對新疆某水電站西域礫巖變形特性的探討

閆建玲, 于 為

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司 工程勘察院,新疆 石河子 832000)

對新疆某水電站西域礫巖變形特性的探討

閆建玲, 于 為

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司 工程勘察院,新疆 石河子 832000)

第四系膠結(jié)巖(層)——西域礫巖作為大壩壩基、地下廠房、水工隧洞圍巖至今還沒有可行的分類評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),目前參照軟巖進(jìn)行土體(散體)工程地質(zhì)評價(jià),與實(shí)際的工程特性不符。通過液壓枕徑向加壓測定法及剛性承壓板間接計(jì)算測定法對該項(xiàng)目區(qū)西域礫巖的彈性抗力系數(shù)、變形特性進(jìn)行對比分析,結(jié)合試驗(yàn)面下礫巖的顆粒級(jí)配、天然含水率、天然密度、滲水試驗(yàn)及相對密度等的各類原位試驗(yàn)結(jié)果,對變形特性分析可得:圍壓在0～3 MPa內(nèi),巖體變形模量為1.60～1.67 GPa、單位抗力系數(shù)為12.51～13.06 MPa/cm。通過試驗(yàn)所得結(jié)果與其實(shí)際特性不符，西域礫巖為半成巖，因此，現(xiàn)有的巖石試驗(yàn)規(guī)范的試驗(yàn)方法對西域礫巖的適用性尚待進(jìn)一步研究論證。

西域礫巖;原位測試;變形特性

在新疆?dāng)M建的某水電站工程利用水頭340.5 m,在全疆范圍內(nèi)屬最高利用水頭發(fā)電的水利水電工程。該工程位于天山中段北部,屬北天山強(qiáng)震帶,地質(zhì)構(gòu)造、地形地質(zhì)條件復(fù)雜,可研階段勘察設(shè)計(jì)成果已通過水利部評審,2016年將開展初步設(shè)計(jì)階段的工作。項(xiàng)目區(qū)地層為第四系膠結(jié)巖,該電站壓力管擬采用豎井深埋隧道置于西域礫巖中,西域礫巖屬膠結(jié)半成巖,隧洞圍巖地質(zhì)評價(jià)和設(shè)計(jì)方案中缺少變形參數(shù)及理論判定依據(jù),在疆內(nèi)對西域礫巖的變形特性研究尚屬首次,現(xiàn)有的巖石試驗(yàn)規(guī)范適用范圍為已成巖的巖石、巖體,對于西域礫巖這樣一個(gè)樣品定名為卵石混合土,相對密度為1.02～1.37,滲透系數(shù)為1.25×10-4～9.90×10-3cm/s的特殊巖體,通過液壓枕徑向加壓直接測定法和剛性承壓板間接測定法的試驗(yàn)結(jié)果的對比、剛性承壓板水平向和垂直向測定結(jié)果的對比,研究了西域礫巖的彈性抗力系數(shù)及變形特性,為地質(zhì)評價(jià)和設(shè)計(jì)方案提供了依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

目前用于確定圍巖彈性抗力系數(shù)的方法有:①試驗(yàn)方法;②計(jì)算方法;③經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)方法[1]。

本項(xiàng)目由長江科學(xué)院巖基研究所于2015年8月—11月采用試驗(yàn)方法——液壓枕徑向加壓測定法測定單位彈性抗力系數(shù);為獲取更為客觀準(zhǔn)確的彈性抗力系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果,對比試驗(yàn)方法與計(jì)算方法測定結(jié)果的差異,采用剛性承壓板間接測量計(jì)算法進(jìn)行了水平方向的彈性模量和變形模量的原位測試,收集并對比分析了前一勘察階段用剛性承壓板垂直方向測定的變形試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)點(diǎn)的布置

該項(xiàng)目廠房部位在河谷右岸陡坡西域礫巖山體的不同高程開挖了3個(gè)平硐,編號(hào)分別為PD11高程1 006.5,長度83 m;PD12高程1 085,長度80 m;PD13高程1 116,長度82 m,隧洞液壓枕徑向加壓法測定試驗(yàn)在PD11平硐內(nèi)距洞口60～70 m處進(jìn)行;為了解西域礫巖的變形特性,分別在PD11、PD12、PD13平硐內(nèi)的39 m和79 m處嘗試采用剛性承壓板法做了水平向巖體原位變形試驗(yàn),并在變形試驗(yàn)點(diǎn)相應(yīng)位置做了顆粒分析、天然密度試驗(yàn)、天然含水率試驗(yàn),原位滲水試驗(yàn)、相對密度試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 液壓枕徑向加壓測定法測定彈性抗力系數(shù)

