劉 寧，張春生，吳旭敏，褚衛(wèi)江

(中國水電顧問集團華東勘測設(shè)計研究院，浙江杭州 310014)

錦屏二級水電站深埋大理巖破裂擴展的時間效應(yīng)

劉 寧，張春生，吳旭敏，褚衛(wèi)江

(中國水電顧問集團華東勘測設(shè)計研究院，浙江杭州 310014)

針對在錦屏二級水電站引水隧洞中出現(xiàn)的大理巖滯后破裂現(xiàn)象，采用試驗、監(jiān)測、理論分析等手段綜合分析了此現(xiàn)象的內(nèi)在機理。錦屏二級引水隧洞的最大埋深2525 m，應(yīng)力和巖體強度之間的矛盾尖銳，埋深的變化導致屬于脆性巖石的大理巖也出現(xiàn)了破裂擴展的現(xiàn)象。借助室內(nèi)壓縮試驗確定破裂為大理巖的主要開挖響應(yīng)方式，現(xiàn)場布置的錨桿應(yīng)力計測量結(jié)果及聲波測試結(jié)果都表明深埋大理巖存在破裂隨時間擴展的特點;采用基于應(yīng)力腐蝕理論開發(fā)的應(yīng)力腐蝕模型PSC可以很好地模擬這一現(xiàn)象。

大理巖;破裂;時間效應(yīng);引水隧洞;錦屏二級水電站

錦屏二級水電站工程中的4條引水隧洞是迄今為止中國巖石工程建設(shè)中埋深最大的地下工程，一般埋深為1500～2000 m，最大埋深達到2 525 m，僅自重應(yīng)力已相當可觀，再加上構(gòu)造作用，使錦屏引水隧洞表現(xiàn)出強烈的高地應(yīng)力特點，實測最大主應(yīng)力42.11MPa，通過反演得到的最大主應(yīng)力約為70 MPa。在如此高地應(yīng)力條件下，大理巖所表現(xiàn)出的宏觀力學特性與常規(guī)應(yīng)力條件下相比具有明顯不同的特點，由此也導致了錦屏二級水電站工程復(fù)雜的圍巖響應(yīng)，并出現(xiàn)了許多新的值得深入研究的問題。

錦屏二級水電站引水隧洞沿線圍巖除部分板巖和綠泥石片巖外，整個引水隧洞圍巖屬于Ⅱ類和Ⅲ類圍巖，隧洞開挖以后總體以脆性破壞為主，可以認為大理巖本身并不具備傳統(tǒng)意義上理解的軟巖的流變特性，但是在監(jiān)測過程中和現(xiàn)場的破壞現(xiàn)象中，都觀察到了滯后破裂的現(xiàn)象(圖1)。現(xiàn)場主要的表現(xiàn)是開挖后相當完整的大理巖，當掌子面向前推進到一定距離，完成二次應(yīng)力調(diào)整后，大理巖的破裂依然發(fā)展，而且一直持續(xù)進行，破裂的深度遠大于掌子面開挖后的情形，最終導致噴層開裂和剝落，錨桿失效，嚴重影響了隧洞的整體穩(wěn)定性。

圖1 完整大理巖滯后破裂現(xiàn)象

可以預(yù)見，隨著錦屏二級水電站施工期的結(jié)束，隧洞圍巖的長期穩(wěn)定性將成為工程關(guān)心的首要巖石力學問題。雖然已經(jīng)在錦屏二級水電站深埋隧洞實踐過程中認識到了深埋條件下大理巖存在破裂和破裂隨時間發(fā)展的特性，也對其潛在工程危害有了一定的認識，但是定量評估大理巖這種復(fù)雜的力學行為并非易事，涉及從基本理論到工程應(yīng)用過程中一系列環(huán)節(jié)的研究工作和現(xiàn)場實踐。由此可見，研究并解決好這一問題，對深埋條件下巖體力學特性的研究具有重要的理論意義，同時對巖石地下工程的優(yōu)化設(shè)計和施工具有重大的應(yīng)用價值。

