淺變質(zhì)巖漿巖巖塊斷口變色程度與單軸抗壓強度關(guān)系研究

吳 松，彭森良

（1.中國水電建設(shè)集團十五工程局有限公司，陜西 西安 710068；2.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051）

1 前言

東薩宏水電站位于老撾與柬埔寨交界處，為引水式電站，裝機260 MW，其混凝土重力壩最大壩高33 m，長約6.8 km（由1#堤壩、2#堤壩、3#堤壩組成），水庫（壓力前池）容量約0.3 億m3。該工程為國際EPC 總承包項目，業(yè)主方屬馬來西亞，設(shè)計咨詢方為某國際知名咨詢公司。

該電站絕大部分壩段高度在10 m～20 m 之間，壩基發(fā)育英安巖夾熔結(jié)凝灰?guī)r，均屬堅硬巖。根據(jù)設(shè)計方計算，將壩基置于強風(fēng)化巖體上具備條件，但需要給出強風(fēng)化巖體的巖塊強度才能說服國際咨詢方同意強風(fēng)化巖體為大壩建基面，如何獲得強風(fēng)化巖體的巖塊強度成為一大技術(shù)難題。

經(jīng)充分調(diào)研和溝通，國際咨詢方認可采用不規(guī)則巖塊的點荷載試驗成果作為巖塊強度的獲取手段。國內(nèi)外學(xué)者對點荷載試驗已有研究工作涵蓋了點荷載試驗的工作原理[1～2]、點荷載試驗結(jié)果的影響因素[3]、煤層抗拉強度[4]及風(fēng)化花崗巖單軸抗壓強度[5～6]與點荷載試驗結(jié)果的關(guān)系、變質(zhì)沉積巖單軸抗壓強度與點荷載試驗成果之間的關(guān)系[7]以及點荷載試驗成果對巖體或巖石地基強度參數(shù)的影響[8～11]等。本文在大量試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對淺變質(zhì)巖漿巖的巖塊斷口變色程度（即風(fēng)化程度）與巖石單軸抗壓強度之間的關(guān)系進行了相應(yīng)研究。

本工程共343 個壩段（每個壩段長約20 m），其中強風(fēng)化巖塊約占90%，弱風(fēng)化巖塊約占8%，全風(fēng)化巖塊約占2%。每個壩段需開展2 組不規(guī)則巖塊點荷載試驗，共完成點荷載試驗847組，其中，自然含水狀態(tài)下的不規(guī)則巖塊點荷載試驗78 組，飽和狀態(tài)下不規(guī)則巖塊點荷載試驗769 組。本文通過整理上述試驗成果，與前期地勘巖芯單軸壓縮試驗成果進行了對比分析。

2 基本地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

工程區(qū)屬湄公河侵蝕平原，兩岸的河心島嶼均為湄公河侵蝕堆積階地，拔河高度5 m～15 m，總體地勢平緩，僅在2#堤壩與3#堤壩之間發(fā)育有山頂高程約104 m 的熔巖殘丘（0#山包）,沖溝以紋溝及細溝為主，少量切溝，延伸不超過350 m，大部分位于堤壩圍擋范圍以內(nèi)。電站所在河道形成槽型河漫灘河谷，岸邊地勢較陡，局部坡度超過30°。

2.2 地層巖性

工程區(qū)大部分為第四系沖、殘積層（Qal+el）所覆蓋，僅在河邊及兩岸部分沖溝溝底可見基巖零星出露，在河邊局部還有少量第四系沖積層分布，詳述如下：

基巖為深海相噴發(fā)沉積的次塊狀～塊狀英安巖夾熔結(jié)凝灰?guī)r地層，英安巖主要成分為蝕變基性斜長石、石英、蝕變輝石、安山巖、安山質(zhì)玄武質(zhì)、霏細碎片及鈣質(zhì)巖脈，熔結(jié)凝灰?guī)r主要成分為輝石、斜長石、磷灰石、蝕變安山巖及酸堿性交替出現(xiàn)的玻璃質(zhì)（絹云母、綠簾石、鈉長石、綠泥石），在兩岸河槽壁及河床大面積出露，揭露噴發(fā)沉積厚度大于100 m。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