液壓枕徑向加壓測定法測試結(jié)果顯示:圍壓介于0～3 MPa,巖體變形模量1.60～1.67 GPa;巖體單位抗力系數(shù)在12.51～13.06 MPa/cm之間。

這種試驗(yàn)方法由于技術(shù)和設(shè)備復(fù)雜又昂貴,一般只在重大或復(fù)雜的水電工程中使用。此次試驗(yàn)結(jié)果通過從各斷面測點(diǎn)的測表讀數(shù)、光柵傳感器自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、分布式光纖三種方式獲取,并相互驗(yàn)證,通過為期近3個(gè)月的現(xiàn)場試驗(yàn)工作,取得了較為客觀準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。由于試驗(yàn)周期、試驗(yàn)費(fèi)用等因素,只在PD11號(hào)平硐距洞口60～70 m位置處進(jìn)行液壓枕徑向加壓測定法試驗(yàn)[2]。

3.2 水平向原位變形試驗(yàn)(剛性承壓板法)

一般采用剛性承壓板法測定垂直方向變形參數(shù),由于可研階段已做過垂直方向的變形試驗(yàn),所以嘗試用剛性承壓板法測定水平向變形試驗(yàn),以了解該項(xiàng)目區(qū)西域礫巖在水平方向和垂直方向的變形結(jié)果的差異。

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按規(guī)范要求試驗(yàn)最大壓力不宜小于工程設(shè)計(jì)壓力的1.2倍,等分5級(jí)施加,但結(jié)合工程實(shí)際,試驗(yàn)最大壓力值按4.5 MPa進(jìn)行(工程設(shè)計(jì)壓力3 MPa的1.5倍),等分為9級(jí)施加,加壓方式采用逐級(jí)一次循環(huán)法。

3.2.2 試驗(yàn)過程

用堆載法安裝承載板及傳力系統(tǒng),用編制袋裝填砂卵礫石,堆載高度約70 cm,在其上部放置約5 cm厚的木板后,用毛刷清潔試點(diǎn)表面,鋪墊一層水泥漿,放置剛性承壓板并擠壓出多余水泥漿,使承壓板平行試點(diǎn)表面,水泥漿厚度小于承壓板直徑或變長的1%,連接千斤及傳力系統(tǒng),在承壓板上依次安裝千斤頂、鋼墊板、傳立柱,在6 cm厚鋼墊板間填筑砂漿或安裝反力裝置。施加接觸壓力使整個(gè)系統(tǒng)接觸緊密,整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)具有足夠剛度和強(qiáng)度,所有部件中心應(yīng)保持在同一軸線上,軸線應(yīng)與加壓方向一致。在承壓板兩側(cè)前方挖20～30 cm深的坑,用于澆灌混凝土預(yù)埋槽鋼,吸附磁力表座,澆灌混凝土預(yù)埋槽鋼24 h以上以保證槽鋼穩(wěn)固,在承壓板上對稱布置4個(gè)測表,測量表架滿足剛度要求。試驗(yàn)采用剛性承壓板法,面積為2 002.96 cm2,加壓前對測表進(jìn)行初始穩(wěn)定讀數(shù)觀測,每隔10 min同時(shí)測讀各測表一次,連續(xù)三次讀數(shù)不變后開始加壓。加壓方式采用逐級(jí)一次循環(huán)法。每級(jí)壓力加壓或退壓后立即讀數(shù),以后每隔10 min讀數(shù)一次,當(dāng)所有測表相鄰兩次讀數(shù)差與同級(jí)壓力下第一次讀數(shù)和前一次壓力下最后一次讀數(shù)差之比<5%時(shí),即可施加或退至下一級(jí)壓力。退壓穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)與加壓相同[3]。

3.2.3 試驗(yàn)資料整理

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)原始記錄繪制壓力p與變形W之間的關(guān)系曲線,根據(jù)曲線類型確定變形值,計(jì)算巖體各變形參數(shù)值(變形模量及彈性模量值)。

(1)剛性承壓板法試驗(yàn)變形參數(shù)按下列公式計(jì)算:

式中:E為變形模量,MPa;當(dāng)以全變形W0代入式中計(jì)算時(shí)為變形模量E0;當(dāng)以彈性變形We代入式中計(jì)算時(shí)為彈性模量Ee;μ為巖體泊松比,取值為0.27;p為按承壓面單位面積計(jì)算的壓力(MPa);D為承壓板直徑(cm);W為巖體表面變形(cm)。

(2) 平硐單位彈性抗力系數(shù)k值與巖石變形模量E按下列公式計(jì)算:

式中:E為變形模量,MPa;當(dāng)以全變形W0代入式中計(jì)算時(shí)為變形模量E0;當(dāng)以彈性變形We代入式中計(jì)算時(shí)為彈性模量Ee;μ為巖體泊松比,取值為0.27;r為隧洞的半徑(cm)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

