錦屏二級(jí)水電站引水隧洞圍巖巖爆特性研究

蔣昱州1，王瑞紅2，汪斌1，朱杰兵1

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430010；

2.三峽大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌443002)

摘要：為了解錦屏二級(jí)水電站引水隧洞圍巖巖爆特性，對(duì)該工程區(qū)典型巖爆巖樣系統(tǒng)地開展了巖石力學(xué)特性試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：巖樣較完整堅(jiān)硬、抗壓強(qiáng)度高，主要以脆性破壞形式為主；典型地層試樣的巖爆傾向性指數(shù)平均值Wet均大于2.0，當(dāng)?shù)靥幐邞?yīng)力區(qū)時(shí)，巖爆特征明顯；巖樣卸圍壓破壞過程中變形特征規(guī)律為初始卸載圍壓越大，巖石的擴(kuò)容效應(yīng)越顯著，與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)相比，巖樣卸荷破壞的峰后應(yīng)力跌落時(shí)的軸向應(yīng)變變化較小，初始圍壓越大脆性破壞特征越明顯；CT掃描斷面與圖像重組手段分析表明，試樣在卸荷試驗(yàn)過程中，首先經(jīng)歷壓密階段，然后進(jìn)入擴(kuò)容狀態(tài)直至破壞，破壞后存在“密度回彈”現(xiàn)象。卸圍壓試驗(yàn)中，試樣瞬間發(fā)生破壞，多數(shù)伴有破裂響聲，多數(shù)產(chǎn)生“雙剪”破壞；利用巖體基本質(zhì)量指標(biāo)來描述巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度，提出了一種新的巖爆判據(jù)形式與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，利用試驗(yàn)成果對(duì)提出的巖爆判據(jù)與分級(jí)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)論與錦屏二級(jí)水電站輔助洞巖爆實(shí)際情況相符。

關(guān)鍵詞：錦屏二級(jí)水電站；隧洞圍巖；巖爆；高應(yīng)力；試驗(yàn)研究；CT掃描斷面

中圖分類號(hào)：TU45文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-07-31 ；修回日期：2014-08-02

作者簡(jiǎn)介：崔中濤(1979-)，男，湖北仙桃人，高級(jí)工程師，主要從事水電水利工程勘察設(shè)計(jì)工作，(電話)028-87399158(電子信箱)cugshuai@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.04.015

1研究背景

我國(guó)西南部地區(qū)多為高山峽谷地帶，地質(zhì)條件復(fù)雜，輸水工程以及水利水電工程的引水隧洞、大型地下洞室群等結(jié)構(gòu)在施工建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過程中均會(huì)面臨著很多高應(yīng)力條件下的深部巖石力學(xué)問題，其中尤為突出是巖爆問題，它直接威脅工作人員及設(shè)備儀器的安全，是目前深部地下工程中的世界性難題。巖爆是地下工程開挖過程中，堅(jiān)硬、脆性圍巖在高地應(yīng)力條件下，因開挖擾動(dòng)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布和應(yīng)力集中，巖體內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能突發(fā)性地急劇釋放而產(chǎn)生的爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲現(xiàn)象的一種動(dòng)力失穩(wěn)、破壞性的地質(zhì)災(zāi)害[1-4]。巖爆研究可以追溯到18世紀(jì)上半葉。迄今為止，雖然諸多科研成果己經(jīng)問世，但巖爆仍是世界性難題，目前關(guān)于它的研究還多停留在假說和經(jīng)驗(yàn)階段?，F(xiàn)有研究工作從內(nèi)容和目的上，可以歸納為4個(gè)主要方面，即巖爆發(fā)生機(jī)理研究、巖爆傾向性預(yù)測(cè)研究、巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)研究和巖爆防控技術(shù)的研究[5-9]。因此，加強(qiáng)對(duì)高應(yīng)力條件下地下工程巖爆現(xiàn)象的研究，對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)、推動(dòng)我國(guó)深部地下工程技術(shù)發(fā)展具有重要的理論與實(shí)際意義。

以錦屏二級(jí)引水隧洞作為背景工程，通過對(duì)發(fā)生巖爆現(xiàn)象的工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研、對(duì)典型巖爆圍巖進(jìn)行取樣、對(duì)樣本開展系統(tǒng)的巖石力學(xué)試驗(yàn)等多種途徑來研究巖爆孕育機(jī)制及力學(xué)特性；并在此基礎(chǔ)上，探討巖爆判據(jù)與分級(jí)方法，為水電工程深埋高地應(yīng)力隧道建設(shè)及運(yùn)行安全提供技術(shù)支撐。

