淺析水利工程巖體變形試驗

陳霓

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院　貴州　貴陽　550001）

淺析水利工程巖體變形試驗

陳霓

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院貴州貴陽550001）

工程巖體如果變形過大就會導(dǎo)致上面的建筑物失穩(wěn)危及安全，因此工程勘察期間必須獲得可靠的變形參數(shù)，才能據(jù)此在施工時采取適當措施防止其對工程的影響，保證建筑物的安全。本文結(jié)合具體工程實例，重點就水利工程巖體變形試驗進行了分析。

水利工程；巖體變形；試驗分析

引言

擬建三岔河水庫壩址位于貴州省開陽縣龍崗鎮(zhèn)格林村，水庫所在三岔河為魚梁河一支流，魚梁河經(jīng)清水河匯入烏江，地理位置東經(jīng)107°00′～107°03′，北緯26°56′～27°00′。三岔河發(fā)源于龍崗鎮(zhèn)二村羊比組，主河道全長14.3km。

1　工程概況

三岔河水庫總庫容1106.5萬m3，正常蓄水位約1061m，擬建壩高約75.0m，水庫規(guī)模為中型，主要建筑物有大壩、輸水管線、提水泵站等，工程具有供水、灌溉等功能。壩址通有鄉(xiāng)村公路，庫區(qū)兩側(cè)有簡易鄉(xiāng)村路，壩址距龍崗鎮(zhèn)7.0km，距貴陽86km。

2　地質(zhì)背景

2.1地形地貌

壩址區(qū)河道較平直，河流流向近N，河床高程1005～1006m，平水期河水面寬5～11m，水深0.3～0.7m，河谷斷面呈對稱的“V”型河谷，左岸地形坡度46～55°；右岸地形坡度34～43°，正常高水位1061.0m時，河谷寬約134m，寬高比1.95。兩岸山頭高程1043～1083m。

2.2地層巖性

（1）第四系沖洪積物（Qal+pl）。第四系沖洪積物分布于河床，主要為砂卵礫石，粒徑一般3～12cm，厚度1.5～5.4m。

（2）寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群∈2-3ls2。壩址出露基巖地層為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群∈2-3ls2淺灰色、灰色中厚層細至中粒白云巖，厚>93m。

2.3地質(zhì)構(gòu)造及結(jié)構(gòu)面

壩址位于長麻窩斷層F3的SW盤（相距260m），由于壩址受斷層的影響較小，壩址處巖層產(chǎn)狀較穩(wěn)定，總體為單斜構(gòu)造，巖層傾上游，產(chǎn)狀160～165°∠20～26°，河谷為橫向谷。壩址地層為單斜構(gòu)造，無較大型斷層、褶皺等構(gòu)造發(fā)育；據(jù)地表地質(zhì)測繪及裂隙統(tǒng)計，主要發(fā)育三組裂隙，夾層：壩基出露地層主要為白云巖，巖體強風(fēng)化帶沿層面及裂隙面間局部夾泥。兩岸平硐揭露主要有三層層間夾層，主要為次生夾泥，夾泥厚度1～5cm，進入弱風(fēng)化帶巖體夾層主要為灰白色白云巖。層面起伏，起伏差約為5～15cm，層面的起伏差大于夾層的厚度。

2.4物理地質(zhì)現(xiàn)象

表1　混凝土-巖接觸面和巖體抗剪斷強度對比

覆蓋層：壩址河床沖洪積砂卵礫石，層厚1.5～5.4m，兩岸岸坡大部分為基巖裸露，在部分地形較緩地帶有殘坡積粘土夾碎石，堆積厚度不大。巖體風(fēng)化：壩址分布地層主要為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群∈2-3ls2），巖性為淺灰色、灰色中厚層細至中粒白云巖，巖體風(fēng)化以裂隙性風(fēng)化為主要特征。風(fēng)化主要沿裂隙面擴展，強風(fēng)化帶裂隙張開夾泥，局部裂隙面兩側(cè)有鐵質(zhì)浸染呈紫紅色，鉆孔聲波縱波速平均值為3286m/s，弱風(fēng)化帶裂隙一般閉合，鉆孔聲波縱波速平均值為3816m/s。

3　巖體力學(xué)參數(shù)驗證

3.1試驗方法

所有原位試驗均采用傳統(tǒng)方法按相關(guān)規(guī)范進行。試驗最大壓力和施力方向均依據(jù)設(shè)計資料，盡量滿足試驗部位實際工程應(yīng)力狀態(tài)。直剪試驗均采用平推法，剪切面積2000～2500cm2，剪切方向水平向下游，試驗前混凝土強度等級達到設(shè)計要求（C25）。巖體變形試驗采用圓形剛性承壓板靜力法，承壓面積2000cm2，分5級逐級一次循環(huán)加壓。

3.2巖體抗剪強度參數(shù)

在右岸PD2和PD3平洞對兩種巖體都分別進行了巖體本身直剪試驗和混凝土-巖接觸面直剪試驗，且試驗位置基本一致。兩種試驗結(jié)果具有可比性，見表1。巖體直剪試驗表明，微風(fēng)化薄層灰?guī)r抗剪強度參數(shù)高于鈣質(zhì)泥巖抗剪強度參數(shù)?；?guī)r摩擦系數(shù)較大，黏聚力很小，這主要是因為試驗時大部分沿薄層層面破壞，破壞面平整光滑起伏差較小。

