长江科学院水工岩石力学与工程应用研究进展

邬爱清

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉 430010)

1 研究背景

自1956年开展丹江口工程坝基岩石力学试验及1958年10月国家科学技术委员会在长江科学院成立三峡岩基专题研究组开展三峡工程岩石力学研究以来，长江科学院的岩石力学研究专业发展至今已有65年历史，是国内最早系统开展岩石力学研究的主要单位。60多年来，围绕丹江口、葛洲坝、三峡等重大工程建设对岩石力学研究需求，长江科学院在岩石力学专业方面始终以解决工程建设面临的关键技术问题为目标，以持续创新为驱动力，理论与实践相结合，在岩石力学研究方法、研究途径和测试与分析技术等方面进行了系统创新，提出了认识岩体、利用岩体和加固岩体的水工岩石力学研究基本思路，结合工程实践与科研成果，撰写了《水工岩石力学》等多部岩石力学综合性研究专著[1-3]。

在行业技术推广和引领方面，组织全国力量，编制了第一部岩石分级国家标准《工程岩体分级标准》(GB 50218-94)[4]，主持编制水利水电工程行业综合性岩石力学试验规程《水利水电工程岩石试验规程》(SL 264—2001)[5]等规程规范。

继三峡等重大工程岩石力学研究与实践之后，长江科学院的岩石力学专业紧密结合新时期国家水利水电、能源及交通等领域工程建设和基础性科研研究需求，在基础理论与数值方法、岩石力学试验方法与技术、岩体地应力测量技术与地应力场、岩体地球物理与超前探测技术、岩土及结构锚固与加固技术以及在岩体工程中的应用与实践等方面取得新的重要进展。本文依据10余年来已发表的相关文献，就上述取得的研究进展进行了较为全面的综述与梳理，并简要叙述了面临的任务与挑战。

2 基础理论与数值方法

2.1 工程岩体分级理论

以长江科学院为主编单位，会同东北大学等9家参编单位，历时5 a, 对原国家标准《工程岩体分级标准》(GB 50218—94)进行修订，新标准于2015年由住房和城乡建设部批准实施。新标准在修订过程中，经广泛调查研究，认真总结原标准实施来的实践经验，对原标准进行了系统的修订和完善，主要内容包括：

(1)在原有样本数据基础上，新增了54组样本数据，重新进行了回归分析，论证了岩体基本质量指标BQ计算公式的有效性，并对BQ公式进行了局部修订。

(2)增加了边坡工程岩体质量指标的计算、边坡工程岩体级别的划分以及边坡工程岩体自稳能力的确定等内容。

(3)依据基于岩体质量级别的试验资料统计结果，将岩体及结构面物理力学参数与岩体基本质量级别相对应，以反映岩体基本质量下的力学属性。

(4)收集与整理了不同岩体级别条件下的岩石地基现场载荷试验资料，对岩石地基承载力进行了论证。

上述研究成果进一步完善和发展了我国工程岩体分级标准内涵[6-10]。

2.2 工程岩体分析方法

在空间轴对称弹性理论研究方面，任放等[11]系统推导了圆柱孔轴对称分析中多个延伸问题的解析解，并给出了数值计算策略。

针对岩体复杂条件地应力场测试点变异性特点及地应力张量可视化表述难题，卢波等[12]提出了在同一个全空间赤平投影图上表达所有测点地应力张量全空间赤平投影法，是一种表征岩体三维地应力张量的“CT可视化”分析方法。

在裂隙岩体本构模型研究方面，黄书岭等[13-14]将组成岩体的母岩与结构面力学特性分别识别和模拟，建立了考虑一组节理面的层状岩体和多组节理面的裂隙岩体力学本构模型，并嵌入FLAC 3D软件，用以描述裂隙岩体在变形和强度方面的各向异性及应力应变硬化-软化过程特征。

在岩体结构块体稳定性分析方面，Zhang等[15]将关键块体理论与三维岩体裂隙切割技术结合起来，实现了洞室开挖岩体三维随机可移动块体的识别与支护策略分析。

张雨霆等[16-17]将岩体中的结构面纳入数值模拟分析中的网格模型，提出了岩石块体识别的单元重构-聚类方法。进一步引入界面单元技术，实现围岩中的块体滑移和脱离母岩的模拟，并提出了基于数值分析的块体运动形式判别方法，由此实现岩体块体的识别与稳定性评价。

