复杂地质条件下大型地下洞群围岩的加卸荷流变试验及数值模拟研究

以西部锦屏一级水电站大型地下洞室群实际工程为依托，通过对现场采集的岩样进行室内瞬时力学试验、特定应力路径下的岩石的三轴流变试验，对复杂地质条件下(高地应力和高水压)围岩的加卸荷损伤特征及流变变形特征进行研究；通过各应力水平作用下的流变试验结果对相关的流变参数进行反演分析，建立起各流变参数的非线性关系；然后引入一个二阶的损伤张量来描述岩体的初始几何损伤，以较为成熟的Nishihara模型为基础，将此二阶损伤张量引入到Nishihara流变本构模型中，紧接着把流变参数的非线性关系也应用到流变本构模型中；在VC++环境下，以FLAC3D 3.0版本为开发平台，实现基于Nishihara模型的节理岩体的非线性流变本构模型程序二次开发。并将此程序应用到正在施工过程中的锦屏一级水电站地下洞室群的流变计算研究当中，为实际工程的长期稳定性提供理论指导。

本基金项目以西部正在建设的地下洞室群为研究背景，通过实验室试验，数值模拟和理论创新，研究了复杂条件下大型地下洞室群的长期稳定性，本文的主要研究成果如下：1) 首先通过山东大学岩土与结构中心自行研制的三轴伺服试验机上对从工程现场所取的典型的硬岩(花岗岩和大理岩)进行了单轴压缩瞬时力学特性试验研究，分析了硬岩的全应力－应变曲线的各个阶段及岩样的变形特征、强度特征和破坏规律，得到了硬岩的的基本力学参数，为下一步进行硬岩的蠕变试验和数值计算提供依据。在研究硬岩的单轴压缩蠕变过程中，研制了一套单轴压缩蠕变装置，通过该装置对锦屏一级地下洞群附近所取的大理岩进行了单轴压缩蠕变试验研究(包括干燥试件和饱水试件)，得到了各试件在不同应力水平下的单轴压缩蠕变曲线，并在Nishihara模型下进行了模型参数的反演分析，为下一步进行锦屏一级地下洞群的长期稳定性研究提供试验依据。2) 基于现场的节理岩体的地质资料及实验室单轴压缩蠕变的试验结果，建立了节理岩体的非定常损伤流变模型。首先引入一个二阶的损伤张量来描述节理岩体的几何初始损伤，其中，节理面的面积、方向、间距和密度作为影响损伤张量的主要因素；其次，以Nishihara模型作为描述岩体时效特性的基本模型，并通过对应原理将一维形式的Nishihara模型推广到三维形式；然后应用等效应变假设，将二阶的损伤张量引入到流变本构方程中；紧接着用单轴压缩蠕变试验得到的相关流变参数的非线性表达式应用到流变本构方程中；在VC++ 7.0的环境下，以FLAC3D Version 3.0有限差分软件为开发平台，编写了上述本构关系的程序块，实现了节理岩体非定常损伤本构模型的二次开发。最后将此模型同时应用于研究双江口地下洞群和四川雅砻江流域的锦屏一级电站地下洞群的长期稳定性研究中，预测了复杂条件下大型地下洞群的长期稳定性，并与弹塑性计算的作了对比分析，为大型地下洞群的长期稳定和安全性提供了合理的评价和建议。