岩石力学在水利工程中的应用

岩石力学在水利工程中的应用
——理论、方法与实践
杜静霞
【摘要】近年来，在大型水利工程建设中，大量实践的成功经验与失败教训，使得人们逐步认识到岩石力学与工程学科的重要性，岩石力学的重要性凸显出来。在具体的工程项目中，应用岩石流变力学特征、岩石蠕变与工程稳定分析、岩石组分与力学特性等理论研究成果指导工程实践具有很强的现实意义。本文就岩石力学在水利工程中的应用做简要阐述，供广大同仁参考。
【关键词】岩石力学水利工程发展现状研究方法实践应用
一、岩石力学的发展状况
岩石作为整个自然界的物质系统的一部分，必然为人类所认识和利用。近五十年来，岩石力学学科有了巨大的发展。国际岩石力学学会和中国岩石力学与工程学会为发展本学科做了大量艰苦的开拓工作，在学术和实践等方面都取得了丰硕成果。人类生活的环境是地球上层的岩石圈，很多活动都离不开以岩石工程为对象的经济建设。水电站的大坝、厂房引水隧洞、矿山巷道等的高速发展都给岩石力学提出了新的要求和课题。特别是我国蓬勃发展的水利建设事业如上犹江、佛子岭、梅山、新安江、刘家峡、丹江口、葛洲坝、隔河岩、水布哑、二滩、三峡等的新建都对岩石力学发展起了重大的促进作用。通过大量实践的成功经验与失败教训，人们逐步认识到岩石力学与工程学科的重要性。利用岩石力学合理地去解决工程实践中的问题，近三十年来已取得了世人瞩目的丰硕成果。软弱围岩矿床开采的巷道支护技术、坚硬围岩矿床开采后的采空区处理技术、软弱岩体上水工建筑的设计技术、高温度压条件下岩石流变与工程稳定问题，地下群体工程优化技术等的应用，在许多工程实践中取得了理论上的重要进展，获得了良好的经济效益。与此同时，岩石力学的基本理论也逐步得到充实和提高，应用岩石流变力学特征、岩石蠕变与工程稳定分析、岩石组分与力学特性等理论研究成果指导工程实践已取得良好效果。
二、岩石力学的研究方法
岩石力学的研究对象是多相各向异性的裂隙岩体。这决定了它是由多学科相互交错、渗透、依赖、补充而派生出来的一门边缘学科。岩石力学在岩体工程上的表现形式，与地质条件有密切关系，与工程类别、施工工艺、支护方式及时间等因素也有相辅相成的关系。这些特点决定了岩石力学必须采用多种方法、多种技术来进行综合性研究。自50年代起，这种综合性研究方法已逐渐成为各国岩石力学专家的共识。
以固体力学理论和经典数学为基础的岩体分析，虽已有100多年的研究历史，因理论分析结果可靠性低，而不能成为岩体工程分析和设计的主要手段。
随后，随着计算机的快速发展，使得仍沿用以固体力学理论为基础、数值方法为手段的有限单元法来解决复杂的边值问题成为可能，从而大大扩展了有限单元法的应用范围。到了70年代，有限单元法的研究和应用在我国受到普遍关注，不久即成为岩石力学分析的主要手段。随着结合岩体力学新成果进行的相应研究，以及手段的更趋完善，该方法的内涵更加丰富。
近年来，与非线性科学有关的混沌论、耗散结构沦、突变论、人工神经网络等新理论、新方法已不同程度地渗入到岩石力学领域。在研究地质构造、岩体稳定、岩石断裂、地下水渗流等方面取得许多重要进展。在连续介质、离散介质力学研究方面也有许多新的突破。在此基础上，出现了一系列数值分析方面的新方法、新程序，如不连续变形分析法(DDA法)，流形元法(MM法)，连续介质和三维连续介质快速拉格郎日分析法(FLAC，FLAC3D)，通用和三维离散元程序(UDEC，UDC3D)，二维和三维颗粒流程序(PFC2D，PFC3D)以及各种方法的耦合程序等。
位移反分析为解决岩石力学分析中难以确定的计算参数问题提供了一独特而实用的方法，因此它日益受到重视，并取得了不少理论研究和实际应用的成果。但仍存在有待研究的问题。
