露天表面巖體質(zhì)量現(xiàn)場原位測試設(shè)備研制及其應(yīng)用

費(fèi)大軍，戴祺云，夏驪娜

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院 科學(xué)研究所，四川 成都 610072)

1 前 言

傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，高拱壩的建基面往往必須為新鮮完整巖體，然而工程施工實(shí)踐表明，新鮮完整巖體的建基面埋深大、地應(yīng)力水平較高，開挖容易產(chǎn)生卸荷松弛，巖體質(zhì)量及完整性急劇降低，反而不能滿足建基面巖體質(zhì)量要求[1-2]。因此，建基面的選擇應(yīng)充分考慮開挖卸荷松弛的影響，作好建基面巖體開挖卸荷松弛后的模量預(yù)測。

在錦屏一級(jí)水電站招標(biāo)以前圍繞壩基巖體力學(xué)參數(shù)曾開展過大量的勘測試驗(yàn)研究，獲得了一套較為合理可靠的壩基巖體力學(xué)參數(shù)。這套參數(shù)為壩區(qū)工程巖體力學(xué)參數(shù)的取值提供了重要基礎(chǔ)和依據(jù)。隨著建基面巖體開挖，所揭露的巖體工程地質(zhì)特征及性狀是較為復(fù)雜的，在建基面穩(wěn)定性分析及工程設(shè)計(jì)中，顯然不能直接套用這套參數(shù)。建基面巖體開挖后，雖然存在應(yīng)力分異，但主要特征是卸載。已有研究表明，卸載使巖體松弛進(jìn)而使其力學(xué)特性發(fā)生改變，而且卸載條件下巖體力學(xué)特性也迥異于加載條件下的巖體力學(xué)特性[3-9]。

為滿足錦屏一級(jí)水電站左、右岸壩基建基面巖體質(zhì)量分級(jí)分區(qū)和地質(zhì)缺陷的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)需要，以及合理評(píng)價(jià)混凝土墊座的建基面巖體質(zhì)量，在開挖建基面上開展露天現(xiàn)場承壓板變形試驗(yàn)及配套聲波測試，建立E0～Vp關(guān)系，并及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)，是非常必要的。

2 常用檢測方式簡介

承壓板法巖體變形試驗(yàn)分為剛性承壓板法和柔性承壓板法。這是一種通過剛性或柔性承壓板施力于半無限空間巖體表面，測量巖體表面變形，并按均勻、連續(xù)、各向同性的半無限彈性體表面受局部載荷的布西涅斯克公式計(jì)算巖體變形性質(zhì)指標(biāo)的方法。

在水電水利工程中多采用剛性承壓板法，常規(guī)方法是在專門的勘探平洞、工程灌漿平洞、排水平洞內(nèi)進(jìn)行。在經(jīng)選擇具代表性的巖面上清除爆破松動(dòng)巖石后加工試點(diǎn)，然后粘貼承壓板，待養(yǎng)護(hù)期滿后進(jìn)行試驗(yàn)。專門的勘探平洞、工程灌漿平洞、排水平洞必須有足夠的水平和垂直的承載巖體。每組試驗(yàn)從試驗(yàn)點(diǎn)位的布置、試驗(yàn)支洞的開挖、試驗(yàn)點(diǎn)的加工及粘貼養(yǎng)護(hù)，最后試驗(yàn)完成需要近一個(gè)月的周期，而在在建工程的工期要求中是不可能的。

有的工程采用在巖體上鉆孔，在孔內(nèi)加螺紋鋼筋抗力拉桿，用高標(biāo)號(hào)混凝土將螺紋鋼筋抗力拉桿澆注在巖體孔中，待混凝土固化增強(qiáng)(時(shí)間28～30天)后，再安裝試驗(yàn)設(shè)備，施加載荷并測定巖體之變形。此方法試驗(yàn)周期長，在在建工程的工期中，也不能滿足現(xiàn)場巖體質(zhì)量快速檢測之要求。