2.3 岩体非连续介质力学理论

邬爱清等[18]将非连续变形分析(DDA)方法全高阶多项式位移函数属性应用于力、温度等场理论解析函数逼近问题的研究，提出了一个逼近弹性力学连续位移函数的全多项式位移函数逼近方法，并进行了算例验证。

为满足块体系统应力应变计算精度与计算效率要求，Lu等[19]在已有的一阶及高阶位移函数全多项式基础上，提出了块体系统高-低阶混合算法及总体方程最优图形法存储技术。

针对DDA方法采用隐式求解中因总体刚度矩阵求解对计算效率的限制问题，徐栋栋等[20-21]提出了一种基于显式时间积分的二维显式DDA计算方法，为构建显式DDA计算平台提供了理论基础。在三维DDA的理论研究方面，提出了一种新的接触势控制的三维DDA计算方法，以替代接触罚函数控制法，通过算例验证了算法的有效性。

在裂隙岩体渗流分析方面，Zhang等[22-23]将岩体三维裂隙网络、数值流形覆盖技术与渗流控制方程相结合，提出了基于裂隙渗流控制的裂隙岩体渗流计算新方法。

2.4 岩体破坏细观机理

丁秀丽等[24-26]基于ABAQUS中的主-从接触算法功能研究，并融合细观结构模型生成技术及岩土体渗流与强度理论，实现了非饱和土石混合体有限元细观数值模型试验，并系统研究了界面特性、含石量及饱和度等对土石混合体力学特性的影响。基于PFC3D三维颗粒流分析理论与软件，引入颗粒接触模型(BPM)和颗粒集合体Clump单元生成技术，并依据锦屏一级地下厂房大理岩样扫描电子显微镜(SEM)矿物扫描和岩样试验结果，建立细观力学数值模型，研究了应力状态与应力路径等因素对大理岩变形破裂演化的控制与作用规律。

卢波等[27]基于混合高阶DDA数值方法及程序编制研究成果，研发了电液伺服试验闭环控制数值模拟技术，建立了能够同时实现刚性试验机的理想刚性和电液伺服试验机的伺服控制机制的岩石应力-应变全过程试验数值模拟方法。基于岩石试样的数值试验，揭示了刚性伺服试验系统中，加载框架系统刚性和加载速率等对岩石破裂过程的影响规律。

3 岩石力学试验方法与技术

3.1 试验新技术

针对锦屏二级引水隧洞、白鹤滩等工程现场高应力及复杂地质条件下的岩石力学试验技术，长江科学院在高应力及复杂应力条件下的岩石力学试验技术研究方面取得新进展[28]。研制出YXSW-12型微机伺服控制现场岩体真三轴试验系统，该系统提供15 MPa围压和20 MN轴向载荷，试样尺寸50 cm×50 cm×100 cm(长×宽×高，下同)，可获得高压真三轴复杂应力路径条件的全过程应力-应变试验曲线。在现场岩体流变试验方面，研制出RXJZ-20000型微机伺服控制岩体真三轴蠕变试验系统，该系统具有高应力、大尺寸、实时采集等特点[29-30]。

为研究高应力环境复杂应力路径条件下岩石的变形与强度特征，李维树等[31]采用将锦屏深部试验平洞作为铅直向反力承载系统，并构建水平反力框架系统，基于高应力滚轴丝杠伺服控制技术，研制出LWZ-10000型中尺寸岩样真三轴试验系统，并对锦屏大理岩进行了试验研究。该试验系统，轴向载荷10 000 kN, 侧向载荷4000 kN, 试样尺寸范围在10 cm×10 cm×20 cm和15 cm×15 cm×30 cm之间。

为突破能反映岩体特性、岩体结构、初始应力及应力路径等多因素交互影响的水岩作用机制试验研究瓶颈，基于构造外置式大尺寸密封试验仓，并将岩体试样与力学试验装置置于试验仓的岩体水力耦合试验新思想，邬爱清等[32-33]研制出HMTS-1200型裂隙岩体水力耦合真三轴试验系统和HMSS-300型水力耦合剪切试验系统，并针对溪洛渡玄武岩坝肩岩体及层间错动带进行了现场试验研究。水力密封仓直径1.6 m, 内水压力可达3 MPa, 可以模拟300 m级高坝运行相关岩体水力耦合问题。

