白鹤滩水电站地下厂房爆破累积损伤效应研究.pdf

第 3 5卷第 3期 2 0 1 8年 9月 爆破 BLASTI NG Vo J ． 3 5 No． 3 Se p． 201 8 d o i 1 0 ． 3 9 6 3 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 7 X ． 2 0 1 8 ． 0 3 ． 0 0 3 白鹤滩水 电站地下厂房爆破 累积损伤效应研究 术 李 新 平 h ， 侯lb 罗 h ， 黄 俊 红 ， 赵 航 ” ， 徐 鹏 程 ， 孙昌 忠 。 1 ． 武汉理工大学 a ． 道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室I b ． 土木工程与建筑学院， 武汉 4 3 0 0 7 0 ； 2 ． 中国水利水电第九工程局有限公司， 贵阳 5 5 0 0 8 1 ； 3 ． 中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司， 宜昌4 4 3 0 0 2 摘要 结合 白鹤滩水 电站地下主厂房 围岩超声波测试 结果， 研究 了地下工程隧洞围岩在循环爆破荷载作 用下的累积损伤效应。结果表明 隧洞围岩在爆破开挖作用下的松弛范围为 0 ． 8～1 ． 6 m， 并且随着爆破次 数的增加而范围有逐渐扩大的趋势； 随着爆破次数的不断增加， 岩体声波速度逐渐降低， 损伤度 D呈现出非 线性累积规律 ； 随着与爆源距离的增大， 岩体爆破损伤程度受爆破循环荷载作用的影响减小， 累积损伤效应 相对不明显； 对比发现侧壁和拱顶测孔的测试结果存在较大差异 ， 说明爆破作用下岩体损伤具有各向异性的 特征。在 H o c k B r o w n强度准则的基础上， 提出了更适用于损伤岩体的考虑累积损伤效应的岩体力学参数计 算公式 ， 并运 用现场测试数据验证 了公式的工程适 用性及合理性 。 关键词 地 下厂房 ；声波测试 ；累积损伤 效应 ；H o c k B r o w n强度 准则 中图分 类号 T V 5 4 2 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 8 0 3 0 0 1 4 0 7 S t u d y o n Cu mu l a t i v e Da ma g e Effe c t u n d e r Bl a s t i n g Lo a d i n Un d e r g r o u n d Po we r h o u s e o f Ba i h e t a n Hy d r o p o we r S t a t i o n L I Xi n - p i n gh ，HOU Pa n ， LUO Y i h，HU A NG J u n h o n g ， Z HA O Ha n g ， XU pm g c h e n g ， SUN Ch a n g z h o n g 1 ． a ． H u b e i K e y L a b o r a t o r y o f R o a d w a y B r i d g e a n d S t r u c t u r e E n g i n e e ri n g ； b ． S c h o o l o f C i v i l En g i n e e rin g a n d Ar c h i t e c t u r e， W u h a n Uni v e r s i t y o f Te c hn o l o g y， W u h a n 4 3 0 0 7 0， Ch i n a； 2． S i n o h y d r o Bu r e a u 9 Co L t d， Gu i y a n g 5 5 0 08 1， Ch i n a；3． Ch i n a Ge z ho u b a Gr o u p Th r e e G o r g e s C o n s t r u c t i o n E n g i n e e ri n g C o L t d ， Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2 ， C h i n a Abs t r a c t C o mb i n e d w i t h u l t r a s o n i c t e s t i n g r e s u l t s ， t h e c u mu l a t i v e d a ma g e e f f e c t o n s u r r o u n d i n g r o c k o f u n d e r g r o u n d e n g i n e e rin g u n d e r b l a s t i n g l o a d r o u n d w a s s t u d i e d b a s e d o n t h e i n - s i t u s o u n d w a v e t e s t i n g r e s u l t s i n t h e a n -- d e r gro u n d ma i n p o w e r h o u s e o f B a i h e t a n Hy d r o p o we r S t a t i o n ． I t i s f 0 u n d t h a t t h e l o o s e c i r c l e o f t u n n e l s u r r o u n d i n g r o c k u n d e r t h e e f f e c t o f b l a s t i n g e x c a v a t i o n r a n g e f r o m 0 ． 8 m t o 1 ． 6 m ， a n d t h e l o o s e c i r c l e t e n d e d t o e x p a n d g r a d u a l l y a s t h e n u mb e r o f b l a s t i n g i n c r e a s i n g ； t h e a c o u s t i c wa v e v e l o c i t y g r a d u a l l y d e c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s i n g o f b l a s ri n g t i m e s ， a n d t h e d a m a g e d e gre e Dp r e s e n t e d a r u l e o f n o n l i n e a r c u m u l a t i o n ． T h e b l a s t i n g d a ma g e d e g r e e d e c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s i n g o f d i s t a n c e， a n d g r a d u a l l y b e c a me i n d i s t i n c t ． Th e me a s u r e d s i d e wa l l r e s u l t s w e r e d i f f e r e n t fr o m t h o s e o f t o p a r c h ， wh i c h i l l u mi n a t e d t h a t d a ma g e o f r o c k ma s s u n d e r b l a s t i n g l o a d wa s a n i s o t r o p i e ． O n t h e b a s i s o f t h e Ho c k B r o w n s t r e n g t h c ri t e ri o n， t h e f o r mu l a i s p r o p o s e d f o r mo r e s u i t a b l e f o r c a l c u l a t i n g r o c k n l a s s me c h a n i c s p a r a me t e r s o f d a ma g e d r