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西南地区山高谷深,地形地貌复杂,是我国水电资源的主要集中地区,规划建设有多座大型、巨型水电站。该地区区域构造背景复杂,构造活动作用强烈,水电站建设极易出现由高地应力引起的工程地质问题,其中,由高地应力释放所产生的高坝坝基岩体质量劣化是水电站建设过程中遇到的关键问题之一。由于坝基开挖后的岩体应力场变化难以准确预测,应力场的变化将引起坝基变形破裂,导致岩体质量劣化,严重影响坝基岩体质量和大坝稳定性。本文以小湾水电站坝基工程为例,从岩体结构特征及其赋存条件研究入手,以天然、开挖、改良措施、大坝浇筑等大坝建设全过程中的应力、变形等实测资料为基础,通过斜坡原始应力场、卸荷带分布、坝基开挖前后应力对比等研究,通过现场调研、数值模拟和监测结果分析,建立了一套较为完善的岩体质量动态评价体系。研究成果既达到了岩体质量动态评价的目标,又在坝基开挖岩体结构调查技术和坝基岩体松弛工程对策措施方面取得了一定进展,主要包括:
(1)提出了岩体质量具有随工程建设阶段动态变化特征的观点,认为坝基的岩体质量随着工程建设不同阶段而处于动态变化过程中。大坝的建设经历开挖卸载—固结灌浆—混凝土浇筑—水库蓄水过程,随着此过程坝基岩体结构对应经历松弛变形—填充固结—压缩变形或开裂变形的变化过程,与之对应的岩体质量也处于从劣化—逐渐恢复—劣化、恢复并存的动态变化过程中。
(2)提出岩体松弛强度的概念,据此建立了一套岩体松弛分带标准。根据建基面岩体的松弛发展情况,再根据钻孔内中缓倾角裂隙的位置、数量、张开宽度的统计分析结果,得到松弛岩体内裂隙累计平均张开位移随孔深变化曲线,提出了松弛强度的概念,用以反映岩体松弛的强烈程度。按松弛程度将坝基松弛岩体分为三带:松弛带、过渡带和基本正常带。
(3)初步建立了坝基岩体质量动态评价标准。为了定量评价岩体质量劣化和恢复程度,采用了劣化系数、恢复系数和离散系数建立了小湾水电站岩体质量劣化和恢复程度划分标准。根据RMR和BQ评价系统提出岩体质量动态评价体系,以小湾水电站天然状态下的岩体质量分级标准为基本标准,引入RMR和BQ系统动态评价岩体质量的动态过程,建立了小湾水电站坝基岩体质量动态分级标准。
(4)提出坝基开挖岩体强度参数确定方法。为了描述岩体质量动态变化特性,在小湾坝基岩体质量分级标准的基础上,引入能描述岩体质量动态变化的岩体声波速度、RMR和国标SQ评价标准,建立了E0-Vp经验公式,据此可以通过简易测试,确定岩体在不同阶段的变形强度,并按Hoek-Brown强度准则确定岩体强度参数。
(5)初步建立了松弛程度简易预测方法。通过对小湾水电站不同条件下岩体、岩石声波速度的统计分析,发现岩体越松弛,应力越低,波速越小;反之,岩体越完整,应力越高,波速越大。提出了岩体松弛程度系数的概念,即以岩体声波速度与岩石声波速度的比值预测岩体在开挖卸载条件下岩体的松弛程度,并据此建立了坝基岩体松弛程度分级标准,将岩体松弛程度分为强烈松弛、松弛和轻微松弛。
(6)提出了高地应力地区坝基松弛岩体支护措施的建议。总结分析了小湾水电站坝基卸荷松弛岩体的支护方法,认为开挖处理高地应力区由于卸荷形成的松弛岩体总体上弊大于利。其较好的处理对策措施为,清除表层强烈松弛岩体,根据监测成果选择适当时机浇筑混凝土,进行有盖重高压固结灌浆,并采取适当的措施进一步提高岩体的抗剪性能。
(1)提出了岩体质量具有随工程建设阶段动态变化特征的观点,认为坝基的岩体质量随着工程建设不同阶段而处于动态变化过程中。大坝的建设经历开挖卸载—固结灌浆—混凝土浇筑—水库蓄水过程,随着此过程坝基岩体结构对应经历松弛变形—填充固结—压缩变形或开裂变形的变化过程,与之对应的岩体质量也处于从劣化—逐渐恢复—劣化、恢复并存的动态变化过程中。
(2)提出岩体松弛强度的概念,据此建立了一套岩体松弛分带标准。根据建基面岩体的松弛发展情况,再根据钻孔内中缓倾角裂隙的位置、数量、张开宽度的统计分析结果,得到松弛岩体内裂隙累计平均张开位移随孔深变化曲线,提出了松弛强度的概念,用以反映岩体松弛的强烈程度。按松弛程度将坝基松弛岩体分为三带:松弛带、过渡带和基本正常带。
(3)初步建立了坝基岩体质量动态评价标准。为了定量评价岩体质量劣化和恢复程度,采用了劣化系数、恢复系数和离散系数建立了小湾水电站岩体质量劣化和恢复程度划分标准。根据RMR和BQ评价系统提出岩体质量动态评价体系,以小湾水电站天然状态下的岩体质量分级标准为基本标准,引入RMR和BQ系统动态评价岩体质量的动态过程,建立了小湾水电站坝基岩体质量动态分级标准。
(4)提出坝基开挖岩体强度参数确定方法。为了描述岩体质量动态变化特性,在小湾坝基岩体质量分级标准的基础上,引入能描述岩体质量动态变化的岩体声波速度、RMR和国标SQ评价标准,建立了E0-Vp经验公式,据此可以通过简易测试,确定岩体在不同阶段的变形强度,并按Hoek-Brown强度准则确定岩体强度参数。
(5)初步建立了松弛程度简易预测方法。通过对小湾水电站不同条件下岩体、岩石声波速度的统计分析,发现岩体越松弛,应力越低,波速越小;反之,岩体越完整,应力越高,波速越大。提出了岩体松弛程度系数的概念,即以岩体声波速度与岩石声波速度的比值预测岩体在开挖卸载条件下岩体的松弛程度,并据此建立了坝基岩体松弛程度分级标准,将岩体松弛程度分为强烈松弛、松弛和轻微松弛。
(6)提出了高地应力地区坝基松弛岩体支护措施的建议。总结分析了小湾水电站坝基卸荷松弛岩体的支护方法,认为开挖处理高地应力区由于卸荷形成的松弛岩体总体上弊大于利。其较好的处理对策措施为,清除表层强烈松弛岩体,根据监测成果选择适当时机浇筑混凝土,进行有盖重高压固结灌浆,并采取适当的措施进一步提高岩体的抗剪性能。