1.3 研究成果及创新
1.3.1 研究成果
1.高拱坝坝基岩体流变工程地质特性研究成果
(1)我国西部地区建成、在建或拟建多座大型水电站,其中高于200m的拱坝共有16座(已建、在建8座,筹建1座,拟建7座),这些高拱坝均位于深山峡谷中,区域地震地质条件复杂;岸坡高陡、岩质坚硬;岩体结构复杂、谷坡卸荷强烈;地应力较高,河床谷底一般存在高地应力包。
大岗山拱坝坝基以坚硬的花岗岩为主,其中穿插的辉绿岩脉为“硬、脆、碎”岩体,断层破碎带为软弱岩带,辉绿岩脉及软弱岩带成为影响坝基岩体稳定的薄弱环节。
(2)大岗山坝区位于“黄草山花岗岩”西侧,该花岗岩体为晋宁-澄江期成陆造山运动晚期侵入的一种岩浆产物,其主要造岩矿物为微条纹长石(含量30%～50%)、更长石(含量10%～32%)、石英(含量30%～35%)、黑云母(含量3%～5%)等,具中粒花岗结构。海西末期-印支早期在花岗岩体内贯入穿插了大量的基性辉绿岩脉,主要矿物为更长石(含量50%)、普通辉石(含量45%)及少量黑云母和磁铁矿,具辉绿结构。辉绿岩为典型的“硬、脆、碎”岩体,其岩质坚硬、性脆、隐微裂隙发育,围压释放后岩体易碎裂。大岗山岩体建造特征是控制坝基岩体工程地质性状的基础。
(3)大岗山坝区区域地质发展演化历史可划分为太古代-晚元古代早期、晚震旦世-早二叠世、晚二叠世-三叠纪和侏罗纪-第四纪4个阶段,区域现今构造应力场作用方向表现为NWW-SEE向挤压。岩体经历了多期次构造运动,发育了多组不同规模、不同性状的原生和构造结构面,对工程岩体的稳定性产生不同程度的影响。
坝区岩体风化的水平、垂直分带性明显,具有全风化、强风化、弱风化上段、弱风化下段、微风化-新鲜等分带特征;高程1200.00m以上全、强风化带水平深度左岸近80m,右岸50m,随高程降低风化程度逐渐减弱;岩体按卸荷程度划分为强卸荷、弱卸荷两级,高程1200.00m以上左岸强卸荷岩体水平深度约60m,右岸达100m。左岸开挖边坡高约540m,整体稳定,局部稳定主要受控于覆盖层及全强风化岩体。右岸开挖边坡高约430m,整体稳定,局部稳定主要受中倾坡外卸荷裂隙密集带及f231等断层与辉绿岩脉不利组合影响。
(4)大岗山坝区岩石在气液交代和动力构造变质作用下分别发生原生热液蚀变和动力构造蚀变,在后期的风化作用下又发生了次生风化蚀变。花岗岩的主要热液蚀变类型有绿泥石-伊利石化、绿帘石化、钠黝帘石化、钾长石化和硅化等5种;辉绿岩以绿泥石-伊利石化热液蚀变为主。花岗岩的主要动力构造蚀变类型有花岗碎裂岩、花岗压碎角砾岩、花岗碎块岩、花岗碎斑岩和花岗碎粉岩;辉绿岩脉的主要动力构造蚀变类型有辉绿碎裂岩、辉绿压碎角砾岩、辉绿碎块岩、辉绿碎斑岩、辉绿构造片岩和碎粉岩。在近地表浅部,岩石风化蚀变主要表现为长石的高岭土化和碳酸盐化以及黑云母的绿泥石化、蛭石化。
坝区辉绿岩和花岗岩遭受了多期次的蚀变作用,蚀变产生了绿泥石、伊利石等黏土矿物。花岗岩蚀变绿泥石黏土矿物的比例为5%～6%;辉绿岩蚀变黏土矿物达25%～70%,其中蚀变绿泥石含量达到21%～53%,蚀变伊利石含量为4%～17%。上述蚀变明显弱化了岩石的物理力学性质,降低了岩体的变形模量、抗剪强度和纵波波速等。
(5)大岗山拱坝嵌深较大,坝基岩体开挖卸荷,产生了卸荷回弹型、结构松弛型、爆破松弛型等松弛类型。坝基岩体松弛带的划分主要根据岩体的平均波速及波速衰减率进行,同时结合钻孔全景图像的裂隙开度情况及波速曲线特征,可分为强松弛带、弱松弛带及基本正常带。