1 脆性巖石時效破壞的研究現(xiàn)狀

首次認識到脆性巖石破裂隨時間擴展的現(xiàn)象可追溯到20世紀70年代，瑞士一交通隧洞貫通2 a后，當人們再次進入到施工橫通道時發(fā)現(xiàn)原來十分堅硬完整的花崗巖已經(jīng)片狀化，脆性圍巖破裂隨時間發(fā)展的特征十分明顯［1］。在發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象以后，人們開始著手研究巖體在高應(yīng)力條件下的破裂行為，但因為問題的復(fù)雜性，直到20世紀90年代，在加拿大URL的建設(shè)中人們才開始比較系統(tǒng)地研究這一問題［2］，通過啟裂強度和損傷強度來描述巖石的破裂特性，但是破裂發(fā)生和發(fā)展可以出現(xiàn)在彈性階段，使得傳統(tǒng)的力學概念、理論和描述方法難以描述破裂行為。

Fairhurst［3］在總結(jié)了 URL的相關(guān)研究成果以后，給出了荷載-變形-時間三軸關(guān)系圖，其中縱軸為荷載，兩條橫軸中的一條為變形，荷載-變形關(guān)系構(gòu)成了傳統(tǒng)的巖體本構(gòu)關(guān)系。在三軸關(guān)系圖中還存在一條軸線，即時間軸，它顯示巖體的荷載-變形關(guān)系不是一成不變的，而是隨時間變化，即巖體特性隨時間變化。

1985年Schmidtke和Lajtai發(fā)表了一篇關(guān)于脆性巖石長期強度的文章［4］，分析了花崗巖和火成巖在核廢料儲存中長期的力學行為。在長期加載過程中，兩種巖石都受到長期荷載的影響，它們的強度大約能夠降低到60%的瞬時強度，持續(xù)時間從幾秒到17d。試驗結(jié)果說明在1000 m的地下儲藏核廢料會受到時間和周圍高地應(yīng)力的影響。Schmidtke和Lajtai的試驗便是著名的疲勞破壞試驗。

在應(yīng)力作用下控制裂紋擴展的化學過程稱為應(yīng)力腐蝕。典型的試驗便是Charles［5］于1958年完成的，他提出水通過破壞硅氧之間的強力化學鍵來進行腐蝕，取而代之的是稍弱的硅羥基鏈接。在這個反應(yīng)中，硅酸鹽中的堿離子扮演了催化劑的角色。由于巖石是一種多礦物成分的材料，每種礦物成分以及交界處都是化學反應(yīng)的理想場所，可以認為，巖石應(yīng)力腐蝕亞臨界裂紋擴展是由于在拉應(yīng)力作用下裂紋尖端物質(zhì)的擴散和尖端物質(zhì)與環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)使化學鍵斷裂這兩種機理聯(lián)合作用的結(jié)果。

目前看來，應(yīng)力腐蝕可以作為脆性巖石時間效應(yīng)的主要控制因素，通常發(fā)生在巖石的缺陷中，而這些缺陷在傳統(tǒng)的斷裂力學中被作為裂紋來處理，兩者的尺度并不統(tǒng)一。由上面的分析可知，脆性巖石的破裂主要受微觀結(jié)構(gòu)控制，因此應(yīng)力強度因子并不能很好地代表裂紋尖端的應(yīng)力場，只有當大量的微裂紋匯聚成一條宏觀裂紋時，才比較合適，因此必須發(fā)展一種新的方法來代替斷裂力學對裂紋進行描述。

顆粒流程序PFC(particle flow code)在描述破裂和裂紋擴展方面有著得天獨厚的優(yōu)勢。與其他任何傳統(tǒng)的數(shù)值方法不同，PFC是從介質(zhì)的最基本結(jié)構(gòu)的微力學行為來模擬介質(zhì)的宏觀巖體力學特性，因此PFC可以更加合理地模擬巖石的破裂擴展［6-7］。PFC中的顆粒尺度的節(jié)理會引起拉應(yīng)力而加速腐蝕過程，而這些節(jié)理與斷裂力學模型中的裂紋不同。由于PFC能夠支持與微觀結(jié)構(gòu)特征相關(guān)的顆粒尺度節(jié)理的模擬，因此會比斷裂力學模型更加合理地模擬巖石中真實的物理力學性能，再現(xiàn)應(yīng)力腐蝕這一物理現(xiàn)象。

Potyondy［8］通過在黏結(jié)顆粒模型 BPM(bondedpartical model)中的平行黏結(jié)公式中引入損傷速率這一概念，來模擬硅酸鹽巖體在水的作用下的應(yīng)力腐蝕行為，在BPM模型中力的傳遞和轉(zhuǎn)移在不同的地方將產(chǎn)生微張力，并假定在微張力產(chǎn)生的地方存在應(yīng)力腐蝕行為。當荷載超過巖體的啟裂強度后，在給定的速率下減小顆粒之間的黏結(jié)材料的幾何尺寸來反映應(yīng)力腐蝕的特征。在每一次計算中全局的應(yīng)力進行重分布，而黏結(jié)材料的移除可以通過兩種方式來實現(xiàn)，一是黏結(jié)材料的破壞(其應(yīng)力超過其強度)，二是黏結(jié)材料幾何尺寸為零，這種模型被稱為PSC模型(parallel-bonded stress corrosion model)。