建基面承壓板試驗(yàn)檢測是在開挖建基面上進(jìn)行，與常規(guī)在專門的勘探平洞、工程灌漿平洞、排水平洞內(nèi)進(jìn)行的試驗(yàn)檢測原理和反力條件、使用設(shè)備、安裝工序、工作場地等均發(fā)生大的變化。因此，為滿

足現(xiàn)場生產(chǎn)檢測的技術(shù)和工期要求，改變其缺點(diǎn)，采用新的錨固方式，即在巖體上鉆孔形成錨拉孔，但不用澆混凝土從而縮短了試驗(yàn)檢測周期。

3 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)過程

3.1 設(shè)備研制

為滿足工程要求，采用新的錨固方式，研制出巖體變形快速檢測儀(YBKC-70)，以縮短試驗(yàn)檢測周期，不影響整個(gè)工程施工進(jìn)度。

巖體變形快速檢測儀主要根據(jù)膨脹螺栓原理設(shè)計(jì)，儀器設(shè)備主要包括承載工字鋼橫梁、錨拉桿、膨脹螺栓、螺母、錐套、錐體、支承套、承力板、過渡板等。其設(shè)計(jì)示意圖見圖1、2。

試驗(yàn)前先在巖體上加工一個(gè)反力錨拉孔，加工完成后的錨拉孔直徑為60～63mm。將螺桿、螺母、傳力套、上錐體、錐套、下錐體按圖2所示裝配。將裝配完成后的螺桿插入巖體錨拉孔中，轉(zhuǎn)動(dòng)螺母使螺桿上升，下錐體部壓入錐套下端，使其擴(kuò)張壓緊巖體；同時(shí)傳力套壓下上錐體，錐套上端楔入巖體，使巖體與錐套在兩個(gè)部位都被錨住。加力越大，錐套擴(kuò)張?jiān)酱?，?duì)巖體的錨固力也越大。若巖體較破碎時(shí)，可再加錐體和錐套，增加錨固點(diǎn)，從而增大錨固力。YBKC-70設(shè)備最大錨固承載力可達(dá)到70t。

圖1 巖體應(yīng)變快速檢測儀(YBKC-70)

圖2 快速錨緊局部示意

3.2 設(shè)備安裝

在試點(diǎn)中心點(diǎn)兩側(cè)0.8m處各造一個(gè)φ60mm反力錨拉孔，兩孔與試點(diǎn)中心線成一直線。試點(diǎn)中心至兩側(cè)錨拉孔間距離，應(yīng)大于承壓板直徑的2.0倍。

在試驗(yàn)點(diǎn)，施力方向應(yīng)垂直于建基面。反力裝置安裝非常艱難，必須搭建通道，用人力把試驗(yàn)設(shè)備(反力錨固頭、錨固壓緊鋼套、錨固反力錨拉鋼螺桿、反力橫梁、反力壓緊螺栓及專門的安裝調(diào)試對(duì)中承重架等)運(yùn)輸至試驗(yàn)檢測點(diǎn)位(試驗(yàn)平臺(tái))。首先將反力錨固頭上端安裝在錨固反力錨拉鋼螺桿上，再將錨固壓緊鋼套裝入，然后用反力錨固頭下端將其固定在錨固反力錨拉鋼螺桿上；其次將附有反力錨固頭上、下端及其錨固壓緊鋼套的錨固反力錨拉鋼螺桿放入位于試驗(yàn)點(diǎn)位的中心左右1m的兩個(gè)對(duì)稱反力孔內(nèi)，再將專門的安裝調(diào)試對(duì)中承重架放其末端對(duì)其起支撐作用，將反力橫梁兩端分別套入錨固反力錨拉鋼螺桿上；最后利用反力壓緊螺栓分別將反力橫梁的左右兩端壓緊、調(diào)平并將其固定。采用膨脹螺栓原理，轉(zhuǎn)動(dòng)主錨桿上螺母通過支承套將錐體(二件)壓入錐套之中，使錐套膨脹，壓緊巖體孔壁(錐套端也可能切入巖體)。錐體壓入錐套距離越長，錐套與巖體之結(jié)合力也越大。試驗(yàn)裝置見圖3。

