锦屏二级水电站深埋特长引水隧洞岩爆模拟及预测研究

王湘锋，男，1979年1月生，师从李天斌教授，主要从事工程岩土体稳定性研究。 本文从雅砻江锦屏二级水电站正在施工的交通辅助洞典型岩爆现象着手，结合前人的研究成果，以地质调研为基本的分析方法，对深埋隧洞的岩爆机制进行研究，并通过室内相似材料的物理模型试验，对岩爆现象的形成过程和机制进行了模拟，在此基础上，采用地质综合分析预测、强度应力比判据、灰色系统关联度—模糊数学综合预测、BP神经网络预测等多种方法对整个引水隧洞的岩爆及其烈度进行预测。主要获得了以下研究成果： （1）以工程区地应力场反演分析成果为基础，对引水隧洞典型断面的二次应力场进行数值模拟分析，得出围岩二次应力量值较高，硐壁一般的切向应力为90～110MPa，最大切向应力为125MPa，隧洞开挖后二次应力影响范围在硐壁径向18m范围内。 （2）通过对辅助洞A洞和B洞的详细现场调研及其分析，得到工程区岩爆发育的基本特征，岩爆的形成机制主要以张裂—剥落、弯曲鼓折和穹状爆裂为主。其中，低等级岩爆（Ⅰ级、Ⅱ级）的破坏机制以张裂—剥落和弯曲鼓折为主，较高等级岩爆（Ⅲ级）的破坏机制以穹状爆裂为主。 （3）通过岩爆岩石的物理模拟研究得出，“隧洞”不同部位的“围岩”在加载过程中呈现不同的应力状态。在中间主应力σ2不变，最大主应力σ1加载到25.8MPa时，边墙部位切向压应力突然增加，纵向拉应力也突然增加，“围岩”稳定性会发生突然的变化，易于发生脆性破坏，有发生岩爆的表现特征。 （4）通过相似材料的岩爆物理模拟试验可以得出，在模型的边界条件保持“天然应力”状态下，“隧洞”开挖过程中顶拱、拱肩和边墙部位在不同的时间段内分别有较明显的应力、应变突变现象，声发射计数也表现出剧烈增大现象。因此，模型试验较好地再现了岩爆现象。 （5）首次采用灰色系统关联度与模糊数学相结合的方法对岩爆进行预测，为岩爆提供了一种新的预测方法。 （6）通过对地质综合分析预测、灰色系统关联度分析—模糊数学预测、BP神经网络预测这三种方法预测结果的综合分析，得出从引水隧洞西端开始，0～1000m段以轻微岩爆（Ⅰ级）为主；1000～6100m段以轻微岩爆（Ⅰ级）为主；6100～7800m段以中等和强烈岩爆（Ⅱ～Ⅲ级）为主；7800～10300m段以强烈