岩体原位试验新技术在水电工程中的初步应用

周火明，钟作武，张宜虎，李维树，熊诗湖，范 雷

(长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

西部大型水电工程多在高山峡谷和深部岩体中修建，地质条件复杂。超高拱坝岩石基础、深埋地下洞室、深切岩质高陡边坡等面临岩体松弛、岩石流变、岩爆及破坏时效等一系列复杂的岩石力学问题，需要发展新的原位试验技术进行研究。近年来，长江科学院通过共同研发和技术引进，推出了柔性承压板法岩体原位流变试验技术、复杂应力路径岩体原位高压真三轴试验技术、坚硬岩体破坏时效原位三轴流变试验技术、声发射定位技术研究岩体变形破坏机理测试等，并在西部大型水电工程复杂岩体力学问题的研究中得到应用。

1 柔性承压板法岩体原位流变试验技术

岩体原位流变试验的关键技术主要是加压方法和加载设备。就加压方法而言，三轴加压流变试验获得的流变模型相对简单，但试验过程复杂;柔性承压板法流变试验其试验过程相对简单，但流变模型及计算公式复杂。对于岩体流变试验设备，一是要保持施加压力的长期稳定，二是在潮湿的环境中保证数据采集系统正常工作。为此，研制了YLB－60型现场岩体流变试验设备，提出了柔性承压板法岩体原位流变试验技术，推导了柔性承压板加载五参量广义Kelvin模型等岩体蠕变公式(式1、图1)。

式中:

式中:w为岩体变形;f为柔性承压板加载系数;P为施加压力;μ为岩体泊松比;K为岩体体积模量;t为加压时间;EH，E1，E2分别为不同原件弹性模量(见图1);η1，η2分别为不同原件黏滞系数。

图1 五参量广义Kelvin模型Fig.1 Generalized Kelvin model with five parameters

柔性承压板法岩体原位流变试验场景见图2，获得的典型曲线见图3，采用非线性最小二乘法拟合反演岩体蠕变五参量广义Kelvin模型参数。研究成果表明:五参量广义Kelvin模型与试验曲线相关性明显优于三参量广义Kelvin模型(图4)。

图2 柔性承压板法岩体原位流变试验场景Fig.2 The scene of rheological test with flexible bearing plate

图3 柔性承压板法岩体流变试验典型曲线Fig.3 Typical curve of rheological test with flexible bearing plate

2 复杂应力路径下岩体原位高围压真三轴试验技术

针对锦屏二级深埋引水隧洞开挖高应力复杂应力路径岩石力学问题，研制了TXGW-20型微机控制现场岩体真三轴伺服试验系统。试验系统能提供15 MPa围压和20 MN轴向载荷，试样尺寸为50 cm×50cm×100cm。由于采用先进的微机控制伺服试验技术，能够获得高压真三轴复杂应力路径、包括破坏后在内的全过程应力-应变试验曲线，实现σ1＞σ2≥σ3真三轴试验。通过配置声发射设备观测岩体渐进破坏过程，将进一步深化复杂应力路径岩体破坏机理研究。

图4 广义Kelvin模型拟合曲线及拟合参数Fig.4 Fitted curves of generalized Kelvin model

在锦屏二级引水隧洞埋深2 300 m的试验洞内，对T2b大理岩开展了岩体高压卸围压路径岩体原位真三轴试验，试点地质描述见图5，试验场景见图6，自动采集3个方向的全过程应力-应变试验曲线见图7。试验轴向应力σ1=65.50 MPa，中间主应力σ2=11.15 MPa，最小主应力σ3从11.15 MPa卸载至2.16 MPa破坏。

图5 试验前试样地质描述及试验后试样破坏形态Fig.5 Geological description of the sample before the test and failure mode after the test

图6 岩体真三轴卸围压试验场景Fig.6 The scene of rock mass true triaxial unloading test

图7 岩体真三轴卸围压试验全过程曲线Fig.7 Curves of rock mass true triaxial unloading test

3 坚硬岩体破坏时效原位三轴流变试验技术

为了研究坚硬岩体破坏时效特征，研制了现场岩体原位三轴流变试验系统。该试验系统具有适应环境能力强、三向压力伺服自动稳压精度高、压力和变形数据全过程采集、声发射定位技术实时监控岩体微破裂发展过程等特点，能够实现现场无人值守试验。

采用现场岩体原位三轴流变试验技术，对锦屏二级引水隧洞T2b大理岩开展了不同应力路径岩体破坏时效特征研究，试验场景见图8，获得的岩体真三轴加载流变试验曲线见图9。通过对试验曲线以及声发射定位监控成果分析，将获得T2b大理岩破坏时效特性以及岩体蠕变模型和参数等研究成果。