2工程概況

錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧3縣交界處的雅礱江干流錦屏大河灣上，系雅礱江卡拉至江口河段5級(jí)開發(fā)的第2座梯級(jí)電站。水電站利用雅礱江150 km錦屏大河灣的天然落差，采取截彎取直的方式開挖隧洞來進(jìn)行引水發(fā)電。隧洞圍巖巖石主要為三疊系中、上統(tǒng)的大理巖、灰?guī)r、結(jié)晶灰?guī)r及砂巖和板巖，且以碳酸鹽類巖石為主。水電站引水系統(tǒng)采用4洞8機(jī)布置形式，從進(jìn)水口至上游調(diào)壓室的平均洞線長(zhǎng)度約為16.67 km，中心距60 m，洞主軸線方位角為N58°W。引水隧洞立面為緩坡布置，底坡3.65‰，由進(jìn)口底板高程1 618.00 m降至高程1 564.70 m與上游調(diào)壓室相接。引水隧洞洞群沿線上覆巖體一般埋深1 500～2 000 m，最大埋深約為2 525 m，具有埋深大、洞線長(zhǎng)、洞徑大的特點(diǎn)，為世界上規(guī)模最大的水工隧洞工程。根據(jù)長(zhǎng)勘探平洞和輔助洞地應(yīng)力和地下水壓試驗(yàn)資料，實(shí)測(cè)最大地應(yīng)力值42 ～46 MPa，預(yù)計(jì)最大埋深處地應(yīng)力達(dá)70 MPa級(jí)，最小主應(yīng)力26 MPa，最大外水壓力10.2 MPa。由于錦屏二級(jí)電站引水隧洞巖體賦存環(huán)境與淺埋隧洞和地面工程相比，具有高地應(yīng)力、高滲透壓力和時(shí)效特征顯著等特點(diǎn)，開挖卸荷后圍巖的力學(xué)特性將會(huì)與淺部巖體存在明顯的差別，其巖爆現(xiàn)象是迫切需要進(jìn)行系統(tǒng)研究的科學(xué)問題。

3巖石巖爆特性試驗(yàn)研究

試驗(yàn)研究取樣地點(diǎn)位于交通輔助洞A,B及其加寬帶、引水隧洞等部位，取樣數(shù)量約為300組。

3.1　巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)引水隧洞中巖樣按5大地層分類，共完成室內(nèi)巖石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)共188個(gè)，巖石試件破壞形式主要呈2種狀態(tài):較完整堅(jiān)硬試件為脆性破壞(壓-剪破壞或沿軸向拉伸破壞);另一種形式為沿裂隙破壞或碎破。試樣在較高峰值強(qiáng)度試件破壞時(shí)，表現(xiàn)在破壞前位移小，峰值尖挺，多為脆性破壞；而峰值強(qiáng)度較低試件破壞時(shí)，位移大且峰值圓滑，多為碎破或沿裂隙破。

其中白山組T2b典型巖爆地層試樣為灰白色大理巖，試驗(yàn)巖樣均為微新和微風(fēng)化態(tài)，單軸抗壓強(qiáng)度組均值在88.9～217 MPa間，其層平均值為132 MPa，屬堅(jiān)硬巖石；單軸壓縮變形模量34.0～73.0 GPa，平均值為50.5 GPa；彈性模量44.1～90.0 GPa，平均值為64.3 GPa，泊松比范圍在0.24～0.28，均值為0.26。

將188個(gè)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果單值作綜合統(tǒng)計(jì)，有68.8%集中分布在90～150 MPa間，20.2%分布在10～90 MPa之間，11.2%分布在150～250 MPa間，如圖1所示。

圖1　巖石單軸抗壓強(qiáng)度分布直方圖 Fig.1　Histogram of the distribution of uniaxial compressive strength of rock specimens

3.2　巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)引水隧洞典型地層150個(gè)巖石樣本進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)試對(duì)象主要以白山組T2b和鹽塘組T2y的大理巖為主。測(cè)試樣本多數(shù)為完整巖石或較完整巖石試件，測(cè)試成果綜合統(tǒng)計(jì)值見表1。