o c k ma s s c o n s i d e r i n g c u mu l a t i v e d a ma g e e f f e c t ． T h e a p p l i c a b i l i t y a n d r a t i o n a l i t y o f t h e f o r mu l a a r e p r o v e d b y t h e i n s i t u s o u n d wa v e t e s t i n g d a t a ． Ke y wo r ds u n d e r gro u n d p o w e r h o u s e；s o u n d wa v e me a s u r e me n t ；c u mu l a t i v e d a ma g e e f f e c t ；Ho c k B r o w n s t r e n g t h c ri t e rio n 第 3 5卷第 3期 李新平， 侯潘 ， 罗忆， 等 白鹤滩水电站地下厂房爆破累积损伤效应研究 1 5 白鹤滩水电站位于金沙江下游 四j i I 省宁南县和 云南省巧家县境 内， 是我国西电东送 的骨干电源点， 也是我国继长江三峡工程 、 溪洛渡水 电站之后开展 前期工作的又一座千万千瓦级的水 电站。白鹤滩水 电站将开挖建成世界最大的地下厂房 ， 由于是属于 深埋地下洞室 ， 具 有围岩条件较差 ， 地质情况复杂， 地应力较高， 节理裂隙较多等特点。 由于地下洞室开挖多采用爆破的方法 ， 因此在 爆炸荷载 爆轰波和爆生气体 作用下， 洞室 围岩会 在一定范围内受到不 同程度的扰动和损伤 ， 从而导 致岩体完整性降低， 岩体力学参数弱化， 对围岩整体 的稳定性造成了一定的威胁。由于每次爆破均对影 响范围内的围岩造成一定的扰动 ， 因此 ， 围岩在多次 爆破作用下会产生损伤累积效应。所谓损伤累积效 应 ， 是相对首次破坏而言的。累积损伤概念通常用 在材料疲劳断裂破坏方面 ， 是指随荷载作用次数递 增的过程⋯。因此 ， 岩体在爆破荷载作用下 的累积 损伤效应是多次爆破荷载作用下损伤状态的动态叠 加过程 ， 同时关联其他性 质与状态指标 岩体物理 力学参数 、 岩体完整性等 互动变化 ， 是岩体受爆破 动荷载作用 的动态体现。 岩体爆炸损伤力学模型历来是 国内外学者关注 的热点和难点问题 之一 。在过 去的几十年间 ， 经过 各 国学者的不懈努力 ， 这方面的研究取得 了很大进 展。美国国家实验室从 2 0世纪 8 0年代初就开展了 岩石爆破损伤模型的研究 。K i p p l 2 J 、 G r a d y 、 T a y l o r 和 K u s z m a u l 等开创性的提出了一些损伤模型 。 T h o r n e 、 卢文 波 J 、 Y a n g 、 L i u等又 对 以上模 型 进行 了一些改进和修正 ， 使其更接近工程实际 。 在对单次爆破造成岩体损伤机理 的研究取得了 一 定 的成果后 ， 不少研究学者开始关注岩体在多次 爆破荷载作用下 的循环 累积损伤效应 。N G a t e l i e r 等对多孔砂岩进行 了准静态单轴和三轴状态的循环 加载试验 ， 研究了各向异性对材料 的峰值损伤的 影响 ， 定量分析了不可逆应变和模量 的变化随累积 损伤的关 系。罗忆等通过 比较乌东德水电站导流洞 的实测数据 以及数值模拟计算结果发现 ， 考虑累 积损伤的计算结果无论是爆破振动速度还是围岩变 形均更接近于实测值 ， 得 出对爆破开挖 的分析模拟 收稿 日期 2 0 1 8 0 4 0 4 作者简 介 李新平 1 9 6 3一 ，男 ，湖北省天 门县人 ， 武汉 理工大学土 木工程与建筑学院教授 、 博士 ， 主要从事 裂隙岩体 力学特 性 、 爆破控 制技 术 与爆 破效 应 方 面的 教学 与研 究 工作 ， E m a i l x i n p i n g l i w h u t ． e d u ． c n 。 基金项 目 湖北省 自然科学基金 2 0 1 5 C F A 1 3 6 ； 国家 自然科学基金 5 1 3 7 8 5 0 0 中应考虑 围岩 的多次循环爆破 累积损伤效应 的结 论 。