某水電站邊坡巖體現(xiàn)場壓縮蠕變特性研究

戴 祺 云， 費 大 軍

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司 監(jiān)測及試驗研究所，四川 成都 610072)

某水電站邊坡巖體現(xiàn)場壓縮蠕變特性研究

戴 祺 云， 費 大 軍

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司 監(jiān)測及試驗研究所，四川 成都 610072)

剛性承壓板變形試驗是了解水電站壩區(qū)軟弱巖體變形特性的重要手段。介紹了在某水電站壩區(qū)針對軟弱巖體進(jìn)行的大型剛性承壓板變形試驗方法，深入分析了壩區(qū)軟弱巖體的變形規(guī)律。根據(jù)試驗資料，識別出了壩區(qū)軟弱巖體的壓縮蠕變模型，計算出了其流變參數(shù)，為壩區(qū)工程的設(shè)計和施工提供了重要的依據(jù)。

剛性承壓板；軟弱巖體；變形模量；長期變形模量

1 問題的提出

高拱壩工程規(guī)模巨大，均要求建基于堅硬、較完整巖體上。但壩基往往存在一些地質(zhì)缺陷，如斷層、擠壓錯動帶、軟弱夾層、蝕變巖帶等軟弱巖帶，對壩基穩(wěn)定不利。同時，壩基巖體在開挖卸荷、壩體荷載及高滲透水壓的長期作用下，將可能呈現(xiàn)出與時間有關(guān)的變形特性，主要表現(xiàn)為松弛、蠕變、彈性后效、時效強度和流變損傷斷裂等，對高拱壩的施工安全及長期運行穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。當(dāng)認(rèn)識不到位、處理不當(dāng)時，施工、運行期的工程可能會出現(xiàn)事故或留下安全隱患。

某水電站壩基邊坡雖然開挖支護(hù)施工已經(jīng)完成，但綜合地質(zhì)分析、穩(wěn)定性驗算、變形監(jiān)測結(jié)果等表明：邊坡(整體)目前是基本穩(wěn)定的，但邊坡深部依然存在緩慢的變形。邊坡變形對混凝土墊座乃至今后拱壩影響如何，不僅關(guān)系到邊坡的安全評估，而且還可能影響大壩工程的安全。因此，要弄清上述問題，除對壩基邊坡的邊界條件進(jìn)行復(fù)核外，還需針對邊坡軟弱巖體的流變力學(xué)參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗研究，其研究成果不僅對該電站邊坡設(shè)計具有直接的指導(dǎo)意義，而且對高拱壩施工開挖安全、運行長期穩(wěn)定具有重大的工程意義和社會意義；同時將極大地豐富巖體流變力學(xué)特性研究的理論與實踐，具有重大的理論意義。

2 研究思路

目前關(guān)于室內(nèi)小尺寸巖石試件的室內(nèi)壓縮蠕變試驗成果較多，但針對現(xiàn)場軟弱巖體的大尺寸原位壓縮蠕變試驗的研究成果非常少。由于巖體尺寸效應(yīng)的影響，室內(nèi)小尺寸巖石試件的壓縮蠕變試驗研究成果并不能有效反映現(xiàn)場大尺寸巖體的壓縮蠕變力學(xué)特性，因此，亟需開展現(xiàn)場巖體的大尺寸原位流變試驗。由于現(xiàn)場原位流變試驗條件復(fù)雜，需要大量的人力、物力、財力為代價，因此，現(xiàn)場原位流變試驗成本高、難度大，國內(nèi)只有少數(shù)單位開展過現(xiàn)場原位流變試驗研究。為有效揭示某水電站高拱壩邊坡軟弱巖帶的壓縮蠕變力學(xué)特性，筆者在壩區(qū)現(xiàn)場對邊坡軟弱巖帶開展了直徑為505 mm的大尺寸原位壓縮蠕變試驗，提出了軟弱巖體大尺寸原位壓縮蠕變試驗的加載、測試與分析方法，有效揭示出軟弱巖帶的壓縮蠕變特征規(guī)律，為建立軟弱巖帶的非線性流變力學(xué)模型，對邊坡巖體流變力學(xué)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的復(fù)核及深化研究具有重要的工程意義[1～8]。

3 試驗研究成果

3.1 試驗點的確定及試件加工

試驗采用圓形剛性承壓板法，承壓板直徑為505 mm，1臺300 t千斤頂加載，逐級一次循環(huán)。試驗位置由地質(zhì)設(shè)代人員在現(xiàn)場根據(jù)地質(zhì)情況選定，試驗在天然狀態(tài)下進(jìn)行。在清除受爆破松動影響的巖體表面后加工試點，對粘貼承壓板處的巖石表面進(jìn)行了人工鑿平，將巖面起伏差控制在5 mm內(nèi)。將承壓板以外影響帶的巖體表面加工至大致平整并清除松動的巖塊和碎石。加載及穩(wěn)壓系統(tǒng)見圖1

3.2 試驗方法與加載方式

載荷分8級施加，根據(jù)設(shè)計壓力，確定試驗的最大壓力為10 MPa。

圖1 壓縮蠕變試驗加載及穩(wěn)壓系統(tǒng)示意圖

(1)軟弱破碎巖體按0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa逐級一次循環(huán)加、卸載，試驗以試件破壞作為試驗終止條件。