3.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)按DL/T5368-2007《水電水利工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。

(1)按現(xiàn)行規(guī)程要求進(jìn)行試點(diǎn)加工，加工時(shí)應(yīng)控制邊界條件、試點(diǎn)面平整度及爆破松動(dòng)影響巖體的清除深度，試點(diǎn)加工完畢，實(shí)施技術(shù)驗(yàn)收和地質(zhì)素描。

圖3 大壩建基面承壓板法試驗(yàn)照片

(2)施加載荷的加壓、傳力系統(tǒng)安裝不偏心，受力中心線通過試點(diǎn)中心；試驗(yàn)步驟、時(shí)間控制按規(guī)程規(guī)定進(jìn)行，并實(shí)行中間檢查。

(3)加壓。按設(shè)計(jì)壓力的1.2倍確定最大試驗(yàn)壓力。根據(jù)千斤頂?shù)穆识ㄇ€及承壓板面積計(jì)算出施加壓力與壓力表讀數(shù)關(guān)系的加壓歷程表。測讀各測表的初始讀數(shù)，加壓前每10min讀數(shù)一次，連續(xù)三次讀數(shù)不變，即可開始試驗(yàn)。將確定的最大壓力分為5級(jí)并分級(jí)施加壓力；加壓方式采用逐級(jí)一次循環(huán)加壓法，必要時(shí)可采用逐級(jí)多次循環(huán)法。

(5)記錄。在試驗(yàn)過程中，應(yīng)認(rèn)真填寫試驗(yàn)記錄表格并觀察試點(diǎn)變形破壞情況，最好是邊讀數(shù)、邊記錄、邊點(diǎn)繪承壓板上代表性測表的壓力～變形關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)糾正處理。

(6)試驗(yàn)設(shè)備拆卸。試驗(yàn)完畢后，應(yīng)及時(shí)拆除試驗(yàn)裝置，其步驟與安裝步驟相反。

采用新研制的YBKC-70巖體應(yīng)變快速檢測儀，從試驗(yàn)點(diǎn)的布置、加工、鉆孔及試驗(yàn)結(jié)束，僅需要6天左右的時(shí)間，試驗(yàn)檢測周期縮短，也不影響整個(gè)工程施工進(jìn)度，從而達(dá)到了快速檢測的目的。

4 工程應(yīng)用成果及分析

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)壩基巖體質(zhì)量的定量評(píng)價(jià)，在錦屏一級(jí)大壩建基面系統(tǒng)地布置了聲波測試及承載板試驗(yàn)，試驗(yàn)隨梯段開挖同步進(jìn)行，承載板規(guī)格為φ40cm圓形板。在承載板試驗(yàn)點(diǎn)還配套布置了聲波測試，以便復(fù)核Vcp～E0對(duì)應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)測的變形資料，繪制壓力～變形關(guān)系曲線，并分析巖體變形性質(zhì)、特征，依據(jù)彈性理論，按半無限空間彈性體公式計(jì)算巖體變形(彈性)模量。建立的Vcp～E0對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖4、5。

4.1 對(duì)比分析

4.1.1 承載板變模(E050)與對(duì)穿聲波(Vcp)的關(guān)系

在錦屏一級(jí)水電站勘測階段，共完成97點(diǎn)巖體變形試驗(yàn)(φ50cm)，對(duì)經(jīng)過分析篩選出的84點(diǎn)建立了如下E050～Vcp關(guān)系(可研關(guān)系)：

(相關(guān)系數(shù)r=0.91)

在施工詳圖階段，為了驗(yàn)證上述關(guān)系，又利用灌排洞布置并實(shí)施了承壓板試驗(yàn)(φ50cm)12點(diǎn)，其中，有Vcp數(shù)據(jù)的有8點(diǎn)。利用地質(zhì)編錄、照片，對(duì)每一測試數(shù)據(jù)逐一復(fù)核，共篩選出7個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)。將這7個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)與可研的84個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)繪制在一起得到圖5。