潘 城 利 用 A N S Y S／ L S D Y N A 的 重 启 动 技 术 ， 通过损伤云图和损伤变量 D的变化 ， 对圆形 巷道循环进尺过程中爆破作用下的岩体累积损伤效 应 的非线性特征进行 了研究。 在实际工程运用 中， 如何对岩体的爆破损伤程 度进行评价 ， 对保证地下工程安全 、 指导围岩支护工 作具有重要意义。在 众多岩体爆破 损伤评价方 法 中， 地球物理检测方法是 比较直接而又精确 的方法 之一。其 中， 应用 最 多 的是声 发 射 与 超 声 波 法。 M e g l i s 等人 基 于超 声 速 度 和 振 幅 对 裂 纹 的 敏 感 性 ， 应用超声层析成像现场测试方法研究 了加拿 大原子能地下实验隧道开挖诱发 的围岩损伤问题 ， 得到了围岩损伤程度和损伤分布规律。闫长斌采用 现场试验 、 理论推导与数值模拟相结合的方法 ， 从细 观和宏观两个层面 出发 ， 对爆破作用下岩体 累积损 伤效应及其稳定性问题进行了深人系统的应用基础 研究 1 4 ] 。肖建清等基于松动圈的现场测试结果 ， 研 究声波波速沿孔深的变化规律 以及爆破施工对于松 动圈的影响 。 综上所述 ， 国内外对岩体爆破累积损伤 的研究 以数值模拟及模型试验居多， 但结果往往与现场实 际开挖有所差距 。针对这一 问题 ， 跟踪现场爆破开 挖进度 ， 进行现场实地监测 ， 研究岩体在多次爆破循 环影响下的损伤累积效应及相关岩体力学参数劣化 现象的规律 ， 为地下工程 围岩支护的时机选择 以及 支护方式提供参考。 1 基于声波测试的损伤模 型研究 在地下工程岩体开挖过程 中， 由于多次爆破 的 影响， 岩体的完整性降低 ， 并 出现不同程度 的损伤 ， 伴随着岩体力学参数的劣化 ， 岩体表现出破碎 、 松弛 等特性。多次爆破所产生的动荷载对岩体造成损伤 是由远及近不断累积的， 在越靠近爆源的区域围岩 松动、 破碎的现象越 明显 。而如何量化这种爆破荷 载造成的损伤及岩体参数 的劣化 ， 一直 以来 是岩石 力学界研究学者 比较关注的难题 。 H o e k E和 B r o w n E T在修正的 G r i ff i t h理论基 础上u ， 凭借 自己在岩石力学方面深厚的理论功底 和丰富的实践经验 ， 通过对大量岩石三轴试验资料 和岩体现场试验成果的统计分析 ， 用试错法导 出了 岩块和岩体破坏时极限主应力之 间的关系式 ， 即为 H o e k - B r o w n强度准则。 ， 丽 1 式 中 O - 、 o r 为岩体破坏时的最大 、 最小主应力 1 6 爆破 2 0 1 8年 9月 压应力为正 ， M P a ； Or 为无 损岩体 的单 轴抗压强 度 ， MP a 。 传统的 Ho e k ． B r o w n强度准则优点突出， 但还存 在一定 的不足 难 以准确确定准则 中的参数 ， 没有考 虑第二主应力的影响， 对破碎岩石适用性较差等。 因此 ， Ho e k等对此公式进行 了多次修正。2 0 0 2年， H o e k E， B r o w n E T在广义 H o e k ． B r o w n准则 的基础 上 ， 对 与 岩体 质 量 有 关 的参 数 提 出 了一 些 新 的 公式Ⅲ 。 1 3 c m b 、 or l r GS，一 1 001 m m P 【 J ⋯ r GS，一 1 0 01 P 【 J e 一⋯s 一 s ⋯ 一 ⋯ 式 中 G S I 是地质强度指标 ， 可由 B i e n i a w s k i 建 议的 R MR值确定或 由 B a r t o n建议 的 Q值确定 ； m 为取决于岩石类型的系数 ； D为损伤变量 。 朱传云基于声波法建立 了岩体损伤度 、 岩体完 整性系数和声速降低率 之间的关系 D 1一鱼 E o 1 一 景 1 一 1 一 1 一 叼 3 式中 E 。 为爆破前岩体的弹性模量； E为爆破后 岩体的等效弹性模量 ； 。 为爆破前岩体 的声波速度 ； 为爆破后岩体的声波速度； 叼是岩体受爆破影响后 声波速度的降低率 T 1 1 一 v ／ v 。 。