1)强松弛带。岩体爆破及卸荷波速总衰减率大于25%(辉绿岩大于30%),岩体裂隙发育,裂隙面一般呈张开-微张,间距一般小于0.3m,波速曲线起伏大,各类岩体强松弛带的平均波速较基本正常带的平均波速低500m/s以上。
2)弱松弛带。岩体爆破及卸荷波速总衰减率介于10%～25%(辉绿岩为10%～ 30%),岩体裂隙较发育,裂隙面一般呈微张-闭合,间距一般0.3～1.0m,波速曲线有一定起伏,各类岩体弱松弛带的平均波速较基本正常带的平均波速低约200～300m/s。
3)基本正常带。岩体爆破及卸荷波速总衰减率小于10%,岩体裂隙不发育,裂隙面一般呈闭合,间距一般大于1.0m,波速曲线起伏较小,各类岩体基本正常带的平均波速降低不明显。
波速与钻孔全景图像长期检测表明:①坝基岩体开挖松弛具有明显的空间效应,由强到弱的顺序依次为Ⅲ2类辉绿岩、Ⅲ1类辉绿岩、Ⅱ类花岗岩、Ⅲ1类花岗岩、Ⅲ2类花岗岩;辉绿岩由于隐微裂隙较发育,开挖松弛后其裂隙数量比和开度比均较大。②坝基岩体开挖松弛的时间效应表现为随时间的延续,平均波速降低,自爆破前至一年的长观末期检测表明:0.0～2.0m段的波速总衰减率为38.14%～55.59%;2.0～5.0m段的波速总衰减率为18.41%～43.23%。一年左右的长观期间波速衰减未趋于收敛,松弛的时间效应明显。Ⅱ类、Ⅲ1类花岗岩及Ⅲ2类辉绿岩具有较强的时间效应,一年后强松弛带深度2～ 5m,其中Ⅲ2类辉绿岩可达10m;弱松弛带深度可达10～15m。Ⅲ2类花岗岩、Ⅲ1类辉绿岩具有一定的时间效应,一年后强松弛带深度约2m,弱松弛带深度可达5m。辉绿岩的时间效应总体强于花岗岩。
岩体原位开挖松弛变形监测表明,在“硬、脆、碎”辉绿岩近两个月的开挖过程中,岩体产生了明显的松弛位移,即变形的空间效应,松弛位移量达4.210mm;开挖结束后,大约经过7个月时间,岩体仍继续产生一定程度的松弛变形,松弛位移量为0.386mm,尤其前4个月,位移量达0.373mm,变形的时间效应明显。
大岗山坝区花岗岩和辉绿岩虽然都属于坚硬岩,但在长期的构造历史演化中不仅产生了大量的宏观断裂和隐微裂隙,还蚀变产生了大量的绿泥石等软弱的黏土矿物,使其开挖卸荷过程中不仅具有松弛的空间效应,还具有明显的时间效应。
(6)坝基花岗岩、辉绿岩脉、软弱岩带岩体流变,受岩石建造、构造改造、岩体蚀变等因素控制。
花岗岩岩体流变主要是由于岩体蚀变及隐微裂隙发育导致的。花岗岩具中粒结构,热液变质作用和动力变质作用导致花岗岩中黑云母等暗色矿物沿裂隙面集中,进一步蚀变为绿泥石黏土矿物。据X衍射分析成果,蚀变绿泥石占全岩矿物的5%～6%。坝区裂面绿泥石化蚀变十分普遍,其蚀变产物是具鳞片状或片状吸水性强的绿泥石黏土矿物,直接降低岩石的强度和抗变形能力;同时,蚀变作用还可导致这些片状矿物定向聚集排列,形成微观隐微裂隙。
“硬、脆、碎”辉绿岩岩脉的流变主要与岩体蚀变和极为发育的隐微裂隙有关。辉绿岩具细、微粒结构,遭受的构造改造强烈:一方面使辉绿岩产生了大量的节理和隐微裂隙,形成节理化岩体,致使岩体质量下降;另一方面蚀变强烈,产生了大量的绿泥石和伊利石等黏土矿物。据X衍射分析成果,蚀变绿泥石及伊利石分别占全岩矿物的21%～ 53%、4%～17%。这两方面弱化了辉绿岩的岩体性状,这是造成“硬、脆、碎”岩体流变的根本原因。
