高混凝土重力壩壩基巖體變形模量回復(fù)力學(xué)研究模型構(gòu)建

廖 彬， 韓素月

(1. 成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059；2. 四川省投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610016；3. 成都理工大學(xué) 管理科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059)

高混凝土重力壩大多修建在堅(jiān)硬巖石高山峽谷區(qū)，高重力壩壩基開(kāi)挖對(duì)河谷巖體的影響與河流下切不斷改變河谷形態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化、巖體工程性狀改變是大致相同的，不同的是壩基開(kāi)挖是巖體迅速移走，引起壩基巖體卸荷、松弛、性狀改變，而河谷下切(“自然開(kāi)挖”)則是緩慢改變。從力學(xué)上分析，導(dǎo)致這些變化的主控因素是巖體應(yīng)力的降低，從力學(xué)的觀點(diǎn)、應(yīng)力與應(yīng)變、模量的關(guān)系來(lái)分析，應(yīng)力的降低或增大會(huì)引起介質(zhì)模量的降低或增大，將這一原理初步地用在處于地應(yīng)力環(huán)境下巖體變形模量的變化上，應(yīng)有一定的意義。

水電站所要求的微風(fēng)化及新鮮巖石地基，由于巖石的自身彈性?xún)?chǔ)能條件，大都有較高的地應(yīng)力，自20世紀(jì)50年代，N.Hast等開(kāi)展地應(yīng)力測(cè)量[1-2]，在西北歐及北非進(jìn)行的2萬(wàn)多個(gè)地應(yīng)力測(cè)量資科表明，地殼巖體均為壓應(yīng)力。巖體的卸荷、風(fēng)化，性狀的改變、模量、強(qiáng)度參數(shù)的變化都與地應(yīng)力狀態(tài)的改變有著明顯的關(guān)系。隨著眾多水電工程的不斷進(jìn)行，使得專(zhuān)家對(duì)爆破松弛帶越來(lái)越重視，不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究工作[3-5]，用多種測(cè)試方法進(jìn)行評(píng)價(jià)[6-8]和劃分松弛帶[9]。小灣電站爆破松弛帶的研究成果較多，吳數(shù)偉、周華等用數(shù)值模擬分析了小灣電站開(kāi)挖松弛效應(yīng)[10-11]。祁生文等從小灣電站開(kāi)挖卸荷裂隙的方面進(jìn)行了研究，得到了裂隙的分布特征和分布范圍[12]。李朝政等從小灣電站開(kāi)挖卸荷巖體的抗剪強(qiáng)度方面進(jìn)行了研究，更細(xì)致深入的評(píng)價(jià)松弛巖體結(jié)構(gòu)面的變形破壞機(jī)理及抗剪強(qiáng)度參數(shù)[13]。林鋒等利用MTS815型程控伺服剛性試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，從機(jī)理上分析了小灣電站開(kāi)挖松弛[14]。

巖體圍壓增大后其力學(xué)性質(zhì)將會(huì)發(fā)生改變。韓立軍等在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了環(huán)向有效約束條件下的破裂巖體承載變形試驗(yàn)，分析了破裂巖體承載過(guò)程中的變形特性[15]。賴(lài)勇通過(guò)試驗(yàn)分析，認(rèn)為巖石的楊氏模量隨圍壓的增大而提高，當(dāng)圍壓大于巖石的壓密點(diǎn)強(qiáng)度后，楊氏模量的增大呈減小趨勢(shì)而趨于定值；提出了巖石楊氏模量與圍壓關(guān)系的表達(dá)式，反映了裂隙密度隨圍壓的增加呈指數(shù)關(guān)系減小的特征[16]。王瑞紅等通過(guò)對(duì)處于殘余強(qiáng)度狀態(tài)巖樣的循環(huán)加卸載試驗(yàn)，研究不同圍壓下(30，20，10，5和1MPa)、不同卸荷量(90%，70%，30%)造成的巖樣殘余強(qiáng)度變化規(guī)律[17]。劉杰等在對(duì)加、卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分區(qū)的基礎(chǔ)上，定義卸載過(guò)程中的能量消耗率，探討巖石損傷破壞過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)化，同時(shí)定量分析彈性模量，泊松比和殘余應(yīng)變等變形參數(shù)的變化規(guī)律[18]。上述的研究多為巖石樣本的圍壓與變形特征的研究，而在實(shí)際工程中的變形特征不僅與巖石本身的有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)面、風(fēng)化程度、卸荷程度等有關(guān)系，因此對(duì)于壩基巖體變形模量的壓密回復(fù)研究涵蓋了巖體風(fēng)化、卸荷、巖體結(jié)構(gòu)、力學(xué)參數(shù)以及據(jù)此確定的巖體質(zhì)量類(lèi)型。因此，本文以長(zhǎng)期工作的雅礱江西南某水電站高混凝土重力壩作為研究載體，擬對(duì)高混凝土重力壩壩基巖體變形模量的壓密回復(fù)開(kāi)展較深入的研究。

