錦屏二級水電站深埋完整大理巖破壞機制的斷裂力學分析

孫卓恒,侯哲生,張愛萍

(煙臺大學土木工程學院,山東煙臺 264005)

錦屏二級水電站深埋完整大理巖破壞機制的斷裂力學分析

孫卓恒,侯哲生,張愛萍

(煙臺大學土木工程學院,山東煙臺 264005)

針對錦屏二級水電站深埋完整大理巖拉張型板裂化破壞和剪切型破壞,從斷裂力學的角度對其發(fā)生機制予以解釋。斷裂力學理論表明,巖石在足夠大軸向力作用下,其內(nèi)部微裂紋在發(fā)生摩擦滑動或剪切滑移和自相似擴展后進一步彎折擴展。隧洞開挖后洞壁圍巖徑向應(yīng)力降低,切向應(yīng)力增大。當徑向應(yīng)力為零時,彎折裂紋繼續(xù)發(fā)展,圍巖產(chǎn)生平行于洞壁的破裂面,即產(chǎn)生拉張型板裂化破壞;當洞壁圍巖存在一定徑向應(yīng)力時,彎折裂紋停止擴展轉(zhuǎn)化為剪切裂紋擴展,即圍巖產(chǎn)生剪切型破壞。對錦屏二級水電站深埋完整大理巖破壞機制的分析,為類似深埋隧道工程圍巖失穩(wěn)破壞機理的解釋具有一定借鑒作用。

完整大理巖;斷裂力學;拉張型板裂化破壞;剪切型破壞

0 引 言

錦屏二級水電站位于雅礱江下游河段錦屏大河灣錦屏山內(nèi),是雅礱江干流上的重要梯階電站,包含4條引水隧洞和兩條輔助洞及一條施工排水洞。電站利用大河灣的天然落差,通過在錦屏山開挖4條引水隧洞截彎取直雅礱江引水發(fā)電。該電站引水隧洞工程洞線長度平均為16.7 km,最大埋深為2 525 m,屬典型的深埋隧洞工程。

錦屏二級水電站自開工以來,始終伴隨著深部圍巖的穩(wěn)定性問題,而深埋完整或較完整大理巖的破壞問題顯得尤為突出,這方面相關(guān)研究已涌現(xiàn)出很多成果[1-12]。其中,徐林生等[1]根據(jù)川藏公路二郎山隧道和錦屏二級水電站引水隧洞勘探中的巖爆實例調(diào)查,通過巖爆巖石斷口掃描電鏡分析和室內(nèi)三軸實驗等研究,總結(jié)得出巖爆形成的力學機制主要有壓致拉裂,壓致剪切拉裂,彎曲鼓折(潰屈)3種基本類型;徐松林等[2-3]進行三軸壓縮和峰前峰后卸圍壓實驗,得出張拉破壞是巖爆產(chǎn)生的根本原因;張永雙等[4]通過對高黎貢山深埋越嶺隧道大理巖和花崗巖室內(nèi)三軸試驗研究,得出發(fā)生不同巖爆破壞形式與巖石本身礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān);任鵬[5]根據(jù)錦屏一、二級水電站對外專用公路牦牛山隧道現(xiàn)場實例調(diào)研和室內(nèi)巖石力學實驗研究,簡要分析了牦牛山隧道巖爆的形成條件和影響因素、巖爆的破壞形式及其破壞過程;吳世勇等[6]通過采集錦屏二級水電站深部大理巖巖樣,采用真三軸巖爆實驗設(shè)備,對其在不同高應(yīng)力下的板裂化現(xiàn)象進行室內(nèi)試驗,并預(yù)測了未來圍巖主要破壞方式。徐奴文等[7]還通過對該水電站施工排水洞數(shù)值模擬來研究巖爆;侯哲生等[8]通過該水電站現(xiàn)場圍巖破壞方式進行分類,然后研究圍巖破壞機制。對圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象研究的目的是對其提出防治措施[9-12]。

從上述研究成果來看,深埋完整或較完整大理巖的破壞問題屬典型的巖石斷裂問題,采用斷裂力學理論對其進行深入研究是必要的。但到目前為止,采用斷裂力學理論對該問題進行分析,還未檢索到相關(guān)文獻。鑒于此,采用斷裂力學理論對錦屏二級水電站深埋完整或較完整大理巖的破壞問題進行探索性的研究。

