重建豐滿水電站壩基變質(zhì)礫巖鉆孔變形模量試驗研究

祁海燕，蔡云波，劉忠富，何國偉

（1.遼寧宏禹水利工程建設監(jiān)理有限公司，遼寧 沈陽110006；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130061）

巖體變形模量和彈性模量是巖體的基本力學參數(shù)。目前現(xiàn)場測定方法有3種：平板千斤頂法、柔性和剛性承壓板[1～4]；試洞法：水壓加載或壓力枕加載；鉆孔法：鉆孔膨脹計（全斷面柔性加壓）和鉆孔彈模計（剛性或柔性加壓）。試洞法加壓區(qū)大，代表性較好，但費用特高；平板法費用較高，測點很少，且受表面松動影響，測值偏低；鉆孔法較靈活，費用最低，可利用地質(zhì)勘探孔進行測試，覆蓋面較大，測試深度較深，數(shù)據(jù)較多，通過統(tǒng)計分析可以獲得最接近現(xiàn)場特性的數(shù)據(jù)。

鉆孔法[5～8]分鉆孔膨脹計和鉆孔彈模計2種，前者用橡膠囊加壓，壓力較低,最高20 MPa，適用于軟巖；后者用活塞對部份孔壁加壓，壓力較高，可達70 MPa，既適用于硬巖也適用于軟巖，一種規(guī)格的彈?？蛇m用于二種孔徑的鉆孔、還可測定巖體的各向異性。 鉆孔彈模計法是檢測巖體質(zhì)量的一種較好的方法[9～12]，可以在深部巖體或鉆孔有水的情況下進行試驗,對試驗段巖體基本上不產(chǎn)生擾動，具有設備簡單、拆裝方便、可重復多次使用等優(yōu)點。

1 工程概況

豐滿大壩全面治理工程（重建方案）水庫總庫容114.46×108m3，重建工程裝機容量720 MW，利用原豐滿三期擴機2臺單機容量140 MW的機組，總裝機容量1 000 MW。

根據(jù)DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》及GB50201-94《防洪標準》的規(guī)定，該工程為一等工程，工程規(guī)模為大（1）型。主要建筑物大壩、泄洪洞、壩后式廠房和開關(guān)站為1級建筑物，廠房尾水渠擋墻等次要建筑物為3級。

基巖為變質(zhì)礫巖，巖性均一，巖質(zhì)堅硬。強風化帶厚度不大，弱風化帶多屬較完整-完整巖體。巖體多為Ⅲ-Ⅱ類，斷層部位為Ⅳ類（局部為Ⅴ類）。

具體地質(zhì)概況如下：

1）F67斷層破碎帶

測試段巖性為變質(zhì)礫巖，灰色～灰黑色，変余礫狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯均較破碎。礫石粒徑一般為3～5 cm，磨圓中等，分選性差，成分主要為中、基性火成巖，呈硅質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)良好。巖體完整性差～破碎。風化程度一般為中等風化，個別測試段呈微風化狀態(tài)，全孔平均巖芯采取率60%～85%。其中，在FZK120鉆孔中，f1斷層部位處于17.10～22.00 m，主要由碎裂巖、碎塊巖組成，傾角75°～85°。

2）壩基巖體

FZK114孔測試部位為24.8～27.0 m。變質(zhì)礫巖，灰-灰黑色，變余礫狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造,礫石粒徑一般為3～4 cm，成分主要為中、基性火成巖，呈硅質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)良好。巖體節(jié)理較發(fā)育，巖芯對磨較嚴重，中等風化，全孔平均巖芯采取率77%，全孔平均巖芯獲得率28%，全孔平均RQD值18%。

FZK105，F(xiàn)ZK103孔測試部位為巖性為變質(zhì)礫巖，灰色，變余礫狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造,巖質(zhì)較堅硬，礫的粒徑一般為2～6 cm大者可達10～13 cm，中等磨圓，良好的硅質(zhì)膠結(jié)。本孔全孔呈完整～較完整狀態(tài)，巖芯多呈25～40 cm的柱狀，巖體節(jié)理較發(fā)育，多以傾角65°～85°陡傾角節(jié)理為主，節(jié)理面平直粗糙，具有鐵銹和鈣膜，張開寬度大于1 mm。微風化，平均巖芯采取率90%以上，平均巖芯獲得率70%以上，全孔平均RQD值61%～79%。

為了查明壩基巖體的變形模量和彈性模量，為設計提供依據(jù)，進行了現(xiàn)場巖體鉆孔變形試驗。試驗共布置6個鉆孔，每孔5個測點。其中F67斷層破碎帶部位布置3個孔，編號為FZK109，F(xiàn)ZK120，F(xiàn)ZK121；壩基巖體布置3個鉆孔，編號為FZK114，F(xiàn)ZK103，F(xiàn)ZK105，其中有兩孔為水上鉆孔。

