叶巴滩水电站坝址区斜长花岗岩声发射试验研究

摘要

通过实地勘察叶巴滩坝址区揭示的深部岩体变形破裂现象，深刻分析深部卸荷发育的应力环境与含水状态，科学的、合理的设计试验方案。本文基于MTS815岩石力学试验机与PAC-Ⅱ声发射测试系统，开展叶巴滩坝址区斜长花岗岩在不同围压与含水量的循环三轴加卸荷声发射试验研究。根据声发射振铃计数、声发射能量计数、振幅反映岩石变形破坏过程微破裂发育活动性;基于破裂点空间集群分布特征，分析岩石内部潜在危险区域，并揭示岩石主破裂面形成过程与力学机制。论文主要研究成果如下:
　　(1)根据声发射事件率、累计事件数、振铃计数、能量计数随时间的变化关系，可将整个声发射过程划分为5个阶段，能够较好的与岩石变形破坏阶段相对应。
　　(2)由于岩石材料结构、成分差异，以及不均性，岩石变形破坏过程b值变化有所差异，但大体上有如下规律:岩石失稳破坏前b值会出现小幅度波动，表明岩石破裂处在稳定渐进破坏过程;在接近破坏时，b值快速下降或大幅度波动，岩石结构剧烈损伤，裂纹快速扩展、贯通，代表一种突发式失稳破坏。
　　(3)基于以往声发射事件空间分布的统计方法分析，提出一种统计声发射事件空间分布规律的新方法，即时间-距离方法。通过该方法可将岩石变形破坏过程划分为三个阶段，并得到2个明显的特征意义点。这两个点在岩石变形破坏过程中具有重要的意义，可作为岩石变形破坏过程内部结构改变的重要衡量指标。
　　(4)在声发射初期，破裂点之间距离主要以3-6mm为主，且大于8mm的距离比例在10％以上，说明破裂点之间的距离较大，相关性不明显。随着岩石变形破坏进程逐渐发展，距离较大的破裂点数量逐渐减少，破裂点距离集中分布在1-2mm,所占比例约50％。距离在0-1mm的破裂点所占比例，随着岩石变形破坏过程逐渐增加，从最初的1％增加至10～30％。此外，研究发现岩石失稳破坏时空间相关长度最终保持在2mm左右，当空间相关长度下降至2mm时预示着岩石试样即将失稳破坏。
　　(5)围压是改善岩石力学性质的重要因素，随着围压增大饱和试样与天然石的峰值应力、峰值应变都明显增加。相同围压条件下，天然状态岩样峰值应力、应变明显高于饱和状态岩样，说明水的存在降低岩石的强度，弱化岩石抵抗变形的能力。从岩石应变的角度来看，声发射变化规律与轴向残余应变、侧向应变、体积应变具有较好的相关性，能有效的反映岩石变形破坏过程内部结构损伤。
　　(6)声发射技术作为监测岩体稳定性的重要手段，在实践工程中运用广泛。基于本文提出的衡量岩石失稳破坏过程的新指标d值，结合声发射各阶段破裂点的空间分布图，确定破裂点空间集群方位，辨别岩石内部潜在危险区域的位置，建立衡量岩石失稳破坏的新指标。d值的变化趋势与岩石变形破坏过程有较大的相关性，但要实现定量的评价岩石稳定性，还有很多的后续工作需要开展。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 论文的选题依据及研究意义

1．1．1 选题依据

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状及分析

1．2．1 脆性岩石破裂研究

1．2．2 声发射在岩石实验中的应用

1．3 主要研究内容

1．4 研究思路与技术路线

第2章 坝址区工程地质条件及试验方案设计

2．1 坝址区工程地质条件

2．1．1 地形地貌

2．1．2 地层岩性

2．1．3 河谷演化

2．1．4 深部变形破裂的成因

2．2 试验方案设计

2．2．1 斜长花岗岩矿物成分鉴定与检测

2．2．2 斜长花岗岩岩石三轴试验准备

第3章 声发射信号及其特征参数

3．1 声发射的基本原理

3．1．1 声发射来源

3．1．2 声发射波频谱范围

3．1．3 声发射波的传播

3．2 声发射检测技术

3．2．1 声发射技术原理

3．2．2 声发射技术特点

3．3 声发射基本参数

第4章 斜长花岗岩声发射事件空间分布规律研究

4．1 声发射事件变化规律

4．2 声发射事件空间分布统计方法

4．2．1 声发射定位方法

4．2．2 声发射空间统计方法

4．3 声发射事件距离分布规律特征

4．3．1 声发射d值变化规律

4．3．2 声发射事件分色研究

4．4 空间相关长度

4．5 本章小结

第5章 斜长花岗岩声发射事件基本参数分析

5．1 声发射振铃计数

5．1．1 天然试样振铃计数规律

5．1．2 饱和试样振铃计数规律

5．2 声发射能量变化规律

5．2．1 天然试样声发射能量变化规律

5．2．2 饱和试样声发射能量变化规律

5．3 b值变化规律

5．4 本章小结

第6章 斜长花岗岩变形破裂演化规律

6．1 岩石强度特征

6．2 岩石变形破坏特征

6．2．1 岩石变形特征

6．2．2 岩石破裂特征

6．3 基于声发射的岩石变形破坏前兆指标

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果