堤壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，斷裂與褶皺均不發(fā)育，屬穩(wěn)定的火山間歇性噴發(fā)再沉積形成的單斜構(gòu)造區(qū)，單斜構(gòu)造總體呈近東西向，傾向南，傾角60°左右，單斜體厚度超過5000 m。

堤壩建基面除順流層結(jié)構(gòu)面發(fā)育外，還有一組近垂直結(jié)構(gòu)面稍發(fā)育，均非緩傾節(jié)理，其余方向結(jié)構(gòu)面不甚發(fā)育。在部分壩段零星揭露緩傾節(jié)理，其延伸一般不超過3 m，節(jié)理面多閉合或微張，充填物以鐵質(zhì)為主，泥質(zhì)充填極少見，因此，堤壩沿線壩基抗滑穩(wěn)定主要受控于壩基巖體與混凝土接觸面，無深層抗滑穩(wěn)定問題。

2.4 物理地質(zhì)現(xiàn)象

堤壩區(qū)無可溶巖地層，滑坡、崩塌、泥石流及巖體卸荷等不發(fā)育，物理地質(zhì)現(xiàn)象主要為巖體風(fēng)化。將工程區(qū)巖體按風(fēng)化程度劃分為全風(fēng)化、強風(fēng)化、弱風(fēng)化、微風(fēng)化～新鮮四級。其中強風(fēng)化、弱風(fēng)化分別劃分為2 個亞類，即強風(fēng)化上帶、強風(fēng)化下帶、弱風(fēng)化上帶及弱風(fēng)化下帶。

堤壩區(qū)全風(fēng)化底界埋深一般為1 m～3 m，強風(fēng)化上帶底界埋深一般為2 m～5 m，強風(fēng)化下帶底界埋深一般為4 m～8 m，弱風(fēng)化上帶底界埋深一般為8 m～9 m，弱風(fēng)化下帶底界埋深一般為9 m～12 m，向下為微風(fēng)化～新鮮巖體。

2.5 水文地質(zhì)條件

堤壩區(qū)分布深海相噴出巖地層，地下水主要為基巖裂隙水，地下水均補給河水。雨季兩岸地下水位較高較陡，地下水埋深一般為3 m～4 m；旱季兩岸地下水位低平，地下水埋深一般為6 m～7 m。

鉆孔壓水試驗及注水試驗成果揭示，強風(fēng)化上帶以上巖體具有中等透水～強透水性（1.0×10-2cm/s≤K＜1 cm/s）；強風(fēng)化下帶及弱風(fēng)化上部巖體具有中等透水性（1.0×10-4cm/s≤K＜1.0×10-2cm/s）；弱風(fēng)化下部巖體具有弱透水性（1 Lu≤q＜10 Lu）；微風(fēng)化～新鮮巖體具有微～弱透水性。

3 不規(guī)則巖塊點荷載強度試驗

3.1 試樣要求

試驗遵循中國水電行業(yè)規(guī)范《水電水利工程巖石試驗規(guī)程》（DL/T 5368-2007），本工程對試樣要求如下：

（1）不規(guī)則巖塊尺寸限定為(50±35)mm；

（2）兩加載點間距與加載處平均寬度之比宜為0.3～1.0；

（3）試樣分為天然含水狀態(tài)和飽和狀態(tài)兩種，其中飽和狀態(tài)將試樣在水中浸泡不低于48 h；

（4）每組試驗取不規(guī)則巖塊40 組以上，以確保有效試驗巖塊數(shù)量不低于20 塊。其中，全風(fēng)化巖塊由于浸水后極易軟化，僅考慮了天然含水狀態(tài)下的點荷載試驗強度。