图8 岩体原位真三轴流变试验场景Fig.8 The scene of rock mass true triaxial rheological test

图9 锦屏大理岩真三轴加载流变试验曲线加载破坏)Fig.9 Curves of true triaxial rheological test on Jinping marble(，loading σ1until failure)

4 岩体破坏机理研究声发射定位测试技术

岩体包含不同尺度的节理和裂隙，破坏机理十分复杂。由于岩体的非均质性和破裂过程的复杂性，目前采用数值方法难以真实模拟岩体破裂过程，测试技术的发展为岩体破坏机理的研究提供了更为有效的途径。声发射定位技术能实时记录加载过程中岩体破裂部位，追踪岩体内部裂纹扩展、贯通破坏过程，实现对岩体渐进破坏全过程的精细测试，为揭示岩体渐进破坏机理奠定基础。

4.1 岩体直剪试验声发射定位测试

岩体直剪试验布置于试验洞侧壁，剪切面试件尺寸 50 cm(长)×50 cm(宽)，施加法向应力2.65 MPa。剪切应力按预估最大值分12级施加，每隔5 min加荷一级，直至岩体剪切破坏。剪应力-剪位移关系曲线见图10所示，岩体直剪试验过程中声发射信号单位时间撞击率见图11，不同剪切应力声发射定位见图12。

声发射定位技术对岩体直剪破坏过程进行了详细刻画:随着剪切应力的增加，微破裂先在后区产生，后转向前区，最后破裂贯通形成宏观破裂面。这与先前的岩体剪切破坏从前端开始的研究成果有很大的不同，表明裂隙岩体直剪破坏机理的复杂性。

图10 剪应力-剪切位移曲线Fig.10 Curves of shear stress vs.shear displacement

图11 声发射信号撞击率变化曲线Fig.11 Histograms of AE hit rate

图12 岩体直剪试验声发射定位图Fig.12 AE events locations during shear test

4.2 岩体三轴试验声发射定位测试

岩体三轴试验应力路径为:σ2和σ3加载至7.5 MPa，σ1加载至37 MPa，逐级卸载 σ3，卸载速率为 0.16 MPa/min，至1.2 MPa试样破坏，整个试验过程持续时间为9 728 s。

试验过程中采用SAMOS声发射系统进行声发射测试，声发射信号撞击率柱状图见图13;根据声发射源三维定位技术，获得三轴试验过程中岩体内部声发射事件定位结果见图14。为了更清晰地表示试验过程中岩体内部声发射事件的发生发展过程，根据试验的应力路径对图14进行分解，获得各级应力状态岩体声发射事件定位图(见图15)。

4.3 地下洞室开挖围岩松弛声发射定位测试

采用SH-Ⅱ-SRM声发射在线监测系统，对地下洞室开挖过程进行声发射监测。通过声发射定位技术研究洞室围岩松弛破坏的发生、发展和演变规律，可为围岩松弛机制的研究与围岩加固设计提供依据。

图13 声发射信号撞击率柱状图(4#通道)Fig.13 Histograms of AE hit rate(channel 4#)

图14 岩体三轴试验声发射事件定位图Fig.14 AE events locations of rock mass triaxial test

图15 三轴试验过程中声发射事件分步定位图Fig.15 AE events locations of rock mass in triaxial test steps

试验洞为城门洞型，开挖后洞室断面尺寸为13 m(高)×6.5 m(宽)。设置 A'，B'2 个监测断面共4个监测钻孔对第3层开挖过程进行声发射监测，监测布置见图16。底板声发射累积曲线见图17，在爆破后1 h内为底板松弛声发射事件集中突发期，1 h后底板声发射事件还在缓慢发生，表明岩体松弛具有时效性。

图16 开挖声发射监测布置图(B'断面)Fig.16 Layout of AE sensors during the excavation(section B')

图17 K0+27－30 m洞段开挖底板声发射事件累积曲线Fig.17 The cumulative curve of acoustic emission events during the excavation at K0+27－30 m

图18为K0+27－30 m洞段开挖时试验洞底板声发射事件定位图，可明显看到底板岩体松弛(微破裂)范围。

图18 K0+27－30 m洞段开挖底板声发射事件定位图(图中柱体边框尺寸为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 结语

将所研发和引进的岩体原位试验新技术应用于白鹤滩、乌东德、锦屏二级等大型水电工程复杂岩体力学问题研究，取得了真三轴应力状态卸围压路径岩体变形破坏机理、深部岩体破坏时效特征和流变特性、复杂岩体洞室开挖围岩松弛演变规律等初步研究成果。在这些原位试验新技术基础上，下一步将结合光纤传感技术和远程通讯技术的应用，重点研发岩体原位试验可视化技术和数值模拟试验技术，以实现对岩体变形破坏过程的精细测试，探索岩体微细观破坏机理、演变规律及其与宏观破坏特征之间的复杂关系，揭示复杂地质条件坝基、边坡和地下洞室岩体变形破坏规律。

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