锦屏一级水电站坝基岩体质量分类及建基面开挖深度研究
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摘要
本文在阐明锦屏一级水电站普斯罗沟坝址工程地质条件的基础上，得出了影响坝基岩体质量的主要因素为：岩性、岩体结构、岩体紧密程度、风化卸荷、结构面性状及深拉裂缝发育状况，且深拉裂缝对岩体质量的影响是锦屏一级坝基岩体质量分级有别于其它水电工程的独特之处。本文接着运用单因素分级法和多因素分级法对坝基岩体质量进行了详细的分级研究。单因素分级包括岩石质量分级、风化卸荷程度划分、岩体结构分级、岩体纵波波速分级等；多因素分级法包括MZ分级(修正的Z系统)、RMR及Q系统分级。MZ分级法是本文提出的一个新的岩体质量分级方法，它通过对影响锦屏坝基岩体质量的四项主要指标：岩石湿抗压强度R_c、岩石质量指标RQD、结构面性状系数(节理面粗糙度系数J_r与节理面蚀变度系数J_a之比)及岩体完整性系数K_v求乘积来综合确定坝基岩体质量等级。
在坝基岩体质量分级结果的基础上，本文重点研究了MZ分级结果与野外分级、RMR分级及Q分级结果间的相关关系，分析表明MZ分级结果与野外分级结果接近，与RMR分级及Q分级结果相关性显著。
作为成勘院科研项目“锦屏一级水电站坝区岩体质量分级及其物理力学参数取值研究”的一部分，本文在完成上述分级后，重点对各级岩体的变形及剪切强度参数进行了统计分析，得出了各级岩体变形和剪切强度参数建议值。分析表明岩体变形模量E_0与MZ、K_v相关性较好，同时MZ分级法还具简单、直观、参数易于获取等优点，所以MZ分级法是一种非常实用的岩体质量分级方法。
为进一步研究坝基岩体的工程力学特性，本文根据Ⅱ线及Ⅱ_1线平硐岩体质量分级结果，同时按照“混凝土拱坝设计规范”(SD_(145-85))对坝基岩体的要求初步确定了大坝建基面的开挖深度。最后运用平面有限元方法，以Ⅱ_1剖面为例，按上述建基面开挖深度及各级岩体力学参数取值结果，对坝基开挖前后坝基开挖边坡的应力及应变场进行了数值模拟，对边坡岩体可能的变形破坏特征作了评价，分析表明按岩体质量分类所确定的建基面开挖深度是合理的。
Based on the discuss of the engineering geological conditions of the Pusylog dam site of the Jinping arterial power station, The paper have found the main factors that affect the rock mass quality of dam foundation: lithology, rock mass structure, rock mass compactness, weathering, the properties of discontinuities and the effect of the deep crack, especially the deep crack is the particular thing other than the other power station. The paper then study on the classification of rock mass quality of dam foundation through the single factor classification and the multi-factors classification methods. The single factor classification includes lithology classification, weathering and stress release degree classification, rock mass structure classification, wave velocity classification etc. The multi-factors classification included the MZ (Modified Z System), the Rock Mass Rating (RMR) and the Rock Tunnelling Quality Index(Q) classification. The MZ system works through study the four main factors that affect the
rock mass quality of dam foundation: the Strength of intact Rock material (Re), the Rock Quality Designation (RQD), the properties coefficient of discontinuities( the joint roughness number Jr/the joint alteration number Ja) and the intact index(Ky).
Based on the classification results of the rock mass quality of dam foundation, the paper study in stress the relativity of the MZ values and the other classification results. The analysis results show that the MZ classification results are close to the field classification results, and are notable to the RMR system and the Q system classification results.
As a part of the scientific research item of CHIDI that the study on the rock mass quality classification of dam foundation and corresponding mechanical property of the Jinping arterial power station, when have achieved above results, this paper provide the reference values of deformation modulus and shear strength of rock mass and discontinuities on basis of field testing data. The correlation analysis shows that the close correlativity of the MZ values and the mechanical parameters of rock mass, for example deform modes E0, so MZ classification is a very effective method.