我国 水工建筑 物岩石基础开挖工程技术规范 S I A 7 _ _ 9 4 中对岩 体的爆破破坏规定 ， 当 卵1 0 ％时 ， 即判定岩体发生 松弛破坏 ， 属于松弛范围， 对应的岩体损伤 阈值 D 0．1 9。 目前大多数岩土工程软件都是依据 M o h r - C o u l o m b破坏准则 编写 的， 而在 Mo h r C o u l o m b准则 中， 岩体强度通过粘聚力 c 和内摩擦角 表征。针对这 种情况 ， H o e k于 2 0 0 2年也提 出了相应的岩体强度 估算方法。 D si n 对于 Or ， 当在 隧道工程 中使 用 H o e k B r o w n 岩体强度估算公式时， 有 Or- o ．7 2 T H 5 m ＼ ， 式中 为岩体的容重 ； 为隧道的埋深。 令式 1 中的 ， 0， 即可求得岩体单轴抗压 强度 ， 有 。 S 。 6 岩体变形模量参数是岩体 的重要力 学指标之 一 。实践表明， 由于岩体 中节理等软弱结构面的存 在以及爆破开挖作用对岩体 的损伤 ， 岩体的变形模 量 比室内测定 的岩块 的变形模量低得多， 即实际工 程中的变形模量要考虑岩体 的损伤程度。H o e k提 出了考虑岩体损伤的岩体变形模量 E 的公式为 Ef 一 √ 。 0 GSI-IO／gO ≤ 00 【 1 一 1 0 0 】 Or ≥ 1 0 0 M P a 7 2 现场测试方法及研 究方 案 2 ． 1 现场测点布置 白鹤滩水 电站地下洞室群 主要包括 主副厂房 洞、 主 变 洞 、 尾 水 调 压 室 等。主 副 厂 房 洞 尺 寸 4 3 9 m x 3 2 ． 2 ／ 2 9 m x 7 8 ． 5 m 长 x宽 x高 ， 主变洞 尺寸 4 0 0 m x 2 0 ． 5 m x 3 3 ． 2 m 长 宽 高 。白鹤 滩水电站坝区主要 出露二叠系上统峨眉山组玄武岩 和三叠系下统飞仙关组砂页岩。坝基及地下洞室群 均布置在峨眉山组玄武岩上。 超声波测试孔布置情况见图 1 ， 测孔 1和测孔 3 布置在隧洞侧墙上 ， 测孔 2和测孔 4布置在隧洞顶 墙上。采用单孔测试 ， 孔深为 9 m， 孔径为 6 5 mm。 测孔 2 ， ， ， 、 、 、 ，／ ，／ 、 [ 2 1 2 -I- 6 a m警 ] 仅 6 m 6 3 钡 0孑 I．3 [ 1 2 a s 1 m 6 3 ] m 6 o r 3 一 4 式 。 图 1 超声波测孔布置 图 Fi g ． 1 La y o ut o f me a s u r i n g p o i n t s 2 ． 2 测试仪器及原理 目前 ， 岩体声波测试方法主要有透射法 、 折射法 第 3 5卷第 3期 李新平 ， 侯潘， 罗忆 ， 等白鹤滩水电站地下厂房爆破累积损伤效应研究 1 7 和反射法。现场声波测试常用钻孔法 ， 该法又分为 单孔测试和跨孔测试两种方式。跨孔测试一般属于 透射波测试法。单孔测试属于折射波测试法 ， 其测 试原理如 图2所示 。 图 2单孔测试法测试 原理 F i g ．2 P r i n c i p l e o f s i n g l e p o i n t me a s u r i n g me t h o d 接收探头 1与接收探头 2之 间的距 离一定 ， 设 为 ， 测试时从仪器显示 的波形图上读 出纵波在 两 个探头之间传播经历的时间差 △ ￡ ， 即可得到纵波平 均传播速度 △ f 8 本 次 声 波观 测 仪采 用 武汉 岩海 公 司生 产 的 R s s c非金属声波检测 仪配 5 0 k H z 径 向换 能 器。该仪器采用 内置式 5 8 6工业级 电脑 ， 其声 时测 读精度为 0 ． 1 s ， 声幅准确度为 3 ％ ， 单道最大采样 长度为 2 k 。 2 ． 3研究方案 现场测试时 ， 用水作为耦合介质 。先用鼓 风机 将测孔吹干净 ， 然后将探头放入测孔 中， 连接水管 ， 用气囊堵塞测孔孔 口。用气筒对气囊加气， 同时用 小水泵 向测孔中注水 ， 当测孔中充满水时， 可测量此 时两探头对应段 的声波传播速度。然后 ， 将气囊 中 的气放 出， 将 探头 向孔 口移 动 2 0 c m， 再 对气囊 充 气 ， 对测孔注水 ， 完成第 2个测点测试。用此方法在 爆破前 对每个测孔进行 了声波测试 ， 其结果如 图 3 所示。