在理论研究方面，解的唯一性问题、设定问题和各种反演的具体方法等还需继续研究；位移反分析的立足点是实际应用。为了使其在岩石工程设计中发挥更大作用，有必要对某些较成熟的反演技术，例如利用掌子面开挖过程量测位移的弹性问题三维有限元图谱位移反分析法飞深人开展实用化研究，包括选点地质单一化、开挖及位移量测标准化和标难图谱的建立等。为提高反演精度和充分利用不断反馈回来的信息，笔者提出开展反演正算综合分析法的研究。另外，以支护为反演对象的山岩压力反分析”具有重要的实用价值，也应重视3，在岩石力学范畴中开展系统科学研究按照系统科学观点”；岩石工程可看作为动态的、开放的复杂巨系统，而对这种系统可用由理论分析、专家经验和监控等组成的、定性定量相结合的综合集成方法解决问题。新奥法在隧道中的成功应用证明了系统科学在岩石力学领域中大有可为。
所有的这些方法都应该在实践中不断的完善。但日前存在的问题不在于计算方法本身，而在于计算中所采用的岩体力学参数、边界条件、地质力学模型与计算模型是否符合实际情况，这也是国际岩石力学领域普通存在的问题。为了使计算结果更加符合实际，我们应该在实践中不断的完善，最好能够亲自参加勘测(尤其是工程地质勘测)，动手实验，并熟悉设计和施工全过程。通过实际工作，搞清楚岩体工程的实际情况与理论假定到底有什么区别。这样才能在理论研究与工程实际之间架起一座桥梁，才能提高岩石力学的总体水平，更好地为工程建设服务。
三、岩石力学在水利工程中的应用
今天，我国岩石力学学科面临大好的发展时机。我国在新型工业化和可持续发展的战略指导下向现代化迈进。东部大发展，西部大开发，全国大建设，不论在工程数量、建设规模及安全和质量要求上都是前所未有的，我国岩石力学工作者在现代化建设中大有可为。虽然，我们已有坚强的理论基础和实践经验，但是面临着许多以前未曾通到的难题，要求在理论上有所创新，在技术方法上有所前进，否则难于响应所面临的挑战，而只有在21世纪上半期努力实现国家科技和各领域的现代化中岩石力学不失时机地发展起来，才有可能登达世界学术界的高峰，做出我国岩石力学工作者应有的贡献。显然，我们需要提升自己的学术境界，改善学术观念和工作方法，开拓岩石力学学科的新篇章。
目前，我国水利事业蓬勃发展，在世界范围内在建或拟建的大坝高度超过300m，单线隧道的长度近160km，地下矿井的开采深度超过3000m，自然边坡高度在1000m以上。随着各国国民经济的发展．更为巨大、复杂的岩石工程将日益增多。近年来．岩石力学已取得长足发展，但工程事故，如大坝崩溃、山体滑坡、矿井冒落等仍不断发生。因此，当前已建或在建的一些巨型工程，如英法海峡隧道(共3条．总长156Lm)，三峡水利枢纽(装机总容量1820万LW，居世界首位)，南非Lesotho水利枢纽(主体工程为6座大坝，4条引水陷洞，总长200km．总工期30年，耗资约2000亿美元)等，在设计和施工过程中无不把岩石力学作为重点进行研究。从而有力地促进了岩石力学的发展。这些对岩石力学来说，是机遇，更是巨大的挑战，岩石力学能在水利工程的不断发展中完善自己，同时岩石力学又面临着一此次重大的考验。
1、岩石力学在水利建设中主要研究的问题
（1）、坝基坝肩稳定性，防渗加固理论和技术
（2）、有压和无压引水隧洞设计、施工及加固处理技术
（3）、大跨度高边坡地下厂房的围岩稳定及加固处理技术
（4）、高速水流冲刷岩石力学问题
（5）、水库诱发地震的预报问题
（6）、库岸稳定及加固方法
2、岩石力学在水利工程建设中的重要性