2 大理巖的破裂特性

隧洞開挖以后圍巖會出現(xiàn)損傷和應(yīng)力重分布現(xiàn)象，這種應(yīng)力變化在不同性質(zhì)圍巖中產(chǎn)生不同的現(xiàn)場現(xiàn)象。錦屏二級水電站大理巖具有脆-延轉(zhuǎn)換特性［9］，即在靠近開挖面低圍壓條件下表現(xiàn)出脆性，高應(yīng)力作用下的脆性巖體會很普遍地出現(xiàn)破裂損傷現(xiàn)象，由于損傷往往開始出現(xiàn)在應(yīng)力水平相對不高(如40%的峰值強度)的條件下，錦屏二級水電站引水隧洞圍巖開挖以后的應(yīng)力普遍超過這一水平，因此損傷問題非常普遍，這種損傷盡管現(xiàn)在還不能引起巖體強度和力學特性的急劇變化，但隨著工程的進展，損傷向著破裂的方向擴展，可能給引水隧洞運行期間的安全留下了隱患。

圖2為埋深約2 000 m處鉆孔取樣的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系曲線。當軸向壓力小于20 MPa時，巖樣經(jīng)歷了一個裂紋壓密過程，對應(yīng)的軸向應(yīng)變約為0.10%。顯然，巖樣中存在一些與加壓方向大角度相交的裂紋，使得加載初期即出現(xiàn)這種壓密響應(yīng)。可能正是這種縱向初始裂紋占主導地位，巖樣中沒有形成占優(yōu)勢的共軛剪切破壞面，影響了破壞階段裂紋擴展規(guī)律，使得破壞前的破裂擴展不如預(yù)期突出。巖石達到峰值強度時對應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?.35%，如果減去壓密段的0.10%，應(yīng)變量約為0.25%，橫向應(yīng)變不足0.10%。即白山組大理巖破壞前的變形量很小，從巖石特性角度看，完整大理巖開挖以后的主要問題不是變形，而是破裂。

圖2 巖樣壓縮試驗過程曲線

同樣錦屏二級水電站大理巖在開挖過程中也表現(xiàn)出了破裂的特征，體現(xiàn)了巖體強度和應(yīng)力水平之間的尖銳矛盾。圖3為錦屏二級水電站大理巖肉眼可見的破裂，一般保持和開挖面平行。破裂一般表現(xiàn)出以下3個基本特點:①宏觀破壞深度和范圍不大，對施工安全影響小而被忽視;②宏觀破壞區(qū)內(nèi)部存在一個細觀或微觀的破損區(qū)，可以被聲發(fā)射或聲波測試所檢測;③宏觀破裂和細觀損傷都存在明顯的時間效應(yīng)，即隨時間推移不斷加劇。

圖3 輔助洞東端11號橫通道邊墻出現(xiàn)的片狀破壞［10］

破裂損傷區(qū)的存在對圍巖施工安全影響不大，但會影響永久支護和圍巖運行期的安全，特別是破裂損傷區(qū)對巖體強度的降低和裂縫擴展導致的滲透性能的改變。

3 大理巖破裂擴展時間效應(yīng)的現(xiàn)場認識

3.1 現(xiàn)場表現(xiàn)

a.滯后破裂。新開挖面完整圍巖在經(jīng)歷一段時間以后出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，比如在錨桿孔造孔施工過程中出現(xiàn)碎片掉落現(xiàn)象(圖4)，現(xiàn)場巡視中也往往可以看到圍巖破裂總是落后掌子面一段距離(圖5)，可以比較明顯地看出破裂開始的分界線，從該分界線開始往后，開始持續(xù)出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，破裂的深度達到30 cm。

