锦屏二级水电站岩石三轴压缩试验分析

2012-11-29 09:50:54谢华刚吴玲丽

铜陵学院学报 2012年5期

谢华刚吴玲丽

（铜陵学院，安徽铜陵 244000）

1.引言

锦屏二级水电站由首部低闸、引水隧洞及地下厂房三个部分组成。该电站位于四川凉山雅砻江干流之上，为了充分利用自然资源，该水电站建在雅砻江150km大河湾的巨大天然落差位置，进行引水发电。隧洞总长可达16～19km，隧洞直径高达13m，隧洞埋深大部分处在1500～2000m的位置，最深处的埋深高达2500m，因此，该地区的岩石均处在比较复杂的应力状态。引水隧洞具有洞线长、洞径大、埋深极大的特点，成为锦屏电站最关键部分之一。隧洞围岩的岩性组成复杂，断裂构造比较发育，特别重要的是该区为高地应力区。现已测得最大应力达42.11MPa，经回归分析沿洞线最大应力高达54MPa。隧洞围岩经地质勘测发现主要以大理岩、砂岩为主构成[1]。

为了确定岩石力学性质，很多学者采用岩样试验，报告[1]针对锦屏二级水电站地下洞室高地应力的实际情况，选取西雅砻江、东雅砻江隧洞围岩岩样，进行三轴压缩强度试验分析，得出岩石的全应力-应变曲线。由于岩石的形成过程不同以及所经历变形的差异，再加上原位取样时岩芯内部存在各种节理、裂纹、空隙等缺陷，使得岩样之间存在很大的差异[3,4]，试验结果的处理和所采用的试验方法是研究岩石力学性质的主要方法[5～8]。锦屏二级水电站岩石性质得到了一定的研究成果[10～15]，结合锦屏二级水电站岩石三轴压缩试验研究报道结果，对岩石力学参数进行分析研究，以期完善锦屏二级水电站岩石力学参数，优化隧洞施工方案。

在围压较高，摩擦作用较大时，岩石内部的缺陷等对变形和强度的影响较小，强度和弹性模量离散性较小。就此而言，利用低强度的材料模拟高应力下岩石的变形性质是可行的途径之一[16]。这样通过采用低围压下的岩石性质推求高围压下的岩石性质就有了一定的理论基础。

2.Coulomb准则[9]

Coulomb强度准则（破坏定律）认为，岩石承载的最大剪切应力由材料的固有剪切强度（粘聚力C）和内摩擦力确定，为内摩擦角，为正应力。即岩石承载的最大主应力与最小主应力成线性关系，

一般岩石的围压影响系数K在3～6之间，参数Q和K可以利用不同围压下常规三轴压缩试验的结果回归分析得到，它们与粘结力、内摩擦角的关系是

Coulomb准则具有简单、具体，有明确的物理背景，岩样也多是剪切破坏，且强度与围压大致成一定的线性关系，因而粘结力和内摩擦系数的概念在岩体工程和地质构造方面能够普遍的应用。

对于由岩样三轴压缩强度得到的T（Q，K），参数Q的力学含义是，完好岩样在完全剪切破坏单轴压缩强度，可以作为岩样的材料强度来看待。实际压缩过程中由于岩样沿轴向的张拉破坏，岩样无缺陷时的强度通常也是小于Q的。这就意味着，作为材料强度特性的参数Q，是不可能从单一试验中得到的，必须通过不同围压下的岩样强度进行回归分析才能得到[16]。

为了进一步验证上面的结果，对锦屏二级水电站一期岩石三轴压缩试验结果进行研究分析，以期得到合理的内摩擦角和粘聚力C。

3.岩石力学参数三轴压缩试验

2.1 试验仪器

试验采用RMT-150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机进行试验分析。RMT-150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机，是在美国MTS公司的刚性伺服试验机基础上结合我国国情由中科院武汉岩土所研制、开发出来的。主要功能是可以做岩石和混凝土的单轴或者三轴压缩全过程试验分析，直接剪切、直接和间接拉伸试验分析，测定岩石和混凝土所有力学参数。试验可以完全在计算机控制下进行，试验过程中，试验人员可以干涉，转换控制方式和试验参数，可以预先设置试验步骤，由计算机自动完成。

2.2 试验步骤

试样采用φ50×100mm的圆柱形标准岩样进行试验[1]，试验按以下步骤进行：

（1）测量试件的尺寸，同时在试件上套上薄橡皮套，在伺服试验机压力室中安装岩石试件，同时排出压力室内的空气。

（2）在侧向和轴向同步施加压力至预定侧压力值，加载速率是0.5MPa/s，并控制侧压力值在试验过程中始终保持不变。

（3）加载采用应变控制方式，即设定压缩位移上限值，以一定应变速率施加轴向荷载，直至达到位移限值为止。试验过程中机器自动采集数据，并进行相应数据计算处理，输出绘制全应力－应变关系曲线。

（4）试验结束后，进行试验记录描述。

2.3 试验结果与分析

表1是一期岩石三轴压缩试验力学参数表，其三轴压缩应力应变关系图见图1。采用matlab7.1软件对岩石力学强度与围压采用公式进行回归分析，得出考虑单轴压缩强度和不考虑单轴压缩强度强度随围压变化趋势，并拟合出强度随着围压变化的数学表达式。采用公式（1）、（2）计算岩石内摩擦角和粘聚力C的大小，结果见表1。部分岩石强度与围压变化趋势见图2、3。