在 白鹤滩水 电站右岸地 下主厂房施工 过程 中， 先对所有声波孔进行一次测试 ， 以探明既有开挖 对围岩造成扰动及损伤。然后在随后的八次爆破开 挖过程 中， 每次爆破后 即对所有声波孔进行一次测 试 ， 分析爆破循环对 围岩损伤累积的作用 ， 为以后 的 围岩开挖的支护工作提供一定 的依据。 3 爆破循环对围岩累积损伤的影响分析 3 ． 1声波速度降低规律分析 由图 3可知， 既有爆破开挖已对岩体造成一定 的扰动 ， 松动圈已在一定范 围内形成。 由式 8 知 ， 测孔 1 、 2 、 3 、 4在既有爆破开挖作用下形成的松弛范 围分别为 0 ． 8 m、 1 ． 0 m、 1 ． 2 m、 1 ． 4 m。测孔 3 、 4的 松弛范围比测孔 1 、 2范 围大 ， 说 明既有开挖爆破对 测孔 3 、 4处 围岩松动造成的影响更大 ， 由测孔布置 图 1可知 ， 测孔 3 、 4处及附近围岩 已开挖完毕 ， 相对 于测孔 l 、 2而言已经受了多次爆破循环影响 ， 因此 ， 围岩松动、 裂隙扩张 的情况更普遍 。从 图 3中可看 出， 波速并不是随着孔深而逐渐增大 ， 而是到了一定 深度之后会出现波动的情况 ， 这可能是在岩体中存 在着一些微孔洞或节理裂隙造成的。 f 砷 ● 吕 图 3 爆破前各测孔 的波速 随深度的变化情况 Fi g．3 Te n d o f a c o u s t i c v e l o c i t y wi t h h o l e de p t h a l o ng v a r i o us b o r e ho l e s be f o r e b l a s t i n g 四次循环爆破后 ， 各测孔 的声波测试结果如图 4所示 。经过四次循环进尺后 ， 测孔 1 、 2 、 3 、 4的松 弛范围分别增大至 1 m、 1 ． 2 m、 1 ． 4 m、 1 ． 6 m。经过 四次爆破循环后 ， 松动区范围扩大 ， 裂隙区的波速降 低 ， 围岩内部裂纹有所扩 展， 岩体力 学性能显著 劣 化。随着爆心距的增大 ， 岩体受爆破循环作用的影 响越小 ， 说明爆破 冲击波在岩体传播 中随距离的增 加而衰减越明显 。另一方面 ， 随着爆破次数的增加 ， 松弛范 围变大 ， 裂隙区波速降低 ， 但是波速变化具有 非线性， 说明爆破循环造成的损伤累积具有非线性 特征。 6 0 00 5 0 00 40 00 昌 函 3 0 0 0 2 0 00 1 0 00 O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 孔深 ／ m 图 4 四次爆 破循环后各测孔的波速随深度 的变化情况 Fi g ．4 Te n d o f a c o u s t i c v e l o c i t y wi t h h o l e d e pt h a l o n g v a r i o u s b o r e h o l e s a f t e r f o u r t i me s b l a s t i n g r o u n d s 八次循环爆破后 ， 各测孔的声波测试结果如 图 5所示。测孔 1 、 2的松 弛范 围分别 变 为 1 ． 2 m n 、 1 8 爆破 1 ． 4 m。 而测孔 3 、 4的松 弛范围仍为 1 ． 4 m、 1 ． 6 m。 经过多次循环进尺后 ， 爆源离测孔 3 、 4距离较远 ， 爆 破产生的爆炸冲击波已大幅衰减 ， 对 3 、 4测孔所在 断面的岩体基本不再产成损伤累积效应 。随着与爆 源距离的增大 ， 岩体爆破损伤程度减小 ， 松弛范围变 化不明显。说明与爆源距离越远， 爆破作用对岩体 松弛范围的影响越小。 f 田 ● g 燃 图 5 八次爆破循环后各测孔的波速随深度的变化情况 F i g ．5 T e n d o f a c o u s t i c v e l o c i t y w i t h h o l e d e p t h a l o n g v a rio us bo r e ho l e s a f t e r e i g ht t i me s b l a s t i ng r o u n ds 将 隧洞顶部测孔与侧壁测孔进行对 比可知 ， 顶 部测孔2 、 4显然比同一断面的侧壁测孔 1 、 3 的松弛 范围更大 ， 波速更低。