高拱壩澆筑后河床壩基綜合變形模量取值研究

，， ，

(中國電建集團(tuán) a.成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司；b.國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心，成都 610072))

1 研究背景

壩基巖體變形模量(簡(jiǎn)稱“變?！?是高拱壩設(shè)計(jì)中非常重要的參數(shù)，也是高拱壩設(shè)計(jì)與相關(guān)研究工程中重點(diǎn)研究內(nèi)容之一[1-2]。高拱壩壩基巖體的變形模量多需通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得[3-4]，但受現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件、試驗(yàn)代表性等影響，設(shè)計(jì)時(shí)也常常通過經(jīng)驗(yàn)方法[5-6]、反演方法[7]、相關(guān)分析[8-9]等方法開展壩基巖體的綜合變形模量研究。

需要引起注意的是，高拱壩從壩基開挖到施工完成、乃至蓄水至正常蓄水位，需要經(jīng)歷一個(gè)較長的過程，如溪洛渡水電站2009年3月份開始河床壩基開挖，2013年5月份導(dǎo)流底孔下閘蓄水，將于2014年年底蓄水至正常高水位(600 m高程)。在此期間，壩基巖體經(jīng)歷了開挖、卸荷、擾動(dòng)松弛、固結(jié)灌漿、大壩澆筑、水庫蓄水等復(fù)雜的過程，既有爆破擾動(dòng)、卸荷松弛等巖體特性劣化過程，也有固結(jié)灌漿、蓄水加載等過程。伴隨這些改變，壩基巖體工程特性也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的復(fù)雜變化。

而大壩澆筑完成及蓄水后，壩基巖體特性如何，將影響對(duì)大壩工作特性的判斷，以及監(jiān)測(cè)資料的反饋分析，因此有必要開展相關(guān)分析研究。但大壩澆筑后，往往很難開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以獲取壩基巖體變形試驗(yàn)指標(biāo)(尤其是高拱壩河床壩基)。在此背景下，本文以溪洛渡高拱壩河床壩為例，系統(tǒng)研究大壩澆筑、蓄水以后壩基巖體綜合變模的取值問題。

2 河床壩基地質(zhì)條件

溪洛渡水電站雙曲拱壩壩高285.5 m，建基面高程324.5 m，大壩壩頂高程610 m，共分31個(gè)壩段。河床壩段含14#—19#壩段共6個(gè)壩段(見圖1)，建基面開挖高程324.5～328 m。河床靠左側(cè)呈8°左右，由高程328 m漸變到324.5 m；右側(cè)呈4°左右，也由高程328 m漸變到324.5 m。

圖1 建基面巖體質(zhì)量

開挖揭示，14#—17#壩段建基面主要為P2β3層上部灰—灰綠色凝灰質(zhì)角礫熔巖，部分玄武巖。18#—19#壩段為P2β3層的含斑玄武巖和角礫熔巖。

河床壩段建基面開挖后，Ⅲ2級(jí)巖體主要分布在15#和16#壩段的中部，14#和18#壩段也有少量分布。對(duì)不滿足建基要求的Ⅲ2級(jí)巖體進(jìn)行刻槽置換、填塘處理后，河床壩段建基面出露的巖體均為Ⅲ1級(jí)。

根據(jù)鉆孔對(duì)建基面以下20 m深度范圍內(nèi)的壩基巖體質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析成果見表1。

表1 河床壩基巖體分級(jí)統(tǒng)計(jì)

由表1可知：河床328～324.5 m壩基20 m范圍內(nèi)的巖體以Ⅲ1為主，占約86 %；Ⅲ2級(jí)巖體所占比例14.1 %。結(jié)合剖面分析可知，分布在建基面的Ⅲ2級(jí)巖體，通過刻槽、清基挖除，處理后建基面均為弱風(fēng)化下段—微風(fēng)化的Ⅲ1級(jí)巖體，基本滿足設(shè)計(jì)和驗(yàn)收要求。

建基面以下20 m深度范圍內(nèi)有約14 %左右的Ⅲ2級(jí)巖體，在不同高程上呈夾層狀分布，空間上連續(xù)性差，主要受緩傾角的層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶及影響帶控制，錯(cuò)動(dòng)帶以角礫為主，少量巖屑，無泥，巖體縱波速度Vp=2 500～4 000 m/s。Ⅲ2級(jí)巖體空間展布平緩，平面延伸長度一般為10～30 m，厚度一般2～3 m。