(2)加載、傳力、量測系統(tǒng)安裝完成并穩(wěn)定1 d后加第一級載荷。

(3)每一級載荷均按加載穩(wěn)定3 d，卸載到0，穩(wěn)定2 d控制。

(4)卸載穩(wěn)定時間可根據(jù)變形～時間關(guān)系曲線中彈性后效收斂情況適當(dāng)增減。

(5)安裝完成后即刻測記零讀數(shù)，然后按10 min、20 min、40 min、1 h、1.5 h、2 h、3 h、4 h、6 h、8 h、12 h、16 h、24 h測讀各測表位移，以后均按每間隔8 h定時測讀各位移測表一次直至規(guī)定的穩(wěn)定時間。

(6)每一級載荷加到時讀數(shù)一次，逐級加載到預(yù)定載荷時即刻測記瞬時變形，然后按10 min、20 min、40 min、1 h、1.5 h、2 h、3 h、4 h、6 h、8 h、12 h、16 h、24 h測讀各測表位移，以后均按每間隔8 h定時測讀各位移測表一次直至規(guī)定的穩(wěn)定時間。

(7)每一級載荷卸到時讀數(shù)一次，逐級卸載到0時即刻測記瞬時變形，然后按10 min、20 min、40 min、1 h、1.5 h、2 h、3 h、4 h、6 h、8 h、12 h、16 h、24 h測讀各測表位移，以后均按每間隔8 h定時測讀各位移測表一次直至規(guī)定的穩(wěn)定時間。

(8)每組試件總的試驗時間為43～48 d。

3.3 試驗成果

根據(jù)現(xiàn)場試驗實測變形資料，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算巖體變形(彈性)模量。試驗成果見表1、圖2～5。

表1 巖體壓縮蠕變試驗點地質(zhì)特征及試驗成果表

圖2 E01巖體壓縮蠕變試驗變形～時間關(guān)系曲線圖

圖3 E02巖體壓縮蠕變試驗變形～時間關(guān)系曲線圖

圖4 E03巖體壓縮蠕變試驗變形～時間關(guān)系曲線圖

圖5 E04巖體壓縮蠕變試驗變形～時間關(guān)系曲線圖

4 壓縮蠕變特征及模型的識別

4.1 壓縮蠕變特征分析

對各個試件每級荷載下的特征變形進(jìn)行統(tǒng)計的情況見表2，從表2中可以看出：

(1)從卸載瞬間總變形構(gòu)成看，主要為加載瞬間的瞬時變形(W01)，約占總變形的84%～92%，荷載持續(xù)期間的變形(W1t)僅占總變形的8%～16%。從卸載階段量測結(jié)果看，總變形包含彈性變形(W02)、粘彈性變形(W2t)、殘余變形(WR)三個部分。

(2)從加、卸載瞬間的瞬時變形比較看，卸載瞬間的回彈變形均小于加載瞬間的突變變形，說明加載瞬間的變形除彈性變形外，還包含塑性變形。

(3)卸載階段的彈性后效(W2t)是一種粘彈性變形。

表3 試件巖體壓縮變形構(gòu)成分析表

綜上所述：各個試件的壓縮蠕變具有穩(wěn)定蠕變特征，而且以加載瞬間變形為主；加載瞬間變形除包含彈性變形外，主要為塑性變形；荷載持續(xù)期間的變形主要為粘彈性變形。

4.2 模型識別

根據(jù)蠕變特征及模型組合特點，筆者選取的三參數(shù)模型(H-K模型)見圖6。

4.3 巖體壓縮蠕變參數(shù)反演結(jié)果

根據(jù)所選定的模型，對四個試件進(jìn)行了參數(shù)反演分析，其成果見表4。

圖6 三參數(shù)模型(H-K模型)

表4 H-K流變模型參數(shù)表

根據(jù)巖性類別進(jìn)行統(tǒng)計的成果表明：

(1) E01模型蠕變參數(shù)為：彈性模量E0=7.33 GPa，粘彈性模量E1=41.3 GPa，粘性系數(shù)η1=125 475 MPa·h，長期模量E∞=6.07 GPa。軟弱巖帶長期變形模量與瞬 時 變 形 模 量 比 值 為 82.81%，長期變形模量的損失率為17.19%。

(2)對E02、E03、E04試件模型蠕變參數(shù)平均值再進(jìn)行算術(shù)平均，其結(jié)果為：彈性模量E0=1.62 GPa，粘彈性模量E1=16.77 GPa，粘性系數(shù)η1=39 511.6 MPa·h，長期模量E∞=1.4 GPa。軟弱巖帶長期變形模量與瞬時變形 模 量 比 值 為86.42%，長期變形模量的損失率為13.58%。

5 主要結(jié)論

(1)提出了軟弱巖體大尺寸原位壓縮蠕變試驗的加載、測試與分析方法。

(2)軟弱巖帶具有明顯的蠕變變形，蠕變變形隨時間的增加有增大的趨勢，蠕變變形和總變形均隨荷載的增大而增加；蠕變總變形中包含有部分彈性變形，隨荷載的逐級增加，均產(chǎn)生部分不可恢復(fù)的殘余變形，表明巖體極為軟弱，產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性變形。

(3)識別并建立了壩基軟弱巖帶的非線性損傷流變模型，反演獲得了軟弱巖帶的壓縮蠕變力學(xué)參數(shù)。

(4)軟弱巖帶長期變形模量與瞬時變形模量比值為82.81%～86.42%，長期變形模量的損失率為13.58%～18.08%。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7;TU192;[TV221.2]；TV522

B

1001-2184(2017)01-0056-04

戴褀云(1984-)，男，四川成都人，工程師，學(xué)士，從事巖土工程試驗研究工作；

費大軍(1974-)，男，四川仁壽人，高級工程師，學(xué)士，從事巖土工程試驗研究工作.