第1章　概论

1.1　研究背景

我国水电资源总量位居世界第一,其中西部水电资源占81%,但开发率较低,全国水电开发程度仅为约40%(截至2014年年底发电量)。因此,大力开发西部水电,实施“西电东送”是我国西部大开发战略的重要组成部分,也符合我国开发清洁再生能源的可持续发展国策。在西部大开发过程中,我国西部地区涌现出一大批已建、在建和筹建的高拱坝,如已建成的雅砻江二滩拱坝(坝高240m)、黄河李家峡拱坝(坝高160m)、乌江构皮滩拱坝(坝高232.5m)、黄河拉西瓦拱坝(坝高250m)、澜沧江小湾拱坝(坝高294.5m)、金沙江溪洛渡拱坝(坝高285.5m)、雅砻江锦屏一级拱坝(坝高305m)以及大渡河大岗山拱坝(坝高210m),在建的金沙江乌东德拱坝(坝高265m),筹建的金沙江白鹤滩拱坝(坝高289m)。此外,正在勘测设计的坝高200m以上的拱坝有雅砻江孟底沟,金沙江叶巴滩、旭龙,怒江同卡、怒江桥、罗拉、松塔、马吉等。这些高拱坝工程规模巨大,均要求建基于坚硬较完整岩体上,但坝基往往存在一些地质缺陷,如断层、挤压错动带、软弱夹层、蚀变岩带等软弱岩带,以及坚硬、性脆、隐微裂隙发育的“硬、脆、碎”岩体,对坝基稳定不利。同时,坝基岩体在开挖卸荷、坝体荷载及高渗透水压的长期作用下,将可能呈现出与时间有关的变形特性,主要表现为松弛、蠕变、弹性后效、时效强度和流变损伤断裂等,对高拱坝的施工安全及长期运行稳定产生不利影响,需要加强勘察设计论证,并采取针对性基础处理措施。当认识不到位、处理不当时,施工、运行期工程可能出现事故或留下安全隐患。如法国马尔帕赛拱坝,坝高66.5m,右岸上部发育平行坝基的断层,大坝于1959年12月2日突然溃决,造成400余人死亡;我国安徽省梅山连拱坝,坝高88m,1962年11月6日右岸坝基突然大量渗漏水,坝体出现几十条裂缝,大坝处于危险状态,被迫放空水库进行加固;陈村重力拱坝,坝高76.3m,1977—1979年低水位运行时,发现大坝下游面105.00m高程处水平向大裂缝明显扩展,拱冠部位裂缝扩展1.39mm,河床10个坝段的缝深超过5m,坝体出现严重缺陷;佛子岭连拱坝,坝高75.9m,1993年11月下旬河床13个垛墙顶向下游的位移量都超过了历史最大值,被迫控制水位运行。这些拱坝出现较大变形与破坏,在很大程度上与坝基岩体软弱岩带等在荷载长期作用下产生流变变形密切相关。因此,深入系统开展高拱坝坝基岩体的流变力学特性与工程稳定性研究是十分必要的,其研究成果不仅对高拱坝设计具有直接的应用和推广价值,而且对高拱坝施工开挖安全、运行长期稳定具有重大的工程意义和社会意义;同时,极大丰富了岩体流变力学特性研究的理论与实践,具有重大的理论意义。

岩体被广泛作为建筑物的基础以及边坡和围岩的介质,其自然属性及工程稳定性直接影响到建筑物运行与安全。工程实践与研究表明,工程岩体的失稳与破坏,在许多情况下并不是在施工期和运行初期立即发生,岩体应力与变形随时间而变化发展和不断调整,其调整的过程往往需要延续一个较长的时期。此外,岩体本身是一种十分复杂和多样的非均质材料,目前在描述和处理岩体材料力学性能方面,只能沿用弹性或弹塑性理论,存在明显的困难与不足,因此,必须考虑其性能的时间效应或其流变属性。

