謝華剛 吳玲麗

（銅陵學院，安徽 銅陵 244000）

1.引言

錦屏二級水電站由首部低閘、引水隧洞及地下廠房三個部分組成。該電站位于四川涼山雅礱江干流之上，為了充分利用自然資源，該水電站建在雅礱江150km大河灣的巨大天然落差位置，進行引水發(fā)電。隧洞總長可達16～19km，隧洞直徑高達13m，隧洞埋深大部分處在1500～2000m的位置，最深處的埋深高達2500m，因此，該地區(qū)的巖石均處在比較復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。引水隧洞具有洞線長、洞徑大、埋深極大的特點，成為錦屏電站最關(guān)鍵部分之一。隧洞圍巖的巖性組成復(fù)雜，斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，特別重要的是該區(qū)為高地應(yīng)力區(qū)。現(xiàn)已測得最大應(yīng)力達42.11MPa，經(jīng)回歸分析沿洞線最大應(yīng)力高達54MPa。隧洞圍巖經(jīng)地質(zhì)勘測發(fā)現(xiàn)主要以大理巖、砂巖為主構(gòu)成[1]。

為了確定巖石力學性質(zhì)，很多學者采用巖樣試驗，報告[1]針對錦屏二級水電站地下洞室高地應(yīng)力的實際情況，選取西雅礱江、東雅礱江隧洞圍巖巖樣，進行三軸壓縮強度試驗分析，得出巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由于巖石的形成過程不同以及所經(jīng)歷變形的差異，再加上原位取樣時巖芯內(nèi)部存在各種節(jié)理、裂紋、空隙等缺陷，使得巖樣之間存在很大的差異[3,4]，試驗結(jié)果的處理和所采用的試驗方法是研究巖石力學性質(zhì)的主要方法[5～8]。錦屏二級水電站巖石性質(zhì)得到了一定的研究成果[10～15]，結(jié)合錦屏二級水電站巖石三軸壓縮試驗研究報道結(jié)果，對巖石力學參數(shù)進行分析研究，以期完善錦屏二級水電站巖石力學參數(shù)，優(yōu)化隧洞施工方案。

在圍壓較高，摩擦作用較大時，巖石內(nèi)部的缺陷等對變形和強度的影響較小，強度和彈性模量離散性較小。就此而言，利用低強度的材料模擬高應(yīng)力下巖石的變形性質(zhì)是可行的途徑之一[16]。這樣通過采用低圍壓下的巖石性質(zhì)推求高圍壓下的巖石性質(zhì)就有了一定的理論基礎(chǔ)。

2.Coulomb準則[9]

Coulomb強度準則（破壞定律）認為，巖石承載的最大剪切應(yīng)力由材料的固有剪切強度（粘聚力C）和內(nèi)摩擦力確定，為內(nèi)摩擦角，為正應(yīng)力。即巖石承載的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力成線性關(guān)系，

一般巖石的圍壓影響系數(shù)K在3～6之間，參數(shù)Q和K可以利用不同圍壓下常規(guī)三軸壓縮試驗的結(jié)果回歸分析得到，它們與粘結(jié)力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系是

Coulomb準則具有簡單、具體，有明確的物理背景，巖樣也多是剪切破壞，且強度與圍壓大致成一定的線性關(guān)系，因而粘結(jié)力和內(nèi)摩擦系數(shù)的概念在巖體工程和地質(zhì)構(gòu)造方面能夠普遍的應(yīng)用。

對于由巖樣三軸壓縮強度得到的T（Q，K），參數(shù)Q的力學含義是，完好巖樣在完全剪切破壞單軸壓縮強度，可以作為巖樣的材料強度來看待。實際壓縮過程中由于巖樣沿軸向的張拉破壞，巖樣無缺陷時的強度通常也是小于Q的。這就意味著，作為材料強度特性的參數(shù)Q，是不可能從單一試驗中得到的，必須通過不同圍壓下的巖樣強度進行回歸分析才能得到[16]。

為了進一步驗證上面的結(jié)果，對錦屏二級水電站一期巖石三軸壓縮試驗結(jié)果進行研究分析，以期得到合理的內(nèi)摩擦角和粘聚力C。

3.巖石力學參數(shù)三軸壓縮試驗

2.1 試驗儀器

試驗采用RMT-150B多功能全自動剛性巖石伺服試驗機進行試驗分析。RMT-150B多功能全自動剛性巖石伺服試驗機，是在美國MTS公司的剛性伺服試驗機基礎(chǔ)上結(jié)合我國國情由中科院武漢巖土所研制、開發(fā)出來的。主要功能是可以做巖石和混凝土的單軸或者三軸壓縮全過程試驗分析，直接剪切、直接和間接拉伸試驗分析，測定巖石和混凝土所有力學參數(shù)。試驗可以完全在計算機控制下進行，試驗過程中，試驗人員可以干涉，轉(zhuǎn)換控制方式和試驗參數(shù)，可以預(yù)先設(shè)置試驗步驟，由計算機自動完成。

