高地应力坝区酮室围岩岩爆及其断裂破坏机制姚宝魁张承娟、一围岩的岩姆现象。岩爆是岩体工程开挖中常见的岩体力学现象在我国西南地区的大型水电工程建设中岩爆屡有发,。、生渔子溪和映秀湾电站建设中均发生了二滩坝区。。较明显的岩爆因而引起人们较大的关注和研究在二摊坝区左坝肩于正长岩体中开挖探确和进行岩体力学试件加工过程中均出现了岩爆现象尤其是,照片确壁及试件岩姆后的薄片。应力的作用方向应为刃方向渔子溪引水隧道通过中粒及中细粒花岗闪长岩及闪长岩整体块状结构隧,。支确最为明显在开抢初期就出现以号探确的确全长米在开挖过程中有十余处发生过显著岩,。过轻微围岩壁面爆裂现象其后日趋明显岩块碎片,呈葱皮状剥落尤其以支确的外侧邦近岸坡部位,,及其内侧近底板的边壁部位最为严重致使围岩壁面,呈现明显的鳞片状结构照片探确墙脚处的围,。爆表岩爆具有如下主要特征岩体完整爆裂,在隧碗的断面上主要发生在靠近河谷方向的面新鲜,右拱脚部位且多为岩片或葱皮样薄片形式,开挖后,小时内岩爆最为明显尔后逐渐减弱,岩爆现象持,。剥落往往形成比较平滑的断面轮廓应该强,。岩片状续时间一般一月左右以后逐渐减弱或趋于停止,‘调指出的是二摊的岩块以平行河床方向的探确最为,映秀湾电站花岗岩以及目前在建的渔子溪,级电站。显著显然这与岩体中的初始应力状态有关岩体,,试体加工过程中的岩块现象亦以探确的支碗,花岗闪长岩亦发生过比较明显的岩爆现象与渔,子溪级电站一样图岩爆亦多爱生在右拱脚,。’最为显著在支确正长岩底板靠近边墙的部位设计。表附近渔子澳电站引水隧确主要岩姆区段一览表隧确埋深岩爆部位右拱脚右边墙右拱脚右拱脚右拱脚右拱脚右边墙右边墙右拱脚‘电｝」曰户口‘山八吸及｝通口』匕‘,口一九』〕钊,｝月,,｝任厅‘口口,二勺,｝』一一一一一一一。左右后发生天天左右天一年白照片探确支确岩块后形成的鳞片状璧石厘米的抗剪断试件当试件周围的掏槽,了七个。一右拱脚右拱脚三个月深度达厘米左右时一般便出现爆裂现象,岩石呈薄片状厚度一毫米不等照片,爆裂的有的,。试件从掏槽根部爆裂与岩体脱离重新加工试件时掏槽到类似深度又会重复出现且可以连续清晰地听到,。岩爆时发出的爆裂声、渔子溪映秀湾电站分别位于渔子溪与氓江会流处氓江的左右两岸且分别位于区域性断层北川一,苏联科拉半岛的矿山亦有显著的岩爆这些矿山,。一般埋深较大且多发生在高强度坚硬岩体中国内矿。山岩爆亦与深度有明显的关系、根据二滩渔子溪岩爆的调查岩爆沿确壁凹凸,不平处更易发生且很少受岩体中的宏观结构面控,。中滩铺断裂带的北侧根据构造分析区域性构造,制显然岩体中的结构面特别是软弱结构面业不起,,一了一。体自重应力作用而较少受区域性构遭应力的影响、由上述分析可知在二滩渔子溪及映秀海那样的,它拍形峡谷地区由于形峡谷地形高差一般达一,。米左右即便不考虑区域性地应力场的作用在,,岸坡岩体中特别是水工地下建筑物所涉及的岸坡岩体中初始应力场的最大主应力往往可达一,,姗、。高的初始应力是产生岩外的必要条件对于高应力至今还没有明确定义,工程实践中往往将一“之的动‘布。口“左右的岩体初始应力称为高应力需知高应力,,是一个相对的概念且与岩体的强度及刚度特性有,。关岩体应力量侧表明强度高刚度大的岩体中往住,图渔子澳引水隧洞岩浮部位及地形创面示息图。重要的作用存在较大的初始应力强度低刚度小的岩体则存在较小的初始应力这种特性反映了岩体介质结构的形,、二产生岩姆的条件响。显然,可以利用产生岩爆时的临界应力作为衡。不同岩体高应力的界限值根据我国的工程实践产,生岩爆时岩体初始应力场中的最大主应力与岩体甄度上迷岩爆工程实例说明岩体中的初始应力状态,及岩体的结构特性和性质是产生岩爆必须的条件且,‘‘用室的轴向与最大主应力的关系以及桐室的形状亦显。著地影响着围岩的岩爆及其稳定程度之间存在如下近似的关系。一‘一,、映谷岸坡岩体初始应力分布状态。峡各的形成是自然营造力长期作用的结果岸坡岩体中初始应力分布的特点主要表现在应力方向及大。这里人是岩块的单轴抗压强度显然较软弱岩体。