首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 水利水电工程论文 > 白鹤滩水电站多重裂隙玄武岩跨尺度结构特征研究

白鹤滩水电站多重裂隙玄武岩跨尺度结构特征研究

2024-12-17 81 上传者：管理员

摘要：作为中国西南地区工程建设的重要地质环境介质,玄武岩普遍赋存细观隐微裂隙、宏观随机节理等多级结构面,显著影响其力学特性和工程结构稳定性。借助于CT扫描、数字摄影与现场调研等测试手段,结合图像处理、统计学分析、机器学习等方法,实现多重裂隙玄武岩跨尺度结构特征的精细化识别与表征。结果表明,隐微裂隙倾角为均匀分布,长度符合对数正态分布,面密度P20为0.000 25条/mm2,面密度P21为0.012 mm/mm2;随机节理主要包括2组,节理倾向、倾角均满足正态分布,长度和间距符合对数正态分布,面密度P20为0.07条/m2,面密度P21为0.30 m/m2。研究成果进一步丰富和完善岩土工程多尺度分析的基础理论与技术方法。

关键词：
玄武岩
白鹤滩水电站
跨尺度
随机节理
隐微裂隙
加入收藏

随着国家“西部大开发”和“一带一路”倡议等的相继启动与稳步实施，一大批水利、交通、矿山或油气等基础设施建设和资源能源开发所代表的岩石工程迅速发展，同时也面临着各种挑战与关键难题，其中深埋硬脆性岩石破裂与灾害问题非常突出且无法回避，如板裂化、岩爆等[1-2]。作为一种天然的地质材料，岩石内部广泛发育各级结构面，从细观尺度的微裂纹、微孔洞等原生缺陷，到宏观尺度的裂隙、节理等随机硬性结构面，再到工程尺度或地质体尺度的错动带、断层等局部软弱结构面，对其力学特性与工程稳定性具有重要影响。岩石工程的失稳破坏往往是在各种荷载作用下这些初始缺陷不断闭合、起裂、扩展及贯通并最终导致材料破坏的动态演化过程，经历了一个从连续到断续再到非连续的渐进转变[3-4]。因此，开展多重裂隙岩体跨尺度结构特征研究非常重要。

岩土材料结构问题一直以来是国内外岩土工程领域高度重视的基础科学问题。相关学者在岩块、岩体尺寸效应的规律、根源、影响因素和模型等方面进行了系统探索，并取得了众多有意义的研究成果[5-8]。然而，多重裂隙岩体细观-宏观-工程等跨尺度结构特征相当明显，如何在三维空间里全面精细化识别、表征和重建这种多尺度结构信息依然是一个难点问题。此外，已有研究往往只是针对岩块、岩体等单一方面在各自尺度下的缺陷结构进行孤立分析，而不同尺度下岩土材料的结构特征是不同的。为此，本文借助于CT扫描、数字摄影与现场调研等测试手段，结合图像处理、统计学分析、机器学习等方法，实现多重裂隙玄武岩跨尺度结构特征的精细化识别与表征。

1、工程概况

作为世界上最近建成规模最大的水电工程，白鹤滩水电站位于中国西南四川省和云南省之间的金沙江下游，总装机容量为16 000 MW[9-10]。工程主体包括大坝、引水发电系统、泄洪消能等建筑物，其中左右岸引水发电系统分别位于拱坝上游两侧山体内，从上游到下游依次为主厂房、主变洞、尾水管检修闸门室和尾水调压室四大洞室，平行布置。左右岸地下洞室群开挖尺寸相同，其中主厂房长438 m、宽31～34 m、高88.7 m；主变室长368 m、宽21 m、高39.5 m，与主厂房之间岩壁厚约61 m；圆筒形尾水调压室直径43～48 m、高度77～93 m，距离主变室约85 m；整个地下厂房洞室群为世界上规模最大的地下工程，如图1所示。

白鹤滩水电站属于深切峡谷“V”型地貌，岩性主要为P2β2～P2β6层隐晶质玄武岩、杏仁状玄武岩、斜斑玄武岩等玄武岩，其中，隐晶质玄武岩中发育柱状节理的称为柱状节理玄武岩。由于特殊的成岩或地质构造等作用，块状玄武岩（非柱状节理玄武岩）跨尺度结构特征非常显著，岩块内大量赋存细观尺度的小尺寸隐微裂隙（厘米～分米级），属于Ⅴ级硬性结构面；岩体中广泛发育宏观尺度的节理、裂隙等中尺寸随机构造结构面（米级～十米级），为Ⅳ级硬性结构面；此外，还有揭露工程尺度的断层、错动带等大尺寸局部构造结构面（十米级以上），为III级及以上软弱结构面；岩体微风化或新鲜状态，致密坚硬，完整性较好，以III类围岩为主。地下洞室群位于中高地应力区，左岸厂房最大主应力19～23 MPa，右岸厂房最大主应力22～26 MPa。