對(duì)河床壩基建基面以下的Ⅲ2級(jí)巖體已作固結(jié)灌漿處理。

3 澆筑后河床壩基綜合變模

3.1 研究思路與方法

在壩基開挖、高拱壩澆筑、固結(jié)灌漿以及水庫蓄水過程中，壩基巖體經(jīng)歷了復(fù)雜的卸載、加載過程，隨之巖體質(zhì)量也發(fā)生弱化、強(qiáng)化，反映出壩基巖體變形模量也相應(yīng)變化。

由于大壩澆筑、水庫蓄水后，溪洛渡水電站河床壩基不具備開展現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn)條件，無法通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲取大壩工作狀態(tài)下壩基巖體的適時(shí)變形模量。但壩基巖體變形模量取值的合理性又直接影響著高拱壩運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)資料反饋分析等研究工作的順利開展。

為了解決這個(gè)問題，本文基于壩基地質(zhì)條件、變形試驗(yàn)資料、鉆孔彈模以及E0-Vp相關(guān)關(guān)系等，提出的研究思路與方法如圖2所示。

圖2 大壩運(yùn)行狀態(tài)下壩基綜合變模的取值思路

正如圖2所示，壩基巖體的變形模量可通過下面途徑進(jìn)行分析：①基本變形模量，地質(zhì)條件決定著壩基巖體的基本變形模量，在可研階段、技施階段開展大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并建立了各級(jí)巖體的變形模量的取值范圍，可根據(jù)巖體質(zhì)量與測(cè)試成果或E0-Vp相關(guān)關(guān)系確定壩基巖體的變形模量(即基本變形模量)；②改良變形模量，開挖擾動(dòng)將導(dǎo)致建基面以里一定范圍內(nèi)巖體發(fā)生卸荷松弛、裂隙張開、變模降低，而固結(jié)灌漿又可加固壩基巖體中的薄弱環(huán)節(jié)，改善壩基巖體(特別是淺表開挖擾動(dòng)巖體)的變形特性，可以通過聲波測(cè)試、鉆孔彈模測(cè)試獲得壩基巖體變形參數(shù)(改良后的變形模量)；③工作變形模量，大壩施工、蓄水后，在工程荷載作用下，壩基巖體會(huì)發(fā)生一定變化，其變化程度與壩基巖體的基本地質(zhì)條件、固結(jié)灌漿效果以及工程荷載作用特點(diǎn)等有關(guān)，需根據(jù)這些因素綜合確定，并宜通過監(jiān)測(cè)資料反饋驗(yàn)證。其中，壩基巖體的基本變形模量是工作變形模量研究的基本基礎(chǔ)，改良變形模量是工作變形模量研究的重要參考，因此要研究壩基工作狀態(tài)下的變形模量取值，就必須先開展基本變形模量和改良變形模量的分析研究。

3.2 壩基變模取值

根據(jù)大壩運(yùn)行狀態(tài)下壩基巖體綜合變模確定的思路與方法，對(duì)溪洛渡水電站河床壩基巖體的基本變形模量、改良變形模量、工作變形模量開展取值研究。

3.2.1 基本變形模量

如前所述，溪洛渡壩基巖體質(zhì)量以Ⅲ1級(jí)為主，局部錯(cuò)動(dòng)帶集中部位為Ⅲ2級(jí)。通過可研與技施階段的大量測(cè)試，確定了溪洛渡壩基玄武巖各級(jí)巖體的變形參數(shù)見表2。根據(jù)159點(diǎn)試驗(yàn)、測(cè)試數(shù)據(jù)建立了波速與變形模量之間的相關(guān)關(guān)系(式(1))。據(jù)此可方便地確定出河床壩基各級(jí)巖體的基本變形模量。

E0=0.086 7Vp3.233。

(1)

式中：E0為變形模量(GPa)；Vp為縱波波速(km/s)；式(1)相關(guān)系數(shù)r2=0.766 6。

表2 各級(jí)巖體基本變形模量

3.2.2 改良變形模量

壩基開挖完成后，表層巖體發(fā)生一定程度的擾動(dòng)松弛，加之壩基內(nèi)尚有14 %左右的Ⅲ2級(jí)巖體，因此進(jìn)行了固結(jié)灌漿處理。處理后開展了聲波、鉆孔電視、鉆孔彈模、壓水試驗(yàn)等檢測(cè)工作。

