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簡(jiǎn)析深埋條件下綠泥石片巖洞段的變形特征論文
引言
雅碧江錦屏二級(jí)水電站處于高山峽谷巖溶地區(qū)，它利用錦屏大河灣150 km的天然落差，開(kāi)挖隧洞截彎取直，引水發(fā)電，總裝機(jī)容量4800MW;由閘壩、引水隧洞、地下廠房等主要建筑物組成，其中4條引水隧洞平均長(zhǎng)為16.67 km，開(kāi)挖直徑f12.4~14.3 m，一般埋深15002000 m，最大埋深2525 m東到西分別穿越鹽塘組大理巖、自山組大理巖、三迭系上統(tǒng)砂板巖、雜谷腦組大理巖、三迭系下統(tǒng)綠泥石片巖和變質(zhì)中細(xì)砂巖等地層。巖層陡傾，其走向與主構(gòu)造線方向一致;在最大埋深一帶實(shí)測(cè)的第一最大主應(yīng)力量值一般在64.6975.85 MPa，局部可達(dá)94.97 MPa;實(shí)測(cè)最大外水壓力10.2 MPa,故引水隧洞群具有“超長(zhǎng)、超埋深、超高地應(yīng)力、超高外水壓、局部巖溶較發(fā)育”等特點(diǎn)。
綠泥石片巖主要分布于1號(hào)和2號(hào)引水隧洞內(nèi)，即樁號(hào)引(1)1+5371+800 m、引(2)1+613755 m，埋深為15501850 m。在施工期間，由于受高地應(yīng)力及綠泥石片巖自身性質(zhì)的影響，隧洞開(kāi)挖期間出現(xiàn)大規(guī)模塌方、圍巖初期支護(hù)后的圍巖持續(xù)變形、臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)損壞等情況，給引水隧洞整個(gè)施工過(guò)程帶來(lái)了較大的影響。
1綠泥石片巖基本特征
綠泥石片巖是一種以綠泥石為主要礦物成分的區(qū)域變質(zhì)巖，其特征是具有片理構(gòu)造，一般為鱗片變晶結(jié)構(gòu)，巖石表面具有玻璃光澤，未完全解理。綠泥石是族層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，主要為Mg和Fe的礦物種;通過(guò)X射線物相分析!2l，綠泥石片巖的成分為:綠泥石、滑石、閃石、方解石。
引(1)1+537一1+800 m、引(2)1+613一755 m兩個(gè)段圍巖為三迭系下統(tǒng)的純綠泥石片巖，局部夾少量大理巖條帶或透鏡體，構(gòu)成了陡立的背斜核部地層，其兩翼為三迭系中統(tǒng)雜谷腦組大理巖。為一尖棱狀背斜，背斜軸面與洞向大角度相交，向南傾伏，受褶皺構(gòu)造影響，巖體受擠壓明顯，巖層產(chǎn)狀變化較大，裂隙密集發(fā)育，且綠泥石片巖被擠壓后，圍巖變得松散、軟弱，巖塊手冊(cè)即斷，結(jié)構(gòu)面之間充填巖粉，沿面變得光滑，手摸具有強(qiáng)烈滑感，幾乎無(wú)粘聚力。
綠泥石片巖洞段為相對(duì)隔水層，地下水不甚發(fā)育，以少量裂隙水為主，具體表現(xiàn)為滲滴水，偶見(jiàn)線狀流水。綠泥石片巖屬典型的軟巖，軟化系數(shù)約為0.5，雖然其十抗壓強(qiáng)度有3040 MPa，其飽和抗壓強(qiáng)度為19.47 MPa，飽和條件下的彈模約為十燥時(shí)的27%，這說(shuō)明綠泥石礦物遇水導(dǎo)致的軟化效應(yīng)十分突出，地下水對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響明顯。
綠泥石片巖洞段埋深為15501850 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的最大地應(yīng)力為30.45 MPa，方位角145.730 ,傾角一55.240。純綠泥石片巖或以綠泥石片巖為主的洞段，受褶皺構(gòu)造擠壓、高地應(yīng)力、巖體自身性質(zhì)差等各方面因素綜合影響，圍巖較破碎，均為W類圍巖。而與其相鄰的大理巖或以大理巖為主洞段(巖溶洞段除外)的圍巖完整性較差，則以III圍巖為主。