水工建设中常遇到的基岩，岩坡以及地下洞室的安危成败都与岩石的稳定和变形息息相关，而这些问题正是需要岩石力学中研究的。国内外有过许多岩石不稳定而失事的例子不少，现列举如下：
1）1959年12月2日，法国马尔帕赛薄拱坝（坝搞67m），由于坝基失稳而导致整个拱把倒毁，顷刻间49×106m3的洪水突然奔腾下泻，流速70km/h，对下游造成重大损失，导致384人死亡，110人下落不明，财产损失不计其数。
2）1963年意大利瓦依昂水库由于岩坡由于石灰岩层理强度减弱而发生大规模的滑坡运动，在一分钟内大约有2.5亿m3的岩石奔入水库内，顿时造成高达150m～250m高的水浪，洪水漫过270m高的拱坝，致使下游的郎加朗市镇遭到了毁灭性的破坏，数百人死亡。
3）第三个例子是奥地利格尔利斯水电站。在使用期间，由于输水压力隧洞的围岩（最大压力水头为600m）破坏，致使衬砌破裂，高压水冲入电站厂房，致使机组受到很大的损失，迫使停产处理。
3、岩石力学在葛洲坝水利工程中的应用
葛洲坝水利枢纽坝址区为丘陵地形，河床宽约2200m。江中分布两个小岛，自右至左，将河流分为大江、二江、三江三条水道，大江为主河槽。大坝位于白奎纪红层上，为一套内陆河湖相沉积。下部为厚层钙质胶结的砾岩，主要分布于右岸及右侧大江主河槽段；中上部为砂岩、粉砂岩、粘土岩互层，分布于二、三江地段。粘土岩及粘土质粉砂岩均为软弱地层，其中一部分在后期层间错动的构造作用下，演化为泥化夹层。坝区构造为一单斜构造，岩层倾向下游偏左岸，倾角8°左右。从沉积环境和岩性特点，可将葛洲坝工程的岩体，特别是一期工程的岩体，概括为软硬相间、多层面、多夹层的薄层岩组。岩体中所含大量的软弱夹层，特别是泥化夹层及由此而引起的坝基抗滑稳定问题是工程建设的关键性技术问题之一。由于软弱夹层的数量多，厚度薄，相变大，准确查明它们的分布、层位、空间展布、厚度、性状变化以及给定相应的物理力学参数，成为工程地质勘察工作中最大的技术难题，为此做了大量的技术探索和研究工作，野外和室内岩石力学试验和泥化夹层地质成因研究的结合为大坝的成功设计和建造提供了科学依据。
4、边坡分析中的岩石力学
由于我国铁路、水利、矿山、交通等工程正在飞的速发展，在建设中对原有岩体的开挖也就不可避免，由此产生的众多的边坡处理问题成为国内众多学者的研究课题。特别是三峡工程的建设，导致整个库区的很多古滑坡重新复活以及新的滑坡的产生，促使人们对滑坡产生的机理、变形、失稳动力、诱发困素、预报监测、加固设计都有了更深入的研究。
众所周知，一般岩体的失稳都会沿一个薄弱的滑面发生移动。因此对于岩体失稳研究主要包括三部分内容：第一，找出岩体中薄弱的滑动面；第二，确定边界条件和计算方法；第三，确定岩石的力学参数。现在较为流行的方法都采用有限元法进行分析，而对岩体中薄弱滑动面一般采用动态滑面搜索。计算机的应用使其变得很方便。
目前国内学者对滑坡研究主要集中在以下几个方面：第一，滑坡的预测模型以及监视系统；第二，边坡的稳定性分析；第三，合理的地质概化边坡模型。
四、岩石力学的发展前景
中国幅员辽阔，地质构造复杂，山地约占国土面积的2／3，为岩石力学的发展创造了非常有利的条件。在即将到来的21世纪，我国将继续兴建一系列举世瞩目目的巨型水利工程，如锦屏一级（世界最高拱坝）、锦屏二级、小湾(世界第二)、南水北调等。此外各大城市的地铁建设，琼州海峡隧道、渤海海峡隧道等工程也将逐步付诸实施。在兴建这些工程过程中，岩石力学的重要性是不言而冶的。我们应该充满信心，迎接一个个机遇和挑战．为我国岩石力学赶超国际先进水平，做出应有的贡献。
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