巖體原位試驗新技術在水電工程中的初步應用

周火明，鐘作武，張宜虎，李維樹，熊詩湖，范 雷

(長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，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，地質條件復雜。超高拱壩巖石基礎、深埋地下洞室、深切巖質高陡邊坡等面臨巖體松弛、巖石流變、巖爆及破壞時效等一系列復雜的巖石力學問題，需要發展新的原位試驗技術進行研究。近年來，長江科學院通過共同研發和技術引進，推出了柔性承壓板法巖體原位流變試驗技術、復雜應力路徑巖體原位高壓真三軸試驗技術、堅硬巖體破壞時效原位三軸流變試驗技術、聲發射定位技術研究巖體變形破壞機理測試等，并在西部大型水電工程復雜巖體力學問題的研究中得到應用。

1 柔性承壓板法巖體原位流變試驗技術

巖體原位流變試驗的關鍵技術主要是加壓方法和加載設備。就加壓方法而言，三軸加壓流變試驗獲得的流變模型相對簡單，但試驗過程復雜;柔性承壓板法流變試驗其試驗過程相對簡單，但流變模型及計算公式復雜。對于巖體流變試驗設備，一是要保持施加壓力的長期穩定，二是在潮濕的環境中保證數據采集系統正常工作。為此，研制了YLB－60型現場巖體流變試驗設備，提出了柔性承壓板法巖體原位流變試驗技術，推導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;P為施加壓力;μ為巖體泊松比;K為巖體體積模量;t為加壓時間;EH，E1，E2分別為不同原件彈性模量(見圖1);η1，η2分別為不同原件黏滯系數。

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試驗場景見圖2，獲得的典型曲線見圖3，采用非線性最小二乘法擬合反演巖體蠕變五參量廣義Kelvin模型參數。研究成果表明:五參量廣義Kelvin模型與試驗曲線相關性明顯優于三參量廣義Kelvin模型(圖4)。

圖2 柔性承壓板法巖體原位流變試驗場景Fig.2 The scene of rheological test with flexible bearing plate

圖3 柔性承壓板法巖體流變試驗典型曲線Fig.3 Typical curve of rheological test with flexible bearing plate

2 復雜應力路徑下巖體原位高圍壓真三軸試驗技術

針對錦屏二級深埋引水隧洞開挖高應力復雜應力路徑巖石力學問題，研制了TXGW-20型微機控制現場巖體真三軸伺服試驗系統。試驗系統能提供15 MPa圍壓和20 MN軸向載荷，試樣尺寸為50 cm×50cm×100cm。由于采用先進的微機控制伺服試驗技術，能夠獲得高壓真三軸復雜應力路徑、包括破壞后在內的全過程應力-應變試驗曲線，實現σ1＞σ2≥σ3真三軸試驗。通過配置聲發射設備觀測巖體漸進破壞過程，將進一步深化復雜應力路徑巖體破壞機理研究。

圖4 廣義Kelvin模型擬合曲線及擬合參數Fig.4 Fitted curves of generalized Kelvin model

在錦屏二級引水隧洞埋深2 300 m的試驗洞內，對T2b大理巖開展了巖體高壓卸圍壓路徑巖體原位真三軸試驗，試點地質描述見圖5，試驗場景見圖6，自動采集3個方向的全過程應力-應變試驗曲線見圖7。試驗軸向應力σ1=65.50 MPa，中間主應力σ2=11.15 MPa，最小主應力σ3從11.15 MPa卸載至2.16 MPa破壞。

圖5 試驗前試樣地質描述及試驗后試樣破壞形態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場景Fig.6 The scene of rock mass true triaxial unloading test

圖7 巖體真三軸卸圍壓試驗全過程曲線Fig.7 Curves of rock mass true triaxial unloading test

3 堅硬巖體破壞時效原位三軸流變試驗技術

為了研究堅硬巖體破壞時效特征，研制了現場巖體原位三軸流變試驗系統。該試驗系統具有適應環境能力強、三向壓力伺服自動穩壓精度高、壓力和變形數據全過程采集、聲發射定位技術實時監控巖體微破裂發展過程等特點，能夠實現現場無人值守試驗。

采用現場巖體原位三軸流變試驗技術，對錦屏二級引水隧洞T2b大理巖開展了不同應力路徑巖體破壞時效特征研究，試驗場景見圖8，獲得的巖體真三軸加載流變試驗曲線見圖9。通過對試驗曲線以及聲發射定位監控成果分析，將獲得T2b大理巖破壞時效特性以及巖體蠕變模型和參數等研究成果。

圖8 巖體原位真三軸流變試驗場景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試驗曲線加載破壞)Fig.9 Curves of true triaxial rheological test on Jinping marble(，loading σ1until failure)

