孟底溝水電站蝕變巖密集帶綜合變形模量研究*

趙梓彤　沈軍輝　祝華平　魏　偉　劉　銀

(①地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué))　成都　610059)(②中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司　成都　610072)

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孟底溝水電站蝕變巖密集帶綜合變形模量研究*

趙梓彤①沈軍輝①祝華平②魏偉①劉銀①

(①地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué))成都610059)(②中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司成都610072)

擬建雅礱江孟底溝水電站壩基花崗閃長巖體中，密集發(fā)育有單條寬度為0.5～3m的黏土化熱液蝕變巖帶。變形試驗表明，微新花崗閃長巖的變形模量平均值高達31.50GPa，而強黏土化蝕變巖及弱黏土化蝕變巖變形模量僅分別為6.79GPa、11.10GPa，故蝕變巖密集帶的存在必將對壩基巖體的變形特性產(chǎn)生重大影響。目前對于這種變形特性差異顯著的復(fù)雜組合巖體綜合變形模量尚無成熟的評價方法。因此，本文在剛性承壓板變形試驗及聲波測試基礎(chǔ)上，采用非線性回歸法分析了巖體聲波與變形模量的相關(guān)性，建立了巖體Vp-E0的相關(guān)性公式，進而采用算術(shù)平均法計算了典型蝕變巖密集帶的綜合變形模量，其值為18.03GPa，較微新花崗閃長巖變形模量降低了42.76%； 同時，根據(jù)帶內(nèi)各種蝕變巖所占比例，采用加權(quán)平均法求得蝕變巖密集帶綜合變形模量值為19.40GPa，較微新花崗閃長巖變形模量降低了38.41%。兩種方法所得的綜合變形模量值相差僅為7.60%，且對比剛性承壓板法所得變形模量值，前者更加安全可靠。故建議采用非線性回歸法對孟底溝水電站蝕變巖密集帶綜合變形模量進行計算。

花崗閃長巖蝕變巖黏土化變形模量非線性回歸法

0　引　言

孟底溝水電站壩基巖體為燕山早期的花崗閃長巖，局部沿斷裂裂隙密集發(fā)育有熱液蝕變形成的蝕變巖帶。蝕變巖帶單條規(guī)模不一，寬度一般為0.5～3m，但由于其發(fā)育密度大，且普遍具有不同程度的黏土化，其所構(gòu)成的蝕變巖密集帶對巖體的變形特性造成較大影響，從而影響壩基巖體的質(zhì)量及其穩(wěn)定性(胡受奚等， 2004； 季克儉等， 2007； 苗朝等， 2014)。國內(nèi)外學(xué)者(李維樹等， 1999； Li， 2001)； 李維樹等， 2001； Kayabasi et al.，2003； 楊圣奇等， 2003； 董學(xué)成， 2004； 周火明等， 2004，2006； Zhang et al.，2004； 宋彥輝等， 2011； 楊建平等， 2011)研究表明，巖體的變形模量主要與巖性、尺寸、風(fēng)化卸荷、完整性及其所處的地應(yīng)力環(huán)境等因素相關(guān)，室內(nèi)和現(xiàn)場試驗是了解和確定巖體變形模量的基本途徑。但對于像孟底溝水電站壩基這樣，由強蝕變、弱蝕變、未蝕變3種不同巖類組成的軟硬相間復(fù)雜組合巖體，目前尚無專門的方法去計算其綜合變形模量值。

本文采用了兩種方法對壩基蝕變巖密集帶綜合變形模量進行計算。第1種是在工程地質(zhì)特征調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用非線性回歸法對變形試驗、聲波測試資料進行相關(guān)性分析，得出Vp-E0之間的關(guān)系式，進而分段計算蝕變巖密集帶的變形模量，在此基礎(chǔ)上運用算術(shù)平均法求解出綜合變形模量。第2種是從蝕變巖密集帶工程地質(zhì)分帶特征出發(fā)，根據(jù)強蝕變、弱蝕變、未蝕變3種巖類所占比例，運用加權(quán)平均法計算其綜合變形模量。研究成果對軟硬相間的復(fù)雜組合巖體變形模量取值有一定的理論意義，對孟底溝水電站壩基蝕變巖密集帶變形模量取值則具有實際意義。