圖4 鉆孔塌孔

圖5 滯后掌子面破裂擴展情況

圖6 錨桿應(yīng)力計實測應(yīng)力過程線

b.錨桿受力。滯后掌子面約100 m后安裝的錨桿應(yīng)力計可以普遍受力，由于掌子面開挖不影響監(jiān)測部位的圍巖應(yīng)力，因此，錨桿受力主要反映了圍巖破裂隨時間的擴展。從圖6可以看出，距離洞壁6 m處的傳感器顯示錨桿承受的最大應(yīng)力已經(jīng)超過了200 MPa，已經(jīng)超出了錨桿的受力極限，在將近3 a的時間中一直保持較快的增長。而2 m處的傳感器在安裝初期幾個月內(nèi)保持一定的增長，以后便基本保持不變，說明2 m深度處的破裂已經(jīng)發(fā)展得比較充分，錨桿已經(jīng)無法提供抗力。

c.破裂擴展。錦屏二級水電站引水隧洞采用鉆爆法分上下臺階開挖，滯后掌子面數(shù)千米的下半斷面開挖過程中所揭露的圍巖破裂區(qū)深度遠大于掌子面開挖后的情形。圖7中的洞段距離隧洞上半洞開挖大約1 a的時間，現(xiàn)場看到該洞段腰線部位的圍巖破裂現(xiàn)象十分普遍，并且破裂深度較深，圍巖破裂的擴展導致破裂面張開2 cm左右，而且隨著時間的推移，這一破裂面的張開寬度還將進一步的增大，成為地下水流動的重要通道，說明上臺階開挖以后二次應(yīng)力作用下的圍巖破裂隨時間不斷擴展。

圖7 底板開挖后腰線位置破裂情況

d.聲波測試。與破裂隨時間擴展一致，更深一些的圍巖損傷程度和發(fā)育深度也隨時間不斷擴展。同一鉆孔不同時間進行的聲波測試結(jié)果顯示，隨時間推移，鉆孔低波速帶深度增大。表1為開挖完成后布置的10個長期聲波觀測孔(具體位置見圖8)的5次測試成果，可以看出，間隔5個月圍巖松弛深度平均增加了50 cm。這一監(jiān)測成果證明了破裂隨時間發(fā)展的特點。

3.2 工程影響

圖8 隧洞斷面長期聲波觀測孔分布

錦屏二級水電站工程現(xiàn)場圍巖的破壞、長期聲波觀測孔的聲波測試成果、二次落底開挖過程中底板的損傷以及錨桿應(yīng)力監(jiān)測成果都反映了大理巖損傷隨時間發(fā)展的特征，必將導致圍巖的損傷區(qū)深度隨著時間而增長。一方面，破裂損傷的發(fā)展使得錨桿的應(yīng)力水平相當高，開挖1 a后已經(jīng)有錨桿的應(yīng)力超出其抗拉強度，隨著工程的進展，大理巖破裂損傷進一步隨時間擴展，將很有可能導致錨桿應(yīng)力普遍接近其抗拉極限，甚至大范圍出現(xiàn)超出抗拉極限的現(xiàn)象;另一方面，破裂損傷隨著時間向圍巖深部的擴展，導致?lián)p傷程度的增加以及破裂面的張開等，這些破裂面的存在以及損傷裂紋的擴展為地下水活動提供了重要通道，將對隧洞長期穩(wěn)定產(chǎn)生重大影響，特別是在噴錨支護作為永久過流斷面的洞段，隧洞在內(nèi)外水壓力的長期作用下，支護系統(tǒng)的有效性和安全性將存在巨大的風險，因此有必要開展針對深埋脆性巖石破裂擴展時間效應(yīng)的研究，保證引水隧洞的長期穩(wěn)定。

4 大理巖破裂擴展時間效應(yīng)的數(shù)值模擬

為了驗證錦屏二級水電站大理巖破裂擴展的時間效應(yīng)，開展了大理巖的靜態(tài)疲勞破壞試驗［11］，結(jié)果見圖9。破壞時間曲線縱坐標采用破壞時間tf的對數(shù)，而橫坐標采用驅(qū)動應(yīng)力比，即σ/σc=(σ1-Pc)/(σf-Pc)，其中σ1為靜態(tài)疲勞試驗中軸向施加的應(yīng)力;Pc為施加的圍壓;σf為常規(guī)壓縮試驗中測得的峰值強度;σ為靜態(tài)疲勞試驗中的偏應(yīng)力，且σ=σ1-Pc;σc為常規(guī)壓縮試驗中的偏應(yīng)力，且σc=σf-Pc。采用 Potyondy［8］提出的應(yīng)力腐蝕模型 PSC對試驗成果進行了復(fù)核驗證，模擬結(jié)果與實驗室中的靜態(tài)疲勞破壞試驗的結(jié)果比較吻合，表明通過在顆粒流程序PFC中引入損傷速率的概念形成的PSC模型能夠較好地再現(xiàn)脆性巖石中的應(yīng)力腐蝕作用。