基于固結(jié)灌漿后的聲波監(jiān)測(cè)資料，利用E0-Vp相關(guān)關(guān)系可以得到固結(jié)灌漿后壩基巖體變形模量(即改良變形模量)，見表3。

表3 固結(jié)灌漿后壩基巖體變形模量

3.2.3 工作變形模量

首先根據(jù)地質(zhì)條件、灌漿效果并結(jié)合大壩的工作狀態(tài)，提出不同壩段工作變模的初值，然后根據(jù)壩基監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行反演修正，得到最終的壩基工作變形模量。

考慮到大壩澆筑、蓄水后，在壩基巖體上增加了較大工作荷載，壩基一定范圍內(nèi)巖體的變形特性可能存在向好變化的趨勢(shì)。綜合壩基巖地質(zhì)條件、固結(jié)灌漿效果等因素，擬定了溪洛渡大壩工作狀態(tài)下壩基巖體的變形模量初值(表4)。根據(jù)鉆孔電視資料，14#壩段巖體完整性較好，灌漿處里效果好，故變形模量建議值適當(dāng)取高值；16#壩段壩基局部巖體較為破碎，巖體灌漿效果較差，灌漿后變形模量最低(0～5 m段為9.5 GPa，5 m以下為12.0 GPa)，因此在大壩澆筑、蓄水后壩基巖體變形模量取低值。同樣，對(duì)其他壩段壩基巖體的變形模量也提出了建議值。這些建議值均在基于大量試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)資料確定的各級(jí)巖體變形模量建議值范圍內(nèi)(表2)。

表4 壩基巖體工作變形模量建議值

為了了解溪洛渡高拱壩壩基巖體的變形情況，在14#,16#,18#壩段布置了3 支多點(diǎn)位移計(jì)，各位移計(jì)分別從2009 年9—11月份開始工作。運(yùn)用表4提出建議值進(jìn)行數(shù)值模擬得到的壩基巖體位移與多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測(cè)的結(jié)果對(duì)比表明，兩者量級(jí)相當(dāng)、規(guī)律相似(見圖3)。說明模型的主要計(jì)算參數(shù)變形模量是合理的。因此，表4中的壩基巖體變形模量可作為相應(yīng)壩段壩基巖體的工作變形模量用于分析計(jì)算等。

圖3 監(jiān)測(cè)值與模擬值的比較[10]

3.3 對(duì)比分析

為了得到直觀認(rèn)識(shí)，對(duì)壩基巖體的基本變形模量、改良變形模量、工作變形模量進(jìn)行對(duì)比分析，改良變形模量和工作變形模量見表5。

表5 變形模量對(duì)比

一般而言，通過固結(jié)灌漿后，以Ⅲ1級(jí)巖體為主的壩基，5 m以下巖體改良變形模量可達(dá)到Ⅲ1級(jí)下限和Ⅲ2級(jí)上限的初始變形模量，表層5 m巖體的改良變形模量均落在Ⅲ1級(jí)初始變形模量范圍內(nèi)；由于大壩荷載作用，工作變形模量多達(dá)或略高于改良變形模量的上限，達(dá)到Ⅱ級(jí)巖體的初始變形模量中下限值。

4 結(jié) 語

(1)考慮高拱壩壩基開挖、施工等全過程中壩基巖體所經(jīng)歷的卸荷擾動(dòng)、灌漿加固、大壩運(yùn)行加載等多種作用，提出了大壩運(yùn)行狀態(tài)下壩基巖體綜合變形模量的取值思路。在巖體質(zhì)量分級(jí)與試驗(yàn)工作的基礎(chǔ)上，可得到壩基巖體的基本變形模量；利用壩基開挖、固結(jié)灌漿后的聲波檢測(cè)資料，通過E0-Vp關(guān)系可得到改良或擾動(dòng)后的變形模量；然后，在綜合壩基地質(zhì)條件、灌漿改良效果以及工作荷載作用特點(diǎn)等，可以給出大壩工作狀態(tài)下壩基巖體的變形模量。

(2)采用該思路，對(duì)溪洛渡高拱壩河床壩基的變形模量進(jìn)行分析，得到大壩工作狀態(tài)下，河床壩基巖體的變形模量在11～14 GPa之間。數(shù)值模擬分析成果與多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，說明該方法具有一定的可靠性。