據(jù)膨脹性試驗(yàn)成果，微風(fēng)化綠泥石片巖的軸向自由膨脹率均值為0.077%，徑向?yàn)?.117%，體積膨脹率為0.311%，而膨脹性軟巖的自由膨脹變形量小于10%，比較可見(jiàn)，綠泥石片巖的膨脹性極低。側(cè)向約束軸向膨脹率為0.102%，很低。膨脹力在11.07819.436 kPa之間，均值為15.35kPa，相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)約30 MPa級(jí)原巖應(yīng)力和二次應(yīng)力來(lái)說(shuō)，膨脹力可以忽略不計(jì)。
2綠泥石片巖變形特征
2.1軟巖大變形
綠泥石片巖本身具有強(qiáng)度及彈性模量等力學(xué)參數(shù)較低、遇水軟化效應(yīng)明顯的特點(diǎn)，開(kāi)挖后其圍巖自穩(wěn)時(shí)間較短，再加上前期系統(tǒng)支護(hù)措施未能及時(shí)有效地完成，圍巖初期的松馳變形得不到有效控制，因此圍巖出現(xiàn)了較大程度的變形，變形主要以塑性變形為主。變形導(dǎo)致隧洞凈空被侵占，噴層出現(xiàn)開(kāi)裂等現(xiàn)象。
據(jù)施工期的收斂變形監(jiān)測(cè)成果表明，1號(hào)引水隧洞引(1)1+575,1+655,1+675,1+725,1+760,1+780實(shí)測(cè)收斂值較大，多為邊墻BC和DE兩條水平測(cè)線，其次是拱肩的側(cè)向變形，其中最大收斂累計(jì)值為1號(hào)引水隧洞引(1)1+670 m斷面的DE測(cè)線(累計(jì)值為310 mm，系非原始收斂值)。1號(hào)引水隧洞引(1)1+760 m斷面DE(水平)測(cè)線收斂速率最大，為1.97 mm/d。后期在收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定后，對(duì)隧洞斷面進(jìn)行了激光掃描，斷面掃描結(jié)果顯示，圍巖變形侵占設(shè)計(jì)襯砌凈空厚度普遍都在20 cm以上，大部分為2060 cm之間，局部超過(guò)1 m，其中以1號(hào)引水隧洞引(1)1+6351+800 m段變形最為明顯，其變形主要發(fā)生在北側(cè)拱腳、邊墻、拱肩和南側(cè)拱腳。
松動(dòng)圈測(cè)試成果表明，綠泥石片巖IV類圍巖洞段松弛范圍較大，一般為3~6 m總體波速范圍為33006500 m/s，平均波速44004500m/s;局部大理巖含量較高洞段圍巖松弛范圍稍小，一般為2.54.0 m，總體波速范圍為33006500 m/s，平均波速45004600 m/s;表明大理巖夾層的存在對(duì)巖體質(zhì)量有一定程度的提高。
2.2軟巖流變特性
根據(jù)綠泥石片巖巖性本身具有強(qiáng)度及彈性模量等力學(xué)參數(shù)較低、遇水軟化效應(yīng)明顯的特點(diǎn)，結(jié)合已開(kāi)挖揭露的實(shí)際情況，隧洞開(kāi)挖卸荷后，軟巖巖洞段的變形并沒(méi)有很快收斂，而是在高應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，表現(xiàn)出十分明顯的變形時(shí)效特征，也即流變現(xiàn)象，圍巖的破壞方式表現(xiàn)為大變形。隧洞監(jiān)測(cè)儀器為圍巖表層臨空面位置布置的收斂變形計(jì)，能夠監(jiān)測(cè)到的位移為隧洞開(kāi)挖后的圍巖卸荷變形，監(jiān)測(cè)時(shí)間至少1年，這樣獲取的監(jiān)測(cè)信息能夠較好地反映軟巖卸荷后時(shí)效變形特征。
軟巖時(shí)效變形過(guò)程大致分為瞬時(shí)彈性變形、初始流變、等速流變、收斂穩(wěn)定或加速流變等幾個(gè)階段。由于收斂計(jì)為隧洞開(kāi)挖后一段時(shí)間內(nèi)埋設(shè)，無(wú)法監(jiān)測(cè)到開(kāi)挖瞬時(shí)的彈性變形，因此在流變曲線沒(méi)有初始彈性變形階段。從整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程可以看出，軟巖流變經(jīng)歷了初始蠕變，這一過(guò)程中巖體變形隨時(shí)間增長(zhǎng)變形速率逐漸遞減，位移逐漸增加;而后經(jīng)歷了穩(wěn)態(tài)流變，即變形速率基本呈定值，位移持續(xù)增加。
(1)綠泥石片巖卸載條件下的流變參數(shù)及長(zhǎng)期強(qiáng)度