1　蝕變巖密集帶的工程地質(zhì)特征

壩基蝕變巖帶是熱液在沿斷裂裂隙運移過程中，與花崗閃長巖發(fā)生交代重結(jié)晶形成的。單條蝕變巖帶往往沿裂隙發(fā)育有一條寬度不等(0.5～10cm)的石英脈，石英脈兩側(cè)對稱出現(xiàn)花崗巖化-弱黏土化蝕變巖(主要由熱液強烈交代花崗閃長巖并發(fā)生重結(jié)晶而形成)、強黏土化蝕變巖(主要由熱接觸蝕變形成，交代重結(jié)晶程度相對較弱)，黏土化由中間向兩側(cè)逐漸提高，以伊利石、高嶺土為主，蒙脫石次之。單條蝕變巖帶的發(fā)育規(guī)模大小不一，寬度一般為0.5～3m，主要沿裂隙密集成帶產(chǎn)出。

統(tǒng)計表明，壩區(qū)的5個含蝕變巖密集帶的花崗閃長巖均分布在右岸，分別出露于壩基、壩肩的不同部位，本文以PD203平硐93.4～132m處蝕變巖密集帶(命名為：ACZ02)綜合變形模量進行研究，(圖1)。該段發(fā)育有13條蝕變程度不一的蝕變巖帶，其中微新花崗閃長巖占47%、強黏土化蝕變巖占30%，弱黏土化蝕變巖占23%，具體的工程地質(zhì)特征(表1)。對于這種軟硬相間的復(fù)雜組合巖體，蝕變巖帶的寬度、間距、蝕變程度及不同蝕變程度所占比例等對E0都有重要的控制作用。

圖1　平硐203內(nèi)蝕變巖密集帶發(fā)育特征Fig. 1　Development characteristics of intensive alteration rock zone in adit 203

表1　ACZ02蝕變巖帶工程地質(zhì)特征Table1　Dam engineering geological characteristics of intensive alteration rock zone

編號產(chǎn)狀工程地質(zhì)特征AR203-3N55°W/N∠60°～65°寬0.8m,其中花崗巖化-弱黏土化寬度為0.05m,占6.25%;強黏土化寬度為0.75m,占93.75%。無地下水浸染,弱風(fēng)化局部強風(fēng)化,較完整AR203-4N60°W/NE∠65°寬0.17m,中部有寬0.5～2cm石英脈,浸潤-滴水,弱風(fēng)化,較完整AR203-5N20°～25°W/NE∠70°～75°寬0.26m,下盤面的斷層見石英條帶,無地下水出露,弱風(fēng)化,較破碎AR203-6N60°W/NE∠70°寬1.3m,見3條石英脈,其中強黏土化寬度為1.3m,占100%。間距60cm,寬0.5～1cm,沿石英偏有約10cm破碎帶,局部夾花崗巖團塊。浸潤-滴水,弱風(fēng)化,較破碎AR203-7N55°W/SW∠70°寬2.5m,見3條石英脈,其中強黏土化寬度為2.5m,占100%。寬2～5cm,局部呈張性,濕潤,弱風(fēng)化,較破碎AR203-8N70°W/SW∠75°寬3.1m,見一條斷層及2條石英脈,其中花崗巖化-弱黏土化寬度為1.50m,占48.39%;強黏土化寬度為1.60m,占51.61%。1～5cm,斷層呈張性,眼斷層流水,弱風(fēng)化,較破碎AR203-9N40°W/NE∠75°～80°寬0.7m,其中強黏土化寬度為0.7m,占100%。巖脈內(nèi)部見一斷層,呈張性,沿斷層流水,弱風(fēng)化,較破碎AR203-10N65°W/SW∠70°寬0.5m,其中強黏土化寬度為0.5m,占100%。脈體較破碎,濕潤,弱風(fēng)化AR203-11N60°W/NE∠80°～85°寬1.8m,其中花崗巖化-弱黏土化寬度為0.40m,占22.22%;強黏土化寬度為1.4m,占77.78%。內(nèi)部有斷層,呈張性,眼斷層流水,弱風(fēng)化局部強風(fēng)化,較破碎AR203-12N60°W/NE∠80°～85°寬0.4m,其中強黏土化寬度為0.4m,占100%。見一條0.5～1.0cm石英脈,濕潤,弱風(fēng)化,較完整AR203-13N60°W/NE∠80°寬4.2m,其中花崗巖化-弱黏土化寬度為2.2m,占52.38%;強黏土化寬度為2m,占47.62%。見兩條斷層及少量石英脈,滴水,局部流水,弱風(fēng)化,較完整AR203-14N55°W/NE∠80°寬0.8m,其中花崗巖化-弱黏土化寬度為0.3m,占37.5%;強黏土化寬度為0.5m,占62.5%。見4條0.5～1cm方解石脈,弱風(fēng)化,上盤接觸面局強風(fēng)化,濕潤,較破碎AR203-15N55°W/SW∠75°寬0.15～0.25m,見2條2～5cm石英脈,弱風(fēng)化,濕潤,較完整