需要指出的是，高拱壩壩基巖體地質(zhì)條件、灌漿加固機(jī)理、運(yùn)營期受力狀態(tài)復(fù)雜，因此客觀評(píng)價(jià)大壩壩基巖體工作狀態(tài)變形模量具有很大難度，本文基于溪洛渡工程進(jìn)行了初步探索，謬誤之處請(qǐng)批評(píng)指正。

參考文獻(xiàn)：

[1] 石安池，唐鳴發(fā)，周其健.金沙江白鶴灘水電站柱狀節(jié)理玄武巖巖體變形特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(10)：2079-2086.(SHI An-chi，TANG Ming-fa，ZHOU Qi-jian.Research of Deformation Characteristics of Columnar Jointed Basalt at Baihetan Hydropower Station on Jinsha River[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(10)：2079-2086.(in Chinese))

[2] 黃國明，黃潤秋.某壩址玄武巖巖體強(qiáng)度和變形特性[J].長江科學(xué)院院報(bào)，1998，15(6)：19-22.(HUANG Guo-ming, HUANG Run-qiu.Strength and Deformation Properties of Basaltic Rock Masses[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 1998，15(6)：19-22.(in Chinese))

[3] 熊詩湖, 鄔愛清, 周火明.層狀軟巖力學(xué)特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，2(6)：887-891.(XIONG Shi-hu, WU Ai-qing, ZHOU Huo-ming.In-Situ Test on Mechanical Characteristics of Soft Layer Rock Mass[J].Chinese Journal o f Underground Space and Engineering，2006，2(6)：887-891.(in Chinese))

[4] 羅超文，李海波，馬 鵬.剛性鉆孔彈模計(jì)在白鶴灘電站壩基巖體變形參數(shù)測(cè)定中的應(yīng)用[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2012，29(8)：76-82.(LUO Chao-wen，LI Hai-bo，MA Peng.Application of Borehole Jack in Deformation Modulus Measurement of Rock Mass in the Foundation of Baihetan Hydropower Station[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2012，29(8)：76-82.(in Chinese))

[5] 張志剛，喬春生.改進(jìn)的節(jié)理巖體變形模量經(jīng)驗(yàn)確定方法及其工程應(yīng)用[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006，14(2)：233-238.(ZHANG Zhi-gang，QIAO Chun-sheng.Improved Empirical Method for Determination of Deformation Modulus of Jointed Rock Masses and Its Application in Engineering[J].Journal of Engineering Geology，2006, 14(2)：233-238.(in Chinese))

[6] 盧書強(qiáng)，許 模 .基于 GSI 系統(tǒng)的巖體變形模量取值及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009，28(增刊1)：2736-2742.(LU Shu-qiang，XU Mo.Determination and Application of Modulus of Deformation of Rock Masses Based on GSI System[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering , 2009，28(Sup.1)：2736-2742.(in Chinese))

[7] 劉 健，練繼建.李家峽拱壩壩體彈性模量及基巖變形模量的反演[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(24):4466-4471.(LIU Jian，LIAN Ji-jian.Back Analysis of Elastic Modulus of Lijiaxia Arch Concrete Dam and Deformation Modulus of Its Foundation[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering , 2005,24(24):4466-4471.(in Chinese))

[8] 李維樹，黃志鵬，譚 新.水電工程巖體變形模量與波速相關(guān)性研究及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(增刊1):2727-2733.(LI Wei-shu，HUANG Zhi-peng，TAN Xin.Research and Application of Correlation Between Deformation Modulus and Wave Velocity of Rock Mass in Hydroelectric Project[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ,2010,29(Sup.1):2727-2733.(in Chinese))

[9] 宋彥輝，巨廣宏，孫 苗.巖體波速與壩基巖體變形模量關(guān)系[J].巖土力學(xué)，2011，32(5)：1507-1512.(SONG Yan-hui, JU Guang-hong, SUN Miao.Relationship between Wave Velocity and Deformation Modulus of Rock Masses[J].Rock and Soil Mechanics，2011，32(5)：1507-1512.(in Chinese))

[10] 樊啟祥，周紹武，李炳鋒.溪洛渡特高拱壩建設(shè)的巖石工程關(guān)鍵技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012，31(10)：1998-2014.(FAN Qi-xiang，ZHOU Shao-wu，LI Bing-feng.Key Technologies of Rock Engineering for Construction of Xiluodu Superhigh Arch Dam[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering , 2012，31(10)：1998-2014.(in Chinese))