表1 不同時間聲波測試成果

圖9 大理巖破裂時間效應(yīng)的靜態(tài)疲勞破壞試驗

5 結(jié)語

與我國其他地下水電工程相比，錦屏二級水電站深埋引水隧洞顯然有其特殊性，對深埋條件下巖體強度的認識和參數(shù)指標的確定方法，很可能全面超越水電行業(yè)既有的規(guī)程規(guī)范，其中深埋巖體強度的時間效應(yīng)問題的研究便是一個全新的研究課題。目前世界上關(guān)于此問題的研究成果并不多見，因此解決破裂擴展問題需要采用全新的工作思路，去獲得大理巖強度隨時間變化特性的認識，豐富巖石力學理論，解釋和定量估計隧洞圍巖破裂隨時間的變化特征，滿足引水隧洞長期穩(wěn)定安全運行的需要。

［1］錦屏二級水電站引水隧洞圍巖穩(wěn)定、動態(tài)支護設(shè)計專題研究:2010年階段性總結(jié)報告［R］.武漢:Itasca(武漢)咨詢有限公司，2010.

［2］READ R S.20 years of excavation response studies at AECL's underground research laboratory［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41(8):1251-1275.

［3］FAIRHURST C.Nuclear waste disposal and rock mechanics:contributions of the Underground Research Laboratory(URL)，Pinawa，Manitoba［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41(8):1221-1227.

［4］SCHMIDTKE R H，LAJTAI E Z.The long-term strength of Lac du Bonnet granite［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1985，22(6):461-465.

［5］CHARLES R J.Static fatigue of glass［J］.J Appl Phys，1958，29(11):1549-60.

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［7］POTYONDY D O，CUNDALL P A.A bonded-particle model forrock［J］.InternationalJournalofRock Mechanics and Mining Sciences，2004，41(8):1329-1364.

［8］POTYONDY D O.Simulating stress corrosion with a bonded-particle model for rock［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2007，44(5):677-691.

［9］張春生，陳祥榮，侯靖，等.錦屏二級水電站深埋大理巖力學特性研究［J］.巖石力學與工程學報，2010，29(10):1999-2009.(ZHANG Chunsheng，CHEN Xiangrong，HOU Jing，et al.study of mechanical behavior of deepburied marble at jinping ii hydropower station［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(10):1999-2009.(in Chinese))

［10］劉寧.深埋大理巖破裂擴展的時間效應(yīng)及隧洞長期穩(wěn)定性評價［R］.杭州:華東勘測設(shè)計研究院，2011.

［11］劉寧，張春生，褚衛(wèi)江.深埋大理巖破裂擴展時間效應(yīng)的顆粒流模擬［J］.巖石力學與工程學報，2011，30(10):1989-1996.(LIU Ning，ZHANG Chunsheng，CHU Weijiang.Simulating time-dependent failure of deep marble with particle flow code［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(10):1989-1996.(in Chinese))

Time-dependent failure of deep-buried marble in Jinping Ⅱ Hydropower Station

LIU Ning，ZHANG Chunsheng，WU Xumin，CHU Weijiang(Hydrochina Huadong Engineering Corporation，Hangzhou310014，China)

The deep-buried marble in the headrace tunnel of JinpingⅡHydropower Station exhibit time-dependent failure.The internal mechanism of the phenomenon is comprehensively analyzed by means of tests，monitoring and theoretical analysis.The largest buried depth of the headrace tunnel reaches 2525 m，and the contradiction between the stress and rock mass strength is sharp.The variation of buried depth makes the marble which belongs to brittle rock also exhibit the phenomenon of fracture extension with time.The fracture is regarded as the main excavation response based on the laboratory compression tests.The field anchor stress meters and acoustic wave tests show the time-dependent failure characteristics of deep-buried marble.The parallel-bonded stress corrosion model based on the stress corrosion theory can be employed to satisfactorily simulate such phenomenon.

marble;fracture;time-dependent failure;headrace tunnel;JinpingⅡHydropower Station

TU452

A

1006-7647(2013)02-0063-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.02.014

國家自然科學基金青年科學基金(51109221);浙江省博士后擇優(yōu)資助(2011-bsh-019)

劉寧(1981—)，男，山東煙臺人，高級工程師，博士，主要從事巖石力學與水電工程研究。E-mail:liu_n@ecidi.com

2012-05-15 編輯:熊水斌)