2　聲波—變形模量的相關(guān)性分析

采用剛性承壓板法對壩址區(qū)不同類別的巖體做了變形試驗，加載方式為逐級一次循環(huán)法，載荷分5級施加，每級壓力分別為2MPa、4MPa、6MPa、8MPa、10MPa。運用彈性理論(錢長偉等， 1956)，按半無限空間彈性體公式計算巖體變形(彈性)模量。但由于大型變形試驗費用高，工期長，故僅對不同蝕變程度的典型巖體做了30組大型變形試驗，并配套做了聲波測試(表2，表3)。變形試驗成果表明，微新花崗閃長巖、弱黏土化蝕變巖及強黏土化蝕變巖的變形模量平均值分別為31.50GPa、11.10GPa、6.79GPa。

對不同的巖體配套試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析時，根據(jù)數(shù)據(jù)點在直角坐標(biāo)系中的分布進行非線性回歸，由樣本點的散點圖趨勢，分別采用對數(shù)、乘冪和指數(shù)函數(shù)等對變形模量與單孔聲波波速進行擬合，通過回歸成果比較，最終選用回歸結(jié)果最佳的指數(shù)函數(shù)(圖2)。

從圖2 中可以看出，花崗閃長巖單孔聲波值與變形模量擬合方程為：

(1)

蝕變巖單孔聲波值與變形模量擬合方程為：

(2)

壩址區(qū)綜合巖體單孔聲波Vp與變形模量E0的回歸方程為：

(3)

以上回歸擬合方程中E0為變形模量，Vp為單孔聲波波速，R為相關(guān)系數(shù)； 由式(1)～式(3)知擬合關(guān)系式相關(guān)系數(shù)均達到0.89以上，表明壩基巖體聲波值與變形模量值具有較高的指數(shù)相關(guān)性，故采用以上關(guān)系式來計算壩區(qū)巖體的變形模量值是可行的。

表2　壩址區(qū)變形試驗成果數(shù)據(jù)Table2　Test results deformation data at dam site area

試點編號試點位置在壓力P/MPa下巖體的E0、E值/GPa包絡(luò)線模量E0/GPaP246810E0PD203-1(H)0+26m下游壁E08.6910.311.211.611.612.8E171920.119.919.7E0PD203-2(H)0+48.0m上游壁E047.536.332.530.528.925.4E82.650.645.640.237E0PD213-7(H)0+105.5m下游壁E020.918.617.617.417.617.6E3227.638.43535.1

表3　壩址區(qū)變形試驗配套聲波測試成果數(shù)據(jù)Table3　Acoustic test results data and deformation test kit at dam site area

