卸荷速率对锦屏一级水电站大理岩力学特性的影响.docxVIP

卸荷速率对锦屏一级水电站大理岩力学特性的影响 1 高地应力条件下卸荷速率对岩石力学特性影响的地质解释 不同的施工进度，岩体的压力率存在明显差异。施工过程中发生的许多潜在事故通常与施工进度（压力率）过快，以及纠正措施不及时。岩体工程开挖变形具有很强的时空效应,有效控制开挖速度并辅以必要的工程加固措施,是控制灾害发生的有效方法之一。正在施工的锦屏一级水电站,在2007年8月初~9月底于高程1 885及1 885 m的1#和2#固结灌浆平洞出现较多的大致平行于坡面NNE向张裂隙,这些裂隙的出现引起相关单位的高度重视,经过专家会议及相关研究表明,这类裂隙是由于岩体快速开挖卸荷所致,由于高程1 860 m拱肩槽开挖速度过快,使得上部岩体产生侧向卸荷拉裂,后来通过放慢开挖速度及相关工程措施,这种变形得到了很好的控制,没有影响边坡的整体稳定性。岩石高边坡的发育过程是伴随着河谷的下切过程形成,这一过程也是一个长期卸荷的动力过程,河谷下切的快慢直接影响着边坡内卸荷裂隙发育的规模及深度,如在雅砻江高速下切的过程中,高地应力快速释放,使得锦屏一级水电站左岸的深部卸荷裂隙水平深度深达200 m以上,对其成因机制的认识和工程影响评价是该电站建设的主要攻关难题之一。即使是已建成运行的岩体工程,随着加固结构的逐渐损伤,将诱发工程岩体再次卸荷,这类卸荷速率一般很慢,属于卸荷流变范畴。因此研究不同卸荷速率下岩石的力学特性,特别是高初始应力状态下,具有重要的理论和工程意义。 近年来,卸荷岩体力学的研究得到了较大的发展,特别是针对锦屏水电站[5~8]及拉西瓦水电站等高地应力区高边坡和深埋地下厂房或引水隧洞,三峡工程船闸高边坡及大型地下厂房等工程开挖卸荷稳定性问题展开了较多三轴卸荷试验,哈秋舲等[12~19]在裂隙岩体卸荷的力学理论及试验方面也做了大量研究工作。然而这些试验研究中没有系统地考虑卸荷速率对卸荷过程中岩石力学特性的影响,甚至是多种卸荷应力路径下的卸荷试验也不多,一般是保持轴压不变仅卸荷围压试验。不同的开挖方式、不同的开挖进度、不同的初始应力条件下,工程岩体的卸荷过程是不同的,卸荷过程中岩石力学特性也会存在明显差异。 针对高地应力条件下卸荷速率对岩石力学特性的影响规律这一重要问题,本文通过室内三轴卸荷试验和岩样破裂断口SEM细观扫描分析,对不同卸荷速率下锦屏一级水电站大理岩的变形破裂及强度特征进行了较详细的研究。研究成果对正确认识锦屏一级水电站左岸的深部卸荷裂隙成因机制及一级地下厂房和二级深埋引水隧道洞的变形破坏预测及稳定性评价等具有理论和工程实际意义。 2 考虑弹性模量、地震地质条件及试验构件 试验在MTS815 Teststar程控伺服岩石刚性试验机上进行,试验中围压采用应力控制,轴压采用位移控制。试件为锦屏一级水电站T22-(6)3z层上部深灰色条纹状大理岩,岩样取自左岸高程1 670 m的1#和2#固结灌浆平洞。试件尺寸为φ50 mm×100mm。岩样烘干密度为2.68 g/cm3,弹性模量为27.12GPa,泊松比约为0.17,单轴抗压强度约为97.61MPa。 试验初始围压σ30分别为20,30和40 MPa,分2种卸荷方式:(1)方案1:轴向加载,并同时卸载围压,轴向加载通过调整轴向压缩位移速率实现;(2)方案2:同时卸载轴压和围压,轴向卸载通过轴向活塞向上抬升来实现,即位移速率给一经验的负值。加卸荷过程中典型应力变化曲线如图1所示。围压卸载速率vu设计为1.00,0.50和0.25 MPa/s三个等级,轴压的变化速率小于围压卸载速率。由于岩石本身微结构差异,再者围压为手动控制,因此实际卸荷过程中应力变化速率与设计值存在一定差异,根据试验过程计算的平均加卸载应力速率(卸荷开始至峰值强度区间),本文给出试件编号及实测加卸载速率如表1所示。表1中的L,U分别为加荷及卸荷符号,LU为轴向加载侧向卸荷,数字代表此方案岩样编号;UU为双向卸荷,下同。 试验加载至比例极限时开始卸荷,至岩样破坏(应力差明显急剧下降)时结束卸荷,并保持此时围压不变进行残余强度测试。 3 岩石变形的随机性规律 3.1 应力–应变本构模型 图2为不同初始应力状态及加卸载速率条件下岩石试验的典型应力–应变曲线图,由图2可知: (1)随卸荷速率vu的增大,岩样首次脆性断裂的规模相对较大。当vu相对较快时,从峰值强度基本呈铅直线直接瞬间跌落至残余强度(见图2(a)~(c)),说明岩样首次瞬间脆性断裂已基本贯通,而进入残余强度压缩试验测试阶段基本为沿已有贯通裂隙面的滑移和扩容。当vu较慢时,岩样易出现多级的相对规模较小的脆性破坏,峰后应力–应变曲线呈现明显的多段弯折(见图2(d)~(f)),说明岩样从峰值跌落到残余强度的过程中,不但存在沿已有裂隙间的滑移与扩容,而且也伴随着裂隙间的相