(shù)抗剪強(qiáng)度參數(shù)f估算值與規(guī)范建議值以及向家壩相關(guān)巖體建議值相差較多,這主要是在同一鉆孔中同一位置處進(jìn)行的巖體剪切試驗(yàn)與巖體聲波測(cè)試比較少,且都是利用了黑色泥巖中鉆孔進(jìn)行的試驗(yàn),泥巖屬于軟巖,因此回歸得到的聲波與巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)值f的相關(guān)關(guān)系式適用范圍有局限性;

    表5 不同類(lèi)別壩基巖體工程特性參數(shù)估算表(向家壩試驗(yàn)資料)Table 5 Mechanical parameters of rock mass estimated with the values of wave velocity in the Xiangjiaba dam site

    (2)利用聲波與巖體變性模量相關(guān)關(guān)系估算的巖體變形模量,與規(guī)范中建議的巖體變性模量取值范圍比較接近,但是對(duì)于Ⅳ2類(lèi)巖體來(lái)說(shuō),相差相對(duì)較大。另外,與向家壩水電站壩基巖體變形模量與彈性模量建議值相比,對(duì)于Ⅰ類(lèi)巖體,變形模量與彈性模量皆較高,而對(duì)于Ⅲ2類(lèi)以下巖體,變形模量與彈性模量皆較低,造成以上現(xiàn)象的原因可能是向家壩水電站壩基的巖體特性以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少導(dǎo)致的。

    3 結(jié)論

    (1)鉆孔剪切試驗(yàn)方法可以在工程現(xiàn)場(chǎng)方便快捷地得到巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù),隨著工程應(yīng)用的不斷反饋與完善,可以逐漸成為彌補(bǔ)室內(nèi)外巖體試驗(yàn)不足的一種重要手段。

    (2)三種工程巖體現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法得到的結(jié)果具有較好的相關(guān)性,通過(guò)更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及更多的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累,逐步對(duì)得到的巖體工程力學(xué)特性參數(shù)的相關(guān)關(guān)系式進(jìn)行修正與完善,可以較好地利用簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法對(duì)巖體工程質(zhì)量進(jìn)行快速而合理地評(píng)價(jià)。利用三者的相關(guān)關(guān)系,并結(jié)合部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),可以相互配合在水利水電工程中的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)中使用,所得到的測(cè)試成果,將會(huì)為工程建設(shè)中巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)與變形特性參數(shù)的選取提供重要的參考。

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    [10]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組.JTJ064—98公路工程地質(zhì)勘查規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,1999.[The Professional Standards Compilation Group of People's Republic of China.JTJ064—98 Specifications forSurveyof Highway Engineering Geology[S].Beijing:China Communications Press,1999.(in Chinese)]

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    [12]中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.向家壩水電站壩基巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的鉆孔剪切試驗(yàn)方法研究報(bào)告[R].北京:中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,2010.[China Institute of Water Resources and Hydropower Research.The research report of rock bore shear test in the Xiangjiaba Hydropower Station dam foundation[R].Beijing:China Institute of Water Resources and Hydropower Research,2010.(in Chinese)]

    [13]中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.向家壩水電站二期工程壩基工程地質(zhì)條件復(fù)核評(píng)價(jià)專(zhuān)題報(bào)告[R].長(zhǎng)沙:中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2009.[HydroChina Zhongnan Engineering Corporation.The report of the evaluation on the geological conditions in the second-phase Xiangjiaba Hydropower Station dam foundation[R].Changsha:Hydro China Zhongnan Engineering Corporation,2009.(in Chinese)]

    [14]李維樹(shù),黃志鵬,譚新.水電工程巖體變形模量與波速相關(guān)性研究及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(增 1):2727 -2733.[LI W S,HUANG Z P,TAN X.Research and application of correlation between deformation modulus and wave velocity of rock mass in hydroelectric project[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(S1):2727 -2733.(in Chinese)]

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