試點編號單孔波速/km·s-1均值終值E0PD203-1孔深0.40.60.81.01.21.413.543.1753.3333.8464.8193.7433.63823.6043.6043.6363.393.3333.7383.551E0PD203-2孔深0.40.60.81.01.21.413.9655.3335.1954.8724.86324.4944.8784.4445.0634.72035.0634.1673.7743.9224.23245.2635.1285.6345.4795.4795.2635.374E0PD213-7孔深0.40.60.81.01.21.415.7145.4055.5565.5565.0005.4465.42525.0004.7625.0004.6514.8784.85835.7145.7145.7145.8825.8825.5565.74445.5565.7145.5565.4055.7145.589

圖2　壩址區(qū)巖體單孔聲波波速與變形模量關(guān)系曲線Fig. 2　Relation curve between single-hole sonic wave velocity and deformation modulus of rock mass dam site area

3　蝕變巖密集帶綜合變形模量評價

蝕變巖帶的組合、產(chǎn)出特征各不相同，但無論什么組合形式，其變形模量值都較圍巖差，可以統(tǒng)一將蝕變巖帶看成軟弱層，圍巖看成堅硬層。故蝕變巖密集帶的綜合模量取值，可以近似的簡化成軟硬相間的互層狀巖體綜合變形模量來計算。

3.1算術(shù)平均法計算綜合變形模量

根據(jù)現(xiàn)場對ACZ02區(qū)的聲波測試值，利用上面擬合的壩址區(qū)巖體Vp-E0的相關(guān)關(guān)系式，即可計算得到分段巖體的變形模量(圖3)，再對分段得出的變形模量值算術(shù)平均，即可得到ACZ02巖體的綜合變形模量理論值(表4)。

圖3　蝕變巖密集帶波速值、綜合變形模量值成果Fig. 3　Results of wave velocity value and integrated deformation modulus value at intensive alteration rock zone

通過表4中的數(shù)據(jù)可知，在平硐203中93.4～132m段蝕變巖密集帶的綜合變形模量為18.03GPa，其中蝕變巖帶的變形模量為6.70GPa，蝕變圍巖影響帶的變形模量為21.32GPa。

表4　蝕變巖密集帶綜合變形模量Vp-E0相關(guān)關(guān)系式計算成果Table4　Calculation results from integrated deformation modulus versus wave velocity Vp-E0 relation formula for intensive alteration rock zone

平硐樁號/m939494.895.896.697.598.299.2100101變形模量/GPa23.5721.8515.8119.2315.6712.7519.6414.7511.1613.80平硐樁號/m102.9103.7104.5105.4107.2108108.9109.7110.6111.4變形模量/GPa16.4543.5513.6315.4917.896.6223.5013.4124.8029.54平硐樁號/m112.3113.2114114.7115.6116.4117.1118119.1120.3變形模量/GPa28.9630.3324.8228.1416.247.485.436.1130.3313.51平硐樁號/m121.2122.2124.3125.2126.2127.5128.7129.8130.8131.9變形模量/GPa13.0310.355.1014.317.015.2631.946.9726.0536.93

表5　蝕變巖密集帶綜合變形模量加權(quán)平均法計算成果Table5　Calculated results of intergrated deformation modulus from weighted average method for intensive alteration rock zone

蝕變巖帶分類花崗閃長巖弱黏土化強黏土化總值寬度/m18.058.9011.6538.60百分比/%472330變形模量/GPa31.5011.106.79變形模量加權(quán)平均值/GPa14.812.552.0419.40

3.2加權(quán)平均法計算綜合變形模量

在對蝕變巖密集帶工程地質(zhì)分帶特征調(diào)研基礎(chǔ)上，根據(jù)蝕變巖密集帶中各種巖類所占比例，采用加權(quán)平均法計算其綜合變形模量值(表5)。由加權(quán)平均法計算的綜合變形模量值為19.40GPa，計算值較采用Vp-E0的相關(guān)關(guān)系式計算結(jié)果大，但是差距僅為7.60%，在可接受范圍之內(nèi)，且采用相關(guān)關(guān)系計算出的變形模量值更加安全可靠，故最終決定蝕變巖密集帶的綜合變形模量值取18.03GPa。