對(duì)T1地層的18個(gè)樣本試驗(yàn)成果范圍值在1.17 ～3.12間，平均值為2.26；砂板巖T3地層的15個(gè)樣本試驗(yàn)成果范圍值在1.59 ～4.99間，平均值為2.57；白山組T2b地層85個(gè)試驗(yàn)樣本試驗(yàn)成果范圍值在1.14 ～5.19，平均值為2.69，單值在2.0～5.5占有76.5%；鹽塘組T2y地層32個(gè)試驗(yàn)樣本試驗(yàn)成果范圍值在1.29 ～5.53，平均值為2.79，單值在2.0～6.0占有81.2%。

表1　巖石巖爆傾向性指數(shù)( W et)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì) Table 1　Test result of rockburst proneness index ( W et)

上述4大地層巖石的各地層的樣本W(wǎng)et均值均>2.0，在2.57～3.26間。將150個(gè)樣本試驗(yàn)單值作進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)，Wet值有78.5%分布在2.0～7.5；其中73.5%分布在2.0～5.0，Wet值≥5.0的樣本占5.0%，如圖2所示。

圖2　主要地層巖石W et值統(tǒng)計(jì)直方圖 Fig.2　Histogram of W et distribution of rock specimens in main strata

3.3　高應(yīng)力條件下巖石三軸卸荷試驗(yàn)

為了研究引水隧洞地下工程圍巖開挖卸荷狀態(tài)的力學(xué)特性，開展了12組高應(yīng)力條件下巖石三軸卸載試驗(yàn)。按照先將圍壓加到某一水平下(卸荷起始點(diǎn))，逐步增加偏差應(yīng)力，然后保持軸壓卸圍壓直至巖石破壞。

基于單個(gè)樣本曲線、組簇曲線，利用莫爾-庫(kù)倫理論得到各組巖石三軸壓縮強(qiáng)度在卸載狀態(tài)下的黏聚力c值、摩擦系數(shù)f值等參數(shù)。引水隧洞不同地層的巖石三軸壓縮卸荷試驗(yàn)成果范圍值及均值如表2所示。

表2　引水隧洞交輔洞巖石三軸卸荷試驗(yàn)成果 Table 2　Result of triaxial unloading test on rock specimens from the auxiliary tunnel of diversion tunnel

通過三軸卸圍壓破壞試驗(yàn)，得到巖樣卸圍壓破壞過程中變形特征規(guī)律：初始卸載圍壓越大，巖石的擴(kuò)容效應(yīng)越顯著；與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)相比，卸載試驗(yàn)中，卸荷破壞的峰后應(yīng)力跌落時(shí)的軸向應(yīng)變變化較小，這種脆性破壞特征隨圍壓增大越明顯。

T1夾 T2z等互夾層微風(fēng)化巖石黏聚力c值7.71～22.7 MPa，平均值為15.2 MPa，內(nèi)摩擦系數(shù)f值0.59～1.14(φ為30.7°～48.6°)，平均值為0.86(φ=39.6°)。T3地層砂板巖微風(fēng)化巖石黏聚力c值為17.2～40.8 MPa，平均值為26.2 MPa，內(nèi)摩擦系數(shù)f值為0.60～1.12(φ為30.8°～48.3°)，平均值為0.91(φ=41.6°)。白山組T2b地層，巖性為灰白色大理巖均為微風(fēng)化，黏聚力c值11.7～31.3 MPa，平均值為18.9 MPa；內(nèi)摩擦系數(shù)f值0.47～1.12(φ為25.2°～48.3°)，平均值為0.83(φ=39.4°)；鹽塘組T2y地層，巖性為微風(fēng)化條帶狀大理巖，黏聚力c值為17.5 MPa；內(nèi)摩擦系數(shù)f值1.05(φ=46.5°)。

3.4　巖爆巖石微細(xì)觀破壞機(jī)理試驗(yàn)研究

為了揭示典型巖爆試樣在高應(yīng)力卸載路徑下細(xì)觀破壞過機(jī)制，采用Quanta200型環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)典型綠砂巖卸荷條件下的破壞斷口進(jìn)行電鏡掃描分析，巖樣破壞斷口不同倍數(shù)的電鏡照片如圖3所示。

圖3　高應(yīng)力綠砂巖卸荷三軸試驗(yàn)斷口SEM圖 Fig.3　SEM pictures of fracture of green sandstone after triaxial unloading failure

