巖石力學(xué)在水利工程中的應(yīng)用
——理論、方法與實踐
杜靜霞
【摘要】近年來，在大型水利工程建設(shè)中，大量實踐的成功經(jīng)驗與失敗教訓(xùn)，使得人們逐步認識到巖石力學(xué)與工程學(xué)科的重要性，巖石力學(xué)的重要性凸顯出來。在具體的工程項目中，應(yīng)用巖石流變力學(xué)特征、巖石蠕變與工程穩(wěn)定分析、巖石組分與力學(xué)特性等理論研究成果指導(dǎo)工程實踐具有很強的現(xiàn)實意義。本文就巖石力學(xué)在水利工程中的應(yīng)用做簡要闡述，供廣大同仁參考。
【關(guān)鍵詞】 巖石力學(xué) 水利工程 發(fā)展現(xiàn)狀 研究方法 實踐應(yīng)用
一、巖石力學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r
巖石作為整個自然界的物質(zhì)系統(tǒng)的一部分，必然為人類所認識和利用。近五十年來，巖石力學(xué)學(xué)科有了巨大的發(fā)展。國際巖石力學(xué)學(xué)會和中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會為發(fā)展本學(xué)科做了大量艱苦的開拓工作，在學(xué)術(shù)和實踐等方面都取得了豐碩成果。人類生活的環(huán)境是地球上層的巖石圈，很多活動都離不開以巖石工程為對象的經(jīng)濟建設(shè)。水電站的大壩、廠房引水隧洞、礦山巷道等的高速發(fā)展都給巖石力學(xué)提出了新的要求和課題。特別是我國蓬勃發(fā)展的水利建設(shè)事業(yè)如上猶江、佛子嶺、梅山、新安江、劉家峽、丹江口、葛洲壩、隔河巖、水布啞、二灘、三峽等的新建都對巖石力學(xué)發(fā)展起了重大的促進作用。通過大量實踐的成功經(jīng)驗與失敗教訓(xùn)，人們逐步認識到巖石力學(xué)與工程學(xué)科的重要性。利用巖石力學(xué)合理地去解決工程實踐中的問題，近三十年來已取得了世人矚目的豐碩成果。軟弱圍巖礦床開采的巷道支護技術(shù)、堅硬圍巖礦床開采后的采空區(qū)處理技術(shù)、軟弱巖體上水工建筑的設(shè)計技術(shù)、高溫度壓條件下巖石流變與工程穩(wěn)定問題，地下群體工程優(yōu)化技術(shù)等的應(yīng)用，在許多工程實踐中取得了理論上的重要進展，獲得了良好的經(jīng)濟效益。與此同時，巖石力學(xué)的基本理論也逐步得到充實和提高，應(yīng)用巖石流變力學(xué)特征、巖石蠕變與工程穩(wěn)定分析、巖石組分與力學(xué)特性等理論研究成果指導(dǎo)工程實踐已取得良好效果。
二、巖石力學(xué)的研究方法
巖石力學(xué)的研究對象是多相各向異性的裂隙巖體。這決定了它是由多學(xué)科相互交錯、滲透、依賴、補充而派生出來的一門邊緣學(xué)科。巖石力學(xué)在巖體工程上的表現(xiàn)形式，與地質(zhì)條件有密切關(guān)系，與工程類別、施工工藝、支護方式及時間等因素也有相輔相成的關(guān)系。這些特點決定了巖石力學(xué)必須采用多種方法、多種技術(shù)來進行綜合性研究。自50年代起，這種綜合性研究方法已逐漸成為各國巖石力學(xué)專家的共識。
以固體力學(xué)理論和經(jīng)典數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的巖體分析，雖已有100多年的研究歷史，因理論分析結(jié)果可靠性低，而不能成為巖體工程分析和設(shè)計的主要手段。
