花岗岩蚀变土力学特性及其洞室围岩稳定性模糊评判.pdf

第 44 卷第 4 期2023 年 7 月华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of North China University of Water Resources and Electric Power(Natural Science Edition)Vol.44 No.4Jul.2023收稿日期:2022-06-09第一作者:王竹波(1971),男,高级工程师,从事水利水电工程施工技术及管理方面的研究。E-mail:。引用:王竹波,张艳艳,张红光,等.花岗岩蚀变土力学特性及其洞室围岩稳定性模糊评判J.华北水利水电大学学报(自然科学版),2023,44(4):76-82.WANG Zhubo,ZHANG Yanyan,ZHANG Hongguang,et al.Mechanical properties of altered granite soil and the fuzzy evaluation of surrounding rock stability of cavern J.Journal of North China university of water resources and electric power(natural sci-ence edition),2023,44(4):76-82.DOI:10.19760/j.ncwu.zk.2023047花岗岩蚀变土力学特性及其洞室围岩稳定性模糊评判王竹波1,张艳艳1,张红光1,刘云2(1.中国水利水电第十一工程局有限公司,河南 郑州 450001;2.河南新华五岳抽水蓄能发电有限公司,河南 信阳 465400)摘要:花岗岩蚀变带岩体软弱、破碎,工程维护面临诸多技术难题。以河南五岳抽水蓄能电站蚀变花岗岩土为研究对象,开展了固结排水三轴剪切试验,研究了自然含水状态下蚀变花岗岩重塑土的力学强度特性,并在试验结果的基础上运用模糊评判理论,分析了该土体各力学强度指标对洞室围岩稳定性影响的权重。结果表明:围压的改变会显著影响试样的剪切强度,围压应力水平愈大,剪切强度值愈高,黏聚力亦愈大;伴随的试样破坏形式主要表现为中间鼓出的塑性大变形特征;内摩擦角和泊松比是影响试样力学强度特性的主控因素,而变形模量的影响权重最小。关键词:蚀变花岗岩土;力学特性;围岩稳定性;重塑土;模糊评判中图分类号:TU41文献标识码:A文章编号:2096-6792(2023)04-0076-07Mechanical Properties of Altered Granite Soil and the Fuzzy Evaluation of Surrounding Rock Stability of CavernWANG Zhubo1,ZHANG Yanyan1,ZHANG Hongguang1,LIU Yun2(1.Sinohydro Bureau 11 Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,China;2.Henan Xinhua Wuyue Pumped Storage Power Generation Co.,Ltd.,Xinyang 465400,China)Abstract:The rock mass in the granite alteration zone is weak and fragmented,and engineering maintenance faces many technical difficulties.Taking the altered granite soil of Wuyue Pumped Storage Power Station in Henan Province as the re-search object,a consolidated drainage triaxial shear test was carried out to study the mechanical strength characteristics of altered granite remolded soil under natural water content.Based on the experimental results,the fuzzy evaluation theory was applied to analyze the weight of the influence of