3.2 复杂岩体力学特性

针对深埋隧洞围岩卸载路径条件下的岩体变形破坏特性与强度参数问题，周火明等[34]在现场2 500 m以下深埋试验平洞内开展了大理岩原位高压真三轴卸荷试验，并研究了大理岩卸载路径下岩体的强度参数变化规律。试验尺寸50 cm×50 cm×100 cm，中主应力11.2 MPa, 最大破坏轴向压力104.48 MPa。

针对深部岩体强度参数特征问题，邬爱清等[35]基于不同尺度(室内标准尺寸、中等尺寸、米级大尺寸)大理岩样加卸载三轴力学试验，系统研究了岩样尺度、应力水平及加卸载路径等因素对岩石强度特性与参数取值的影响规律。

3.3 规范编制

主持编制行业标准《岩石三轴试验仪校验方法》 (SL 119—2012)、《水利水电工程岩石试验规程》(SL/T 264—2020)、《核电厂工程岩土试验规程》(NB/T 10664—2021) 3部，团体标准《岩体真三轴试验现场试验规程》(CSRME 004—2020)1部[36-39]。作为主要单位，参与编制国家标准《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)[40]。

4 岩体地应力测量技术与地应力场

4.1 复杂条件地应力测试技术

刘允芳等[41]针对空心包体式钻孔三向应变计等应变式钻孔解除类地应力测试精度提高问题，提出了将解除岩心放入围压加载装置，并利用其试验成果修正原始解除应变实测值的方法。

韩晓玉等[42]基于提出的地应力测量精度的定量表述，通过建立有针对性的数值分析模型，定量研究了空心包体式地应力测量构件的介质参数对应变片变形和测量精度的影响规律。

针对极高地应力条件下的地应力测试技术问题，李永松等[43]基于引进的钻孔孔壁切缝解除法设备，通过数值模拟与现场测试，研究了该技术在锦屏二级引水隧洞极高地应力测试中的实施效果。

艾凯等[44]综合应用刻槽解除法和同一刻槽狭缝法变形试验，获得锦屏二级引水隧洞极高地应力隧洞围岩表层岩体应力测试值，最大测值达80 MPa。

针对白鹤滩坝基柱状节理岩体隐形裂隙发育，岩心获取率低，岩块中地应力测试难度大等问题，刘元坤等[45]研制出新型钻孔孔底应变解除测试装置，并获得坝基柱状节理岩体中岩块内的应力测试值。

在水压致裂地应力测试技术研究方面，针对绳索取芯钻探新技术应用于复杂地质勘探背景趋势，以绳索取芯钻杆条件的岩体地应力测试为对象，邬爱清等[46]研制出一种新型绳索取芯钻杆内置式双管水压致裂地应力测试方法和相应装置，解决了复杂欠稳定地层钻孔地应力测量难题。该技术成功应用于滇中调水工程，最大测试深度724 m。

4.2 复杂条件地应力场研究

针对复杂地质条件地应力场分布特征识别问题，尹健民等[47]提出了地应力场模拟的多元信息集成研究方法，并将其应用于白鹤滩水电站工程区域地应力场分布特征研究。

应用地应力测量成果研究区域性断层活动特性评价方面取得新成果。周春华等[48]基于阿尔泰山前活动断裂带2个深孔地应力测试结果，并结合断层滑移理论分析，研究了所涉及断层的活动稳定性。付平等[49]基于滇中调水香炉山隧洞3个活动断层附近的深孔地应力测试结果，对活动断层的滑移属性及黏滑稳定性状态进行了分析与评价。

长江科学院在高地应力地下洞室开挖岩爆监测方法与技术方面取得重要进展。周朝等[50-51]应用ESG微震监测技术对荒沟地下厂房施工开挖进行了微震监测，并提出了以微震视体积确定岩体损伤尺度和考虑累计损伤效应的岩体劣化模型。周春华等[52]结合某抽水蓄能电站地下厂房开挖岩爆监测实践，提出了基于微震与电磁辐射联合监测的岩爆多元信息预警方法，并给出了各监测指标的预警阈值。

刘允芳等[53]系统总结了长江科学院地应力测量方法的发展及工程应用，出版《地应力测量方法和工程应用》专著。

5 岩体地球物理与超前探测技术

5.1 岩体与锚固体无损探测技术

在边坡岩体卸荷风化分带无损探测方面，肖国强等[54-55]提出并运用小排列折射波法来直接获得未卸荷风化岩体波速，并在乌东德水电站、姚家坪水电站等工程的边坡卸荷带划分中得到应用。