软弱岩带主要由角砾岩、碎裂岩、片状岩、碎粉岩等组成;蚀变强烈,产生了大量的绿泥石黏土矿物。据X衍射分析成果,蚀变绿泥石占全岩矿物的74%～79%。软弱岩带具有流变特性,主要是遭受构造改造和蚀变强烈所致,其流变受控于岩体蚀变及其碎屑状、碎粒状结构。流变形式主要表现为颗粒相互错动、定向排列,矿物颗粒的压扁拉长,粒间、粒内产生新的微裂隙,以及颗粒碎裂化、磨圆化等。
鉴于坝基岩体具有一定的流变特性,岩体力学参数取值可参考流变试验获得的各类参数长期损失率予以折减;在基础处理上根据岩体的地质特性及流变特性,采取加强固结灌浆、局部混凝土置换及深部网格置换等综合处理措施;对坝基岩体开展声波波速、变形、应力等长期监测,以动态掌握坝基岩体开挖松弛、坝体自重压密过程及运行期流变特性。
2.高拱坝坝基岩体流变力学特性试验研究成果
(1)“硬、脆、碎”辉绿岩岩体流变试验研究成果。
1)辉绿岩岩质坚硬,主要表现为脆性破坏,受隐微裂隙发育程度的影响,力学性质变化幅度极大,试验成果反映出坝区Ⅲ2类镶嵌结构辉绿岩的物理力学特性,具有代表性。
2)岩石三轴压缩蠕变试验成果表明:辉绿岩存在损伤蠕变门槛效应,当加载应力超过蠕变应力门槛值,辉绿岩才会发生较明显的蠕变变形。蠕变门槛值大小与试验时试件所处的应力状态(试验围压和加卸载方式)有关。如:当围压5MPa、20MPa分级加轴压时,偏应力分别大于60MPa、100MPa,试件才发生蠕变变形;当围压5MPa、20MPa分级加卸轴压时,偏应力分别大于100MPa、170MPa,试件才发生蠕变变形。
由于流变损伤效应,岩石流变破坏强度普遍低于瞬时破坏强度。
3)辉绿岩岩体原位压缩蠕变试验最大试验压力为10MPa,分8级施加,试验历时102天。
岩体加载后具有明显的瞬时变形,且随荷载的增加而增大,还具有明显的蠕变变形,蠕变变形随时间的增加有增大的趋势,蠕变变形和总变形均随荷载的增大而增加;蠕变总变形中包含有部分弹性变形,从开始加载到加载结束,岩体还产生了不可恢复的残余变形。
岩体在低应力下,变形经过一定时间能达到稳定,变形速率也趋于零,表现有瞬时变形和减速蠕变特性;在高应力下,有瞬时变形、减速蠕变和等速蠕变特性,变形不能达到稳定,而是保持恒定的蠕变速率稳定增长,且岩体具有明显的弹性后效特性。
“硬、脆、碎”辉绿岩体长期变形模量与瞬时变形模量比值为85.13%,长期变形模量的损失率为14.87%;长期承载力与试验最大压力(10MPa)比值为70.80%,长期承载力的损失率为29.20%。
4)辉绿岩岩体原位剪切流变试验最大法向荷载为5.25MPa,试件数量7个,法向荷载分级7级,剪切荷载分级最多达9级,单个试件试验历时最高达58天,整组试验历时达238天。
岩体具有瞬时变形,且与正应力和剪应力的水平密切相关。正应力恒定时,瞬时变形量随剪应力的增大而增加。较低应力水平时,岩体剪切流变速率仅表现为衰减流变及稳态流变,而当应力增加至接近屈服强度时,岩体剪切流变速率表现出了加速流变特性。
剪应力越大,衰减流变阶段的应变速率衰减越慢,应变速率趋于稳态的时间就越长。正应力水平越高,衰减流变阶段的应变速率下降越快,岩体应变速率趋于稳态的时间越短。
只在最后一级破坏应力水平下才表现出完整的三阶段流变特性,即减速流变、等速流变和加速流变。而在低应力分级加载的过程中,只能观察到减速流变和等速流变。当流变进入加速阶段之后,流变应变率由渐变增长转为突变增长,跳跃幅度不断增大。这个阶段试件内部的细小裂隙不断扩展,出现失稳趋势,裂隙失稳扩展急剧发展,不断释放能量导致应变率发生突变,试件破坏。