在爆破循环作用下 ， 顶部岩体 受的扰动更大 ， 裂纹扩展的范围更大 ， 这可能是拱顶 与侧壁岩体 中存在的初始结构 如节理 、 裂隙等 的 各向异性特征造成 的， 说 明了爆破循环作用下岩体 受损伤的各 向异性特征。 3 ， 2 损伤分析 由式 3 知 ， 爆破循环对岩体造成的损伤可用 声速变化率来描述。为了研究 白鹤滩地下厂房开挖 围岩 的损伤累积规律 ， 则要避开已发生损伤破坏 的 岩体 ， 因此选取松弛范围之外的 4 ． 0 m至 5 ． 0 m范 围进行分析， 图6 、 7 、 8 、 9分别给出了各测孔累积损 伤度与爆破次数之间的关系曲线 。从 图中可看出 ， 岩体累积损伤度随爆破 次数而单调递增 ， 这说 明岩 体在爆破循环作用下 ， 岩体不断劣化 ， 损伤程度不断 增强。并且 ， 在 图 6 、 7中， 损伤度 D随着爆破次数 的增加呈现出先增长较快后增长趋于平缓 的趋势 ， 具有较明显的拐点 ， 是一种非线性的递增趋势 ， 说 明 岩体损伤累积具有非线性特征 。从 图 8 、 9可看出 ， 增长 曲线并不具有 比较 明显 的转折 点， 原因主要是 测孔 3 、 4离爆源距离较远 ， 并且开挖掌子面已通过 了此断面较远距离 ， 经过多次爆破 的影响及扰动后 ， 岩体达到新的较稳定的平衡状态 。 Q 图 6 测孔 1 损伤度变化曲线 F i g ．6 Cu mu l a t i v e d a ma g e c u r v e o f me a s u rin g p o i n t 1 Q 图 7 测孔2损伤度变化曲线 F i g ．7 Cu mul a t i v e d a ma g e c u r v e o f me a s u r i n g p o i nt 2 O l 2 3 4 5 6 7 8 爆破次数 图 8 测孔 3损伤度变化曲线 F i g ．8 C u mu l a t i v e d a ma g e c u r v e o f me a s u rin g p o i n t 3 Q 图 9 测孔 4损伤度变化曲线 F i g ．9 Cu mu l a t i v e d a ma g e e u l v e o f me a s u rin g p o i n t 4 3 ． 3 岩体强度参数分析 对于质量较好的岩体 G S I 2 5 ， H o e k等建立 ∞ 埽 2 H m 憾 心 m 吣 0 O O 0 O 0 Q 第 3 5卷第 3期 李新平 ， 侯潘， 罗忆 ， 等白鹤滩水电站地下厂房爆破累积损伤效应研究 1 9 了 G S I 值与R M R值之间的对应关系 “ 当 R MR 7 6 ≥1 8时 ， 有 G S I R MR 9 式 中 R MR 为 由 1 9 7 6年版本 的 R MR系统取 值 。 当 R MR 。 。 ≥ 2 3时， 有 G S IR MR 8 95 1 0 式 中 R MR 。 为 由 1 9 8 9年版本 的 R MR系统取 值 。 当 R MR 7 6 1 8或 R MR 8 9 2 3时， G S I 可由下式 获得 O ． ． 土 、 ．， J 。 S R F 1 1 G S Il n Q4 4 式 中 ．， 为节理组数 ； J ， 为节理粗糙 系数 ； J 。为 节理蚀变系数 ； S R F为应力折减 系数 ； R Q D为岩石 质量指标 ； ． ， 为节理水折减系数。 但是 H o e k - B r o w n经验公式 只考虑 了未扰动 和 扰动岩体两个极端情况 ， 而不考虑岩体实际受扰动 程度对岩体力学参数弱化程度的影响， 必然导致计 算结果与工程实际的偏差。地质强度指标 G S I 反 映的是岩石的强度质量信息， 但是在爆破开挖过程 中， 岩石的质量并不是一成不变的， 由于扰动及累积 损伤的作用 ， 岩体质量指标也应随之发生变化。 挪威岩土工程研究所 B a r t o n等提出过 Q值 、 岩 体纵波波速 v p 、 R MR 8 9 和 G S I间存在如下关系 Q 1 0 1 2 R MR 8 9 l 5 l g Q5 O 1 3 将式 1 2 代入式 1 3 可得 R MR 8 9 1 5 一2 ． 