4 巖體破壞機理研究聲發射定位測試技術

巖體包含不同尺度的節理和裂隙，破壞機理十分復雜。由于巖體的非均質性和破裂過程的復雜性，目前采用數值方法難以真實模擬巖體破裂過程，測試技術的發展為巖體破壞機理的研究提供了更為有效的途徑。聲發射定位技術能實時記錄加載過程中巖體破裂部位，追蹤巖體內部裂紋擴展、貫通破壞過程，實現對巖體漸進破壞全過程的精細測試，為揭示巖體漸進破壞機理奠定基礎。

4.1 巖體直剪試驗聲發射定位測試

巖體直剪試驗布置于試驗洞側壁，剪切面試件尺寸 50 cm(長)×50 cm(寬)，施加法向應力2.65 MPa。剪切應力按預估最大值分12級施加，每隔5 min加荷一級，直至巖體剪切破壞。剪應力-剪位移關系曲線見圖10所示，巖體直剪試驗過程中聲發射信號單位時間撞擊率見圖11，不同剪切應力聲發射定位見圖12。

聲發射定位技術對巖體直剪破壞過程進行了詳細刻畫:隨著剪切應力的增加，微破裂先在后區產生，后轉向前區，最后破裂貫通形成宏觀破裂面。這與先前的巖體剪切破壞從前端開始的研究成果有很大的不同，表明裂隙巖體直剪破壞機理的復雜性。

圖10 剪應力-剪切位移曲線Fig.10 Curves of shear stress vs.shear displacement

圖11 聲發射信號撞擊率變化曲線Fig.11 Histograms of AE hit rate

圖12 巖體直剪試驗聲發射定位圖Fig.12 AE events locations during shear test

4.2 巖體三軸試驗聲發射定位測試

巖體三軸試驗應力路徑為:σ2和σ3加載至7.5 MPa，σ1加載至37 MPa，逐級卸載 σ3，卸載速率為 0.16 MPa/min，至1.2 MPa試樣破壞，整個試驗過程持續時間為9 728 s。

試驗過程中采用SAMOS聲發射系統進行聲發射測試，聲發射信號撞擊率柱狀圖見圖13;根據聲發射源三維定位技術，獲得三軸試驗過程中巖體內部聲發射事件定位結果見圖14。為了更清晰地表示試驗過程中巖體內部聲發射事件的發生發展過程，根據試驗的應力路徑對圖14進行分解，獲得各級應力狀態巖體聲發射事件定位圖(見圖15)。

4.3 地下洞室開挖圍巖松弛聲發射定位測試

采用SH-Ⅱ-SRM聲發射在線監測系統，對地下洞室開挖過程進行聲發射監測。通過聲發射定位技術研究洞室圍巖松弛破壞的發生、發展和演變規律，可為圍巖松弛機制的研究與圍巖加固設計提供依據。

圖13 聲發射信號撞擊率柱狀圖(4#通道)Fig.13 Histograms of AE hit rate(channel 4#)

圖14 巖體三軸試驗聲發射事件定位圖Fig.14 AE events locations of rock mass triaxial test

圖15 三軸試驗過程中聲發射事件分步定位圖Fig.15 AE events locations of rock mass in triaxial test steps

試驗洞為城門洞型，開挖后洞室斷面尺寸為13 m(高)×6.5 m(寬)。設置 A'，B'2 個監測斷面共4個監測鉆孔對第3層開挖過程進行聲發射監測，監測布置見圖16。底板聲發射累積曲線見圖17，在爆破后1 h內為底板松弛聲發射事件集中突發期，1 h后底板聲發射事件還在緩慢發生，表明巖體松弛具有時效性。

圖16 開挖聲發射監測布置圖(B'斷面)Fig.16 Layout of AE sensors during the excavation(section B')

圖17 K0+27－30 m洞段開挖底板聲發射事件累積曲線Fig.17 The cumulative curve of acoustic emission events during the excavation at K0+27－30 m

圖18為K0+27－30 m洞段開挖時試驗洞底板聲發射事件定位圖，可明顯看到底板巖體松弛(微破裂)范圍。

圖18 K0+27－30 m洞段開挖底板聲發射事件定位圖(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 結語

將所研發和引進的巖體原位試驗新技術應用于白鶴灘、烏東德、錦屏二級等大型水電工程復雜巖體力學問題研究，取得了真三軸應力狀態卸圍壓路徑巖體變形破壞機理、深部巖體破壞時效特征和流變特性、復雜巖體洞室開挖圍巖松弛演變規律等初步研究成果。在這些原位試驗新技術基礎上，下一步將結合光纖傳感技術和遠程通訊技術的應用，重點研發巖體原位試驗可視化技術和數值模擬試驗技術，以實現對巖體變形破壞過程的精細測試，探索巖體微細觀破壞機理、演變規律及其與宏觀破壞特征之間的復雜關系，揭示復雜地質條件壩基、邊坡和地下洞室巖體變形破壞規律。

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