various mechanical strength indicators of the soil on the stability of the sur-rounding rock of the cavern.The results are as follows.Firstly,changes in the confining pressure can significantly affect the shear strength of the specimen.The greater the level of confining compressive stress,the higher the value of shear strength and the greater the cohesion.Secondly,the accompanying failure form of the sample is mainly characterized by large plastic deformation in the middle of the bulge.Thirdly,the internal friction angle and Poissons ratio are the main factors affecting the mechanical strength characteristics of the sample,while the influence weight of deformation modulus is the smallest.Keywords:altered granite soil;mechanical properties;surrounding rock stability;remolded soil;fuzzy evaluation实现“碳中和”的前提是“零碳”的电力,发展抽水蓄能对实现“零碳”目标至关重要1-3。在抽水蓄能电站工程中,地下水工隧洞是其重要的结构建筑物,开挖施工期间难免遭遇蚀变类岩层,严重制约工程施工的顺利推进。目前已有多处相关工程案例报道了水电工程施工中遭遇的严重蚀变岩层,比如北京青石岭水电站、二滩水电站、广州抽水蓄能电站以及河南天池抽水蓄能电站等4-8,此类岩体导致各类工程出现治理难题。不难发现,岩体蚀变原因在于,特殊水力环境下的地下水对岩层的物理化学侵蚀引发岩体矿物成分、结构类型的显著改变,进而引起原生岩体的力学特性改变。由于赋存的水力环境的显著差异性,工程区存在的蚀变岩层性质具有多样性特征,最终导致此类岩体整体软弱、破碎,甚至被蚀变成砂土性状9-11。不少学者针对蚀变花岗岩体开展了相关研究。廖建强12指出大多数蚀变花岗岩体中包含不同含量的蒙脱石等膨胀性黏土矿物,其遇水易产生膨胀、崩解等,力学特性弱化严重。同时,以蒙脱石化为主的蚀变岩的研究13-15表明,蒙脱石化蚀变岩的强度特性极差,力学性能类似于全(强)风化原岩,在浸水湿化后急剧弱化而崩解,属软质岩土。由此可知,处于此类地层的隧洞工程围岩易诱发围岩流动大变形、涌水涌沙等工程灾害,甚至在工程竣工数年之后发生垮塌。针对此类膨胀岩出现的各类工程问题,国内外学者做了诸多深入的研究。例如:BARLA M16采用三轴试验对膨胀性岩体进行了膨胀性研究;MAO D W 等17基于重塑试样测试所得的膨胀力参数,分析了穿越含膨胀性黏土花岗岩蚀变带的挪威 Finnfast 海底隧道及 Hanekleiv 隧道围岩稳定性及其支护受力情况。然而,尽管诸多学者围绕前述工程问题开展了一定的研究,但仍存在不足和问题,尤其缺乏对含膨胀性黏土矿物的花岗岩蚀变土力学特性的深入认识。而且,穿越此类岩层的水工隧洞围岩的安全稳定性也制约着施工技术的发展,已成为地下工程中亟待解决的关键性技术问题。鉴于此,本文以河南五岳抽水蓄能电站蚀变带为工程背景,通过一系列力学试验,分析含膨胀性矿物的花岗岩蚀变土的力学强度特性,并运用模糊数学理论综合评判了其关键力学指标对该地层工程围岩稳定性的影响权重,为此类工程围岩的稳定性控制和有效支护提供科学依据。1试验1.1试验材料试验所有材料取自河南五岳抽水蓄能电站工程区花岗岩蚀变带,该蚀变带最大宽度达到 100 m,其内岩体呈土状夹强风化岩块,浅灰白色或浅肉红色,如图 1 所示,其自然含水率为 13.0%。X 射线衍射分析结果显示18,采样土中含蒙脱石等膨胀性矿物,含量为 38.29%,遇水易发生膨胀、崩解。图 1现场花岗岩蚀变情况由于现场采样土粒径较大,不能满足室内试验仪器尺寸要求,需对超粒径颗粒进行处理。