可以看出，施工詳圖階段數(shù)據(jù)點(diǎn)基本落于可研數(shù)據(jù)點(diǎn)所形成的帶狀區(qū)域。一并進(jìn)行回歸得到如下關(guān)系式(詳圖關(guān)系)：

(相關(guān)系數(shù)為r=0.906)

利用詳圖關(guān)系進(jìn)行變模預(yù)測并與可研關(guān)系相比，偏差一般在5%以內(nèi)(見表1)。

表1 詳圖關(guān)系與可研關(guān)系對(duì)比

4.1.2 承壓板變模(E040)與對(duì)穿聲波(Vcp)關(guān)系

在施工詳圖階段完成的77點(diǎn)壩面承載板試驗(yàn)(E040)中，成功獲取Vcp數(shù)據(jù)的有49個(gè)。經(jīng)過逐一核對(duì)，并舍去離散性大的數(shù)據(jù)點(diǎn)，共獲得38個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)(見圖4)。對(duì)E040～Vcp采用下式進(jìn)行回歸：

圖4 可研+施工詳圖階段E050～Vcp關(guān)系

圖5 壩面E040～Vcp散點(diǎn)圖(施工詳圖階段)

(相關(guān)系數(shù)為r=0.79)

與可研的E050～Vcp曲線相比有一定的偏差。雖然巖體松弛可能使變模、聲波均降低，但松弛不會(huì)改變巖體變模～聲波相關(guān)關(guān)系的趨勢。

4.1.3 承壓板變模的預(yù)測

根據(jù)上述E040～Vcp關(guān)系，結(jié)合可研E050～Vcp關(guān)系，進(jìn)行模量預(yù)測和兩者關(guān)系的比較(見表2)。

即

E050/E040=1.25～1.40

表2 E050(平洞內(nèi))～E040(建基面)關(guān)系

5 結(jié) 論

(1)建基面開挖導(dǎo)致巖體松弛，巖體變模、聲波均有所降低，降低幅度為25%～40%，但松弛改變不了巖體變模～聲波相關(guān)關(guān)系的趨勢，其規(guī)律性較好。

(2)利用巖體變?！暡ǖ年P(guān)系，可以預(yù)測建基面巖體開挖后變形模量，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工。

(3)通過巖石應(yīng)變快速檢測儀(YBKC-70)的研制和成功應(yīng)用，說明其完全可推廣用于其它工程的建基面(已在大崗山、官地電站建基面成功應(yīng)用)、邊坡的施工開挖質(zhì)量檢測中，同時(shí)也可以應(yīng)用于露天低應(yīng)力下的強(qiáng)度剪切試驗(yàn)中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李建林.卸荷巖體力學(xué)理論與應(yīng)用[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[2] 林天健.巖石力學(xué)若干假說及其工程意義的評(píng)述[J].力學(xué)與實(shí)踐,1989 , 11 (6)：64-70.

[3] 哈秋舲.加載巖體力學(xué)與卸荷巖體力學(xué)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20(1)：114.

[4] 王思敬.壩基巖體工程地質(zhì)力學(xué)分析[M].北京：科學(xué)出版社，1990.

[5] 王思敬.中國巖石力學(xué)與工程世紀(jì)成就[M].南京：河海大學(xué)出版社，2004.

[6] 周維垣.高等巖石力學(xué)[M].北京:水利電力出版社,1990.

[7] 徐志英.巖石力學(xué)[M].北京:水利電力出版社,1986.

[8] 許東俊,耿乃光.巖體變形和破壞的各種應(yīng)力途徑[J].巖土力學(xué),1986 , 7 (2)：17-25.

[9] 尹光志,李賀,鮮學(xué)福,許江. 工程應(yīng)力變化對(duì)巖石強(qiáng)度特性影響的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),1987 ,9 (2)：20-27.