錦屏二級(jí)引水隧洞大理巖破裂特性和尺寸效應(yīng)研究.pdf

1、由于錦屏二級(jí)水電站高地應(yīng)力、大埋深的顯著特點(diǎn)，引水隧洞大理巖圍巖的強(qiáng)度和變形、巖石（體）的破裂特性、巖體的尺寸效應(yīng)等都是值得深入研究的課題。大理巖巖石的強(qiáng)度和變形研究是認(rèn)識(shí)和解決工程問題的基礎(chǔ)。巖石（體）的破裂特性研究是將微觀的破裂發(fā)展和宏觀的力學(xué)響應(yīng)將結(jié)合，從根本上說明巖石（體）在受力狀況下的變化情況，是控制重大巖土工程災(zāi)害的基礎(chǔ)。而巖體區(qū)別于巖石的顯著特征是存在大量不規(guī)則的裂隙，裂隙的存在使得巖體表現(xiàn)出強(qiáng)烈非線性、非連續(xù)、破裂特性以

2、及力學(xué)參數(shù)的尺寸效應(yīng)。通過對大體積巖體的數(shù)值模擬研究巖體的破裂特性和尺寸效應(yīng)，確定大理巖巖體的表征單元體，最終確定巖體的強(qiáng)度和變形參數(shù)。
　　本文以錦屏二級(jí)水電站引水隧洞白山組和鹽塘組大理巖為研究對象，通過室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值仿真相結(jié)合的研究手段，基于大理巖的室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)，運(yùn)用離散元方法開展完整大理巖的力學(xué)特性研究、單條裂隙的參數(shù)分析研究、含有單條、雙條裂隙的巖石模型的破裂過程研究，大理巖巖體的尺寸效應(yīng)研

3、究，為錦屏二級(jí)水電站的巖體力學(xué)參數(shù)確定和巖爆預(yù)防解決關(guān)鍵問題。通過本文研究主要獲得以下幾方面結(jié)論：
　?。?）白山組大理巖單軸壓縮試驗(yàn)中脆性特征明顯，而三軸壓縮試驗(yàn)中巖石破壞脆-延-塑性轉(zhuǎn)換明顯。運(yùn)用fish語言編寫顆粒膠結(jié)模型模擬白山組大理巖，模型試驗(yàn)中單軸壓縮試驗(yàn)擬合較好，三軸壓縮試驗(yàn)中峰值強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)相近，但是擬合的Hoek-Brown的峰值強(qiáng)度包線的mi值小于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，通過引用簇單元CPM來進(jìn)一步優(yōu)化模型。模型優(yōu)化之

4、后，低圍壓下模型的破壞模式仍是脆性破壞，高圍壓下模型的破壞模式由脆性向延-塑性破壞特征轉(zhuǎn)換。
　?。?）鹽塘組大理巖單軸壓縮試驗(yàn)中脆性特征明顯，而三軸壓縮試驗(yàn)中巖石破壞脆-延-塑性轉(zhuǎn)換明顯，鹽塘組大理巖的強(qiáng)度整體上低于白山組。運(yùn)用fish語言編寫顆粒膠結(jié)模型模擬鹽塘組大理巖，擬合效果較好。通過巖石模型微裂紋的數(shù)量變化來定義巖石損傷進(jìn)而確定巖石的起裂強(qiáng)度和損傷強(qiáng)度，單軸、三軸壓縮試驗(yàn)獲得的特征應(yīng)力值與圍壓呈明顯的線性關(guān)系，特征應(yīng)力曲

5、線的擬合函數(shù)相近。
　?。?）運(yùn)用fish語言編寫光滑節(jié)理模型，設(shè)置含有單條裂隙的大理巖巖樣。光滑節(jié)理性質(zhì)力學(xué)參數(shù)中除了膨脹角，其它參數(shù)對巖樣的力學(xué)特性影響明顯。膨脹角的設(shè)置改變了裂隙面上的法向力和力鏈圖的影響區(qū)域，但是對巖樣的力學(xué)特性幾乎沒有影響。幾何參數(shù)裂隙傾向的改變對宏觀力學(xué)特性影響較小，其它參數(shù)影響明顯。三軸壓縮試驗(yàn)中巖樣峰值強(qiáng)度隨圍壓的增大而增大，巖樣破壞時(shí)微裂紋沿著裂隙面發(fā)育，圍壓越大微裂紋的數(shù)量越多。
　　（4

6、）分析含有單條裂隙的模型的破裂規(guī)律，傾角0°、90°的模型，裂紋發(fā)育分散，模型破壞呈X形破壞或穿切傾斜破壞；其它傾角的模型破壞大多沿裂隙面。裂隙長度有一個(gè)臨界長度介于30mm與40mm之間，小于臨界長度時(shí)模型的裂紋發(fā)育接近完整巖石，大于臨界長度時(shí)模型的裂紋發(fā)育接近滑移破壞。含有兩條預(yù)制裂隙的模型，共面裂隙之間存在的相互作用較強(qiáng)，微裂紋會(huì)在巖橋附近發(fā)育并連通兩條裂隙，而階梯狀裂隙之間的相互作用較弱。
　　（5）通過對不同尺寸的離散裂

7、隙網(wǎng)絡(luò)DFN的裂隙數(shù)量、裂隙強(qiáng)度P30、P32，P33的統(tǒng)計(jì)分析，得出表征單元體為8m×16m×8m。通過對不同尺寸的DFN的裂隙散點(diǎn)分布、主成分分析以及裂隙的產(chǎn)狀（傾角和傾角）分析，確定表征單元體為10m×20m×10m。最終確定基于裂隙幾何分布特性的表征單元體為10m×20m×10m。
　　（6）建立1m×2m×1m的綜合巖體模型SRM進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，裂隙的存在降低了巖體的宏觀力學(xué)參數(shù)、改變了巖體的微觀裂紋發(fā)育特征。建立不同