2.2 試驗步驟

試樣采用φ50×100mm的圓柱形標準巖樣進行試驗[1]，試驗按以下步驟進行：

（1）測量試件的尺寸，同時在試件上套上薄橡皮套，在伺服試驗機壓力室中安裝巖石試件，同時排出壓力室內(nèi)的空氣。

（2）在側(cè)向和軸向同步施加壓力至預(yù)定側(cè)壓力值，加載速率是0.5MPa/s，并控制側(cè)壓力值在試驗過程中始終保持不變。

（3）加載采用應(yīng)變控制方式，即設(shè)定壓縮位移上限值，以一定應(yīng)變速率施加軸向荷載，直至達到位移限值為止。試驗過程中機器自動采集數(shù)據(jù)，并進行相應(yīng)數(shù)據(jù)計算處理，輸出繪制全應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線。

（4）試驗結(jié)束后，進行試驗記錄描述。

2.3 試驗結(jié)果與分析

表1是一期巖石三軸壓縮試驗力學參數(shù)表，其三軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖見圖1。采用matlab7.1軟件對巖石力學強度與圍壓采用公式進行回歸分析，得出考慮單軸壓縮強度和不考慮單軸壓縮強度強度隨圍壓變化趨勢，并擬合出強度隨著圍壓變化的數(shù)學表達式。采用公式（1）、（2）計算巖石內(nèi)摩擦角和粘聚力C的大小，結(jié)果見表1。部分巖石強度與圍壓變化趨勢見圖2、3。

表1 錦屏二級水電站巖石三軸壓縮試驗結(jié)果[1]

注：（1）為每級圍壓下峰值強度的平均值（巖樣3個）；（2）試驗對于板巖等有明顯層理面的巖樣，軸向壓力均垂直層理面；（3）單軸表示單軸壓縮和三軸壓縮試驗數(shù)據(jù)同時回歸；（4）三軸表示采用三軸壓縮強度試驗數(shù)據(jù)回歸。

圖1 圍壓5MPa、25MPa下板巖（QY-1）應(yīng)力-應(yīng)變曲線[1]

圖2 大理巖強度與圍壓的關(guān)系

圖3 中細砂巖強度與圍壓的關(guān)系

（1）大理巖強度隨著圍壓變化數(shù)學表達式（三軸）

相關(guān)系數(shù)R＝0.9742；

（2）中細砂巖強度隨著圍壓變化數(shù)學表達式（三軸）

相關(guān)系數(shù)R＝0.9815；

（3）板巖強度隨著圍壓變化數(shù)學表達式（三軸）

相關(guān)系數(shù)R＝0.9963；

（4）灰?guī)r強度隨著圍壓變化數(shù)學表達式（三軸）

相關(guān)系數(shù)R＝0.9846。

通過對各種巖石的強度與圍壓的線性回歸分析，得出強度與圍壓存在相關(guān)系數(shù)很高的線性關(guān)系，從而可以利用擬合公式推求深部巖石的強度值的大小，從而更好的利用巖石的力學性質(zhì)，減少現(xiàn)場巖爆的發(fā)生概率。

通過對應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€的分析，發(fā)現(xiàn)峰后軟化過程與圍壓沒有直接關(guān)系，圍壓的增加只會提高殘余強度值的大小，見圖1。峰前的曲線沒有明顯的屈服平臺，峰前變形與圍壓沒有直接的關(guān)系，圖1沒有明顯的屈服平臺。

3.結(jié)論

（1）應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€的峰后軟化過程與圍壓沒有直接關(guān)系，圍壓的增加只會提高殘余強度；

（2）應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)糖€峰前曲線沒有明顯的屈服平臺，說明峰前的變形與圍壓沒有直接關(guān)系；

（3）巖石強度與圍壓存在一定的線性關(guān)系，通過采用數(shù)值模擬軟件擬合推求深部巖石強度成為可能，從而會更好為現(xiàn)場施工提供一定的依據(jù)，減少巖爆的發(fā)生率。

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