從綠砂巖卸圍壓三軸破壞的SEM電鏡掃描圖片(圖3)看出：卸荷損傷破壞過程中的裂紋擴(kuò)展及滑移過程，微觀沿長(zhǎng)石或石英解理面拉斷裂，主要是垂直于裂紋方向的解理面在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生穿晶斷裂并分離，其破壞微裂紋呈現(xiàn)隨機(jī)性分布，多沿巖樣初始缺陷發(fā)育，呈現(xiàn)各向異性特征。由典型的斷口微細(xì)觀形貌特征，可以發(fā)現(xiàn)巖石破壞實(shí)質(zhì)是巖石材料內(nèi)部不同尺度的孔洞、節(jié)理、裂隙以及位錯(cuò)等微缺陷與雜質(zhì)體共同的微細(xì)觀運(yùn)動(dòng)以及礦物晶體的解理位移所導(dǎo)致的；巖樣在卸荷條件下的變形是由于在外荷載作用下，晶粒及解理面間產(chǎn)生滑移與錯(cuò)位。破壞后微單元體呈有序排列，與宏觀巖體爆破后的損傷巖體相似。這種沿節(jié)理斷裂的形式也是脆性斷裂的一種典型破壞形式，其破壞細(xì)微觀裂紋呈現(xiàn)隨機(jī)性分布，多沿巖樣初始微缺陷發(fā)育，局部微元斷面平整，斷口面上的原生或次生裂紋展開明顯，沒有晶粒覆蓋。斷裂斷口表面微觀裂紋具有明顯的各向異性，表現(xiàn)出張拉破壞特征。

采用Sensation-4型螺旋CT系統(tǒng)，對(duì)典型巖爆巖石卸荷過程進(jìn)行CT掃描分析。基于相同斷面內(nèi)CT數(shù)不同狀態(tài)下變化規(guī)律，從細(xì)觀尺度研究巖石的破壞機(jī)理。選取試樣正中部斷面、中部的上下2.45 cm處各取一斷面，共3個(gè)斷面進(jìn)行CT掃描測(cè)試，斷面編號(hào)由上至下為3-1，3-2，3-3。典型巖石試樣不同軸向應(yīng)力狀態(tài)下CT數(shù)統(tǒng)計(jì)成果見表3，該巖樣應(yīng)力卸載路徑為在軸向壓力σ1=179 MPa時(shí)，圍壓σ3從20 MPa開始降低，進(jìn)行卸圍壓試驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)面積內(nèi)CT數(shù)分布規(guī)律直方圖如圖4所示。

表3　不同狀態(tài)下三軸卸荷試驗(yàn)CT數(shù)成果 Table 3　CT numbers of rock specimen at different stages during triaxial unloading test

圖4　典型試樣不同斷面不同狀態(tài)下統(tǒng)計(jì)面積 內(nèi)CT數(shù)變化規(guī)律 Fig.4　Variation of CT numbers of different sections of typical specimen at different states

由表3及圖4可以看出：在遠(yuǎn)離破壞面區(qū)域情況下，小范圍統(tǒng)計(jì)面積內(nèi)的CT數(shù)經(jīng)歷了增加、降低、再增加的過程，說明試樣在壓縮過程中首先經(jīng)歷壓密階段，然后進(jìn)入擴(kuò)容狀態(tài)直至破壞。試驗(yàn)研究表明：破壞后，在遠(yuǎn)離破裂面的區(qū)域存在“密度回彈”現(xiàn)象。卸圍壓試驗(yàn)中，試樣瞬間發(fā)生破壞，多數(shù)伴有破裂響聲，與試樣在恒圍壓加軸向壓力破壞的“單剪”類型不同，多數(shù)產(chǎn)生“雙剪”(張性)破壞，如圖5所示。

圖5　典型試樣不同狀態(tài)下CT三維重構(gòu)圖 Fig.5　Three dimensional reconstructed model of typical rock specimen at different states

4巖爆判據(jù)與分級(jí)研究

4.1　巖爆判據(jù)與分級(jí)

巖爆現(xiàn)象是指在高地應(yīng)力地區(qū)洞室開挖后, 由于洞室圍巖的應(yīng)力重分布和應(yīng)力集中, 在較短時(shí)間內(nèi)圍巖產(chǎn)生突發(fā)猛烈的脆性破壞形式。國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從強(qiáng)度、剛度、能量、斷裂及突變理論等方面對(duì)巖爆機(jī)理進(jìn)行了分析, 形成了不同的理論判據(jù)與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)內(nèi)外眾多巖爆研究成果和大量巖爆實(shí)際資料及試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明[10-16]：發(fā)生巖爆，除了巖體應(yīng)力(地應(yīng)力或初始應(yīng)力)必須大于巖石單軸抗壓強(qiáng)度的某一百分?jǐn)?shù)之外，巖石還應(yīng)該是堅(jiān)硬的、脆性的、完整的或比較完整的，同時(shí)巖石的彈性應(yīng)變能需要比巖石破壞耗損應(yīng)變能大很多。反之，不會(huì)發(fā)生巖爆。巖爆判據(jù)可以表示為