“硬、脆、碎”辉绿岩体长期剪切流变强度与流变破坏强度的比值为87.05%,长期剪切流变强度与瞬时强度的比值f'∞/f'为64.29%、c'∞/c'为61.29%,长期剪切流变强度损失率摩擦系数、黏聚力分别为35.71%、38.71%。
5)“硬、脆、碎”辉绿岩的流变破坏主要由隐微裂隙的扩展贯通所致,岩样的宏观强度主要取决于岩石材料内部矿物的坚硬程度、颗粒镶嵌组合的牢固程度及矿物之间的胶结程度。岩石流变破坏极易发生在较软弱的以绿泥石为主的黏土矿物集中部位、矿物颗粒嵌合较差或胶结较差的接触部位。在恒定应力作用下,岩石的流变破坏机制更多表现为岩样内部矿物颗粒与材料薄弱部位的摩擦滑移和裂纹扩展。
“硬、脆、碎”辉绿岩岩体隐微裂隙发育,蚀变还产生了大量较软弱的黏土矿物,其含量达25%～67%,其中绿泥石含量为21%～52%、伊利石含量为4%～15%。辉绿岩岩体的流变特性受蚀变黏土矿物、隐微裂隙、应力水平、岩体类别等因素影响。
(2)软弱岩带(断层破碎带)流变试验研究成果。
1)以f2、f108断层为代表的软弱岩带物质主要为粉土质砾、粉土质砂,黏粒含量为5.60%～29.43%,属岩屑夹泥型及泥夹岩屑型;软弱岩带具中-低压缩性,管涌或流土破坏,具岩屑夹泥-泥夹岩屑型软弱结构面的抗剪强度特性。
2)软弱岩带原位压缩蠕变试验最大试验压力为4MPa,分6级施加,试验历时102天。
软弱岩带具有明显的蠕变变形,蠕变变形随时间的增加有增大的趋势,蠕变变形和总变形均随荷载的增大而增加;蠕变总变形中包含有部分弹性变形,随荷载的逐级增加,均产生部分不可恢复的残余变形,表明岩体极为软弱,产生了不可恢复的塑性变形。
软弱岩带长期变形模量与瞬时变形模量比值为81.92%,长期变形模量的损失率为18.08%;长期承载力与试验最大压力(4MPa)比值为65.38%,长期承载力的损失率为34.62%。
3)软弱岩带原位剪切流变试验最大法向荷载为1.027MPa,试件数量6个,法向荷载分6级,剪切荷载分级最多达7级,单个试件试验历时最高达49天,整组试验历时达275天。
软弱岩带具有瞬时变形,且与正应力和剪应力的水平密切相关。正应力恒定时,瞬时变形量随剪应力的增大而增加。较低应力水平时,软弱岩带剪切流变速率仅表现为衰减流变及稳态流变,而当应力增加至接近屈服强度时,表现出了加速流变特性。
剪应力越大,衰减流变阶段的应变速率衰减越慢,应变速率趋于稳态的时间就越长。正应力水平越高,衰减流变阶段的应变速率下降越快,岩体应变速率趋于稳态的时间越短。
只在最后一级破坏应力水平下才表现出完整的三阶段流变特性,即减速流变、等速流变和加速流变。而在低应力分级加载的过程中,只能观察到减速流变和等速流变。当流变进入加速阶段之后,流变应变率由渐变增长转为突变增长,跳跃幅度不断增大。这个阶段试件内部的细小裂隙不断扩展,出现失稳趋势,裂隙失稳扩展急剧发展,不断释放能量导致应变率发生突变,试件破坏。
软弱岩带长期剪切流变强度与流变破坏强度的比值为75%,长期剪切流变强度与瞬时强度的比值f'∞/f'为53.68%、c'∞/c'为55.56%,长期剪切流变强度损失率摩擦系数、黏聚力分别为46.32%、44.44%。