隨后，隨著計算機的快速發(fā)展，使得仍沿用以固體力學(xué)理論為基礎(chǔ)、數(shù)值方法為手段的有限單元法來解決復(fù)雜的邊值問題成為可能，從而大大擴展了有限單元法的應(yīng)用范圍。到了70年代，有限單元法的研究和應(yīng)用在我國受到普遍關(guān)注，不久即成為巖石力學(xué)分析的主要手段。隨著結(jié)合巖體力學(xué)新成果進行的相應(yīng)研究，以及手段的更趨完善，該方法的內(nèi)涵更加豐富。
近年來，與非線性科學(xué)有關(guān)的混沌論、耗散結(jié)構(gòu)淪、突變論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新理論、新方法已不同程度地滲入到巖石力學(xué)領(lǐng)域。在研究地質(zhì)構(gòu)造、巖體穩(wěn)定、巖石斷裂、地下水滲流等方面取得許多重要進展。在連續(xù)介質(zhì)、離散介質(zhì)力學(xué)研究方面也有許多新的突破。在此基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了一系列數(shù)值分析方面的新方法、新程序，如不連續(xù)變形分析法(DDA法)，流形元法(MM法)，連續(xù)介質(zhì)和三維連續(xù)介質(zhì)快速拉格郎日分析法(FLAC，F(xiàn)LAC3D)，通用和三維離散元程序(UDEC，UDC3D)，二維和三維顆粒流程序(PFC2D，PFC3D)以及各種方法的耦合程序等。
位移反分析為解決巖石力學(xué)分析中難以確定的計算參數(shù)問題提供了一獨特而實用的方法，因此它日益受到重視，并取得了不少理論研究和實際應(yīng)用的成果。但仍存在有待研究的問題。
在理論研究方面，解的唯一性問題、設(shè)定問題和各種反演的具體方法等還需繼續(xù)研究；位移反分析的立足點是實際應(yīng)用。為了使其在巖石工程設(shè)計中發(fā)揮更大作用，有必要對某些較成熟的反演技術(shù)，例如利用掌子面開挖過程量測位移的彈性問題三維有限元圖譜位移反分析法飛深人開展實用化研究，包括選點地質(zhì)單一化、開挖及位移量測標(biāo)準(zhǔn)化和標(biāo)難圖譜的建立等。為提高反演精度和充分利用不斷反饋回來的信息，筆者提出開展反演正算綜合分析法的研究。另外，以支護為反演對象的山巖壓力反分析”具有重要的實用價值，也應(yīng)重視3，在巖石力學(xué)范疇中開展系統(tǒng)科學(xué)研究 按照系統(tǒng)科學(xué)觀點”；巖石工程可看作為動態(tài)的、開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，而對這種系統(tǒng)可用由理論分析、專家經(jīng)驗和監(jiān)控等組成的、定性定量相結(jié)合的綜合集成方法解決問題。新奧法在隧道中的成功應(yīng)用證明了系統(tǒng)科學(xué)在巖石力學(xué)領(lǐng)域中大有可為。
所有的這些方法都應(yīng)該在實踐中不斷的完善。但日前存在的問題不在于計算方法本身，而在于計算中所采用的巖體力學(xué)參數(shù)、邊界條件、地質(zhì)力學(xué)模型與計算模型是否符合實際情況，這也是國際巖石力學(xué)領(lǐng)域普通存在的問題。為了使計算結(jié)果更加符合實際，我們應(yīng)該在實踐中不斷的完善，最好能夠親自參加勘測(尤其是工程地質(zhì)勘測)，動手實驗，并熟悉設(shè)計和施工全過程。通過實際工作，搞清楚巖體工程的實際情況與理論假定到底有什么區(qū)別。這樣才能在理論研究與工程實際之間架起一座橋梁，才能提高巖石力學(xué)的總體水平，更好地為工程建設(shè)服務(wù)。
三、巖石力學(xué)在水利工程中的應(yīng)用