按照土工试验方法(GB/T 501232019)19,采用等量替代法和相似级配法确定了重塑级配粒径范围,由此获得了重塑土级配范围及基本参数。1.2试验设备及方案图 2 所示为重塑土粒径分布曲线,根据土工试验方法(GB/T 501232019)19,按照图 2 所示的级配参数对采样土进行重塑制样,试样尺寸为直径 39.1 mm、高度 80 mm,如图 3 所示。结合工程实际水力环境,拟采用固结排水的试验方式,共设置 4种围压应力水平,即 100、200、400、600 kPa,制样干密度为 1.55 g/cm3,剪切速率固定为 0.015 mm/min,77第 44 卷第 4 期王竹波,等:花岗岩蚀变土力学特性及其洞室围岩稳定性模糊评判试验终止标准为轴向应变(a)达到 25%。试验仪器采用的是 TSZ-1 应变控制式三轴仪。图 2重塑土粒径分布曲线图 3重塑土试样2结果分析根据试验结果,从土样强度、变形特征方面进行分析,研究不同围压应力水平对重塑土力学强度指标的影响规律。2.1不同围压水平对土样强度的影响图 4 展示了不同围压条件下土样的偏应力(1-3)-轴向应变(a)曲线。由图 4 可以发现:不同围压应力水平下,土样的偏应力(1-3)与 a整体表现出类似应变硬化类型,土样变形经历了明显的初期弹性变形和后期较大塑性变形阶段,全过程未出现峰值强度屈服点;在围压较小时,弹性阶段曲线很短,塑性阶段表现为主体变形特征;而围压较大时,曲线出现了较为明显的弹性阶段,相应的塑性阶段则有一定程度的缩短,但其仍为土样的主体变形特征;瞬时偏应力(1-3)随着围压应力的增大而增大,在轴向应变值较大(如 a5.0%)时,对应的瞬时偏应力(1-3)差值基本趋于稳定。根据图 4 中偏应力-轴向应变曲线类型,设定轴向应变等于 15%时的偏应力为试样破坏偏应力(1-3)f),即峰值强度,由此可获得不同围压下的峰值强度值,如图 5 所示。图 4不同围压下试样偏应力与轴向应变之间的关系图 5围压与峰值强度的关系由图 5 可知:总体上,当围压应力水平改变时,试样峰值强度变化明显,围压越大对应的峰值强度越大;具体地,当围压从最小值 100 kPa 依次按照 2、4、6倍增加到最大围压 600 kPa 的过程中,峰值强度分别增加 1.60、2.47、3.00 倍;围压从较小值(如 100 kPa)逐渐增大时,峰值强度的增长幅度明显;当围压从较大值逐渐增大时,则峰值强度对应的增长幅度显著减弱,比如当围压为 100 kPa 时,每增加 100 kPa,峰值强度对应增加 82.5 kPa,该值是当围压从 400 kPa 增加到 500 kPa 过程中所对应峰值强度增长值的 2.24 倍。同时,经过数据拟合可知,峰值强度与围压之间存在良好的线性相关性,拟合优度达到 0.96。此外,基于各个围压及其对应的峰值强度(图5),便可绘制出一个极限状态莫尔圆,这样可绘制出 4 个极限状态应力莫尔圆,做出这些极限状态莫尔圆的公切线就可得出天然重塑土的摩尔-库仑抗剪强度包络线,如图 6 所示。其中,、分别代表剪切面的剪应力和正应力。由此获得土样的黏聚力(c)、内摩擦角()分别为 39.7 kPa、12.4。87华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年 7 月图 6强度包络线2.2不同围压水平对土样体积应变的影响重塑土样的体积应变 v和轴向应变 a的关系如图 7 所示。由图 7 可知:同一围压应力水平下,体积应变 v随着轴向应变 a的增加而增大,继而趋于平缓,曲线类似“双曲线”形式;同一轴向应变 a、不同围压应力水平下,围压越大,重塑土体积应变越小,且在围压为 400、600 kPa 较大应力水平时,两者的体积应变 v差值变得越小,说明较小的围压应力水平对重塑土样的体积应变 v作用敏感,应加强围侧向应力水平,以提高围岩稳定性。图 7不同围压下体积应变与轴向应变的关系2.3不同围压水平对强度参数的影响根据邓肯-张双曲线模型,模型中切线变形模量(Et)的计算方法见式(1)20,即Et=Kpa3pa()n1-Rf1-3()1-sin()2ccos+23sin2。(1)式中:1为最大主应力,kPa;3为围压,即最小主应力,kPa;pa为标准大气压力,kPa;Rf为破坏比,其值小于 1;K、n 为试验常数。则切线泊松比(ut)的计算公式如下:ut=G-Flg3pa()1-D(1-3)Et。(2)式中 G、D 和 F 为试验常数。因此,可根据式(1)和式(2),运用 MATLAB 绘制出围压改变时切线变形模量和泊松比的变化情况,结果如图 8 和图 9 所示。