4)软弱岩带经构造错动、蚀变,呈碎屑状、碎粒状结构,蚀变产生了大量软弱的绿泥石黏土矿物,其含量高达74%～79%,辉石含量减少到5%以下。软弱岩带的流变特性受蚀变黏土矿物、蚀变物质结构等因素影响。
(3)软弱岩带的瞬时变形、蠕变变形、总变形、卸载瞬时回弹变形、残余变形值均远远大于“硬、脆、碎”岩体。软弱岩带的长期变形模量损失率、长期承载力损失率均略大于“硬、脆、碎”岩体。
软弱岩带瞬时抗剪强度和长期剪切流变强度均小于“硬、脆、碎”岩体;软弱岩带的长期剪切流变强度损失率大于“硬、脆、碎”岩体。
因此,“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带均具有明显流变特性,且软弱岩带的流变特性更为突出。
3.高拱坝坝基岩体非线性流变力学模型与流变参数反演分析研究成果
根据坝基“硬、脆、碎”辉绿岩岩体和软弱岩带的压缩蠕变试验和剪切流变试验成果,运用岩体力学、非线性流变力学和损伤力学理论系统研究了“硬、脆、碎”辉绿岩岩体和软弱岩带的压缩蠕变和剪切流变特性,获得如下研究成果:
(1)建立了坝基“硬、脆、碎”岩体的非线性黏弹塑性模型和软弱岩带的非线性损伤流变模型,推导出压缩蠕变模型相应的本构方程、蠕变方程和松弛方程的三维表达形式,开发编制了坝基“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带的非线性流变计算程序。
(2)提出了坝基“硬、脆、碎”岩体非线性黏弹塑性流变参数的优化反演法以及软弱岩带流变参数的改进二次粒子群反演方法,反演获得大岗山坝区“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带的压缩蠕变力学参数。
(3)揭示了坝基“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带的剪切流变规律,剪应力较小时,剪切流变速率仅表现为衰减及稳态两个阶段,而当剪应力增加至接近屈服强度时,剪切流变速率表现出了加速流变阶段;剪应力越大,衰减蠕变阶段的应变速率衰减的就越慢,应变速率趋于稳态的时间就越长。稳态流变阶段是“硬、脆、碎”辉绿岩剪切流变的主要部分,在同一正应力水平下,“硬、脆、碎”辉绿岩的稳态流变速率与剪应力之间可用指数关系来表征。
(4)识别并获得了坝基“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带的剪切流变模型,建立了坝基“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带的剪切流变经验方程,并反演出坝区“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带的剪切流变参数。
4.高拱坝坝基岩体三维渗流应力耦合流变模型研究成果
考虑坝基岩体的渗流应力耦合效应,分别建立了坝基“硬、脆、碎”岩体和坝基软弱岩带的渗流应力耦合流变模型,通过与FLAC3D的二次接口,开发编制了相应的渗流应力耦合流变计算分析程序。
(1)建立了坝基“硬、脆、碎”岩体渗流应力耦合作用的非线性黏弹塑性流变模型。
(2)建立了坝基软弱岩带渗流应力耦合作用的变参数非线性损伤流变模型。
(3)开发编制了坝基“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带渗流应力耦合作用的流变计算分析程序。
