岩体原位试验新技术在水电工程中的初步应用

岩体原位试验新技术在水电工程中的初步应用

刘旭

浙江华东工程安全技术有限公司浙江311122

摘要：我国西部地区大型水电工程岩体多处于复杂的地质环境，在高应力和强卸荷作用下表现出现有理论不能解释的新问题。为了研究西部大型水电工程中复杂岩体与高地应力引起的岩体变形破坏机理、岩体松弛特征、岩体流变特性以及破坏时效特性等复杂岩石力学与工程问题，专门研发和引进了几种新的岩体原位试验技术。简要介绍了现场岩体柔性承压板法流变试验技术、复杂应力路径下现场岩体高围压真三轴试验技术、现场坚硬岩体破坏时效三轴流变试验技术、岩体变形破坏声发射定位测试技术等几种新的岩体原位试验技术，以及这些试验技术应用于我国西部大型水电工程复杂岩体力学问题研究所取得的初步研究成果。

关键词：岩体原位试验新技术；水电工程；应用

近年来，随着科学技的发展，推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式破坏机理测试等，并在部分大型水电工程复杂岩体力学研究中得到应用。

一、柔性承压板法岩体原位流变试验

岩体原位流变试验的关键是加压方法和加载设备。加压上，三轴加压流变试验获得流变模型相对简单，但试验过程复杂；柔性承压板法流变试验过程简单，但流变模型及计算公式复杂。对于岩体流变试验设备，一要保持施加压力长期稳定，二是潮湿环境中保证数据采集系统正常工作。为此，研制YLB－60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。

柔性承压板法岩体原位流变试验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

二、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15MPa围压和20MN轴向载荷。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,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。在锦屏二级引水隧洞埋深2300In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，自动采集3个方向的全过程应力一应变试验曲线。

三、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T2。大理岩开展了不同应力路径岩体破坏时效特征研究，获得的岩体真三轴加载流变试验曲线。通过对试验曲线以及声发射定位监控成果分析，将获得T2-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。

四、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50cm(长)x50cm(宽)，施加法向应力2．65MPa。剪切应力按预估最大值分12级施加，每隔5min加荷一级，直至岩体剪切破坏。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。

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：一加载至7．5MPa，二加载至37MPa，逐级卸载，卸载速率为0．16MPa／min，至1．2MPa试样破坏，整个试验过程持续时间为9728S。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；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。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进行分解，获得各级应力状态岩体声发射事件定位图。

4．3地下洞室开挖围岩松弛声发射定位测试

采用在线监测系统，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。试验洞为城门洞型，开挖后洞室断面尺寸为13m(高)×6，5IIl(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。底板声发射累积在爆破后1h内为底板松弛声发射事件集中突发期，1h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。

五、结束语

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。

参考文献

[1]周火明、钟作武、张宜虎等.岩体原位试验新技术在水电工程中的初步应用[J].长江科学院院报,2011,28(10)