In order to lucubrate the mechanical character of the engineering rock mass of dam foundation, this paper pilot study the excavating depth of the available foundation through grading the rock mass quality of the II and II i section, meanwhile judge the availability of the rock mass of dam foundation according to the design criterion of the concrete arc damCSD145-85). In the end of
this paper the planar finite element method is used to simulate the stress field and strain field of the slope of the II i section under deadweight before and after the dam foundation has been excavated. And then evaluates the possible destroy areas. The analysis shows the excavating depth of the available foundation is reasonable through grading the rock mass quality.
在坝基岩体质量分级结果的基础上，本文重点研究了MZ分级结果与野外分级、RMR分级及Q分级结果间的相关关系，分析表明MZ分级结果与野外分级结果接近，与RMR分级及Q分级结果相关性显著。
作为成勘院科研项目“锦屏一级水电站坝区岩体质量分级及其物理力学参数取值研究”的一部分，本文在完成上述分级后，重点对各级岩体的变形及剪切强度参数进行了统计分析，得出了各级岩体变形和剪切强度参数建议值。分析表明岩体变形模量E_0与MZ、K_v相关性较好，同时MZ分级法还具简单、直观、参数易于获取等优点，所以MZ分级法是一种非常实用的岩体质量分级方法。
为进一步研究坝基岩体的工程力学特性，本文根据Ⅱ线及Ⅱ_1线平硐岩体质量分级结果，同时按照“混凝土拱坝设计规范”(SD_(145-85))对坝基岩体的要求初步确定了大坝建基面的开挖深度。最后运用平面有限元方法，以Ⅱ_1剖面为例，按上述建基面开挖深度及各级岩体力学参数取值结果，对坝基开挖前后坝基开挖边坡的应力及应变场进行了数值模拟，对边坡岩体可能的变形破坏特征作了评价，分析表明按岩体质量分类所确定的建基面开挖深度是合理的。
Based on the discuss of the engineering geological conditions of the Pusylog dam site of the Jinping arterial power station, The paper have found the main factors that affect the rock mass quality of dam foundation: lithology, rock mass structure, rock mass compactness, weathering, the properties of discontinuities and the effect of the deep crack, especially the deep crack is the particular thing other than the other power station. The paper then study on the classification of rock mass quality of dam foundation through the single factor classification and the multi-factors classification methods. The single factor classification includes lithology classification, weathering and stress release degree classification, rock mass structure classification, wave velocity classification etc. The multi-factors classification included the MZ (Modified Z System), the Rock Mass Rating (RMR) and the Rock Tunnelling Quality Index(Q) classification. The MZ system works through study the four main factors that affect the
rock mass quality of dam foundation: the Strength of intact Rock material (Re), the Rock Quality Designation (RQD), the properties coefficient of discontinuities( the joint roughness number Jr/the joint alteration number Ja) and the intact index(Ky).
Based on the classification results of the rock mass quality of dam foundation, the paper study in stress the relativity of the MZ values and the other classification results. The analysis results show that the MZ classification results are close to the field classification results, and are notable to the RMR system and the Q system classification results.
As a part of the scientific research item of CHIDI that the study on the rock mass quality classification of dam foundation and corresponding mechanical property of the Jinping arterial power station, when have achieved above results, this paper provide the reference values of deformation modulus and shear strength of rock mass and discontinuities on basis of field testing data. The correlation analysis shows that the close correlativity of the MZ values and the mechanical parameters of rock mass, for example deform modes E0, so MZ classification is a very effective method.
In order to lucubrate the mechanical character of the engineering rock mass of dam foundation, this paper pilot study the excavating depth of the available foundation through grading the rock mass quality of the II and II i section, meanwhile judge the availability of the rock mass of dam foundation according to the design criterion of the concrete arc damCSD145-85). In the end of
this paper the planar finite element method is used to simulate the stress field and strain field of the slope of the II i section under deadweight before and after the dam foundation has been excavated. And then evaluates the possible destroy areas. The analysis shows the excavating depth of the available foundation is reasonable through grading the rock mass quality.