(1) 通過水平向剛性承壓板法測定的三條不同高程平硐變形試驗(yàn)距洞口39 m處變形模量均<79 m處變形模量,39 m處單位彈性抗力系數(shù)均<79 m處單位彈性抗力系數(shù)(試驗(yàn)結(jié)果對照見圖1);水平向原位變形試驗(yàn)獲取的PD11試驗(yàn)點(diǎn)79 m處(與液壓枕徑向加壓法試驗(yàn)點(diǎn)位置接近),壓力值在0.5～4.5 MPa時(shí),變形模量在0.645 35～1.102 03 GPa之間;單位彈性抗力系數(shù)在6.78～11.57 MPa/cm之間。

(2) 水平方向的變形模量和彈性模量均大于垂直方向的變形模量和彈性模量;對比見表1、表2。

(3) 通過試驗(yàn)方法和計(jì)算方法對PD11平硐相同位置的單位彈性抗力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果對比,液壓枕徑向加壓法測得的單位彈性抗力系數(shù)大于剛性承壓板法所得試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 3條平硐中79 m、39 m處變形模量與應(yīng)力、彈性抗力系數(shù)關(guān)系圖Fig.1 Relational diagram of deformation modulus,stress and elastic resistance coefficient at 79 m and 39 m

原因分析:液壓枕徑向加壓法在有圍壓情況下圓形隧洞空間的各個(gè)面整體各向受力,能更客觀、全面地獲得巖體的變形、彈性特征,而剛性承壓板法僅水平試驗(yàn)點(diǎn)單點(diǎn)受力,試驗(yàn)點(diǎn)下試樣的顆粒組成、密度、含水率等對試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響,難免以點(diǎn)帶面。兩種方法所得試驗(yàn)結(jié)果雖有差異,但得到的單位彈性抗力系數(shù)在一個(gè)量級(jí),為洞室圍巖勘察評價(jià)、客觀地確定圍巖巖體的基本質(zhì)量級(jí)別提供了參考依據(jù)。

5 結(jié)語

西域礫巖是尚未成巖的第四系地質(zhì)體,通過不同方法試驗(yàn)反映其力學(xué)特性比較穩(wěn)定,圍壓在0～3 MPa內(nèi),巖體變形模量為1.60～1.67 GPa,單位抗力系數(shù)為12.51～13.06 MPa/cm。若套用現(xiàn)有的分類標(biāo)準(zhǔn)來評判西域礫巖的質(zhì)量等級(jí),會(huì)與實(shí)際不符;另外,由于西域礫巖是半膠結(jié)體,現(xiàn)有的巖石試驗(yàn)規(guī)范的試驗(yàn)方法對西域礫巖的適用性尚待進(jìn)一步研究論證。

表1 3條平硐80 m處(垂直、水平方向)全變形模量成果統(tǒng)計(jì)表

表2 3條平硐40 m處(垂直、水平方向)全變形模量成果統(tǒng)計(jì)表

[1] 徐志英.巖石力學(xué)[M].第三版.北京:水利電力出版社,1993.

[2] 陸兆溱.工程地質(zhì)學(xué)[M].第二版.北京:中國水利水電出版社,1998.

[3] 水利部長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院.水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程:SL264—2001[S].北京:中國水利水電出版社,2001.

(責(zé)任編輯：于繼紅)

Discussion on Deformation Characteristics of Western Conglomeratein a Hydropower Station,Xinjiang Province

YAN Jianling, YU Wei

(Planning,DesignandResearchInstituteofXinjiangProductionandConstructionCorps,Urumuqi,Xinjiang832000)

There is no feasible classification evaluation standard for western conglomerate when it used to be dam foundation,underground powerhouse,the surrounding rock of hydraulic tunnel so far,the reference to engineering geological evaluation of soft rock soil does not match the actual engineering characteristics at present.By comparative analysis on elastic resistance coefficient and deformation characteristics of western conglomerate in the project area with hydraulic pillow radial pressure assay and rigid bearing plate indirect calculation,combined with the particle size distribution,natural moisture content,natural density,seepage test and many kinds of situ test results of conglomerate under test surface,the paper analyzes the deformation characteristics,explores and discusses the feasibility of existing test specifications for western conglomerate detection.

western conglomerate; in-situ test; deformation characteristics; discussion

2016-04-22;改回日期:2016-05-11

閆建玲(1969-),女,工程師,水利水電工程專業(yè),從事水利水電、巖土、公路工程檢測工作。E-mail:626207942@qq.com

TU459; TU454

A

1671-1211(2016)03-0361-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.027

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.026.html 數(shù)字出版日期:2016-05-05 15:31