(1)

本文引入《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)來描述巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度[17]，得到一種新的巖爆判據(jù)形式為

(2)

根據(jù)σ1值來進(jìn)行巖爆分級(jí)：

(3)

式中：Rc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；σ1為初始地應(yīng)力的第一主應(yīng)力值；Rt為巖石抗拉強(qiáng)度；Kv為完整性系數(shù)；Wet為巖爆傾向性指數(shù)；BQ為巖體基本質(zhì)量指標(biāo)。

4.2　巖爆判據(jù)與分級(jí)的驗(yàn)證

錦屏二級(jí)水電站輔助洞在埋深大于1 200 m時(shí)，地應(yīng)力場(chǎng)由谷坡地帶局部地應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)橐源怪睉?yīng)力為主的自重應(yīng)力場(chǎng)。輔助洞埋深2 000 m 洞段處，垂直地應(yīng)力σ1= 35 ～45 MPa；根據(jù)上述典型巖樣試驗(yàn)成果，Rc=90 ～150 MPa;Rt=6 ～9 MPa;Wet>2.2;Kv>0.55。 取值：σ1=40 MPa，Rc=120 MPa，Rt=7.5 MPa，Wet=2.2，Kv=0.55， 代入式(2)對(duì)提出的巖爆判據(jù)與分級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證，得

(4)

上式滿足判據(jù)要求，錦屏二級(jí)水電站輔助洞會(huì)發(fā)生巖爆現(xiàn)象。

根據(jù)σ1值基于式(3)來進(jìn)行巖爆分級(jí)，得

(5)

屬于中等巖爆級(jí)別。

綜上所述，巖爆判據(jù)與分級(jí)與錦屏二級(jí)水電站輔助洞巖爆實(shí)際情況相符。

5結(jié)論

針對(duì)錦屏引水隧洞區(qū)典型巖爆巖層，系統(tǒng)地開展了室內(nèi)巖石力學(xué)特性試驗(yàn)研究，獲取了代表性巖石的強(qiáng)度、巖爆傾向性系數(shù)等參數(shù)、并對(duì)高應(yīng)力條件下巖石卸荷特性、微細(xì)觀破壞機(jī)理等方面開展了系統(tǒng)研究，提出了適宜的巖爆判據(jù)與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。主要結(jié)論包括如下幾個(gè)方面。

問卷設(shè)計(jì)完成后先進(jìn)行小范圍預(yù)調(diào)查并咨詢預(yù)防接種人員，驗(yàn)證其合理性和可行性，進(jìn)一步修正形成正式調(diào)查表。由2名流行病學(xué)專業(yè)的在讀研究生負(fù)責(zé)問卷收集。預(yù)調(diào)查選擇25名基層醫(yī)務(wù)人員，3~7 d內(nèi)完成重測(cè)，計(jì)算各條目計(jì)分和各維度得分分組的Kappa值在0.576~1.000，重測(cè)一致性較好。調(diào)查員統(tǒng)一培訓(xùn)，包括調(diào)查內(nèi)容、方法和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查技術(shù)。調(diào)查完成后及時(shí)對(duì)調(diào)查表進(jìn)行審核，更正空項(xiàng)和邏輯錯(cuò)誤。

(1) 錦屏二級(jí)引水隧洞典型巖爆巖石試件破壞形式主要呈2種狀態(tài)：較完整堅(jiān)硬試件為脆性破壞(壓-剪破壞或沿軸向拉伸破壞)；另一種形式為沿裂隙破壞或碎破。試樣在較高峰值強(qiáng)度試件破壞時(shí)，表現(xiàn)在破壞前位移小，峰值尖挺，多為脆性破壞；而峰值強(qiáng)度較低試件破壞時(shí)，位移大且峰值圓滑，多為碎破或沿裂隙破。巖樣抗壓強(qiáng)度值68.8%集中分布在90～150 MPa間，20.2%分布在10～90 MPa之間，11.2%分布在150～250 MPa間。

(2)Wet試驗(yàn)結(jié)果表明，引水隧洞典型地層巖性中，巖爆傾向性指數(shù)平均值Wet均>2.0，當(dāng)?shù)靥幐邞?yīng)力區(qū)時(shí)，巖爆特征明顯；其中T1綠片巖地層巖石具有低-中烈度的巖爆傾向性；白山組T2b和鹽塘組T2y的大理巖具有中-高烈度巖爆傾向性。