在锚杆无损质量检测方面，肖国强等[56]针对锚杆底部弱反射波信息难以识别和提取的问题，提出了瞬时振幅、瞬时频率和瞬时相位等参数相结合识别方法，并在工程中得到运用。基于岩体锚索质量检测技术与应用成果，主持编制行业规程《水电水利工程锚索施工质量无损检测规程》(DL/T 5820—2021)[57]。

5.2 超前探测技术

在地质超前探测技术研究方面，付代光等[58]针对低敏感性的软夹层横波速度和厚度反演精度低及反演解的评价问题，将多模式及改进的非线性贝叶斯方法和贝叶斯信息准则(BIC)相结合反演获得软夹层横波速度和厚度，取得了较好效果。周黎明等[59]针对水利水电洞室具有规模大、尺寸大的特点，研究了影响TSP(超前地质预报)数据采集的关键因素，并将改进的 TSP 方法应用到乌东德水电站的泄洪洞和导流洞中，获得了大尺寸工作面水工洞室超前地质预报结果，验证了 TSP技术在水电水利地下工程中应用的可行性和有效性。张杨等[60]根据隧道超前预报可能遇到的不良地质体，构建地球物理模型，基于完全匹配层(PML)的吸收边界条件，开展时域有限差分算法(FDTD)地质雷达正演模拟。Zhou等[61]针对地震数据成像精度问题，提出一种角度域照明补偿的反射波最小二乘逆时偏移方法。

结合多年来在超前探测方面的研究成果与工程实践，长江科学院主持编制行业技术标准《水利水电地下工程超前预报技术规程》(DL/T 5783—2019)[62]。

6 岩土及结构锚固与灌浆加固技术

6.1 岩土与结构锚固技术

在预应力锚杆长期服役性能研究方面，朱杰兵等[63-64]基于室内模型观测，研究了不同溶液酸碱度及含氧率等条件对预应力锚杆的腐蚀特性及发展过程。

在极高地应力洞室锚固性状研究方面，董志宏等[65]基于锦屏一级极高地应力条件地下厂房围岩预应力锚索监测及数值分析，系统分析了高应力区大型洞室预应力锚索时效受力特征及长期承载风险。

针对有压预应力涵管锚固力分布特性问题，邬爱清等[66]结合吉林中部引水工程极度严寒区内径为5.1 m的超大直径现浇混凝土预应力输水涵管结构受力与建造技术问题，在现场开展了1∶1超大直径高水压无粘结预应力涵管现场模型试验，研发了整套高水压大直径涵管模型试验与观测技术。试验中，涵管中最大充水水头60.2 m。结合数值模拟，系统研究了涵管中无粘结预应力系统及混凝土涵管结构应力与变形过程规律。

6.2 岩体隧道锚技术

岩体隧道锚是通过在山体中开挖隧洞，并建造隧洞混凝土倒塞形锚塞体，使锚体与围岩共同承担悬索桥主缆数万吨级载荷，是岩体锚固技术的新应用。在前期重庆鹅公岩长江大桥、沪蓉高速四渡河大桥等悬索桥隧道锚试验技术基础上，近年来，在隧道锚试验新技术、承载机理研究等方面取得新进展。庞正江等[67]采用在后锚面应用千斤顶加载的后推法试验技术，进行了1∶10大尺度条件流纹斑岩隧洞锚缩尺试验，并应用声发射等综合测试技术监测模型锚锭与围岩变形过程。为揭示隧道锚抗拔作用机制，余美万等[68]在云南普立大桥现场隧道锚勘探平洞内，针对隧道锚“夹持角”效应进行了锚锭比尺为1∶25的圆柱形与圆台性隧道锚抗拔能力模型对比试验，试验论证了夹持效应作用效果。周火明等[69]基于软岩条件下的隧道锚1∶10现场缩尺超载破坏模型试验，研究了软岩中隧道锚的破坏机理及承载能力。模型试验中，锚锭长度6 m，考虑前锚室影响，岩体抗拔拉范围7.8 m。

基于隧道锚系列成果，首次出版了综合反映隧道锚岩石力学关键技术研究进展与成果专著[70]。

6.3 岩体灌浆加固技术

针对湿磨细水泥细度检测技术与裂隙岩体灌浆质量控制问题，陈昊等[71]通过对比显微镜法、沉降法、激光衍射法等不同颗粒细度检测方法，研究了适用于湿磨细水泥特性和灌浆工程需要的光透沉降法细度检测技术，并形成行业标准[72]。