2 現(xiàn)場鉆孔變形模量試驗研究

2.1 試驗原理

本次試驗采用中科院武漢巖土所研制的GY-90鉆孔彈模計（屬于鉆孔千斤頂法），它主要由二路加壓系統(tǒng)、位移量測系統(tǒng)及壓力測量系統(tǒng)組成。GY型孔內(nèi)彈模測定器是在美國古德曼千斤頂（Goodman Jack）的基礎(chǔ)上研制開發(fā)的。Goodman Jack是國際上具有代表性的鉆孔彈模計，已作為國際巖石力學委員會（ISRM）的建議方法，用于鉆孔中測定現(xiàn)場巖體變形模量。利用鉆孔彈模儀內(nèi)部的4個活塞推動兩塊剛性承壓板對鉆孔壁巖體施加一對稱的條帶載荷，通過分析鉆孔巖體在荷載作用下的變形確定其彈性模量值。實際測試過程中，通過在承壓板上安裝的LVDT線性差動變壓器式位移傳感器測量鉆孔孔壁巖體在加載時的徑向變形，用壓力表及安裝在活塞上的測力計直接測定出力。通過測試不同壓力下的變形，根據(jù)式(1)計算出測試部位巖體的變形模量或彈性模量E(GPa)∶

式中：A——三維問題的影響系數(shù)，取A=0.915；H——壓力修正系數(shù)；取H=0.9；D——鉆孔直徑，mm，測試鉆孔的實際直徑為90 mm；ΔQ——壓力增量，MP；ΔD——變形增量，mm；T(V,β)——與承壓板寬度(接觸孔壁時圓周角大小)和巖體泊松比有關(guān)的系數(shù)，當 γ=0.25，2β=45°時，T(0.25，22.5°)=2.141；當 γ=0.30～0.35，2β=45°時，T(0.30，22.5°)=2.077。

本次鉆孔斷層破碎帶部位泊松比γ計算取0.32，其它部位取0.25。

2.2 試驗壓力的選擇

測試采用的最大壓力按以下原則確定：

1）巖體設計承載力的1.2～1.5倍。

2）對于較堅硬的完整巖體適當提高試驗壓力，以擴大壓力在巖體中的影響范圍。

3）為消除孔徑效應引起的誤差，適當提高試驗壓力。

4）儀器設計工作壓力的要求。

根據(jù)以上原則，并與設計、地質(zhì)溝通協(xié)商后，借鑒國內(nèi)其它工程經(jīng)驗。確定本次試驗斷層部位試驗最大壓力為13.0 MPa左右；較堅硬完整類巖體試驗壓力為30.0 MPa左右。

2.3 試驗內(nèi)容和方法

這次試驗F67斷層破碎帶3個孔加載方式采用逐級一次循環(huán)法，其它部位加載方式采用大循環(huán)法。具體試驗步驟如下：

1）試驗前對鉆孔彈模計進行標定，放入儀器前采用與儀器直徑相當?shù)囊欢武摴芊湃肟變?nèi)，保證孔內(nèi)無巖石碎塊后，鉆孔暢通無阻時，開始試驗設備安裝。

2）連接一定長度的鉆桿，每隔1 m用白布帶將油管、電纜捆緊到鉆桿上。

3）將鉆孔彈模計放入孔內(nèi)測試部位，定向后加壓至2 MPa，使承壓塊和孔壁接觸，然后卸壓至1.0 MPa初始壓力，讀取初始讀數(shù)。

4）試驗時每級壓力加壓或退壓后立即讀數(shù)，以后每隔3～5 min讀數(shù)一次，當相鄰兩次讀數(shù)差與同級壓力下第一次讀數(shù)和前一級壓力下最后一次讀數(shù)差之比小于5%，施加或退至下一級壓力。

5）每一循環(huán)退壓時，最低壓力退至1.0 MPa。

6）試驗結(jié)束后，壓力退至零并保持一段時間，取出鉆孔彈模儀。

2.4 資料整理原則

對試驗的壓力-變形曲線進行分析，根據(jù)曲線類型和加壓方式，借鑒國內(nèi)其它工程經(jīng)驗，計算變形（或彈性）模量，比如拉西瓦電站、廣東嶺澳核電站二期工程、三峽電站、紫坪鋪水庫、小灣水電站等工程，計算初始壓力為2～10 MPa。

