徽縣宋家灣水庫工程壩址區(qū)巖體變形特性試驗(yàn)研究

董志英

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000）

徽縣宋家灣水庫工程壩址區(qū)巖體變形特性試驗(yàn)研究

董志英

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000）

巖體變形試驗(yàn)研究的目是為水庫大壩的工程地質(zhì)條件評價(jià)提供依據(jù)，同時(shí)為工程設(shè)計(jì)提供力學(xué)參數(shù)。在徽縣宋家灣水庫壩軸線左右岸的勘探平硐中進(jìn)行巖體變形試驗(yàn)，采用剛性承壓板法施力于半無限空間巖體表面，測量巖體變形，并按均勻、連續(xù)、各向同性的半無限彈性體表面受局部荷載的布西涅斯克公式計(jì)算巖體變形特征值。結(jié)合工程地質(zhì)條件對變形試驗(yàn)成果進(jìn)行分析，按照左右岸巖體風(fēng)化程度和完整性不同，得出巖體變形參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值：左岸：ES=5.57～6.34 GPa，E0=3.51～3.73 GPa；右岸：ES=1.09～7.72 GPa，E0=0.55～5.17 GPa。

水庫工程；巖體變形試驗(yàn)；變形模量；彈性模量

1 工程概況

甘肅省徽縣宋家灣水庫工程壩址位于永寧河中游河段上，工程主要任務(wù)為供水，取水口位于宋家灣水庫右岸，出水口位于徽縣縣城北長峪河左岸，沿線布置兩個分水口輸水至徽縣柳林鎮(zhèn)和永寧鎮(zhèn)，出水口經(jīng)城鄉(xiāng)管網(wǎng)輸水至徽縣所轄城區(qū)及部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

工程由攔河樞紐及輸水系統(tǒng)兩部分組成，供水對象主要為徽縣城關(guān)區(qū)、柳林鎮(zhèn)、永寧鎮(zhèn)。宋家灣水庫設(shè)計(jì)總庫容3510萬m3，年供水量3222萬m3，設(shè)計(jì)引水流量1.45 m3/s。為Ⅲ等中型工程，主要建筑物級別為3級，次要建筑物為4級，臨時(shí)建筑物為5級；輸水系統(tǒng)為Ⅳ等小(Ⅰ)型工程，主要建筑物為4級，次要及臨時(shí)建筑為5級。

2 巖體變形試驗(yàn)

確定壩基巖體的變形特征，為地質(zhì)評價(jià)和設(shè)計(jì)提供計(jì)算參數(shù)。依據(jù)《甘肅徽縣宋家灣工程初步設(shè)計(jì)階段》勘測的要求，現(xiàn)場巖體變形試驗(yàn)在水庫壩址區(qū)的2個勘探平硐中進(jìn)行，共布置巖體變形試驗(yàn)6組。

2.1 試驗(yàn)區(qū)基本地質(zhì)條件與試點(diǎn)布置

在壩址區(qū)左、右壩軸線上各開挖一個平硐，進(jìn)行現(xiàn)場巖體變形試驗(yàn)。

左岸平硐 PD1，硐長41.8 m，揭露的巖性為中泥盆統(tǒng)砂巖、砂質(zhì)板巖夾灰?guī)r：巖石呈青灰色、灰黑色，局部灰白色，以中硬巖為主，砂巖為變質(zhì)細(xì)粒石英砂巖，砂質(zhì)板巖?；プ?yōu)樯皫r，變質(zhì)程度深淺不等，一般為中厚層狀結(jié)構(gòu)，局部薄層或互層狀結(jié)構(gòu)，灰?guī)r呈夾層狀或透鏡狀分布于變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖中，成層不穩(wěn)定。巖體中發(fā)現(xiàn)次級小斷層5條，破碎帶寬1～20 cm，泥鈣質(zhì)膠結(jié)一般或中等，巖層產(chǎn)狀 NW296°～325°SW∠30°～37°，層面輕度～中等發(fā)育，多閉合，部分充填方解石脈或鈣質(zhì)薄膜。強(qiáng)風(fēng)化界限深度為4～6 m，弱風(fēng)化界限深度為15～18 m。其中 31.5～40 m段揭露的巖性為灰?guī)r，40.0～41.8 m段以板巖為主。按勘測試驗(yàn)委托書的要求，在弱風(fēng)化段的6.9m和16.9 m處布置PD1B1、PD1B2兩點(diǎn)變形試驗(yàn)，在微風(fēng)化段31.2 m處布置PD1B3變形試驗(yàn)點(diǎn)；PD1B1、PD1B2兩點(diǎn)的巖性為中厚層狀的砂質(zhì)板巖夾灰?guī)r，巖體完整性較好；PD1B3點(diǎn)的巖性為中厚層狀的砂質(zhì)板巖夾灰?guī)r，局部薄層或互層狀結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，巖體完整性差。