图 8切线变形模量与围压应力水平的关系 图 9切线泊松比与围压应力水平的关系根据以上试验结果,将相应的邓肯-张模型的 8个试验常数(K、n、c、Rf、G、D、F)代入式(1)、式(2)便可得出不同应力水平(1、3)下对应的切线变形模量和切线泊松比。根据现场地应力测试数据进行换算得最大主应力 1为 658.33 kPa,最小主应力 3为 475.33 kPa。将其代入式(1)、式(2)可得弹性模量和泊松比分别为 983.72 kPa 和 0.39。3洞室围岩稳定性模糊评判由于地下洞室围岩的力学性能决定其整体承载能力,进而影响其变形程度,掌握各个力学指标对围岩稳定性的影响权重,有助于提出针对性的治理措施与技术方案。为此,基于上述试验获得的五岳抽水蓄能电站蚀变带土体的力学参数,运用模糊数学理论的二级模糊综合评判方法,分析各个因素对此类洞室围岩稳定性的影响权重。3.1评判模型的建立在全面分析影响洞室围岩力学特性指标的基础上,确定出对应的影响因素及其层次属性和模糊属97第 44 卷第 4 期王竹波,等:花岗岩蚀变土力学特性及其洞室围岩稳定性模糊评判性,进而合理构建出关于其力学特性的二级模糊综合评判模型,如图 10 所示。图 10二级模糊综合评判模型3.2隶属度的确定根据工程岩体分级标准21和岩土工程勘察规范22,并参考专家意见,获得力学特性(p)的影响因素所包含的 6 个评价指标取值,见表 1。对于定量化的连续型影响因素,统计分析得知其数据分布呈现出正态型规律,对应隶属函数 j(xi)可表示为 23:j(xi)=e-xi-m2ijij()。(3)式中:xi为第 i 个因素的实测值;mij为第 j 个评价等级关于第 i 个因素的标准值,可取各单因素分级标准的平均值;ij为标准差。根据式(3)可计算出各个因素的隶属函数值,见表 2。3.3权重的确定由于层 次 分 析 法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是运用一定的逻辑数学推导并检验一致性的方法,能够综合处理包括各类数据、专家意见及主观判断等在内的各类定量与定性因素,所以该方法是一种简单且有效的系统分析方法,具有比其他权重分配法更高的可信度23。图 11 为层次分析法流程图。表 1评价指标取值 评价等级单轴抗压强度Rc/MPa黏聚力c/MPa内摩擦角/()容重/(kN/m3)变形模量E/GPa泊松比级(175,400(2.1,60.0(60,70(28.5,40.0(33.0,200.00.00,0.20)级(90,175(1.5,2.1(50,60(26.5,28.5(20.0,33.00.20,0.25)级(50,90(0.7,1.5(39,50(24.5,26.5(6.0,20.00.25,0.30)级(25,50(0.2,0.7(27,39(22.5,24.5(1.3,6.00.30,0.35)级(0,25(0.0,0.2(0,27(0.0,22.5(0.0,1.30.35,0.50)表 2连续性影响因素隶属度影响因素隶属函数级级级级级单轴抗压强度e-(x1-287.5)218 259.109e-(x1-132.5)22 605.868e-(x1-70)2577.078e-(x1-37.5)2225.421e-(x1-12.5)2225.421黏聚力e-(x2-31.05)21 285.474e-(x2-1.8)20.130e-(x2-1.1)20.231e-(x2-0.45)20.090e-(x2-0.1)20.014内摩擦角e-(x3-65)236.067e-(x3-55)236.067e-(x3-44.5)243.642e-(x3-33)251.937e-(x3-13.5)2262.931 2容重e-(x4-33.25)265.733e-(x4-33.25)267.733e-(x4-25.5)21.433e-(x4-23.5)21.443e-(x4-11.25)2182.591变形模量e-(x5-116.5)210 058.831e-(x5-26.5)260.954e-(x5-13)270.692e-(x5-3.65)27.967e-(x5-0.65)20.610泊松比e-(x6-0.1)20.014e-(x6-0.225)20.001e-(x6-0.275)20.001e-(x6-0.325)20.001e-(x6-0.425)20.00808华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年 7 月图 11层次分析法流程图由图 11 可知,AHP 法主要包括构造两两比较判断矩阵、判断矩阵的求解、一致性检验以及获得权重等 4 项内容。