玄武岩跨尺度结构特征相当明显，对其力学行为和破坏机制具有重要影响。玄武岩单轴抗压强度均值达到200 MPa，高强度应力比（大于7），难以发生破坏。然而，巨大的工程规模、复杂的结构特征及中高地应力等导致地下洞室群开挖过程中围岩破裂问题显著，广泛揭露了片帮、剥落、块体脱落和岩爆等多样化的破坏模式，给现场围岩稳定性控制带来极大挑战。这种现象突出极高岩块强度与较低岩体强度之间的矛盾关系，与普遍赋存的各级结构面密切相关。因此，有必要开展多重裂隙玄武岩跨尺度结构特征的精细化识别与表征研究。

图1 白鹤滩水电站地下洞室群玄武岩跨尺度结构特征

2、多重裂隙玄武岩跨尺度结构特征

2.1 隐微节理分布特征

由于CT扫描成本高、穿透能力有限且玄武岩致密坚硬等问题，只能针对少量标准尺寸岩心试样进行扫描，难以获得更加真实全面的数据。因此，为准确掌握隐微裂隙的分布特征，对从地下洞室群工程现场采取的玄武岩块体（尺寸一般几十厘米）表面进行拍照、素描、图像处理和统计分析等处理，如图2所示，获得隐微裂隙几何参数的分布特征，主要包括裂隙长度、倾角、密度等。

本文主要针对长度10 mm及以上的隐微裂隙进行分析，30个岩块，共约800条裂隙，获得的隐微裂隙几何参数分布特征如图3所示。可见，玄武岩岩块中普遍发育不规则的隐微裂隙，分布隐蔽、短小闭合、断续延伸和贯通性低，尺寸从几厘米至几十厘米，方位无明显规律；裂隙倾角为均匀分布，长度符合对数正态分布（μ=3.68 mm，σ=0.58 mm），面密度P20为0.000 25条/mm2，面密度P21为0.012 mm/mm2。隐微裂隙为玄武岩成岩过程中岩浆快速冷凝收缩形成的原生拉伸破裂结构，属于Ⅴ级硬性结构面，主要影响岩块的力学特性。

图2 白鹤滩水电站地下洞室群含隐微裂隙玄武岩岩块的物理形态

图3 隐微裂隙几何参数的分布特征

2.2 随机节理分布特征

为准确掌握随机节理的分布特征，在参考已有工程地质报告的基础上，对左岸地下厂房开挖过程中顶拱和边墙围岩揭露出的宏观尺度随机节理进行素描、拍照、图像处理和统计分析等操作，如图4所示，获得节理几何参数的分布特征，主要包括节理倾向或走向、倾角、尺寸、间距和密度等。

本文主要针对长度0.5 m及以上的宏观随机节理，共约1 500条，获得的节理统计特征见表1。可见，左岸地下厂房主要发育2组优势随机节理，其中陡倾节理组J1占主导地位，约占全部节理数量的80%；节理断续延伸、新鲜闭合、平直粗糙、无填充及连通率低；节理延伸长度2～5 m，少数可达5～10 m，其中J1陡倾节理组长度相对较小，而J2缓倾节理组尺寸相对较大；节理间距一般大于0.5 m，基本处在1～2 m范围内；2组节理的倾向、倾角均满足正态分布，长度和间距符合对数正态分布，经计算面密度P20为0.07条/m2，面密度P21为0.30 m/m2。随机节理主要为构造结构面，属于Ⅳ级硬性结构面，控制着岩体力学性质和工程结构整体稳定性。

图4 白鹤滩水电站左岸地下厂房含随机节理玄武岩岩体的素描

表1 玄武岩岩体节理几何参数的分布特征

3、结论

1）玄武岩普遍存在细观隐微裂隙、宏观随机节理和工程局部软弱结构面等多级结构面，跨尺度结构特征非常显著，对其力学行为和破坏机制具有重要影响。

2）借助于CT扫描、数字摄影与现场调研等各种测试手段，结合图像处理、统计学、机器学习等方法，实现多重裂隙玄武岩跨尺度结构特征的精细化识别与表征。

3）隐微裂隙倾角为均匀分布，长度符合对数正态分布，面密度P20为0.000 25条/mm2，面密度P21为0.012 mm/mm2。随机节理主要包括2组，陡倾节理占主导；节理倾向、倾角均满足正态分布，长度和间距符合对数正态分布，面密度P20为0.07条/m2，面密度P21为0.30 m/m2。

参考文献:

[1]彭建兵,崔鹏,庄建琦.川藏铁路对工程地质提出的挑战[J].岩石力学与工程学报,2020,39(12):2377-2389.

[3]闫程锦,郤保平.基于颗粒流GBM模型的花岗岩热力损伤特性研究[J].水利水电技术(中英文),2024,55(5):170-180.

[5]郎颖娴,梁正召,段东,等.基于CT试验的岩石细观孔隙模型重构与并行模拟[J].岩土力学,2019,40(3):1204-1212.

[6]伍法权,乔磊,管圣功,等.小尺寸岩样单轴压缩试验尺寸效应研究[J].岩石力学与工程学报,2021,40(5):865-873.

[7]柴波,史绪山,杜娟,等.如何实现区域岩体结构精细化分析?综述与设想[J].地球科学,2022,47(12):4629-646.