岩体现场大型变形试验及工程应用——以向家坝水电站左岸破碎带为研究对象

摘要

向家坝水电站坝址所在地区岩性构造极为复杂,其中左岸揭露挤压破碎带规模大,厚度多在10m以上,最大可达50余m,性状较差,产状平缓,在河床较多坝段均有分布,鉴于规模、性状及分布位置,该挤压破碎带对工程影响巨大,如果不能正确评价挤压带的力学参数及利用性,将直接影响施工处理措施,甚至影响对未来混凝土重力坝及相关设施的安全运营。而根据现场调查及试验结果,挤压破碎带受开挖、爆破影响大,暴露条件下松弛严重,规范规定的常规现场变形试验方法获得的变形模量极低,无法获得原位条件下破碎带的变形参数,使评价破碎带可利用性、准确获得置换及保留质差岩体空间位置等方面遇到了巨大难题和挑战,成果直接关系向家坝水电站这一世界级工程的成败。有鉴于此,论文开展了现场特大型变形试验仪器研制、盖层条件下变形模量计算公式推导等方面的研究,主要取得了以下成果:
　　 (1)在现场开挖坝基详细调查、测量的基础上,结合前期勘探资料揭露成果,通过建立三维空间模型,准确获得了左岸挤压破碎带空间发育特征,准确确定了破碎带在开挖坝基中的出露位置及建基面以下分布位置。
　　 (2)通过现场调查及试验结果,确定了左岸挤压破碎带的组成物质、性状、结构特征等基本要素,为评价破碎带力学参数奠定了基础。
　　 (3)针对开挖揭露的破碎带开展了规范规定的常规刚性承压板法现场变形试验,揭露了破碎带改变赋存环境条件下松弛严重、模量低的特征,以常规试验方法难以获得原位条件下破碎带的变形参数。
　　 (4)以水利水电工程岩石试验规程中规定的现场刚性承压板法变形试验为基本理论依据,开展了现场特大型变形试验仪器的设计,设计的仪器可在现场开展承压板面积5000cm2,最大出力450吨的变形试验。
　　 (5)为了确保较为准确的获得破碎带原位条件下的变形模量,在现场开展特大型变形试验过程中,应在破碎带上部保留一定厚度的盖层予以保护,防止破碎带发生松弛导致获得的变形模量失真,论文根据弹性力学理论,推导了盖层条件下破碎带变形模量计算的理论公式。
　　 (6)利用设计的仪器,现场开展了不同盖重条件下破碎带的特大型变形试验,获得了不同盖重条件下破碎带的变形模量,并采用三维有限元软件计算、分析,获得不同深度岩体中的应力量值及变形量,计算结果与试验结果较为一致,证明了试验方法和计算公式的合理性和准确性。
　　 (7)根据试验结果,对不同环境下挤压破碎带及影响带的变形模量进行综合取值。