今天，我國巖石力學(xué)學(xué)科面臨大好的發(fā)展時機。我國在新型工業(yè)化和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略指導(dǎo)下向現(xiàn)代化邁進。東部大發(fā)展，西部大開發(fā)，全國大建設(shè)，不論在工程數(shù)量、建設(shè)規(guī)模及安全和質(zhì)量要求上都是前所未有的，我國巖石力學(xué)工作者在現(xiàn)代化建設(shè)中大有可為。雖然，我們已有堅強的理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗，但是面臨著許多以前未曾通到的難題，要求在理論上有所創(chuàng)新，在技術(shù)方法上有所前進，否則難于響應(yīng)所面臨的挑戰(zhàn)，而只有在21世紀(jì)上半期努力實現(xiàn)國家科技和各領(lǐng)域的現(xiàn)代化中巖石力學(xué)不失時機地發(fā)展起來，才有可能登達世界學(xué)術(shù)界的高峰，做出我國巖石力學(xué)工作者應(yīng)有的貢獻。顯然，我們需要提升自己的學(xué)術(shù)境界，改善學(xué)術(shù)觀念和工作方法，開拓巖石力學(xué)學(xué)科的新篇章。
目前，我國水利事業(yè)蓬勃發(fā)展，在世界范圍內(nèi)在建或擬建的大壩高度超過300m，單線隧道的長度近160km，地下礦井的開采深度超過3000m，自然邊坡高度在1000m以上。隨著各國國民經(jīng)濟的發(fā)展．更為巨大、復(fù)雜的巖石工程將日益增多。近年來．巖石力學(xué)已取得長足發(fā)展，但工程事故，如大壩崩潰、山體滑坡、礦井冒落等仍不斷發(fā)生。因此，當(dāng)前已建或在建的一些巨型工程，如英法海峽隧道(共3條．總長156Lm)，三峽水利樞紐(裝機總?cè)萘?820萬LW，居世界首位)，南非Lesotho水利樞紐(主體工程為6座大壩，4條引水陷洞，總長200km．總工期30年，耗資約2000億美元)等，在設(shè)計和施工過程中無不把巖石力學(xué)作為重點進行研究。從而有力地促進了巖石力學(xué)的發(fā)展。這些對巖石力學(xué)來說，是機遇，更是巨大的挑戰(zhàn)，巖石力學(xué)能在水利工程的不斷發(fā)展中完善自己，同時巖石力學(xué)又面臨著一此次重大的考驗。
1、巖石力學(xué)在水利建設(shè)中主要研究的問題
（1）、壩基壩肩穩(wěn)定性，防滲加固理論和技術(shù)
（2）、有壓和無壓引水隧洞設(shè)計、施工及加固處理技術(shù)
（3）、大跨度高邊坡地下廠房的圍巖穩(wěn)定及加固處理技術(shù)
（4）、高速水流沖刷巖石力學(xué)問題
（5）、水庫誘發(fā)地震的預(yù)報問題
（6）、庫岸穩(wěn)定及加固方法
2、巖石力學(xué)在水利工程建設(shè)中的重要性
水工建設(shè)中常遇到的基巖，巖坡以及地下洞室的安危成敗都與巖石的穩(wěn)定和變形息息相關(guān)，而這些問題正是需要巖石力學(xué)中研究的。國內(nèi)外有過許多巖石不穩(wěn)定而失事的例子不少，現(xiàn)列舉如下：
1）1959年12月2日，法國馬爾帕賽薄拱壩（壩搞67m），由于壩基失穩(wěn)而導(dǎo)致整個拱把倒毀，頃刻間49×106m3的洪水突然奔騰下瀉，流速70km/h，對下游造成重大損失，導(dǎo)致384人死亡，110人下落不明，財產(chǎn)損失不計其數(shù)。
2）1963年意大利瓦依昂水庫由于巖坡由于石灰?guī)r層理強度減弱而發(fā)生大規(guī)模的滑坡運動，在一分鐘內(nèi)大約有2.5億m3的巖石奔入水庫內(nèi)，頓時造成高達150m～250m高的水浪，洪水漫過270m高的拱壩，致使下游的郎加朗市鎮(zhèn)遭到了毀滅性的破壞，數(shù)百人死亡。
3）第三個例子是奧地利格爾利斯水電站。在使用期間，由于輸水壓力隧洞的圍巖（最大壓力水頭為600m）破壞，致使襯砌破裂，高壓水沖入電站廠房，致使機組受到很大的損失，迫使停產(chǎn)處理。