5 1 4 当 R MR ≥ 2 3时 ， 将式 1 4 代入式 1 0 可得 G S I 1 5 一7 ． 5 1 5 因此建立 了纵波波速与 G S I 之间的直接关系。 再将式 1 5 代入式 7 ， 则有岩体的变形模量为 Ef 一 √ ‘ 0 1 ” 5 ≤ 0 M 【 1 一 D 1 0 15 17l5 ≥ 1 0 M P a 1 6 为验证式 1 6 的合理性 ， 将 由此公式得 出的计 算结果 与改进前 的 H o e k ． B r o w n经验强度准则的结 果进 行 对 比。H o e k B r o w n强度 准则 中， G S I由式 1 O 确定 ， 根据现场统计 资料 ] ， R MR取值为 7 4 。 作图分析测孔 2在 5 ． 0 m深度处变形模量随爆破次 数的变化如图 l 0所示。 Q 图 1 0 测孔2变形模量变化曲线 Fi g ．1 0 De f o r ma t i o n mo d u l u s c u r v e o f me a s u r i n g p o i n t 2 从图 1 O中可以看出， 本文方法计算得到的岩体 变形模量 比 H o e k ． B r o w n经验强度准则计算得 出的 结果随爆破次数的增加而变化的幅度大的多。原因 是 H o e k ． B r o w n经验强度准则计算时岩体地质强度 指标等参数取值时没有充分考虑到爆破开挖对岩体 力学参数的逐渐弱化作用， 无法体现岩体变形模量 在爆破荷载作用下 的劣化趋势。 本文的计算结果与 H o e k ． B r o w n经验强度准则 计算得出的结果总体偏小 ， 这是 因为 H o e k B r o w n经 验强度准则中的岩体地质强度指标是按岩体处于未 扰动状态处理的 ， 导致计算的结果偏小 ， 而根据现场 工程地质调查可知 ， 白鹤滩水 电站地下厂房的岩体 较为破碎 ， 节理发育程度较高 ， 爆破开挖对岩体 的扰 动作用较大 ， 因此本文提出的公式 的计算结果更符 合地下工程的实际情况 。 由式 1 6 得到各测孔 5 ． O m处的变形模量如图 1 1所示 。由图 1 1可看 出， 各测孔的变形模量 随爆 破次数的增加总体呈现递减趋势 ， 但递减是非线性 的， 表现出开始递减较快 ， 后递减趋势较缓 的特征。 说明岩体在爆破循环荷载作用下 ， 岩体 中的微裂纹 被激活 ， 从而造成分枝裂纹的发生、 扩展与成核 ， 形 成主裂纹 ， 主裂纹又汇聚成裂纹 网， 进而形成宏观裂 纹 ， 导致岩体参数劣化 ， 直观表现即为变性模量的逐 渐降低。而测孔 1 、 2的降低幅度分别为3 4 ％、 2 7 ％ 明显高 于测孔 3 、 4的 1 9 ％ 、 2 1 ％ 的降低 幅度 ， 说 明 爆破荷载对 岩体 扰动 的作用 随距离 增加而 明显减 弱。测孔 1 、 3的降低幅度明显高于测孔 2 、 4的降低 幅度 ， 说明围岩侧壁比围岩顶拱受损伤程度更大 ， 体 现了岩体损伤的各向异性特征。运用公式 1 6 算 出的变形模量变化趋势与前文波速及损伤度变化趋 势具有较高的一致性 ， 说明本文的计算方法具有较 高的可靠性及合理性 。 4 结论 1 对白鹤滩水电站地下 厂房现场测得 的波速 2 0 爆破 2 0 1 8年 9月 数据进行分析 ， 结果表明， 松弛范围内的波速时高时 低 ， 相差较大 ， 总趋势是从某 一深度 向孔 口迅速 降 [ 5 ] 低 ； 原岩体内的波速随深度变化不大， 在某一均值附 近摆动。 3 2 2 8 2 4 1 2 8 4 O 1 2 3 4 5 6 7 8 爆破次 数／ 次 [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] 图 1 1 5 ． 0 m处各测孔变形模量变化曲线 F i g - 1 l D e f 0 n n a t i 。 n m。 d u l u s c u r v e 0 f e a c h [ 8 ] me a s u r i n g po i n t a t 5． 0 m d e p t h 2 随着爆破