4　結(jié)　論

(1)本文在壩基巖體工程地質(zhì)特征調(diào)查基礎(chǔ)上，采用非線性回歸法對聲波測試與變形試驗資料進行回歸分析，進而采用算術(shù)平均法得出典型蝕變巖密集帶(即ACZ02)的E0為18.03GPa； 并采用加權(quán)平均法得出其綜合變形模量為19.40GPa。與未經(jīng)蝕變的微新花崗閃長巖相比，兩種方法得出的綜合變形模量值分別降低了42.76%， 38.41%，誤差僅為7.60%，在可接受范圍之內(nèi)。對比剛性承壓板法所得變形模量值，前者更加安全可靠，故建議采用非線性回歸法對其進行計算。

(2)本文采用非線性回歸法對壩基巖體的聲波測試和變形試驗資料進行回歸分析，建立了壩區(qū)巖體Vp-E0的相關(guān)關(guān)系式，由聲波值計算出巖體的變形模量值。該方法的運用大大節(jié)省了承壓板變形試驗的費用成本和時間，是對軟硬相間復(fù)雜組合巖體力學(xué)性質(zhì)快速定量分析的有效手段。

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INTEGRATED DEFORMATION MODULUS OF INTENSIVE ALTERED ROCK ZONE AT MENG DIGOU HYDROPOWER STATION

ZHAO Zitong①SHEN Junhui①ZHU Huaping②WEI Wei①LIU Yin①

(①NationalLaboratoryofGeohazardsPreventionandGeoenvironmentProtection，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059)(②ChinaElectricPowerConstructionSurveyandDesignInstituteGroupLtd.，Chengdu610072)

Most of the dam foundation rock mass is granodiorite in the proposed Yalongjiang Mengdigou hydropower station， where intensive development of Hydrothermal alteration rock zone has a single width of 0.5～3m. Deformation test shows that the average deformation modulus of new micro-granodiorite is up to 31.5GPa. The deformation moduli of strong clay alteration rock and weak clay alteration rock are 6.79GPa and 11.10GPa， respectively. Therefore， the existence of intensive altered rock zone can have a significant impact on the deformation characteristics of the dam foundation rock. There are no mature methods to calculate the deformation modulus of the complex combination of rocks with deformation characteristics of significant differences. Therefore， this article is based on the rigid bearing plate deformation test and acoustic test. It uses the nonlinear regression method to analyze the correlation of rock deformation modulus and acoustics. It establishes the rock Vp—E0correlation formula. Then， it uses the arithmetic average method to calculate the deformation modulus of typical intensive altered rock zone. The result is 18.03GPa and decreases by 42.76%to that of new micro-granodiorite rock. Meanwhile， according to a variety of altered rock band percentage， it uses the weighted average method to calculate deformation modulus of intensive altered rock zone. The result is 19.40GPa and decreases by 38.41%to that of new micro-granodiorite rock. The difference of the two methods is only 7.60%.Comparing with the rigid bearing plate result， the former is more safe and reliable. Thus， the method of nonlinear regression is suggested to calculate the deformation modulus of intensive altered rock zone at Mengdigou hydropower station.

Granodiorite， Altered rock， Clay， Deformation modulus， Nonlinear regression method

10.13544/j.cnki.jeg.2016.03.016

2015-03-28;

2015-08-08.

國家自然科學(xué)基金(編號：41572308)，高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金博導(dǎo)類聯(lián)合課題(20125122110005)資助.

趙梓彤(1990-)，女，碩士生，從事巖體穩(wěn)定地質(zhì)工程研究. Email: 546363947@qq.com

簡介： 沈軍輝(1964-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，從事工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究. Email: 820747923@qq.com

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