1 錦屏二級水電站深埋完整大理巖破壞現(xiàn)象

侯哲生等[8]通過對錦屏二級水電站隧洞開挖現(xiàn)場調(diào)查研究,歸納分析得出兩類圍巖破壞方式,為拉張型板裂化破壞(圖1)和剪切型破壞(圖2)。拉張型板裂化破壞是指,洞壁巖石因開挖卸載發(fā)生劈裂破壞,產(chǎn)生平行于洞壁的多層巖板,多層巖板脫落或拋出的現(xiàn)象。剪切型破壞是指,開挖卸載后洞壁巖石形成剪切楔形體,剪切楔形體脫落或拋出的現(xiàn)象。

2 破壞機制的斷裂力學分析

2.1 斷裂力學理論基礎(chǔ)[13]

巖石內(nèi)部一般存在隨機分布的原生微裂紋。在無圍壓或中低圍壓狀態(tài)下,巖石在軸向力作用下,一定方位角的原生裂紋在一定應(yīng)力下沿原生裂紋面無圍壓狀態(tài)下發(fā)生摩擦滑動,中低圍壓狀態(tài)下發(fā)生剪切滑移。較高軸向力下部分裂紋會發(fā)生自相似擴展,更高軸向力作用下部分裂紋還會發(fā)生彎折擴展。

圖1 拉張型板裂化破壞

圖2 剪切型破壞

軸向壓力作用下,當巖石表面圍壓不存在時,彎折裂紋繼續(xù)擴展,最后形成平行于巖石表面的宏觀裂縫,巖石發(fā)生劈裂破壞(圖3);當彎折拉伸微裂紋擴展到某一長度時,由于圍壓的存在,將停止擴展,從而轉(zhuǎn)化為剪切裂紋擴展,剪切裂紋間的相互作用導(dǎo)致剪切裂紋相互連接、匯合,并最終形成剪切裂縫,巖石發(fā)生剪切破壞(圖4)。

圖3 巖石受壓發(fā)生劈裂破壞示意圖(σ2=0)

圖4 剪切斷裂修正模型示意圖

2.2 破壞機制的斷裂力學分析

隧洞開挖后,圍巖卸載從初始應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)到二次應(yīng)力狀態(tài)。徑向應(yīng)力會從初始狀態(tài)降低為零,切向應(yīng)力會逐漸增大。當切向應(yīng)力足夠大時,巖石微裂紋在發(fā)生摩擦滑動和自相似性擴展的基礎(chǔ)上發(fā)生彎折擴展,在徑向應(yīng)力為零的條件下會產(chǎn)生平行于洞壁的宏觀裂紋,即圍巖發(fā)生拉張型板裂化破壞。在開挖方式和局部地質(zhì)條件等因素影響下,洞壁附近巖石會存有一定圍壓,彎折微裂紋的擴展由于圍壓的存在將停止擴展,轉(zhuǎn)化為剪切裂紋擴展,最終形成宏觀剪切裂紋,發(fā)生剪切型破壞。

由上述分析可見,兩種破壞形式破壞機制的關(guān)鍵因素,在于圍巖開挖后徑向應(yīng)力的存在與否和存在大小。

3 相關(guān)實驗

3.1 實驗介紹

為了與上述力學分析相比對,以下給出相關(guān)實驗研究成果。

吳世勇等[6]在現(xiàn)場采集試樣進行了室內(nèi)真三軸實驗,該實驗是模擬圍巖開挖后,徑向應(yīng)力瞬時卸載轉(zhuǎn)變?yōu)榱?切向應(yīng)力增加的情形。圖5為該實驗中JP-RB-5大理巖破壞后的照片,所有該實驗巖樣在破壞之前都出現(xiàn)了拉張型板裂化現(xiàn)象。詳細實驗數(shù)據(jù)見文獻[6]。

李宏哲等[14]開展卸圍壓破壞實驗及卸圍壓多級破壞試驗。該實驗是模擬圍巖開挖后,逐漸降低徑向應(yīng)力,切向應(yīng)力不變的情形。圖6為該實驗中2#巖樣破壞后的照片,所有該實驗巖樣都出現(xiàn)了剪切破壞。詳細實驗數(shù)據(jù)見文獻[14]。