5.高拱坝坝基岩体流变工程稳定性研究成果
综合岩体流变地质机理研究、岩体流变力学试验研究、岩体流变力学模型与流变参数反演分析研究等成果,对高拱坝坝基岩体工程稳定性进行了流变数值模拟分析,获得以下重要研究成果:
(1)根据岩体极限拉应变等指标,建立了大岗山工程岩体开挖全过程的三维有限元模型,模拟了其开挖支护全过程,对应力应变等进行了计算分析,并对坝基岩体施工开挖期稳定性进行了评价。
1)取大岗山拱坝建基岩体的极限拉应变值为300×10-6,岩体最大主应变计算值均大于极限拉应变值,建基岩体将产生不同程度的松弛,深度约为10～40m,与开挖后声波检测成果大体吻合,计算分析松弛深度略大。
2)大岗山工程主要采用有盖重的加强固结灌浆和局部混凝土置换及深部混凝土网格置换等措施处理建基岩体的松弛效应。通过灌浆和坝体混凝土浇筑的重量,可控制建基面松弛岩体的后续变形,从而有效防止已松弛岩体参数的进一步降低,防止松弛现象向纵深扩展;同时可提高运行期拱坝建基岩体的均一性、变形模量和浅层抗剪强度。
3)建基岩体声波波速长期检测成果表明,随着固结灌浆的实施和坝体浇筑上升,波速逐步恢复和提高,松弛岩体得到压密和固结。
(2)三维渗流应力耦合流变数值计算分析表明:坝基岩体及坝顶以上边坡在开挖和蓄水运行过程中的位移、应力、塑性区和损伤区变化基本在可控范围内,整体是安全稳定的。但计算分析也揭示无论是开挖期还是蓄水运行期,两岸缆机平台、拱肩槽以及坝基辉绿岩脉与软弱岩带出露部位的变形、塑性区和损伤区分布范围相对较大,且具有一定程度的流变特性。因此,应重点做好这些部位的固结灌浆和帷幕灌浆,严控坝基开挖施工质量,并采用钢筋混凝土垫座和网格对坝基辉绿岩脉及软弱岩带等较为破碎部位进行置换处理;同时,应在坝基运行过程中对这些部位进行变形、渗流、渗压和地下水位的长期观测,以实时动态了解坝基及边坡的运行性态和安全状况。
1.3.2 主要创新点
(1)首次发现“硬、脆、碎”辉绿岩岩体及花岗岩岩体具有流变特性,并从宏观与微观相结合的角度对岩体流变的内在地质分析机理进行研究。首次提出岩石(体)本属性对岩体流变产生的控制作用,“硬、脆、碎”辉绿岩岩体和花岗岩岩体流变的地质机理主要受控于岩体的蚀变和隐微裂隙的发育;软弱岩带流变的地质机理主要受控于岩体的蚀变及其碎屑状、碎粒状结构。
(2)根据坝基岩体开挖卸荷宏观调查、原位松弛监测、声波波速及钻孔全景图像监测等,建立了坝基岩体松弛带的划分标准,系统地进行了坝基岩体松弛带的划分。首次发现“硬、脆、碎”辉绿岩岩体及花岗岩岩体开挖后松弛变形不仅具有强烈的空间效应,同时还具有较为明显的时间效应特点,且辉绿岩时间效应又强于花岗岩;揭示了辉绿岩岩体及花岗岩岩体开挖后的卸荷松弛具有一定的流变特性。
(3)首次采用预埋多点位移计的方法,监测“硬、脆、碎”辉绿岩岩体开挖松弛变形,发现了开挖期岩体松弛具有较强的空间效应,开挖结束后还具有明显的时间效应。
(4)首次采用ϕ1000刚性承压板中心孔法开展坝基“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带原位压缩蠕变试验,建立了刚性承压板中心孔法原位压缩蠕变试验方法及成果计算整理方法。