(3) 對(duì)錦屏典型巖爆巖樣開展了三軸卸圍壓破壞試驗(yàn)，得到巖樣卸圍壓破壞過程中變形特征規(guī)律：初始卸載圍壓越大，巖石的擴(kuò)容效應(yīng)越顯著；與常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)相比，卸載試驗(yàn)中，卸荷破壞的峰后應(yīng)力跌落時(shí)的軸向應(yīng)變變化較小，這種脆性破壞特征隨圍壓增大越明顯。

(4) 對(duì)典型綠砂巖卸荷條件下的破壞斷口進(jìn)行電鏡掃描分析得知，巖石破壞實(shí)質(zhì)是巖石材料內(nèi)部不同尺度的孔洞、節(jié)理、裂隙及位錯(cuò)等微缺陷與雜質(zhì)體共同的微細(xì)觀運(yùn)動(dòng)以及礦物晶體的解理位移所導(dǎo)致的；巖樣卸荷損傷破壞過程中的裂紋擴(kuò)展及滑移，微觀沿長(zhǎng)石或石英解理面拉斷裂，主要是垂直于裂紋方向的解理面在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生穿晶斷裂并分離。破壞微裂紋呈隨機(jī)性分布，多沿巖樣初始缺陷發(fā)育，斷口面上的原生或次生裂紋展開明顯，沒有晶粒覆蓋。斷裂斷口表面微觀裂紋具有明顯的各向異性，表現(xiàn)出張拉破壞特征。

(5) 采用X射線CT掃描斷面與圖像重組手段分析了不同狀態(tài)下巖樣裂紋演化特點(diǎn)。研究表明，均質(zhì)砂巖試樣在試驗(yàn)過程中，首先經(jīng)歷壓密階段，然后進(jìn)入擴(kuò)容狀態(tài)直至破壞，破壞后存在“密度回彈”現(xiàn)象。卸圍壓試驗(yàn)中，試樣瞬間發(fā)生破壞，多數(shù)伴有破裂響聲，與試樣在恒圍壓加軸向壓力破壞的“單剪”類型不同，多數(shù)產(chǎn)生“雙剪”(張性)破壞。

(6) 引入《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)來描述巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度，提出了一種新的巖爆判據(jù)形式，并基于第一主應(yīng)力值給出了巖爆分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；利用試驗(yàn)成果對(duì)提出的巖爆判據(jù)與分級(jí)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：巖爆判據(jù)與分級(jí)的結(jié)論與錦屏二級(jí)水電站輔助洞巖爆實(shí)際情況相符。

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(編輯：姜小蘭)

Rockburst Features of the Surrounding Rock inJinping Second-stage Hydropower Station’s Diversion Tunnel

JIANG Yu-zhou1, WANG Rui-hong2, WANG Bin1, ZHU Jie-bing1

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River

Scientific Research Institute, Wuhan430010, China; 2.Key Laboratory of Geological Hazards on Three

Gorges Reservoir Area under Ministry of Education, China Three Gorges University, Yichang443002, China)

Abstract:Rock mechanics tests were conducted on typical rockburst specimens to investigate the rockburst features in the diversion tunnel of Jinping second-stage hydropower station. Test results show that the rock samples are complete and hard of high compression strength, with brittle failure as the main failure mode. The rockburst proneness indexes (Wet) of typical strata are larger than 2.0, and rockburst feature is obvious in high geostress area. In the unloading process, the dilatancy of rock specimens is more obvious when the initial unloading confining pressure gets higher. The axial strain of rock specimens when stress falls after peak changes less than that by conventional triaxial tests, and the brittle failure is more obvious when confining pressure gets higher. CT scanning and image reformation results suggest that during the unloading, the rock specimens experience the stage of compaction, state of dilatancy until failure, and then stage of density springback after failure. During the unloading test, failure happens instantly mostly with sounds and double shear damage. Hence the new rockburst criterion and classification standard are proposed using the basic quality indicators of rock mass to describe the hardness and integrity degree of rock. The rock mechanics test results verified the criterion and classification which agree well with the rockburst properties in Jinping second-stage hydropower station.

Key words: Jinping Second-stage Hydropower Station;surrounding rock of tunnel; rock burst; high stress; experimental investigation; CT scanning section

2015,32(04):77-80,85