由于綠泥石片巖所處區(qū)域變質(zhì)巖區(qū)域，均表現(xiàn)出一定的片理，為了客觀地反映綠泥石片巖的各向異性所帶來(lái)的流變特性規(guī)律，試驗(yàn)中采用了平行層理方向加載和垂直層理方向加載。在綠泥石片巖卸圍壓蠕變?cè)囼?yàn)中，軸向流變速率與側(cè)向流變速率均表現(xiàn)出了兩個(gè)階段，即初始流變速率階段:流變速率隨著時(shí)間增長(zhǎng)，很快衰減至一個(gè)大于零的常量;穩(wěn)態(tài)蠕變速率階段:流變速率隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，基本保持不變。這充分表明，圍壓的存在使得巖樣流變速率減小。根據(jù)摩爾庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則回歸其長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)值見(jiàn)表1。綠泥石片巖長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)要比瞬時(shí)強(qiáng)度參數(shù)要小，長(zhǎng)期內(nèi)摩擦角要比瞬時(shí)內(nèi)摩擦角小34.8 %，長(zhǎng)期粘聚力要小4%。
(2)收斂變形監(jiān)測(cè)
收斂變形監(jiān)測(cè)布置，從監(jiān)測(cè)成果來(lái)看，收斂值累計(jì)值較大的測(cè)線多為BC和DE兩條水平測(cè)線，其次是拱肩的側(cè)向變形。在高應(yīng)力環(huán)境下開(kāi)挖隧洞，洞周圍巖應(yīng)力水平較高，圍巖產(chǎn)生流變變形后達(dá)到穩(wěn)定收斂狀態(tài)時(shí)間較長(zhǎng)，軟巖段開(kāi)挖卸荷至收斂穩(wěn)定，在未持續(xù)開(kāi)挖擾動(dòng)的情況下，大部分洞段需要經(jīng)歷6~8個(gè)月時(shí)間到達(dá)基本穩(wěn)定，部分洞段流變變形收斂時(shí)間達(dá)到1年左右。這種規(guī)律性認(rèn)識(shí)對(duì)于錦屏二級(jí)引水隧洞相應(yīng)軟巖段二次襯砌施作時(shí)機(jī)有重要指導(dǎo)意義。
(3)軟巖流變力學(xué)參數(shù)反演
綜合考慮了地質(zhì)條件、監(jiān)測(cè)資料及設(shè)計(jì)要求，選擇了引水隧洞西端深埋段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較好，地質(zhì)條件典型即綠泥石片巖洞段號(hào)為1+675的監(jiān)測(cè)斷面作為模型參數(shù)辨識(shí)的代表性斷面。反演主要采用Hooke-Kelvin ( H-K)流變模型，同時(shí)考慮到，綠泥石片巖力學(xué)性質(zhì)中存在明顯的彈塑性性質(zhì)，且當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一閩值后，綠泥石片巖會(huì)在外力左右下出現(xiàn)拉壞或者剪壞，故同時(shí)考慮Hooke- Kelvin ( H- K)流變模型和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，即采用粘一彈一塑流變力學(xué)模型。
3結(jié)語(yǔ)
綠泥石片巖作為工程軟巖，具有強(qiáng)度及彈性模量等力學(xué)參數(shù)較低、遇水軟化效應(yīng)明顯的特點(diǎn)，同時(shí)具有“變形量大、初期變形速度快、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、破壞范圍大”的特點(diǎn);并在深埋條件下圍巖存在一定的流變特性。錦屏二級(jí)水電站引水隧洞綠泥石片巖洞段在開(kāi)挖初期，圍巖曾發(fā)生大變形，在采取相應(yīng)的工程處理手段后，已經(jīng)出現(xiàn)塑性流變變形部位巖體的變形能夠得到控制，說(shuō)明變形的可控性。
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