同類巖體抗剪強度與混凝土-巖體接觸面抗剪斷強度相比較，灰?guī)r摩擦系數(shù)f′=1.16與混凝土-灰?guī)r體接觸面摩擦系數(shù)f′= 1.13大致相當，后者略低。但是二者的黏聚力相差較大，巖體本身c′=0.48MPa，混凝土-灰?guī)r體接觸面c′=0.81MPa，這主要是由于混凝土-灰?guī)r接觸面直剪試驗時基本沿二者接觸面破壞，且澆筑混凝土前接觸面人造起伏差5～10mm，而灰?guī)r巖體本身直剪試驗沿薄層之間的層面破壞，層面較之于混凝土/灰?guī)r接觸面屬弱面，導(dǎo)致其黏聚力降低。而對于抗剪強度，因進行抗剪試驗前巖體已經(jīng)剪斷，產(chǎn)生了起伏差，所以二者抗剪強度差異明顯減小。從剪切破壞機理分析，對于薄層灰?guī)r，由于開挖和制樣導(dǎo)致表面薄層巖體受擾動，松弛卸荷，強度低于混凝土強度；對于全-強風(fēng)化的鈣質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)白云巖，抗壓強度遠低于混凝土強度，因此兩組混凝土與巖體接觸面抗剪強度主要受巖體強度控制。薄層灰?guī)r強度高于鈣質(zhì)泥巖，導(dǎo)致前者抗剪強度明顯高于后者抗剪強度。

3.3巖體變形參數(shù)

巖體變形試驗成果表明，E1組位于PD1平洞，鉛直加載方向巖體變形模量3.55～9.28GPa，均值6.37GPa；E1組水平加載方向巖體變形模量5.46～6.89GPa，均值6.18GPa。試驗組數(shù)較少，導(dǎo)致試驗結(jié)果離散性較大且各向異性不明顯。E2組位于PD2平洞，巖體變形模量2.19～3.92GPa，均值3.13GPa。E3組位于PD3平洞，巖體變形模量0.06～0.15GPa，均值0.12GPa。E1，E2組同為薄層灰?guī)r，但E2組巖體還含有一定數(shù)量的縱向裂隙，呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖性和風(fēng)化程度相同的情況下，右岸薄層灰?guī)r更破碎，完整性要差，所以E2組灰?guī)r變形參數(shù)比E1組灰?guī)r變形參數(shù)低。

3.4試驗結(jié)果討論

原位巖體力學(xué)試驗結(jié)果表明，兩種巖性巖體抗剪強度參數(shù)存在明顯差異，微風(fēng)化薄層灰?guī)r抗剪強度參數(shù)高于全-強風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖抗剪強度參數(shù)。E1、E2組試驗對象為微-弱風(fēng)化的薄層灰?guī)r，E3組試驗對象為全-強風(fēng)化的鈣質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)白云巖，兩種不同巖性巖體變形模量相差很大（幾十倍）。此外，根據(jù)探槽、平洞及鉆孔勘察，左右兩岸巖體的弱風(fēng)化（較破碎）巖體的厚度差異較大，其中右岸的微風(fēng)化（較完整）埋深大于左岸。

4　工程建議

由于巖層傾角平緩，薄層灰?guī)r直剪試驗顯示試件多沿層面破壞，所以壩基存在沿層面發(fā)生淺層滑動的邊界條件。建議設(shè)計計算時復(fù)核大壩沿層面淺層滑動和沿大壩與基巖接觸面滑動的抗滑穩(wěn)定性。兩岸壩肩1/2壩高以下巖體為薄層-中厚層狀灰?guī)r，屬中硬巖，巖體質(zhì)量分級為Ⅲ級。而1/2壩高以上巖體為泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖及鈣質(zhì)泥巖互層，巖體質(zhì)量分級為Ⅳ～Ⅴ級。尤其是上部鈣質(zhì)泥巖及泥質(zhì)白云巖，屬軟巖或極軟巖，巖體工程性能與其自身成巖較差，微裂隙極發(fā)育。上下部巖體變形模量差異最大達幾十倍，對拱壩壩肩而言，屬嚴重的地質(zhì)缺陷。上部巖體即使通過固結(jié)灌漿也難以滿足壩肩的應(yīng)變要求。建議一方面在兩壩肩設(shè)置大型重力墩，墩基置于下伏灰?guī)r之上，彌補地形地質(zhì)不足，承擔拱端推力，將其傳到后面山體。另一方面以弱風(fēng)化中下部或微、新巖體作為壩基持力層，盡量增強下部壩體的整體剛度、擴大軟弱巖體段的基礎(chǔ)寬度，在加強基礎(chǔ)剛度的同時合理減小上部壩體的結(jié)構(gòu)剛度，避免壩體變形對大壩的不利影響。

由于兩岸壩基巖體地質(zhì)不對稱性，建議對大壩體型進行適當?shù)恼{(diào)整，確保兩岸應(yīng)力對稱。壩基淺層巖體裂隙相對較發(fā)育、完整性較差，建議進行固結(jié)灌漿處理。

5　結(jié)束語

綜上所述，巖石的變形特性雖然很復(fù)雜，但在實際工程中，建筑物作用于巖石的應(yīng)力遠低于單軸極限抗壓強度，巖石所處變形多為彈性變形狀態(tài)，因此可在一定程度上將巖石看作準彈性體，用彈性模量來表示其變形特征，一般只需測定抗壓強度50%處的彈性模量和泊松比就可以了。另外在彈性極限壓力之內(nèi)單軸壓縮變形和三軸壓縮變形試驗結(jié)果參數(shù)值基本接近，而單軸壓縮試驗更簡單易行，故一般采用單軸壓縮試驗來測定巖石的變形指標。

[1]邊智華，張利潔.軟巖基本質(zhì)量評價及強度特性試驗方法研究[J].長江科學(xué)院院報，2008，25（5）：37～42.

[2]《工程巖體試驗方法標準》（GB/T50266-2013）[S].

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2015-7-21