資料整理方法如下：

1）對直線型曲線，變形參數(shù)為常數(shù)，按最高一級的壓力和相應的變形取值，計算變形（或彈性）模量。

2）對向上凹型曲線，隨壓力增加，變形參數(shù)值增大，按不同壓力段計算，見圖1。這次斷層破碎帶部位分為 2.7～6.3 MPa和 2.7～13.5（21.6）MPa兩個壓力段進行計算變形模量及彈性模量。

3）對初期壓力有明顯轉(zhuǎn)折點的長尾型曲線，第一段線段坡度較緩，為人為擾動巖體以及儀器承壓板與巖體接觸耦所致，按折點后直線段計算變形參數(shù)。

圖1 巖體壓力變形關(guān)系曲線圖

4）對于壩基部位堅硬巖體采用大循環(huán)試驗曲線，考慮儀器承壓板與巖體接觸耦合情況，以及巖體變形特點，以5～20 MPa加壓段曲線計算巖體變形模量，其中5 MPa為第一循環(huán)加壓數(shù)值，20 MPa為第三循環(huán)加壓數(shù)值，以最后一循環(huán)卸壓曲線計算彈性模量。見圖2。

圖2 巖體壓力變形關(guān)系曲線圖

2.5 試驗成果分析

2.5.1 F67斷層破碎帶

該部位共3個鉆孔，除FZK120鉆孔變形模量受一組與試驗方向交角較小的軟弱結(jié)構(gòu)面影響相對略低外，其它FZK121，F(xiàn)ZK109兩鉆孔的變形模量總體相當。低壓力段（2.7～6.3 MPa）變形模量為3.40～4.57 GPa，平均值為4.03 GPa；高壓力段（2.7～13.5 MPa）變形模量 4.28～8.04 GPa，平均值為 5.87 GPa。

根據(jù)壓力～變形關(guān)系曲線（典型曲線見圖1）可以看出，對于該部位的巖體，在2.7 MPa的低壓力下孔壁巖體與鉆孔千斤頂間密切耦合過程已基本完成，低壓力段（2.7～6.3 MPa）內(nèi)的變形指標能夠反映出該類巖體的變形特性。因此，對于該類軟弱巖體，以低壓力段的變形指標作為試驗值。試驗成果見表1。

2.5.2 壩基巖體

根據(jù)壓力～變形曲線（典型曲線見圖2）變化規(guī)律分析得出，堅硬完整巖體的變形特點：在0～5 MPa壓力段的變形主要由承壓塊與孔壁的間隙閉合引起，此段在壓力曲線上表現(xiàn)為隨著壓力的增大，變形較大，曲線斜率較??；當壓力達到5 MPa以后，承壓塊曲面與孔壁才基本貼緊，實測曲線反映巖體的彈塑性變形特點，當壓力增加到20 MPa以后，裂隙閉合，曲線表現(xiàn)為巖體的彈性變形。因此在計算巖體的參數(shù)時，取5～20 MPa壓力段曲線計算巖體變形模量是合理的。試驗成果如表2。

表1 F67斷層破碎帶試驗成果表

表2 壩基巖體試驗成果表

壩基部位巖體共進行3個鉆孔的變形模量試驗，根據(jù)鉆孔柱狀圖可以看出，F(xiàn)ZK114孔與其它兩鉆孔相比，地質(zhì)條件明顯較差，因此，該鉆孔與其它兩鉆孔相比，變形模量總體量值較低，僅在1.0～2.0 GPa范圍，其它兩鉆孔的變形模量總體上相當，變形模量 12.46～17.72 GPa，平均值為 15.50 GPa；彈性模量 16.07～28.81 GPa，平均值為 21.57 GPa。

3 結(jié)語

綜合利用地質(zhì)鉆孔，在一個孔中做多種測量，包括鉆孔彈模、圍巖變形、孔內(nèi)波速等，是一種簡單、迅速、節(jié)省的試驗方法。在一個鉆孔中，能得到不同孔深處和不同方向上的彈模，其代表性明確，工程上易于分析、應用。

現(xiàn)場實測結(jié)果與地質(zhì)資料一致，鉆孔柱狀圖中表明的斷層和節(jié)理裂隙發(fā)育部位所測數(shù)值很小，變形模量為3.40～4.57 GPa，平均值為4.03 GPa?？傮w來說變質(zhì)礫巖變形模量12.46～17.72 GPa，平均值為15.50 GPa，彈性模量16.07～28.81 GPa，平均值為21.57 GPa。

該次試驗是在豐滿水電站正常運行的條件進行的，在試驗場地限制的情況下，在鉆孔中進行巖體變形模量試驗，無疑是最佳選擇。試驗成果表明，各測點的變形規(guī)律比較好，較真實地反映巖體的變形特性，為工程設計提供了可靠的依據(jù)。

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