引文
[1] 黄润秋、王士天、胡卸文等，澜沧江小湾水电站高拱坝坝基重大工程地质问题研究，西南交通大学出版社，1996，146-218
[2] 黄润秋、严明、许强等，雅砻江锦屏一级水电站普斯罗沟坝段左岸高边坡深部裂缝形成机理及工程适宜性分析，成都理工大学、国家电力公司成都勘测设计研究院，2001
[3] 任自民、马代謦、沈泰等，三峡工程坝基岩体工程研究，中国地质大学出版社，1998，213-252
[4] 四川省雅砻江锦屏一级水电站可行性研究阶段选坝设计研究报告(4工程地质条件)，国家电力公司成都勘测设计研究院，2001
[5] B. Singh and R. K. Goel, ROCK MASS CLASSIFICATION, Support of underground excavations in hard rock.
[6] 王芳其，黄河拉西瓦水电站拱肩槽工程高边坡稳定性研究，成都理工大学硕士论文，2002
[7] 张倬元、王兰生、王士天，工程地质分析原理(第二版)，地质出版社，1994
[8] 袁金荣、高国强，岩质边坡稳定性综合评价方法及其在工程地质中的应用，岩土工程技术，2000(2)，29-31
[9] 孔德坊，工程岩土学，地质出版社，1992
[10] 王国强，适用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践，西北工业大学出版社，1999
[11] 韩会增、吕小平，数学地质(工程地质专业试用)，西南交通大学，1988
[12] 嘉木工作室，ANSYS 5.7有限元实例分析教程，机械工业出版社，2002
[13] Hoberock L.L. and Bratcher G.J., New approach for determining in-situ rock strength while drilling, Journal of Energy Resources Technology, Transactions of the ASME, 1996, 118(4). 249-255
[14] 徐志英，岩石力学(第三版)，中国水利水电出版社，1993
[15] 潘别桐、黄润秋，工程地质数值法，地质出版社，1994
[16] 杜时贵、王思敬，岩石质量定量描述研究现状及趋向，工程地质学报，1998，9，230-237
[17] 何启标，李家峡水电站坝基岩体质量分级，水利水电技术，1992，(10)，42-49
[18] 孙振堂，成昆线东荣河滑坡稳定性与结构面长期强度研究，硕士论文，1994
[19] 郭欣，八达岭地区岩体的质量分级，岩体工程技术，1997，2，12-15
[20] 工程地质手册(第三版)，北京：中国建筑工业出版社，1992
[21] 谢强，铁路岩石边坡研究，博士论文，1998
[22] Deer D.V. and Miller R.P, Engineering classifications and index properties of intact rock. Tech. report, 1966
[23] 徐卫亚、喻和平、谢守益等，清江隔河岩坝基工程岩体质量评价研究，工程地质学报，1999，6，105-111
[24] 杜时贵、何芳象、王思敬，RQD研究的几个理论问题，现代地质，1998，6，253-261
[25] 秦四清、张倬元、王士天等，节理粗糙度曲线的分维特征，成都地质学院学报，1993，10，109-112
[26] 胡卸文、黄润秋，水利水电工程中的岩体质量分类探讨，成都理工学院学报，1996，7，64-68
[27] Price G., A suggested method for the classification of rock mass weathering by a rating system, Engineering Geology, 1993, 26,
[28] 中华人民共和国水利电力部，水利水电工程地质勘察规范(送审稿)，2000
[29] 任光明、聂德新、米德才，软弱层带夹泥物理力学特征的仿真研究，工程地质学报，1999，3，65-71
[30] 周创兵、於三大，论岩体表征单元体积REV—岩体力学参数取值的一个基本问题，工程地质学报，1999，12，332-336
[31] 柳赋铮，岩体基本质量和工程岩体分级，长江科学院院报，1991，12(增刊)，55-63
[32] 邓荣贵、张倬元、王士天，锦屏电站坝区Ⅰ类结构面地质-力学特征研究，成都理工学院学报，1996，10，10-15
[33] 张天史，二滩水电站导流隧洞围岩岩体质量分级和稳定性评价，水电站设计，1994，3，53-57
[34] 林韵梅，岩体基本质量定量分级标准BQ公式的研究，岩土工程学报，1999，7，481-485
[35] 中华人民共和国国家标准GB50218-94，工程岩体分级标准，国家技术监督局、中华人民共和国建设部联合发布，1994