的高应力界限值比刚性岩体低得多应该强调的是与岩体的强度相比较围岩在低,,。小的变化愈近岸坡部分是大主应力的作用方向基,本上乎行于岸坡而最小主应力的作用方向基本上垂,得多的初始应力场中便产生岩爆不仅是由于确室开,挖后围岩应力产生集中且由于目前通常采用爆破施,。砚壁凸凸不平增加了确壁应力集中程度实际上直于岸坡且随着距离岸坡距离的增加主应力迹线,,工,。的作用方向亦逐渐过渡到原始地应力状志靠近岸坡部围岩的岩爆亦多沿凹凸不平壁面处发生岩姆与岩体的结构及性质的关系,分最大主应力具有最大值垂直于岸坡方向的最小应,。力则具有最小值岸坡岩体中应力分布状态的上述规律虽然受原始地应力场的控制与影响但是实践证,,岩体的结构与性质是产生岩爆的物质基础通常,只有具整体块状结构及厚层状结构的硬脆性岩体在适。当的应力条件下才产生显著的岩爆这类岩体往往其有典型的线弹性应力应变关系且可以用岩块的弹,。性变形能系数值判断围岩产生岩爆的可能性图明无论原始地应力如何变化都不会改变岸坡岩体,,。中应力分布状态的上述总体特征二摊电站左岸坝肩岸坡岩体初始应力分布状态的数值模拟计算清楚地显示了上述应力分布的规律且,。具明显的分区特性随着距河床及岸坡距离的增加扩,、大致可以分成三个区即风化卸荷区过渡应力区,。或应力集中区及原始应力区卸荷松动区一般仅及米左右的深度范围过渡应力区一般距岸坡可达,的。一。。米左右的范围,尔后则逐渐过渡到原始他晚卜一』甲‘万百或应力集中区及原始应力区及米左右的深度范围,的。一。。米左右的范围,。应力状态根据二滩岸坡岩体初始应力状态的研究,。我们可以得到两点清楚的结论》在应力集中区,。河床的应力集中最明显河床部位实测最大主应力为盯,左右,岸坡部位‘二一宕姗二滩坝址虽然地处构造活动的川滇南北向构造带但在河床侵蚀基准面以上特别在近岸坡一定范,,围的工程岩体中其初始应力状态主要受峡谷地形岩一一卜堆材乞岩份岩体的应力应变曲线及弹性变形能系级困示、表岩姆工程岩体的强度声波速度及其结构类组工程名称岩性单轴抗压强度声波速度岩休结构类型一一名一。探确极少产生岩爆的重要原因渔子澳引大部区段亦平行河谷方向从而受垂直河谷,一般来说尤是产生岩爆所必须的岩石力学条件且万值越大岩体越硬脆产生岩爆的可能性亦越,,别严重而水隧确,。方向的最大主应力的作用产生比较显著的岩爆无,论是二滩还是渔子蕊岩爆部位在断面上都是命近,河床的外侧邦拱脚处及靠近山体的内侧邦墙脚处最为产重这是因为在最大主应力作用下上述两部位具,,。大所谓弹性变形能系数是指加载到时再卸载到这时卸载时放出的弹性应变能与加载时,所吸收的弹性应变能之比值。、为便于分析现将渔子溪二滩电站及苏联某些,。有最大的集中应力用室的断面形状亦影响围岩的应。力分布及应力集中程度从应力集中的角度来看圆,形断面一般比较有利具有较小的应力集中系数相,,反圆拱直墙断面应力集中比较严重这是二滩支,,。岩块矿山的岩体性质参数及结构类型列于表由表可见产生岩爆的岩体单轴抗压强度一般均超过”,。。。二滩及渔子溪岩体的单轴抗压强度大于。。声波速度大于米秒岩体均为完整,,,。的整体块状结构一般来说这是岩爆所必须具备的条砚内侧邦脚及底板出现较多岩块的主要原因,。件应该指出岩爆的发生虽然与岩体中的宏观地质,、三岩姆的断裂破坏机制结构面关系不大但与岩体中数目众多的呈随机分布,。的微裂隙和隐微裂隙密切相关二滩正长岩光片中清岩爆的原因是具高蓄能特性的硬脆性岩体中积,。楚地显示出这些随机隐微裂隙的存在照片控蓄的应变能突然释放发生的过程却是岩体的断裂破,。制着岩爆的起始破坏及围岩断裂破坏的发展过程坏断裂力学是研究材料特别是金属材料脆断破坏的一门新学科目前已逐渐引用于岩石力学领域研究,,。岩体的破坏现象断裂力学有三种基本的断裂破坏模型即型张开型裂纹型剪切型裂纹及,,。皿型撕断型裂纹而岩爆反映了岩体中的裂纹鑫、数岩体的应力状态及岩体本身的断裂强度断裂韧产‘。性之间的关系当决定于岩体中裂纹尺寸参数及应力状态的应力强度因子大于或等于岩体的断裂韧性时便产生快速的断裂破坏或不稳定扩张产生岩,,。