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我国已在西部金沙江、雅鲁藏布江规划和兴建了一系列水利水电工程,但这些水电站集中在岩体环境构造复杂、地质环境脆弱的西部深山峡谷,其规模和建设难度都是空前的。其中大多数采用大型或超大型地下洞室群作为主要的水工建筑物,且地下厂房洞室的规模巨大,在如此之大的地下空间中,某些洞室群的选址很难回避所揭露的层间错动带。在工程实践中认识到,夹杂有层间错动带的岩体强度往往具有不均匀性,在开挖卸荷过程中应力重分布变形、破坏发生在其最薄弱的部位。考虑到其赋存环境条件,对于埋藏位置较深的层间错动带,其所处地应力较大,高压力试验条件下(一般指法向压力大于1 MPa)会获得与低压力条件下不同的力学特性;此外,受降雨和水文地质条件的影响,地下水位的变化会造成层间错动带含水率的变化。从工程角度看,在大型工程施工期前,需要采用防渗帷幕或排水等截(导)流工程措施来减少施工区的水流,从而导致层间错动带中含水量的降低。含水率的减低可能会引起层间错动带水理学性质的差异。鉴于此,本文以白鹤滩水电站地下厂房区域所揭露的层间错动带为背景,研究工作主要集中在以下几个方面:
(1)进行了白鹤滩地区层间错动带现场取样工作,针对原状样不易取得的问题,利用研发的可开合的取样工具和适合现场条件的取样方法,取得原状样后获得其工程地质特性:层间错动带是岩石向土转化的中间产物,颗粒粒径分布极不均匀;不同位置孔隙比相差较大但一般较低,其孔隙比变化范围在0.3~0.67之间;天然含水率较低,但地下水位的变化易导致其含水率的变化。
(2)基于现场应力状态的三轴试验,层间错动带的应力-应变曲线和破坏模式主要由高围压控制,其次是饱和度和孔隙比。其应力-应变关系曲线均为应变硬化型,破坏后呈腰鼓状为塑性破坏,并用颗粒破碎理论解释了高饱和情况下剪切强度随围压增大而降低的现象;并针对其体积变形特点,开发了三轴试验条件下的体积变形装置。
(3)研发了适应现场地应力条件的高压直剪盒,并通过环剪与反复直剪试验,对比了原状样和重塑样之间力学性质的差别,讨论了不同因素对其残余强度的影响,并指出颗粒破碎是层间错动带在高压情况下残余强度非线性的根本原因;根据以上试验,建立了适用于工程现场条件的残余强度初步预测公式。
(4)利用滤纸法对其水理学特性进行了分析,并通过压汞法(MIP)对试验结果进行解释分析,探讨了不同初始孔隙比和颗粒粒径分布影响下的层间错动带水理学特性。不仅利用通用公式对结果进行了拟合,并发现仅用两个物理特性指标含水率和D60即可确定出试样的吸力。
(5)基于层间错动带的三轴(剪切)试验结果,建立了合理的模型对含有层间错动带的大型地下洞室(白鹤滩左岸地下厂房)进行整体稳定性分析,研究了在地下厂房开挖过程中层间错动带及围压的变形、塑性区的演化规律,结合分析结果,给出了相应的工程建议。