3.2 實驗分析

兩組實驗[6,14]所選巖樣同為錦屏二級水電站深埋完整大理巖,各力學參數(shù)相近。兩組試驗關(guān)鍵不同之處為卸載時圍壓存在與否和存在大小。吳世勇等[6]所做實驗卸載后無圍壓,李宏哲等[14]所做實驗圍壓存在并逐漸降低。

圖5 破壞后的JP-RB-5巖樣

圖6 2#巖樣破壞后的照片

吳世勇等[6]所做實驗中,巖石內(nèi)部原生裂紋在發(fā)生剪切滑移和自相似性擴展的基礎(chǔ)上發(fā)生彎折擴展。在軸向力繼續(xù)加載作用在下,由于圍壓不存在,彎折裂紋繼續(xù)擴展產(chǎn)生平行于軸向力的裂紋面,巖石發(fā)生拉張型板裂化破壞。

李宏哲等[14]所做實驗中巖石內(nèi)部原生裂紋在發(fā)生剪切滑移和自相似性擴展的基礎(chǔ)上發(fā)生彎折擴展。逐級卸載圍壓至巖石破壞,彎折微裂紋的擴展由于圍壓的存在將停止擴展,轉(zhuǎn)化為剪切裂紋擴展,最終形成宏觀剪切裂紋,巖樣發(fā)生剪切破壞。

由以上分析可知,實驗結(jié)果與拉張型板裂化破壞和剪切型破壞發(fā)生機制吻合。

4 結(jié) 語

從斷裂力學的角度,分析了圍巖發(fā)生拉張型板裂化和剪切破壞的力學機理:隧洞開挖后圍巖卸載,洞壁處圍巖徑向壓力降低為零,圍巖內(nèi)部原生裂紋發(fā)生剪切滑移和自相似擴展的基礎(chǔ)上發(fā)生彎折擴展,彎折裂紋繼續(xù)發(fā)展就會形成平行于洞壁的破裂面即發(fā)生拉張型板裂化破壞。

隧洞開挖后,在開挖方式和局部地質(zhì)條件等因素影響下,洞壁附近圍巖存在一定的徑向應(yīng)力,圍巖內(nèi)部原生裂紋發(fā)生剪切滑移和自相似擴展的基礎(chǔ)上發(fā)生彎折擴展,彎折裂紋的擴展由于徑向應(yīng)力的的存在停止擴展,轉(zhuǎn)化為剪切裂紋擴展,圍巖發(fā)生剪切型破壞。這些分析與相關(guān)實驗結(jié)果是相吻合的。

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Analysis on Failure Mechanism of Deep-buried and Intact Marble at JinpingⅡHydropower Station Based on Fracture Mechanics

SUN Zhuo-heng,HOU Zhe-sheng,ZHANG Ai-ping
(College of Civil Engineering,Yantai University,Yantai,Shandong264005,China)

From the perspective of fracture mechanics,the occurrence mechanism of tensile slabbing failure and shear failure of the deep-buried and intact marble in JinpingⅡHydropower Station is explained.The theory of fracture mechanics shows that under large enough axial force,the kinking of the closed microcracks inside a rock would appear after shear slipping and self-similar growth.After tunnel excavation,the radial stress would be reduced,and the tangential stress would be increased.When the radial stress closes to zero,the closed microcracks would keep kinking,then the fracture plane parallel to the tunnel wall would appear to make the rock produce tensile slabbing failure.When there is some degree of tangential stress,the closed microcracks would stop kinking,and the shear crackswould appear to make the rock produce shear failure.The analyses for the failure mechanism of deep-buried and intact marble in JinpingⅡHydropower Station would have a certain reference value in explanation of failure mechanism for surrounding rock of similar deep-buried tunnels.

intact marble;fracture mechanics;tensile slabbing failure;shear failure

TU45

A

1672—1144(2012)01—0036—03

2011-10-31

2011-11-20

山東省優(yōu)秀中青年科學家科研獎勵基金(BS2010SF028)

孫卓恒(1988—),男(漢族),山東滕州人,碩士研究生,研究方向為巖土工程。