(5)首次开展了坝基“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带原位剪切流变试验,解决了现场原状制样、保持温度湿度恒定和加载稳定的技术难题,揭示出坝基“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带的剪切流变特征与破坏规律。
(6)首次开展了“硬、脆、碎”辉绿岩岩石室内不同加卸载应力路径三轴压缩蠕变试验,解决了现场原状取样、室内制样的技术难题,发现“硬、脆、碎”辉绿岩存在损伤蠕变门槛效应,揭示了不同围压和加卸载方式条件下的蠕变应力门槛值。
(7)根据岩体流变力学试验研究成果,首次建立了大岗山坝基“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带流变损伤模型与流变计算方法,通过反演获取了岩体流变力学参数,开发出相应的非线性流变计算分析软件,为高拱坝坝基岩体流变工程稳定性分析方法体系奠定了理论基础。
(8)首次建立了大岗山坝基“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带的三维渗流应力耦合效应的流变力学模型,开发了相应的计算分析程序,开展了坝基及边坡施工开挖期和蓄水运行期的稳定性的流变数值计算模拟分析。
分析成果表明,坝基岩体及边坡在开挖和蓄水运行过程中,整体是安全稳定的。但坝基辉绿岩脉与软弱岩带出露部位的变形、塑性区和损伤区分布范围相对较大,且具有一定程度的流变特性。施工中重点对这些部位加强固结灌浆和帷幕灌浆,并采用钢筋混凝土垫座和网格进行置换处理,以确保工程岩体长期稳定。
1.3.3 主要成果
本书深入系统地研究了高拱坝坝基岩体流变力学特性与工程稳定性,首次发现大岗山“硬、脆、碎”辉绿岩岩体及花岗岩岩体具有流变特性,从宏观与微观相结合的角度对岩体流变的地质机理进行研究,揭示出岩石(体)本属性对岩体流变产生的控制作用;首次开展了坝基“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带原位大尺寸(ϕ1000)刚性承压板中心孔法压缩蠕变试验和原位(500mm×500mm)剪切流变试验,以及室内不同加卸载应力路径三轴压缩蠕变试验;首次建立了大岗山坝基“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带流变损伤模型和三维渗流应力耦合效应的流变力学模型,开发出相应的非线性流变计算分析软件,为高拱坝坝基岩体流变工程稳定性分析方法体系奠定了理论基础。其成果不仅对大岗山高拱坝的设计、施工和运行具有直接的应用价值,而且对其他高拱坝的建设也具有指导意义。同时,丰富了岩体流变力学特性研究与实践,具有重大的理论意义。研究成果可提高我国高(超高)拱坝的工程勘察设计研究论证水平。
依托大岗山水电站,研究成果体现了直接的经济效益,基于坝基岩体时效变形的稳定性安全评价,完善了坝基岩体质量分类,重点对辉绿岩岩类进行了调整,为坝基设置混凝土垫座、大体积混凝土置换和对规模较大的岩脉破碎带采取网格置换混凝土及加密固结灌浆等基础处理设计提供了依据,优化了大岗山拱坝坝基岩体缺陷处理设计方案;此外,通过坝基“硬、脆、碎”辉绿岩岩体、花岗岩岩体及软弱岩带的流变现象及其机理研究,为拱坝坝基岩体长期监测和固结灌浆灌后局部不合格坝段的处理方案提供了依据,工程效益显著,为其他工程类似问题的处理提供了重要的借鉴与参考。