一般地,构造两两比较判断矩阵通常使用 19 比例标度,具体见表 3。此时,基于岩体力学特性模糊评判模型(图 10),并依照表 3 所示的比例标度,可对影响岩体力学特性的 6 个评判因素(p1、p2、p3、p4、p5、p6)相对重要程度进行 15 次两两比较,得出模糊判断矩阵 E。在此基础上,依据方根法求解原理,获得判断矩阵(E)的最大特征值max和特征向量 W(W=(w1,w2,wn),这是最为关键的两个指标,对应的计算公式如下:wi=nMini=1nMi,(4)max=ni=1(EW)inwi。(5)式中:Mi 为 E 每一行元素的乘积,开 n 次方根后记为Wi;(EW)i为向量 EW 的第 i 个分量。AHP 法常用一致性比率(CR)检验判断矩阵的一致性条件,其表达式如下:CR=CIRI=max-n(n-1)RI。(6)式中:n 为 E 的行数或列数;CI 为偏离一致性的指标;RI 为平均随机一致性指标。满足判断矩阵的一致性标准是 CR0.10,若该条件不满足(CR0.10),则需再次调整判断矩阵元素,直至满足检验条件。由此,根据方根法计算步骤,获得的判断矩阵各元素值见表 4。结合式(5)和式(6),最终得出最大特征值 max和 CR 分别为 6.36、0.059。所以,该判断矩阵满足一致性要求,其对应的岩体力学特性影响因素(Rc、c、E、)的权重集为:A=0.404,0.171,0.131,0.033,0.131,0.131。表 3判断矩阵的比例标度及含义标度含义(重要程度)1同等3稍微5明显7强烈9极端2、4、6、8分别表示相邻标度 13、35、57、79 的中值倒数若因素 i 与 j 比较得 aij,则 j 与 i 比较得 1/aij表 4判断矩阵各元素值iMiWiwi(EW)i18753.0930.4042.763251.3080.1711.1293110.1310.80640.000 230.2480.0320.2035110.1310.8066110.1310.8066i=1Wi=7.6496i=1wi=13.4模糊综合评判根据 Hoek-Brown 经验方程,岩块单轴抗压强度与抗剪强度参数(黏聚力 c、内摩擦角)关系如下:Rc=2ccos1-sin。(7)将上述得到的黏聚力 c、内摩擦角 的值代入式(7),得出重塑土单轴抗压强度为 67.18 kPa。因此,可得出影响此类岩体洞室稳定性的所有力学性能指标值,结果见表 5。进一步地,由表 2 中相应的单因素隶属函数,可求得上述各个因素的隶属度,其矩阵记为 R,由此关于力学特性的一级模糊综合评价集为:B=AR=(0.4040.1710.1310.0330.1310.131)0.0700.1940.9860.0200.0000.9430.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.9950.0330.0370.0000.0000.7620.0000.0000.0000.0000.0000.0020.0000.0000.1460.858=0.1910.0800.3980.0270.26818第 44 卷第 4 期王竹波,等:花岗岩蚀变土力学特性及其洞室围岩稳定性模糊评判表 5蚀变花岗岩土力学参数评价结果评价因素单轴抗压强度 Rc/kPa黏聚力 c/kPa内摩擦角/()容重/(kN/m3)变形模量 E/MPa泊松比 评价值67.1839.7012.418.03816.490.39由表 5 可知,决定五岳抽水蓄能电站花岗岩蚀变带岩体稳定性的主控力学指标为内摩擦角和泊松比,变形模量影响最小。所以,在获取影响洞室围岩稳定性的力学特性指标基础上,可运用模糊综合评判法评判其围岩的稳定性,并进一步动态跟踪隧道工程开挖、支护、二次支护等一系列过程的综合稳定性能分级,对岩土工程提出合理的总体支护建议。4结论1)河南五岳抽水蓄能电站工程区花岗岩蚀变带岩体松软破碎,属于严重蚀变的花岗岩土,其内富含蒙脱石等强膨胀性矿物,对应含量为 38.29%。2)不同围压条件下,试样偏应力-轴向应变曲线表现出应变硬化类型,具有明显的初期弹性变形和后期较大的塑性变形阶段。当轴向应变保持不变时,围压的逐渐增大将引起更大增幅的瞬时偏应力,相应的峰值强度便越大。试验获得的土样黏聚力、内摩擦角分别为 39.7 kPa、12.4。3)围压保持不变时,土样体积应变随着轴向应变的增加而增大,继而趋于平缓,曲线类似“双曲线”形式。同一轴向应变条件下,围压越大,土样体积应变越小,对应体积应变的差值越小,表明较小的围压对重塑土样的体积应变作用敏感。