前言

岩体被广泛作为建筑物的地基、边坡和围岩的介质,其自然属性及工程稳定性直接影响到建筑物运行与安全。随着我国基础设施工程建设的规模不断扩大,所遇到的岩体力学问题亦越来越复杂。工程实践与研究表明,工程岩体的失稳与破坏,在许多情况下并不是在施工期和运行初期立即发生,岩体应力与变形随时间而变化发展和不断调整,其调整的过程往往需要延续一个较长的时期。此外,岩体本身是一种十分复杂和多样的非均质材料,目前在描述和处理岩体材料力学性能方面,只能沿用弹性或弹塑性理论,存在明显的困难与不足,因此,必须考虑其性能的时间效应或其流变属性。

流变属性是指材料的应力-应变关系与时间因素有关的性质,材料的变形和应力松弛具有时间效应的现象称为流变。岩体的流变包括蠕变、松弛和弹性后效等。岩体作为一种复杂的地质体,流变特性是其重要的力学特性之一。由于岩体属于非均质、不连续、各向异性的地质介质,在长期荷载作用下,工程岩体的应力应变状态、变形破坏特征均随时间而不断发生变化,具有显著的时效特性,岩体表现出的流变特性对工程安全影响重大。

我国水电资源总量位居世界第一,其中西部水电资源占81%,但开发率较低,全国水电开发程度仅为约40%(截至2014年年底发电量)。因此,大力开发西部水电,实施“西电东送”是我国西部大开发战略的重要组成部分,也符合我国开发清洁再生能源的可持续发展国策。在西部大开发过程中,涌现出一批高拱坝,如已建成的雅砻江二滩拱坝(坝高240m)、黄河李家峡拱坝(坝高160m)、乌江构皮滩拱坝(坝高232.5m)、黄河拉西瓦拱坝(坝高250m)、澜沧江小湾拱坝(坝高294.5m)、金沙江溪洛渡拱坝(坝高285.5m)、雅砻江锦屏一级拱坝(坝高305m)以及大渡河大岗山拱坝(坝高210m),在建的金沙江乌东德拱坝(坝高265m),筹建的金沙江白鹤滩拱坝(坝高289m)。此外,正在勘测设计的坝高200m以上的拱坝有雅砻江孟底沟,金沙江叶巴滩、旭龙,怒江同卡、怒江桥、罗拉、松塔、马吉等。这些高拱坝工程规模巨大,要求建基于坚硬较完整岩体上,但这些高坝的坝肩坝基岩体内部常常分布有层间挤压带、层间和层内错动带、断层破碎带、蚀变岩带等软弱岩带和强度高、性脆、节理发育的“硬、脆、碎”岩体,对坝肩坝基稳定不利。同时,坝基岩体在开挖卸荷、坝体荷载及高渗透水压的长期作用下,将可能呈现出与时间有关的流变特性,主要表现为松弛、蠕变、弹性后效、时效强度和流变损伤断裂等,对高拱坝的施工安全及长期运行稳定产生不利影响,需要加强勘察设计论证,并采取针对性基础处理措施。当认识不到位、处理不当时,施工、运行期工程可能出现事故或留下安全隐患。因此,深入系统地开展高拱坝坝基岩体的流变力学特性与工程稳定性研究是十分必要的。其研究成果不仅对高拱坝设计具有直接的应用和推广价值,而且对于保证高坝工程的施工安全以及长期运行稳定具有十分重大的理论意义和工程应用价值。

本书在中国电力建设集团有限公司科技项目的支撑下,以大岗山水电站工程为例,对高拱坝坝基岩体的流变力学特性与工程稳定性进行了深入系统的研究,认识并首次揭示了岩体工程地质特性及流变地质机理;首次开展了“硬、脆、碎”辉绿岩岩体和软弱岩带原位大尺寸(ϕ1000)压缩蠕变试验、原位大尺寸(500mm×500mm)剪切流变试验、原位松弛变形监测以及室内不同加卸载应力路径三轴压缩蠕变试验,现场原位岩体流变试验时间累计近3年;深入研究了“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带的压缩蠕变特征、剪切流变特性及其流变破坏规律,获取了坝基“硬、脆、碎”岩体和软弱岩带流变力学参数;进而,通过流变理论研究,建立了“硬、脆、碎”岩体的非线性黏弹塑性流变模型和软弱岩带的变参数流变损伤模型,开发了相应的流变计算程序,提出了岩体流变参数的解析反演、解析-智能反演和改进二次粒子群反演方法;建立了坝基岩体三维渗流应力耦合效应的流变力学模型。上述研究成果,成功地应用于大岗山水电站坝基及边坡岩体施工开挖期和蓄水运行期流变长期稳定性的分析评价,有效地指导了坝基基础处理设计和施工。

本书共分6章。第1章介绍目前国内外岩体流变力学的研究现状、背景,本书研究的思路、主要内容和成果;第2章介绍岩体流变地质机理研究的成果;第3章介绍岩体流变力学特性试验研究的成果;第4章介绍岩体非线性流变力学模型与流变参数反演分析研究的成果;第5章介绍岩体三维渗流应力耦合流变模型研究的成果;第6章介绍岩体流变工程长期稳定性分析评价及应用于基础处理研究的成果。

本书出版得到了中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司的大力资助,作者在此深表谢意!同时,对参与本书相关内容研究的黄彦昆教授级高级工程师、邵敬东教授级高级工程师、苏红杰高级工程师等的大力指导和帮助,表示衷心感谢!

本书的完成也得到山东大学张强勇教授、朱维申教授、杨文东博士,成都理工大学沈军辉教授、苗朝博士,武汉大学陈胜宏教授、张雄博士等的大力支持和帮助,在此一并表示衷心感谢!

在本书的撰写过程中,参阅了国内外相关专业领域的大量文献资料,在此向相关作者表示衷心的感谢!

王思敬院士百忙之余为本书作序并给予高度评价,在此表示衷心的感谢!

因时间紧迫,书中错漏和不妥之处在所难免,敬请读者批评指正。