右岸平硐PD2，硐長58.0 m，硐口至17.0 m段揭露的巖性為第四系全新統(tǒng)崩坡積塊石碎石土，呈土黃色，主要由碎石土和孤塊石組成，顆粒組成極不均勻，粒徑大小不一，部分地段孤塊石集中分布，可見最大粒徑3.2 m，有架空現(xiàn)象，其中0～10.0 m段含泥量較高，塊碎石呈棱角狀，成分主要為變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖，結(jié)構(gòu)松散。17.0～20.0 m為強(qiáng)風(fēng)化段，20.0～33.0 m為弱風(fēng)化段，33.0～58 m為微風(fēng)化段，揭露巖性為中泥盆統(tǒng)砂巖、砂質(zhì)板巖夾灰?guī)r，青灰色、灰黑色，局部灰白色，以中硬巖為主，砂巖為變質(zhì)細(xì)粒石英砂巖，砂質(zhì)板巖常互變?yōu)樯皫r，變質(zhì)程度深淺不等，一般為中厚層狀結(jié)構(gòu)，局部薄層或互層狀結(jié)構(gòu)，灰?guī)r呈夾層狀或透鏡狀分布于變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖中，成層不穩(wěn)定。巖體中發(fā)現(xiàn)次級小斷層四條，破碎帶寬3～30 cm，泥鈣質(zhì)膠結(jié)一般或中等，巖層產(chǎn)狀 NW305°～325°NE∠30°～37°，層面輕度～中等發(fā)育，多閉合，部分充填方解石脈或鈣質(zhì)薄膜。按照委托書的要求，在 PD2平硐中的 24.3 m、37.8 m、49.7 m處布置 PD2B1、PD2B2、PD2B3等 3組變形點(diǎn)，PD2B1點(diǎn)在弱風(fēng)化段，PD2B2、PD2B3兩點(diǎn)布置在微風(fēng)化段，試點(diǎn)出的巖性均為砂質(zhì)板巖夾灰?guī)r，但前兩點(diǎn)的巖體裂隙發(fā)育，完整性差，最后一點(diǎn)的巖體完整性相對較好。

2.2 試驗(yàn)成果

通過剛性承壓板施力于半無限空間巖體表面，測量巖體變形，并按均勻、連續(xù)、各向同性的半無限彈性體表面受局部荷載的布西涅斯克公式計(jì)算巖體變形特征指標(biāo)。

（1）剛性承壓板法試驗(yàn)采用板上4個測表的變形平均值作為巖體變形值，當(dāng)其中一個測表失效時(shí)，可采用另外三個測表（變形均勻時(shí)）或另一對稱的兩個測表（變形不均勻時(shí)）的平均值作為變形值。

（2）繪制壓力與變形之間的關(guān)系曲線，根據(jù)曲線類型確定變形值，計(jì)算巖體變形參數(shù)。

（3）剛性承壓板法試驗(yàn)變形參數(shù)按下列公式（布西涅斯克公式）計(jì)算：

式中，E為變形模量或彈性模量，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（依據(jù)室內(nèi)巖石試驗(yàn)成果，變質(zhì)砂巖與砂質(zhì)板巖互層取0.25，較破碎裂隙發(fā)育巖體取0.33）；p為按承壓板單位面積計(jì)算的壓力，MPa；D為承壓板直徑（56.6cm），cm；W為巖體變形，cm。

2.3 壓力（P）～變形（W0）關(guān)系曲線分析

變形試驗(yàn)中所獲得的壓力（P）～變形（W0）關(guān)系曲線反映了巖體在外荷載作用下的變形特性。

經(jīng)對壓力～變形關(guān)系曲線的分析，PD1B2和PD1B3兩點(diǎn)均為變質(zhì)砂巖與砂質(zhì)板巖互層，表層微裂隙發(fā)育，深層巖體均質(zhì)性較好，壓力（P）～變形（W0）關(guān)系曲線方程為 P=f(w)=kw，=k（k為常數(shù)），=0呈線形關(guān)系，見圖1和圖2。

圖1 PD1B2變形試驗(yàn)壓力—變形關(guān)系曲線

圖2 PD1B3變形試驗(yàn)壓力—變形關(guān)系曲線

PD1B1、PD2B1、PD2B2和PD2B3四點(diǎn)巖性均為變質(zhì)砂巖與砂質(zhì)板巖互層，但層理裂隙發(fā)育，為軟硬巖互層的得結(jié)構(gòu)，壓力（P）～變形（W0）關(guān)系曲線方程為P=（fw），遞增，＞0，它反映出隨壓力增高，結(jié)構(gòu)面有逐漸被壓密，模量逐漸增大的趨勢，線形呈上凹型，見圖3～圖6。