4)模糊评判结果表明,花岗岩蚀变带岩体的力学特性主要受内摩擦角和泊松比这两个指标控制,而对应的变形模量影响权重最小。参考文献1 张博庭.发展抽水蓄能对实现“零碳”目标至关重要J.水电与抽水蓄能,2022,8(1):1-3.2 韩冬,赵增海,严秉忠,等.2021 年中国抽水蓄能发展现状与展望J.水力发电,2022,48(5):1-4,104.3 张永生,董舵,肖逸,等.我国能源生产、消费、储能现状及碳中 和 条 件 下 变 化 趋 势 J.科 学 通 报,2021,66(34):4466-4476.4 黄志全,侯合明,王振.天池抽水蓄能电站蚀变岩蚀变特征及工程特性J.华北水利水电学院学报,2011,32(5):1-5.5 杨根兰.蚀变岩特性及其工程响应研究:以澜沧江小湾水电站为例D.成都:成都理工大学,2007.6 方星桦,杨曾,阳军生,等.高地应力隧道蚀变花岗岩地层围岩大 变形 特 征及 控制 措施 J.中国 铁道 科 学,2020,41(5):92-101.7 刘汉东,王甲亮,于怀昌.抽水蓄能电站压力管道钢衬失稳机理研究现状J.华北水利水电大学学报(自然科学版),2021,42(6):1-7.8 覃礼貌,许模.西南某水电站坝区岩体绿泥石化蚀变及其工程对策 J.中国地质灾害与防治学报,2007,18(1):68-72.9 康文献,周进,张瑞旗.花岗岩蚀变土力学特性试验研究J.工程勘察,2016(9):6-11,128.10 魏伟.孟底沟水电站坝址区蚀变岩工程地质特性研究D.成都:成都理工大学,2015.11 张翼宇,黄志全,赵菲,等.风化花岗岩矿物组成与渗透特性相关性研究J.华北水利水电大学学报(自然科学版),2022,43(1):103-108.12 廖建强.广州抽水蓄能电站地下洞室区蚀变岩的工程处理J.岩土工程界,2002(9):48-50.13 聂林.富水花岗岩蚀变带隧道大变形机理及控制技术研究D.成都:西南交通大学,2003.14 王昆,张四和.糯扎渡电站坝基花岗岩工程地质及物理力学特性J.云南地质,2013,13(4):457-461.15 MO P Q,MARSHALL A M,FANG Y.Cavity expansion-contraction-based method for tunnel-soil-pile interaction in a unified clay and sand model:drained analysisJ.Interna-tional journal of geomechanics,2021,21(5):04021055.16 BARLA M.Numerical simulation of the swelling behaviour around tunnels based on special triaxial testsJ.Tunnel-ling and underground space technology,2008,23(5):508-521.17 MAO D W,NILSEN Bjrn,LU M,et al.Analysis of load-ing effects on reinforced shotcrete ribs caused by weakness zone containing swelling clay J.Tunnelling&under-ground space technology,2011,26(3):472-480.18 茆大炜,杜少华,李地元,等.基于大型三轴试验的蚀变花岗岩力学行为及浸水湿化研究J.岩石力学与工程学报,2020,39(9):1819-1831.19 中华人民共和国住房和城乡建设部.土工试验方法标准:GB/T 501232019 S.北 京:中 国 计 划 出 版社,2019.20 张琰,张丙印,李广信,等.压实黏土拉压组合三轴试验和扩 展 邓 肯 张 模 型 J.岩 土 工 程 学 报,2010,32(7):999-1004.21 中华人民共和国住房和城乡建设部.工程岩体分级标准:GB/T 502182014 S.北 京:中 国 计 划 出 版社,2014.22 中 华 人 民 共 和 国 建 设 部.岩 土 工 程 勘 察 规 范:GB 500212001S.北京:中国建筑工业出版社,2002.23 王彪.昌北千枚岩风化程度的模糊综合评判及桩基承载力分析D.南昌:华东交通大学,2007.(编辑:乔翠平)28华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年 7 月