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饱水—失水循环劣化作用下库岸高边坡岩石流变机理及工程应用研究

王新刚  
【摘要】:在实施“西部大开发”的战略决策中,水电开发是其中的重要组成部分。西部建设的大型水电站大多地处崇山峻岭中的深山峡谷地区,地形地质条件复杂,因此,出现了大量的库岸高陡边坡。水库在运营过程中,将按计划周期性的蓄水和排水,库水位反复大幅升降对“消落带”的岩体来说是一种“疲劳损伤”和反复弱化作用,库水位涨落下,“消落带”岩体的饱水-失水循环劣化作用会加剧库岸边坡消落带岩体的流变性,甚至发生流变变形破坏。而坝址区的边坡由于离大坝较近,在水电站运行期库水位涨落影响下其长期稳定性对大坝的长期安全将有直接的影响。 本论文结合国家自然科学基金项目“水位周期性大幅涨落下库岸高边坡软弱节理岩体流变机理与长期稳定性研究”(41172281),以国家重点工程龙滩水电站的坝址区库岸高边坡“消落带”砂岩、泥板岩为研究对象,考虑库岸边坡在水电站运营中经常遇到的库水位涨落情况,对“消落带”岩石试样在饱水-失水循环作用下劣化机理和效应进行研究,进行不同“饱水-失水”循环次数作用后的单轴、三轴抗压强度实验、抗拉实验以及三轴流变试验。对“消落带”砂岩、泥板岩饱水-失水循环作用后的损伤劣化规律进行了研究分析,在Hoek-Brown强度准则的基础上,引入饱水-失水循环作用后岩石累积损伤率,考虑了饱水-失水循环作用对岩石的损伤影响,改进了Hoek-Brown强度准则,并构建了改进的Hoek-Brown强度准则对应的“GSI量化取值表格”。在流变试验的基础上,提出了考虑岩石饱水-失水循环次数n损伤的“非线性黏弹塑性流变模型(DNBVP模型)”,使用VC++编程对该模型进行了基于FLAC3D软件的二次开发。选取龙滩水电站坝址区流变体B区域的典型剖面,进行饱水-失水循环劣化作用下的长期流变计算,采用"BP-PSO算法的边坡位移反分析方法”,反演获取考虑流变特性的数值计算模型中“岩体”相应的DNBVP模型最优流变参数,结合库水位涨落周期内坝区高边坡岩体现场监测成果,论证提出的流变本构模型,对库水位涨落下坝区高边坡长期稳定性进行了计算预测,并提出了相应的防治措施,为工程实践提供参考。在我国中西部众多水利水电工程先后竣工和蓄水运行的背景下,研究成果对揭示大量存在的库岸边坡岩体力学参数随库水位涨落的变化规律,并将此规律应用到库岸边坡岩土体的长期稳定性评价分析中,具有十分重要的理论和应用价值。 取得了如下研究成果: (1)从室内单轴抗压、抗拉、三轴抗压、三轴流变试验以及三轴流变试验后岩样的宏、细观破坏形态分析发现“饱水-失水”循环对砂岩、泥板岩的物理力学性质具有明显的损伤劣化作用。 (2)以试验为基础,揭示了砂岩、泥板岩在不同“饱水-失水”循环下抗压强度、弹性模量、抗拉强度、粘聚力、内摩擦角的损伤劣化规律。 (3)在Hoek-Brown强度准则的基础上,引入饱水-失水循环作用后岩石累积损伤率,考虑了饱水-失水循环作用对岩石的损伤影响,改进了Hoek-Brown强度准则,为饱水-失水循环作用下现场岩体力学参数的获取,提供了理论依据和过渡的“桥梁”。 (4)结合国内外研究成果,在E. Hoek提出的广义Hoek-Brown准则中GSI评分表格的基础上,对GSI评分系统进行量化取值,构建了包含岩体结构类型、岩体体积节理数JV、岩体完整性系数Kv、岩体结构等级SR、节理特征系数JC、结构面表面等级SCR的“新的GSI量化取值表格”,“新的GSI量化取值表格”解决了岩体节理体积系数JV通常不能合理确定的问题,并采用我国相关规范以岩体完整性系数KV替换岩块体积Jb来解决对岩体完整性合理的定量化取值问题,且采用定性化的结构面表面特征、结构面表面等级指标SCR、节理特征系数JC、岩石质量指标RQD四个指标,选择性对比验证岩体结构面特征的定量化取值。新的GSI量化取值表格采用了区间数理论,来表示地质强度指标GSI的不确定性,更为符合现场岩体力学参数取值的实际情况,且考虑了现场试验资料选择性获取的可操作性,并引入多指标联合确定GSI值的最终交集,确保了GSI定量化取值的合理性。为不同地质情况下定量地将岩石力学参数转换为岩体力学参数提供了新的依据。 (5)以饱水状态(饱水-失水循环0次)的砂岩、泥板岩流变试验曲线为例,进行坝址区库岸高边坡“消落带”砂岩、泥板岩流变特征研究分析,发现:①砂岩、泥板岩的流变曲线均经历了瞬时弹性变形阶段、减速流变阶段、稳定流变阶段和加速流变阶段。在低轴向应力作用下,砂岩、泥板岩只出现前三种阶段,在轴向应力接近或达到临界破坏值时才依次出现上述四种流变阶段。②砂岩岩样在前四级轴向荷载作用下流变速率先减小后趋于零或稳定值;砂岩岩样在第五级轴向荷载作用下流变速率先减小后趋于零或稳定值,最后又加速直至岩样破坏。泥板岩岩样在前四级轴向荷载作用下流变速率先无规律的波动后总体上趋于零或稳定值,但局部仍有波动,这是因为泥板岩相对于砂岩有着更多的微裂隙、微缺陷或不均匀性更易受水的影响,在流变试验的长期作用下导致轴向应变不均匀波动;泥板岩岩样在第五级高轴向荷载应力作用下流变速率先减小后趋于零或稳定值,最后又加速直至岩样破坏。③砂岩、泥板岩的轴向应变和轴向应变速率曲线并不十分光滑,其局部应变曲线段和应变速率曲线段均发生了微小波动和突变现象,而泥板岩的这种微小波动和突变现象更为剧烈。造成这种现象的原因是由于流变试验过程中,砂岩、泥板岩内部结构存在非均质性,从而引起岩样的微观弱化和破裂,使得原有的应力平衡被打破,由于受到恒定轴向应力的长期连续作用,岩样内部的微缺陷发生损伤,经过较长时间的积累之后,岩石中强度较低的部位无法承受这些微缺陷的长期累积所引起的流变损伤,出现了非均匀的变形与破坏,从而造成岩石变形曲线产生了不规则波动和突变。在饱水状态下,泥板岩出现突变现象的次数明显高于砂岩,说明饱水状态下轴向应力对泥板岩的微观缺陷具有更明显的损伤效应,从而使泥板岩的轴向应变曲线多次出现突变现象。 (6)针对线性流变体的元件组合模型构建的与岩石流变相关的本构模型将会与实际有所偏差的情况,在Burgers模型的基础上串联一个非线性黏性元件和塑性元件并联而成的非线性黏塑性体,进而提出了一种能同时描述岩石黏弹和塑性特性的非线性流变模型-NBVP模型,对NBVP模型的三维流变本构方程进行了推导。以饱水状态的砂岩、泥板岩流变试验曲线为例,分别采用三参量模型、Burgers模型、NBVP模型对试验实测数据进行拟合,对比分析后发现所建立的非线性黏弹塑性流变模型—NBVP模型曲线与砂岩、泥板岩的三轴流变试验结果较吻合,且NBVP模型可以较理想的描述岩石的加速流变阶段。 (7)将损伤变量引入到NBVP模型中,建立了考虑岩石饱水-失水循环次数n损伤的非线性黏弹塑性流变模型—DNBVP模型,同时基于流变试验结果得到了相应的损伤变量表达式,并推导了DNBVP模型的三维流变本构方程,以试验数据为例进行分析可以看出DNBVP模型能够很好地描述饱水-失水循环后岩石流变的全过程曲线。 (8)将非线性黏弹塑性流变模型(DNBVP模型)方程,进行详细推导,获得了其二次开发所需的应力增量三维中心差分格式,参照DNBVP流变模型的应力增量差分表达式,采用VC++编程,生成可调用的动态链接库(.d11),可以实现DNBVP流变模型在FLAC3D中的开发。以三轴岩样的数值模型试验计算结果分析发现二次开发的DNBVP模型是合理正确的;对不同饱水-失水循环次数n取值后,计算所得的岩样顶端轴向位移,进行分析可以看出,随着饱水-失水循环次数n的增大,轴向位移亦增大,既损伤亦增大,且其与试验数据较吻合,证明了所建立的DNBVP流变模型的正确性。 (9)选取龙滩水电站坝址区流变体B区域典型剖面,进行饱水-失水循环劣化作用下的长期流变计算。将室内岩石流变试验与现场监测数据相结合,根据提出的“非线性黏弹塑性流变模型(DNBVP模型)”,采用"BP-PSO算法的边坡位移反分析方法”,反演得到了高边坡消落带“岩体”的DNBVP模型的最优流变参数,并将其应用于高边坡的长期流变计算中,再将监测点的反演计算位移值与现场实测位移值进行对比,发现,现场实测位移值与流变计算值的变化趋势基本相同,量值上也接近,表明了本文采用的通过“基于BP-PSO算法的边坡位移反分析法”和提出的“非线性黏弹塑性流变模型(DNBVP模型)”的正确性。最后对龙滩水电站坝址区左岸B流变体典型剖面高边坡模型进行了长期流变计算与预测分析,并提出了相应的防治措施,为工程实践提供参考。


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