[36] 杜时贵、许四法、杨树峰等，岩石质量指标RQD与工程岩体分类，工程地质学报，2000，8(3)，351-356
[37] Sen. Z. &Eissa E.A., Rock quality charts for log-normally distributed block sizes, Int. J. Rock Mech. Min Sci. &Geomech. Abstr., 1992, 19 (1): 1-12
[38] 邓荣贵、张倬元，锦屏水电站坝区绿片岩结构及力学特性研究，成都理工学院学报，200l，1，93-97
[39] 黄志全、王思敬、李华晔等，岩体力学参数取值的置信度及其可靠性，岩石力学与工程学报，1999，2，33-35
[40] 刘军、张倬元，四川某公路边坡缓倾角层状岩体结构面分级及成因分析，成都理工学院学报，1999，7，279-282
[41] 张倬元，典型人类工程活动与地质环境相互作用研究(一)，西南交通大学出版社，1994
[42] 柴贺军、刘浩吾、王忠，改进的进化遗传算法在软弱结构面力学参数选取中的应用，成都理工学院学报，2001，10，421-424
[43] 胡卸文，金沙江溪洛渡水电站坝区软弱层带的工程地质系统研究，成都理工大学档案馆，1995
[44] 傅荣华，坝基开挖深度的研究现状与发展趋势，成都理工学院学报，1993，1，101-107
[45] 周志东、胡卸文、张倬元等，西南某水电站坝肩岩体质量分级方法选取探讨，成都理工学院学报，1999，1，82-85
[46] 韩德福，简介Q系统、RMR岩体分级方法及其在地下洞室围岩分级中的具体应用，水利水电工程地质情报网网刊，1987，23-46
[47] Bieniaski Z T. Engineering Rock Mass Classification: a complete manual for engineers and geologists in mining, civil, and petroleum engineers. New York: Wiley, 1989. 25-58
[48] 聂德新、符文熹、任光明等，天然围压下软弱层带的工程特性及当前研究中存在的问题分析，工程地质学报，1999，12，298-302
[49] 袁宝远、杨志法、肖树芳，岩体结构要素分形几何研究，工程地质学报，1998，12，355-360
[50] 傅荣华、李文斌、邓荣贵，确定岩体结构类型的专家系统方法，水文地质工程地质，1994，2，6-9
[51] R.A. Adey & R. Pusch, Scale dependency in rock strength, Engineering Geology, 1999, 251-258
[52] 溪洛渡水电站岩体和结构面力学参数取值研究，国家电力公司成都勘测设计研究院科研所，1999
[53] 金沙江溪洛渡水电站可行性研究报告(专题报告十五-岩体力学特性及取值研究)，2001
[54] Uriel S. and Dapena, Influence of Weathering on the Mechanical Properties of Granite Rocks, IAEG Ⅲ International Congress. Section Ⅱ, Vol. 1,1978, 91～104
[55] Barton N., Lien R. and lunde J. Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support, Rock Mech. 6,1974,189～236
[56] 马洪生，南部县塔子山崩塌危岩形成机制与治理设计，成都理工学院硕士论文，1999，4
[57] Eagles J H, et al. International commission of large dams. Monitoring of Dams and Their Foundations, 1989, Bulletin 68
[58] He C.,A study on the class Ⅱ behavior of rock, Rock Mech. and Rock Eng, 1990, (4)
[59] Louis, J. and Papadopoulos, T. etc, Conventional and modern seismic investigations for rock quality determination at a dam site - a case history, Geophysical Prospecting.-1995,43(6).779～792
[2] 黄润秋、严明、许强等，雅砻江锦屏一级水电站普斯罗沟坝段左岸高边坡深部裂缝形成机理及工程适宜性分析，成都理工大学、国家电力公司成都勘测设计研究院，2001
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