针对垃圾填埋场防渗处置技术，研究了水泥-化学复合灌浆技术，灌浆后的岩体防渗系数达10-7cm/s级[73]。

7 工程应用与实践

十余年来，继三峡、乌江构皮滩、乌江彭水、清江隔河岩、清江水布垭等重大工程岩石力学研究之后，长江科学院岩石力学专业科研人员相继承担了雅砻江锦屏(一级和二级)工程、金沙江乌东德、溪洛渡和白鹤滩工程、新疆QBT工程、巴基斯坦卡洛特水电站、吉林中部引水工程、滇中调水工程、引汉济渭工程、湖南矮寨特大悬索桥、川藏铁路泸定大渡河特大桥、国家战略石油储备湛江洞库工程等重大工程中的相关岩石力学研究工作。在复杂条件下的高坝坝基岩体特性试验与质量评价、高边坡与滑坡稳定性研究、高地应力及复杂地质大跨度高边墙地下厂房围岩稳定性、深埋超长输水隧洞岩石力学综合研究、大跨度悬索桥隧道锚承载特性评价、核电及石油洞库相关岩石力学研究等方面进行了创新研究与科技攻关，对工程的建设起到了重要的技术支撑作用[74-79]。基于在岩石力学领域的长期研究与积累，受水利部主管部门委托，作为主编单位承担了《水工设计手册》(第2版)基础理论卷岩石力学章节的编制任务[80]。

2015年，作为第一完成单位完成的《水工岩体特性评价与工程利用关键技术》获国家科技进步二等奖。

8 结论与展望

综述10余年来在水工岩石力学与工程应用实践进展表明，以长江科学院为主要单位创建与形成的水工岩石力学学科在紧密结合工程实践进程中又得到了新的发展，但同时也面临基础理论与技术研发新挑战。可分述如下：

(1)新的发展。工程岩体分级理论更趋完善。工程岩体分析方法更能适应复杂地质条件岩体稳定性分析与评价；非连续介质力学理论研究进一步深入；岩体破坏细观机理有新认识；岩石力学试验方法更趋向于反映三维岩体结构、复杂应力路径和大尺度条件；岩体水力耦合试验技术突破了制约瓶颈；地应力测试技术在高应力及破碎岩体测试方面找到新的测试途径；物探技术特别是超前探测技术有重要发展；岩体锚固技术，特别是大跨度悬索桥隧道锚技术成为行业技术支撑新的切入点；岩体重大工程实践呈现出新的高度。

(2)新的挑战。岩体作为自然界中的一种主要介质具有自然和人类活动密切相关双重属性。岩体的不均匀性、非连续性、各向异性、性状动态演化、天然地应力赋存属性以及工程载荷的显性与隐性作用，使得岩石力学作为一门科学或作为一门技术，在科学与技术进步等方面研究中面临持续的挑战。聚焦到水工岩石力学研究方面，在工程技术需求上主要有两个方面的挑战：一是水电工程建设面临新特点。针对中国向世界承诺的“3060双碳目标”，中国的常规水电及抽水蓄能电站等水电能源规划布置与建设将在促进能源转型和绿色发展等发面发挥更加重要的作用。水电能源的保护与开发利用仍是国家未来重要的支持方向，面临的突出问题是，大部分待建工程将主要集中在西部高寒高海拔高地震烈度区，且对生态环境保护的要求更高；二是复杂线路工程及其他岩石工程建设面临新需求。滇中调水、引江补汉等一大批长距离调水工程、川藏铁路建设等复杂条件线路工程以及石油天然气等国家能源储备战略工程等工程建设需求，将涉及超千米复杂条件深埋长隧洞、千米级岩质高边坡防治、数万吨级高吨位大载荷岩石基础承载以及流固多场耦合环境下的大尺度地下洞库工程等工程建设，对岩石力学研究提出了的新要求。聚焦到岩石力学学科学问题研究上，岩石力学的非线性属性问题、连续-非连续介质力学问题、跨尺度力学特性评价问题、多场耦合问题以及高地震烈度动力条件岩石力学研究问题等无疑将是水工岩石力学未来研究的核心问题和研究重点。

(3)结合水工岩石力学研究，现有的成绩仍是初步的。认识岩体、利用岩体和加固岩体的研究思路仍需结合未来岩体工程建设需求和科学研究新进展，不断地推动和改进。