爆与岩体的抗拉抗压及抗剪强度一样岩体的断,,裂韧性亦是岩体所固有的一种强度指标因此称做断,。裂强度且不同的裂纹型式其值是不相同的,照片二滩正长岩中的隐微裂隙、确轴与最大主应力的关系及确室的断面形状从改善围岩的应力状态来看确室的轴向与初始应力场的最大主应力作用方向一致最为理想这时围岩,应力最小若与最大主应力的作用方向垂直则确壁,,产生岩爆的硬脆性岩体具有整体块状的完整绪,构但其中却存在部目众多呈随机分布的微裂隙及隐,。、徽裂隙照片清楚地显示了二滩正长岩中的解理、。橄裂隙晶间界面等隐微裂隙的存在确室开挖改变了围岩的初始应力状态在围岩特别是碗壁部位产生,。具有最大的围岩应力二滩左岸岸坡中最大主应力基显著的应力集中不但在一定的范围内可能产生拉应,。力而且在靠近确璧的部位剪应力亦最大这就为岩,本上垂直于河床且与岸坡坡面方面基本一致从而与,。支砚轴向垂直而与探确平行这是支丽岩爆特爆提供了必要的应力条件决定着围岩的断裂破坏,,一一‘认抽叻‘飞一、张一旦组合点落在稳定扩张区则岩体中的裂纹便,,缓慢地扩张由于裂纹缓慢地跳跃式的扩张裂纹尺,,寸不断增加直至达到临界裂纹尺寸时便进人不,,稳定的快速断裂区产生突然的急剧岩爆且在跳跃,,式的稳定扩张过程中可以观察到连续的岩体破裂的声发射现象这是岩爆现象具有延时发生延续发生的重,。要原因、四结论岩爆是高应力硬脆岩体中常见的一种岩石破坏现地下桐室岩爆常以片状剥落的形式出现形成葱,照片二滩正长岩中的微裂隙分片。象。由于岩体中微裂隙的随机性及洞壁应力的复杂性岩,产生岩爆需要一定的应力条件及岩体结构皮状结构。和性质条件通常多为完整的整体块状结构及厚层抉结构岩石硬脆单轴抗压强度在盯以上,,,,声波速度大于。。秒且只有当岩体初始应力米,,娜住往不是单一型裂纹的断裂破坏通常为工型及,型裂纹的复合问题在这种情况下从工程角度来看,,可以采用下述断裂准则即,万尤足,场的最大主应力与岩块的单轴抗压强度之比值大于??。。一。的高应力条件下才可能发生酮室的轴向布置即与初始应力场的最大主应力的关系及确室的断这里纹及及几分别为复杂受力条件下断裂扩张型裂,。型裂纹的应力强度因子为岩体工型裂纹,。的断裂韧性强度确室开挖后围岩的岩爆既可以即时发生,以延续发生这不但决定于围岩的受力状态,,面形状亦是显著地影响着岩爆酮轴与最大主应力垂,直且确室具非平滑轮廓时容易产生岩爆因为这时确,壁围岩的应力集中最严重确壁的超欠挖亦恶化了围,亦可,而且还。与岩体的应力腐蚀特性有关应力腐蚀是岩体裂隙在介质中稳定扩张的特性地下婀室中常具地下水对,,。岩的应力集中程度使岩爆更容易发生,从宏观现象上来看岩爆的本质是弹性应变能的大。署体断裂破坏起应腐蚀介质的作用如图所示在,一般情况下介质对断裂破坏的应力腐蚀存在图中所示。的关系图中分三个区即裂纹不扩张区稳定扩张,,。量突然释放但其发生机制是岩体的断裂破坏岩体,中存在数目众多的呈随机分布的微裂隙为岩体的断,裂破坏提供了必要的裂纹条件这些裂纹受到复杂应,力状态作用及应力腐蚀从而使岩爆具延时及延续的,。发生的特点参考文献。〕丁泛比,,笼而陈跳等,一访加记刀叨,仙,比。。”一,上册》国防工,,工程断裂力学价。业版社姚宝魁施工超挖对巷道围岩力学状态及,,稳定性的影响第一届全国矿山岩体力学会议论文选择,,。冶金工业出版社张承娟等二滩水电站岩体脆性破裂现象,,图岩体断裂扩张的应力扁蚀作用。区及不稳定扩张区或快速断裂区分区界限曲线为。使裂稳定扩张所需的最低极限应力强度因子为时‘‘。的曲线曲线为相应断裂韧性时的曲,‘。线这里及分别为应力及裂纹的长度介及内则分,,。的调查。水电部成勘院渔子溪一级水电站工程地质总结,。及四川省氓江映秀湾电站施工阶段工程地质报告,一即,,。别为裂纹稳定扩张需要的应力和裂纹长度显然岩,。一即,、体的‘。参数的组合点落在不扩张区裂纹不会扩,一一

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