锦屏二级水电站深埋完整大理岩破坏机制的断裂力学分析

孙卓恒,侯哲生,张爱萍

(烟台大学土木工程学院,山东烟台 264005)

锦屏二级水电站深埋完整大理岩破坏机制的断裂力学分析

孙卓恒,侯哲生,张爱萍

(烟台大学土木工程学院,山东烟台 264005)

针对锦屏二级水电站深埋完整大理岩拉张型板裂化破坏和剪切型破坏,从断裂力学的角度对其发生机制予以解释。断裂力学理论表明,岩石在足够大轴向力作用下,其内部微裂纹在发生摩擦滑动或剪切滑移和自相似扩展后进一步弯折扩展。隧洞开挖后洞壁围岩径向应力降低,切向应力增大。当径向应力为零时,弯折裂纹继续发展,围岩产生平行于洞壁的破裂面,即产生拉张型板裂化破坏;当洞壁围岩存在一定径向应力时,弯折裂纹停止扩展转化为剪切裂纹扩展,即围岩产生剪切型破坏。对锦屏二级水电站深埋完整大理岩破坏机制的分析,为类似深埋隧道工程围岩失稳破坏机理的解释具有一定借鉴作用。

完整大理岩;断裂力学;拉张型板裂化破坏;剪切型破坏

0 引 言

锦屏二级水电站位于雅砻江下游河段锦屏大河湾锦屏山内,是雅砻江干流上的重要梯阶电站,包含4条引水隧洞和两条辅助洞及一条施工排水洞。电站利用大河湾的天然落差,通过在锦屏山开挖4条引水隧洞截弯取直雅砻江引水发电。该电站引水隧洞工程洞线长度平均为16.7 km,最大埋深为2 525 m,属典型的深埋隧洞工程。

锦屏二级水电站自开工以来,始终伴随着深部围岩的稳定性问题,而深埋完整或较完整大理岩的破坏问题显得尤为突出,这方面相关研究已涌现出很多成果[1-12]。其中,徐林生等[1]根据川藏公路二郎山隧道和锦屏二级水电站引水隧洞勘探中的岩爆实例调查,通过岩爆岩石断口扫描电镜分析和室内三轴实验等研究,总结得出岩爆形成的力学机制主要有压致拉裂,压致剪切拉裂,弯曲鼓折(溃屈)3种基本类型;徐松林等[2-3]进行三轴压缩和峰前峰后卸围压实验,得出张拉破坏是岩爆产生的根本原因;张永双等[4]通过对高黎贡山深埋越岭隧道大理岩和花岗岩室内三轴试验研究,得出发生不同岩爆破坏形式与岩石本身矿物组成和微观结构特征密切相关;任鹏[5]根据锦屏一、二级水电站对外专用公路牦牛山隧道现场实例调研和室内岩石力学实验研究,简要分析了牦牛山隧道岩爆的形成条件和影响因素、岩爆的破坏形式及其破坏过程;吴世勇等[6]通过采集锦屏二级水电站深部大理岩岩样,采用真三轴岩爆实验设备,对其在不同高应力下的板裂化现象进行室内试验,并预测了未来围岩主要破坏方式。徐奴文等[7]还通过对该水电站施工排水洞数值模拟来研究岩爆;侯哲生等[8]通过该水电站现场围岩破坏方式进行分类,然后研究围岩破坏机制。对围岩失稳现象研究的目的是对其提出防治措施[9-12]。

从上述研究成果来看,深埋完整或较完整大理岩的破坏问题属典型的岩石断裂问题,采用断裂力学理论对其进行深入研究是必要的。但到目前为止,采用断裂力学理论对该问题进行分析,还未检索到相关文献。鉴于此,采用断裂力学理论对锦屏二级水电站深埋完整或较完整大理岩的破坏问题进行探索性的研究。

1 锦屏二级水电站深埋完整大理岩破坏现象

侯哲生等[8]通过对锦屏二级水电站隧洞开挖现场调查研究,归纳分析得出两类围岩破坏方式,为拉张型板裂化破坏(图1)和剪切型破坏(图2)。拉张型板裂化破坏是指,洞壁岩石因开挖卸载发生劈裂破坏,产生平行于洞壁的多层岩板,多层岩板脱落或抛出的现象。剪切型破坏是指,开挖卸载后洞壁岩石形成剪切楔形体,剪切楔形体脱落或抛出的现象。

2 破坏机制的断裂力学分析

2.1 断裂力学理论基础[13]

岩石内部一般存在随机分布的原生微裂纹。在无围压或中低围压状态下,岩石在轴向力作用下,一定方位角的原生裂纹在一定应力下沿原生裂纹面无围压状态下发生摩擦滑动,中低围压状态下发生剪切滑移。较高轴向力下部分裂纹会发生自相似扩展,更高轴向力作用下部分裂纹还会发生弯折扩展。

图1 拉张型板裂化破坏

图2 剪切型破坏

轴向压力作用下,当岩石表面围压不存在时,弯折裂纹继续扩展,最后形成平行于岩石表面的宏观裂缝,岩石发生劈裂破坏(图3);当弯折拉伸微裂纹扩展到某一长度时,由于围压的存在,将停止扩展,从而转化为剪切裂纹扩展,剪切裂纹间的相互作用导致剪切裂纹相互连接、汇合,并最终形成剪切裂缝,岩石发生剪切破坏(图4)。

图3 岩石受压发生劈裂破坏示意图(σ2=0)