圖3 PD1B1變形試驗(yàn)壓力—變形關(guān)系曲線

圖4 PD2B1變形試驗(yàn)壓力—變形關(guān)系曲線

圖5 PD2B2變形試驗(yàn)壓力—變形關(guān)系曲線

圖6 PD2B3變形試驗(yàn)壓力—變形關(guān)系曲線

2.4 巖體變形試驗(yàn)成果

每個變形試驗(yàn)點(diǎn)按照曲線類型不同分別進(jìn)行計(jì)算，Ⅰ類曲線取直線段計(jì)算，Ⅱ類曲線可逐級分別計(jì)算。試驗(yàn)參數(shù)成果見表2。

表2 巖體變形試驗(yàn)參數(shù)成果表

依據(jù)試點(diǎn)描述可以看出，左岸PD1B3點(diǎn)在微風(fēng)化段，巖性為砂質(zhì)板巖夾灰?guī)r，填充方解石脈、裂隙面有銹染，裂隙發(fā)育，巖體完整性差。而PD1B1和PD1B2兩點(diǎn)雖然處于弱風(fēng)化段，但巖體完整性好，巖性均一，為砂巖與砂質(zhì)板巖互層，裂隙面閉合，層間結(jié)合緊密，充填石英巖脈或鈣質(zhì)薄膜，因此變形模量和彈性模量大于PD1B3點(diǎn)；右岸PD2B1和PD2B2點(diǎn)巖性均為砂巖與砂質(zhì)板巖互層，試點(diǎn)裂隙較發(fā)育，且部分裂隙面有銹染，巖體完整性差；試點(diǎn)PD2B3巖體完整性好，表現(xiàn)在變形模量和彈性模量較PD2B1、PD2B2兩點(diǎn)大?？傮w看來，左岸平洞的巖體變形試驗(yàn)參數(shù)大于右岸平洞，這與左右岸的巖體地質(zhì)特征一致。

3 巖體變形試驗(yàn)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值

變形試驗(yàn)共做6組，左岸PD1和右岸PD2各3組，巖性均為變質(zhì)砂巖和砂質(zhì)板巖互層。左岸PD1平洞中變形試點(diǎn)B1、B2處于弱風(fēng)化帶，但試點(diǎn)處的巖體為中厚層結(jié)構(gòu)，沒有大的裂隙通過，微裂隙也不發(fā)育，巖體完整性好，表現(xiàn)在變形參數(shù)較微風(fēng)化帶的B3點(diǎn)的值高，經(jīng)與地質(zhì)人員溝通，認(rèn)為弱風(fēng)帶整體上完整性比微風(fēng)化帶的差，因此試點(diǎn)B1、B2試驗(yàn)參數(shù)不能完全反映弱風(fēng)化帶的變形參數(shù)，經(jīng)與地質(zhì)人員共同確定，提出左岸巖體的變形參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值；對右岸平洞的變形試驗(yàn)參數(shù)，較好的反映了巖體的特征，弱風(fēng)化帶和微風(fēng)化帶的變形參數(shù)按試驗(yàn)值提出標(biāo)準(zhǔn)值。

（1）左岸，弱風(fēng)化，砂巖與砂質(zhì)板巖互層，微小裂隙較發(fā)育：

ES=5.57 GPa E0=3.73 GPa

（2）左岸，微風(fēng)化，砂質(zhì)板巖夾灰?guī)r，微小裂隙較發(fā)育，巖體完整性差：

ES=6.34 GPa E0=3.51 GPa

（3）右岸，弱風(fēng)化，砂巖與砂質(zhì)板巖互層，微小裂隙較發(fā)育，巖體完整性差：

ES=1.09 GPa E0=0.55 GPa

（4）右岸，微風(fēng)化，砂巖與砂質(zhì)板巖互層，微小裂隙發(fā)育，巖體完整性好：

ES=7.72 GPa E0=5.17 GPa

4 結(jié)論

經(jīng)現(xiàn)場巖體變形試驗(yàn)，采用比設(shè)計(jì)要求的壓力大0.7 MPa所獲得的壓力（P）～變形（W0）關(guān)系曲線反映了壩址區(qū)巖體在外荷載作用下的變形特性，為地質(zhì)評價(jià)和設(shè)計(jì)提供了可靠的計(jì)算依據(jù)。

TV68

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1673-9000（2017）05-0101-03

2017-04-25

董志英（1981-），女，藏族，甘肅蘭州人，助理工程師，主要從事巖土檢測工作。