流变属性就是指材料的应力-应变关系与时间因素有关的性质,材料变形过程中具有时间效应的现象称为流变现象。岩体的变形不仅表现出弹性和塑性,而且也具有流变性质。岩体的流变包括蠕变、松弛和弹性后效等。蠕变是当应力不变时,变形随时间增加而增长的现象。松弛是当应变不变时,应力随时间增加而减小的现象。弹性后效是加载或卸载时,弹性应变滞后于应力的现象。岩体作为一种复杂的地质体,流变特性是其重要的力学特性之一。由于岩体属于非均质、不连续、各向异性的地质介质,在长期荷载作用下,工程岩体的应力应变状态、变形破坏特征均随时间而不断发生变化,具有显著的时效特性,岩体表现出的显著时间相关性对工程安全影响重大。可见,对复杂的岩体材料的流变特性及其工程长期稳定性进行系统深入研究,不仅能够丰富和拓宽岩石力学学科研究领域的内容,而且可以为实际岩体工程提供有价值的成果,具有重要的理论意义。

20世纪30年代以来,国外开始对岩石流变特性及其本构关系开展试验与理论研究。1939年Griggs根据对砂岩、泥岩、粉砂岩等进行的蠕变试验,提出采用对数型经验公式来描述岩石流变本构关系。

我国的岩石流变力学研究始于20世纪50年代末期,岩石力学界的先驱者陈宗基先生对砂岩进行过8400h的蠕变试验,研究了岩石的封闭应力、蠕变和扩容现象,建立了岩石流变扩容方程。

20世纪80年代,中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司(以下简称成都院)在二滩水电站对坝基蚀变玄武岩进行了现场柔性承压板(ϕ1000)岩体压缩蠕变试验;2000年在溪洛渡水电站对坝基层间层内错动带开展了现场柔性承压板(ϕ1000)岩体压缩蠕变试验;2003年在锦屏一级水电站对坝基绿片岩、层间挤压带进行了现场柔性承压板(ϕ1000)岩体压缩蠕变和室内中型剪切流变试验;2006年在大岗山水电站对坝基辉绿岩脉及断层破碎带进行了现场中心孔刚性承压板(ϕ1000)岩体压缩蠕变试验;2010年在锦屏一级水电站对坝址左岸f42-9断层开展现场中心孔刚性承压板(ϕ1000)岩体压缩蠕变和室内中型剪切流变试验。2009年中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司在白鹤滩水电站对坝基柱状节理玄武岩进行现场柔性双枕法(30cm×50cm)岩体压缩蠕变和层内错动带剪切流变试验。通过上述一系列现场原位岩体压缩蠕变试验、室内岩石流变力学试验、理论分析、数值仿真和现场监测等,取得了一批具有价值的成果,在对高拱坝坝基岩体流变力学特性与工程稳定性的研究中进行了有益的探索,并初步应用于工程设计。岩体流变力学试验研究成果见表1.1。

目前,国内外学者对软岩、软弱岩带进行了不同加载条件下的单轴、三轴压缩蠕变试验,但针对坚硬、性脆、隐微裂隙发育的“硬、脆、碎”岩体,尚未开展其在不同应力路径下的室内三轴压缩蠕变试验;对岩石流变力学特性的试验研究也主要集中在室内试验方面,而由于现场流变试验耗资费时、难度较大,仅开展了少量现场岩体压缩蠕变试验,现场岩体剪切流变试验,尤其针对“硬、脆、碎”岩体更是处于空白状态。

岩石(体)流变力学特性的研究现状具有以下显著特点:

1.研究对象

(1)流变试验研究对象仍以岩石为主,仅少数工程进行过岩体压缩蠕变试验,试验结果不能全面反映岩体流变的实际特性。工程岩体由结构面分割并形成一定的结构类型,其蠕变变形和长期强度受结构面和结构体两方面流变特性的影响。因此,有必要进行结构面和含结构面岩体的流变试验。

(2)流变试验主要集中在软岩流变力学特性研究方面,坚硬岩石(花岗岩、灰岩、辉绿岩)流变力学特性的研究相对较少。主要是人们对软岩和软弱岩带具有明显的流变特性认识较深,对坚硬岩石流变特性的认识还有待深化。