3、巖石力學(xué)在葛洲壩水利工程中的應(yīng)用
葛洲壩水利樞紐壩址區(qū)為丘陵地形，河床寬約2200m。江中分布兩個小島，自右至左，將河流分為大江、二江、三江三條水道，大江為主河槽。大壩位于白奎紀(jì)紅層上，為一套內(nèi)陸河湖相沉積。下部為厚層鈣質(zhì)膠結(jié)的礫巖，主要分布于右岸及右側(cè)大江主河槽段；中上部為砂巖、粉砂巖、粘土巖互層，分布于二、三江地段。粘土巖及粘土質(zhì)粉砂巖均為軟弱地層，其中一部分在后期層間錯動的構(gòu)造作用下，演化為泥化夾層。壩區(qū)構(gòu)造為一單斜構(gòu)造，巖層傾向下游偏左岸，傾角8°左右。從沉積環(huán)境和巖性特點，可將葛洲壩工程的巖體，特別是一期工程的巖體，概括為軟硬相間、多層面、多夾層的薄層巖組。巖體中所含大量的軟弱夾層，特別是泥化夾層及由此而引起的壩基抗滑穩(wěn)定問題是工程建設(shè)的關(guān)鍵性技術(shù)問題之一。由于軟弱夾層的數(shù)量多，厚度薄，相變大，準(zhǔn)確查明它們的分布、層位、空間展布、厚度、性狀變化以及給定相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)，成為工程地質(zhì)勘察工作中最大的技術(shù)難題，為此做了大量的技術(shù)探索和研究工作，野外和室內(nèi)巖石力學(xué)試驗和泥化夾層地質(zhì)成因研究的結(jié)合為大壩的成功設(shè)計和建造提供了科學(xué)依據(jù)。
4、邊坡分析中的巖石力學(xué)
由于我國鐵路、水利、礦山、交通等工程正在飛的速發(fā)展，在建設(shè)中對原有巖體的開挖也就不可避免，由此產(chǎn)生的眾多的邊坡處理問題成為國內(nèi)眾多學(xué)者的研究課題。特別是三峽工程的建設(shè)，導(dǎo)致整個庫區(qū)的很多古滑坡重新復(fù)活以及新的滑坡的產(chǎn)生，促使人們對滑坡產(chǎn)生的機理、變形、失穩(wěn)動力、誘發(fā)困素、預(yù)報監(jiān)測、加固設(shè)計都有了更深入的研究。
眾所周知，一般巖體的失穩(wěn)都會沿一個薄弱的滑面發(fā)生移動。因此對于巖體失穩(wěn)研究主要包括三部分內(nèi)容：第一，找出巖體中薄弱的滑動面；第二，確定邊界條件和計算方法；第三，確定巖石的力學(xué)參數(shù)�，F(xiàn)在較為流行的方法都采用有限元法進行分析，而對巖體中薄弱滑動面一般采用動態(tài)滑面搜索。計算機的應(yīng)用使其變得很方便。
目前國內(nèi)學(xué)者對滑坡研究主要集中在以下幾個方面：第一，滑坡的預(yù)測模型以及監(jiān)視系統(tǒng)；第二，邊坡的穩(wěn)定性分析；第三，合理的地質(zhì)概化邊坡模型。
四、巖石力學(xué)的發(fā)展前景
中國幅員遼闊，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，山地約占國土面積的2／3，為巖石力學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造了非常有利的條件。在即將到來的21世紀(jì)，我國將繼續(xù)興建一系列舉世矚目目的巨型水利工程，如錦屏一級（世界最高拱壩）、錦屏二級、小灣(世界第二)、南水北調(diào)等。此外各大城市的地鐵建設(shè)，瓊州海峽隧道、渤海海峽隧道等工程也將逐步付諸實施。在興建這些工程過程中，巖石力學(xué)的重要性是不言而冶的。我們應(yīng)該充滿信心，迎接一個個機遇和挑戰(zhàn)．為我國巖石力學(xué)趕超國際先進水平，做出應(yīng)有的貢獻。
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