一 研究區(qū)概況

(一)區(qū)域地質(zhì)概況

西南某水電站壩址區(qū)所在大地構(gòu)造部位為康滇地軸與麗江臺(tái)緣拗褶帶的交界部位，康滇地軸為揚(yáng)子地臺(tái)的次級(jí)單元，而麗江臺(tái)緣拗褶帶為松潘甘孜地槽的次級(jí)單元，因此西南某電站壩址位于槽、臺(tái)交界的部位(圖1)。研究區(qū)主要位于雅礱江虎山灘至打羅向西凸出的河彎段，主體建筑區(qū)位于竹子壩溝上游至硐探隊(duì)駐地，屬高山峽谷地形，河谷呈基本對(duì)稱(chēng)的“V”型。雅礱江以S60°W方向流入虎山灘后逐漸偏轉(zhuǎn)至S75°E方向流入壩區(qū)再漸轉(zhuǎn)至E流出樞紐區(qū)，壩區(qū)河道略向S凸出。出露地層主要為二疊系上統(tǒng)玄武巖組(P2β)，第四紀(jì)覆蓋層分布較為廣泛。

圖1 西南某電站壩址所在大地構(gòu)造單元

(二)工程概況

西南某水電站是雅礱江卡拉至江口河段水電規(guī)劃五級(jí)開(kāi)發(fā)方式的第三個(gè)梯級(jí)電站。上游與錦屏二級(jí)電站尾水銜接，下游接二灘水電站。工程樞紐區(qū)位于四川省涼山彝族自治州西昌市與鹽源縣接壤地帶，距西昌市直線距離約30km，有三級(jí)公路相連，對(duì)外交通較為方便(圖2)。西南某水電站大壩為碾壓混凝土重力壩，電站正常蓄水位1 330m，壩頂高程1 334m，最大壩高171m，壩頂長(zhǎng)度516m。右岸地下廠房裝總裝機(jī)容量240×104kW，多年平均發(fā)電量117.76×108kW·h。

圖2 西南某水電站位置交通圖

二 巖體變形模量回復(fù)力學(xué)模型構(gòu)建

(一)巖體力學(xué)參數(shù)配置

基本巖級(jí)的變形模量以研究團(tuán)隊(duì)在多個(gè)玄武巖壩址建立的聲波縱波速度與變形模量的關(guān)系式：

Ln(E0)=3.2027×Ln(VP)-24.3283

(1)

式中：E0為變形模量(GPa);VP為聲波縱波速度(m/s)。

由于從應(yīng)力狀態(tài)分析巖體模量的變化，涉及整個(gè)峽谷及其下切過(guò)程中巖體應(yīng)力的變化。因此，在河谷下切前深部巖體均為新鮮巖體且有較高的應(yīng)力，玄武巖體應(yīng)為I級(jí)巖體，爆破松弛帶巖體為VI級(jí)(接近III2級(jí))巖體，壩基淺部巖體大多為III1—II級(jí)巖體，各類(lèi)巖體及壩體的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算模型巖體及壩體參數(shù)

(二)基本模型的構(gòu)建

研究壩基巖體變形模量的回復(fù)涉及河谷的形態(tài)、高度、巖性、地應(yīng)力狀態(tài)、巖體力學(xué)參數(shù)，壩基開(kāi)挖、重力壩修建后巖體應(yīng)力狀態(tài)，這些資料的可信、正確，是保證分析模型、分析成果合理、可信的基礎(chǔ)。

通過(guò)三維建模程序建立壩址大范圍的三維地形模型，如圖3所示，從圖中可以的看出，選定壩線位于雅礱江轉(zhuǎn)折較大的河段，兩岸高處地形連續(xù)。

圖3 壩址大范圍三維地形模型

根據(jù)地形、巖性、巖體等各項(xiàng)數(shù)據(jù)資料，并結(jié)合上述模型巖體及壩體參數(shù)，構(gòu)建基本模型如下圖4所示。其基本單元為三角形單元，共34 323個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)34 520個(gè)。

圖4 基本模型

(三)開(kāi)挖、壩體模型的構(gòu)建

開(kāi)挖線按實(shí)際開(kāi)挖形狀設(shè)置，河床表部原高程1 200m，建基面高程1 163m，開(kāi)挖深度37m，兩岸開(kāi)挖高程至1 395m，水平開(kāi)挖深度35～50m，構(gòu)建壩基開(kāi)挖模型，如圖5所示。

圖5 壩基開(kāi)挖模型

壩頂高程1 334m，建基面1 163m，爆破松弛帶按厚度2.1m設(shè)置，為獲取同高程信息，每40m設(shè)置水平線，以保證單元的高程相同，河床設(shè)置縱線以便水平坐標(biāo)相同，最終構(gòu)建壩體及壩基模型(圖6)。

圖6 壩體及壩基模型

三 結(jié)論

本文通過(guò)已建成的西南某水電站為例，對(duì)壩基玄武巖在開(kāi)挖和壩體澆筑后變形模量展開(kāi)研究。主要采用數(shù)值分析方法，研究了西南某水電站河床壩基在建壩前后應(yīng)力的變化，由于應(yīng)力狀態(tài)的變化，巖體將隨應(yīng)力的降低松弛回彈—模量降低，隨重力壩重力的加載巖體又將被壓密，變形模量發(fā)生回復(fù)，構(gòu)建了高混凝土重力壩壩基巖體變形模量回復(fù)力學(xué)研究模型，為后續(xù)研究水電站壩基穩(wěn)定的工程地質(zhì)問(wèn)題以及提高變形模量提供進(jìn)一步的認(rèn)知。但由于本文在采用力學(xué)分析方法研究壩基變形模量時(shí)，限于資料的精確性對(duì)有關(guān)巖體(結(jié)構(gòu)面)作了均化處理。因此，高重力壩壩基巖體變形模量回復(fù)的研究成果，應(yīng)當(dāng)是初步的成果，有待今后進(jìn)一步的深化研究。