2.研究内容

(1)变形研究较多,强度研究少。已有的岩体流变试验研究,以压缩蠕变试验为主,剪切流变试验开展较少。

(2)尚无人开展“硬、脆、碎”岩体的流变力学试验,包括岩石室内三轴压缩蠕变试验、岩体现场压缩蠕变试验及剪切流变试验。

(3)岩体卸荷松弛时间效应研究少。通过大量加载试验及理论分析,已建立起反映岩体在加载条件下发生变形破坏的较为完整的理论。然而,由于卸荷松弛与连续加载具有完全不同的应力路径,两者所引起的岩体变形和破坏特性,无论在力学机理还是力学响应上都有很大差异,故沿用连续加载强度理论来预测工程岩体在开挖卸荷作用下的力学特性及其稳定性,显然会产生明显的误差。

在工程界,对岩体松弛及时效变形测试的主要方法有地震声波法、超声波测井法、探地雷达、微地震监测、钻孔全景图像测试及多点位移计监测等。国内利用声波长观及钻孔全景图像测试对坝基岩体的松弛情况进行监测是最近几年才发展起来的。

3.研究设备和方法手段

(1)早期流变力学试验设备与方法较落后,试验条件仅能在一定程度上还原原始赋存环境,随科技的发展正在逐渐改进。

(2)研究方法和手段的不足主要体现在以下方面。

1)仅开展了少量现场岩体压缩蠕变试验,未开展现场岩体剪切流变试验。由于现场岩体流变试验人力物力投入大、技术难度大、试验周期长,而室内岩石流变试验条件易控制、成本较低,故室内岩石流变力学试验研究开展较多。

2)宏观研究多,微观研究少。由于目前测试技术的制约及研究方法的不完善,在微细观上对岩石流变特性大多是定性的研究,定量化的研究成果较为少见。

3)岩体流变力学特性与其内在地质机理研究结合少。坝基岩体作为地质体的一部分,其地质本质性包括物质组成、结构构造,赋存环境(地应力、地下水、温度)等。如高地应力条件下岩石自然埋藏中挤压紧密,岩石结构效应淡化,其物理力学性能强于低应力条件下的岩石。当岩石从高应力向低应力状态转化时,聚集的应变能释放,伴随着体积膨胀,结构松弛,结构效应显化,同时物理力学性能下降,甚至比长期低地应力条件下的岩石更差。

通过宏观岩石流变试验,得到了各种岩石的流变力学特性,但由于缺少对岩石所处宏观地质环境及流变微细观物质、结构变化的研究,对岩石流变机理无法解释清楚。只有既对岩石流变的力学现象进行深入的认识,还要对岩石流变的本质进行深入研究,才能从岩石赋存环境及微细观结构变化的角度把握岩石流变力学特性及其规律。

4.理论水平尚未成熟

国内对岩石流变力学特性的研究随着葛洲坝、二滩、三峡等大型水电工程的兴建而成为岩石力学研究的热点,但至今,理论水平尚不成熟。国内外流变研究重视岩石流变力学试验的设计与研究及在此基础上的流变本构模型的建立与参数选取,相对忽视从地质科学的角度作出流变力学行为的解释,研究理论缺少地质机理的分析。

5.工程应用

岩石流变的本构模型研究是岩石流变力学理论研究中最基本也是最重要的组成部分,同时也是将试验研究成果用于工程实践的必经环节。经过数十年的研究,岩石力学与工程界已经积累了许多关于岩石流变本构模型的理论研究成果。

但是现有岩石流变模型主要是通过对流变试验结果进行分析,建立符合试验曲线的元件组合模型或经验模型,而元件组合模型和经验模型无法描述加速流变阶段,尽管有些学者也提出了一些可以描述岩石加速流变阶段的非线性流变元件模型,但由于这些模型方程复杂,模型参数多,目前多停留在理论研究阶段,离实际应用尚远,与工程应用结合甚微。

因此,岩石流变特性的研究必须由外及内、从现象到本质、将宏观与微观相结合,这样才能将岩石流变特性研究透彻,掌握其内在规律,提高理论水平,从而对其进行有效的控制和利用,更好地为工程建设服务。

本书旨在通过对高拱坝坝基“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带的工程地质特性深入研究,以及一系列岩体流变力学特性试验研究,从而达到:①研究高拱坝坝基岩体的流变力学特性与工程稳定性分析评价理论与方法体系。②揭示高拱坝坝基“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带的非线性流变变形特征及破坏特性。③研究高拱坝坝基岩体的非线性流变力学模型、流变参数优化反演方法。④进行高拱坝坝基岩体施工开挖稳定与运行长期稳定的分析评价。