图4 剪切断裂修正模型示意图

2.2 破坏机制的断裂力学分析

隧洞开挖后,围岩卸载从初始应力状态转到二次应力状态。径向应力会从初始状态降低为零,切向应力会逐渐增大。当切向应力足够大时,岩石微裂纹在发生摩擦滑动和自相似性扩展的基础上发生弯折扩展,在径向应力为零的条件下会产生平行于洞壁的宏观裂纹,即围岩发生拉张型板裂化破坏。在开挖方式和局部地质条件等因素影响下,洞壁附近岩石会存有一定围压,弯折微裂纹的扩展由于围压的存在将停止扩展,转化为剪切裂纹扩展,最终形成宏观剪切裂纹,发生剪切型破坏。

由上述分析可见,两种破坏形式破坏机制的关键因素,在于围岩开挖后径向应力的存在与否和存在大小。

3 相关实验

3.1 实验介绍

为了与上述力学分析相比对,以下给出相关实验研究成果。

吴世勇等[6]在现场采集试样进行了室内真三轴实验,该实验是模拟围岩开挖后,径向应力瞬时卸载转变为零,切向应力增加的情形。图5为该实验中JP-RB-5大理岩破坏后的照片,所有该实验岩样在破坏之前都出现了拉张型板裂化现象。详细实验数据见文献[6]。

李宏哲等[14]开展卸围压破坏实验及卸围压多级破坏试验。该实验是模拟围岩开挖后,逐渐降低径向应力,切向应力不变的情形。图6为该实验中2#岩样破坏后的照片,所有该实验岩样都出现了剪切破坏。详细实验数据见文献[14]。

3.2 实验分析

两组实验[6,14]所选岩样同为锦屏二级水电站深埋完整大理岩,各力学参数相近。两组试验关键不同之处为卸载时围压存在与否和存在大小。吴世勇等[6]所做实验卸载后无围压,李宏哲等[14]所做实验围压存在并逐渐降低。

图5 破坏后的JP-RB-5岩样

图6 2#岩样破坏后的照片

吴世勇等[6]所做实验中,岩石内部原生裂纹在发生剪切滑移和自相似性扩展的基础上发生弯折扩展。在轴向力继续加载作用在下,由于围压不存在,弯折裂纹继续扩展产生平行于轴向力的裂纹面,岩石发生拉张型板裂化破坏。

李宏哲等[14]所做实验中岩石内部原生裂纹在发生剪切滑移和自相似性扩展的基础上发生弯折扩展。逐级卸载围压至岩石破坏,弯折微裂纹的扩展由于围压的存在将停止扩展,转化为剪切裂纹扩展,最终形成宏观剪切裂纹,岩样发生剪切破坏。

由以上分析可知,实验结果与拉张型板裂化破坏和剪切型破坏发生机制吻合。

4 结 语

从断裂力学的角度,分析了围岩发生拉张型板裂化和剪切破坏的力学机理:隧洞开挖后围岩卸载,洞壁处围岩径向压力降低为零,围岩内部原生裂纹发生剪切滑移和自相似扩展的基础上发生弯折扩展,弯折裂纹继续发展就会形成平行于洞壁的破裂面即发生拉张型板裂化破坏。

隧洞开挖后,在开挖方式和局部地质条件等因素影响下,洞壁附近围岩存在一定的径向应力,围岩内部原生裂纹发生剪切滑移和自相似扩展的基础上发生弯折扩展,弯折裂纹的扩展由于径向应力的的存在停止扩展,转化为剪切裂纹扩展,围岩发生剪切型破坏。这些分析与相关实验结果是相吻合的。

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[2]徐松林,吴 文,张 华.大理岩三轴压缩动态卸围压与岩爆模拟分析[J].辽宁工程技术大学学报,2002,21(5):612-615.

[3]徐松林,吴文,王广印,等.大理岩等围压三轴压缩全过程研究I:三轴压缩全过程和峰前峰后卸围压全过程实验[J].岩石力学与工程学报,2001,20(6):763-767.

[4]张永双,熊探宇,张春山.花岗岩与大理岩的岩爆特征对比研究[J].财政研究,2004,21(1):56-58.

[5]任鹏.牦牛山隧道的岩爆机理分析[C]//中国铁道学会,中国土木工程学会.2006中国交通土建工程学术研讨会议文集.成都,2006:626-630.

[6]吴世勇,龚秋明,王 鸽,等.锦屏Ⅱ级水电站深部大理岩板裂化破坏试验研究及其对TBM开挖的影响[J].岩石力学与工程学报,2010,29(6):1089-1095.

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[8]侯哲生,龚秋明,孙卓恒.锦屏二级水电站深埋完整大理岩基本破坏方式及其发生机制[J].岩石力学与工程学报,2011,30(4):728-732.

[9]章奇峰,周春红,周 辉,等.锦屏Ⅱ级水电站辅助洞岩爆灾害评价及对策研究[J].岩土力学,2009,30(S2):422-445.

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[11]张 鹏,曾新华,李现臣,等.锦屏二级水电站引水隧洞工程强岩爆综合防治措施研究[J].水利水电技术,2011,42(3):61-65.

[12]王青海,李晓红,顾义磊,等.地下工程中岩爆灾害的成因及防治措施[J].重庆大学学报,2003,26(7):116-120.

[13]周小平,张永兴.卸荷岩体本构理论及其应用[M].北京:科学出版社,2007:22-38.

[14]李宏哲,夏才初,闫子舰,等.锦屏水电站大理岩在高应力条件下的卸荷力学特性研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(10):2104-2109.

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

山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(BS2010SF028)

孙卓恒(1988—),男(汉族),山东滕州人,硕士研究生,研究方向为岩土工程。