3.2 試驗儀器要求

主要試驗儀器為數(shù)顯點荷載儀和游標(biāo)卡尺，主要參數(shù)如下：

（1）最大工作壓力60 MPa；

（2）最大壓力50 kN；

（3）活塞直徑35 mm，行程160 mm；

（4）活塞面積9.62 cm2；

（5）讀數(shù)精度0.01 kN；

（6）游標(biāo)卡尺量程200 mm，最小分度值0.02 mm。

3.3 試驗步驟

（1）選擇試件最小尺寸方向為加載方向。將試件放入球端圓錐之間，使上下錐端位于試件中心處并與試件緊密接觸。用游標(biāo)卡尺量測加載點間距及通過兩加載點最小截面的寬度或平均寬度。加載點距試件自由端的距離不應(yīng)小于加載點間距的0.5。

（2）穩(wěn)定地施加載荷，使試件在10 s～60 s 內(nèi)破壞，記錄破壞荷載。

（3）試驗結(jié)束后，描述試件的破壞形態(tài)，拍照留存記錄，選取破壞面貫穿整個試件并通過兩加載點為有效試驗。

3.4 試驗成果整理

（1）按照下列公式計算點荷載強度:

式中：Is為未經(jīng)修正的不規(guī)則巖塊點荷載強度，MPa；P 為破壞荷載，N；De為等價巖芯直徑，mm。

（2）根據(jù)試驗結(jié)果，繪制等價巖芯直徑De與破壞載荷P 的關(guān)系曲線，并在曲線上查找為2500 mm2時對應(yīng)的破壞荷載P 值（P50），按下式計算點荷載試驗強度指數(shù)（Is（50））:

（3）計算值取3 位有效數(shù)字。

（4）巖石單軸抗壓強度（UCS，單位為MPa）與點荷載試驗強度指數(shù)（Is（50），單位為MPa）按下式計算:

4 試驗成果分析

4.1 前期地勘弱風(fēng)化及微新巖石單軸抗壓強度

前期地勘共取樣完成有效巖石飽和單軸抗壓強度試驗89組，其中弱風(fēng)化巖石23 組，微新巖石66 組，英安巖與熔結(jié)凝灰?guī)r強度區(qū)別不大，總體上，弱風(fēng)化巖石飽和單軸抗壓強度為62.45 MPa～98.64 MPa，平均值為73.16 MPa；微新巖石飽和單軸抗壓強度為68.55 MPa～123.93 MPa，平均值為93.11 MPa。

4.2 巖石點荷載試驗強度值及似軟化系數(shù)

對847 組合計約20000 塊有效試驗巖塊的風(fēng)化程度分別按照全風(fēng)化、強風(fēng)化上帶、強風(fēng)化下帶、弱風(fēng)化上帶、弱風(fēng)化下帶及微風(fēng)化～新鮮進行了分類，并根據(jù)破壞截面的變色程度5%分位值進行詳細劃分，得到統(tǒng)計結(jié)果，見表1。

表1 不規(guī)則巖塊樣點荷載試驗成果統(tǒng)計

由表1 可知：

（1）不規(guī)則巖塊點荷載試驗成果與前期地勘單軸壓縮試驗成果一致，說明不規(guī)則巖塊點荷載試驗的成果是可靠的。

（2）巖塊單軸抗壓強度值與變色程度、風(fēng)化程度密切相關(guān)，巖塊破壞面變色越多，風(fēng)化越深，相應(yīng)的巖塊UCS 值越低，反之亦然。

（3）總體上看，堅硬的英安巖和熔結(jié)凝灰?guī)r全風(fēng)化巖塊已絕大部分成土，遇水極易軟化，已無法獲得飽和狀態(tài)下的UCS 值，天然含水狀態(tài)下UCS 值為0.62 MPa～8.17 MPa，總體判斷屬極軟巖；飽和強風(fēng)化上帶巖塊UCS 值一般為5 MPa～15 MPa，屬軟巖；飽和強風(fēng)化下帶巖塊UCS 值為10 MPa～30 MPa，絕大多數(shù)屬較軟巖；飽和弱風(fēng)化上帶巖塊UCS 值為52 MPa～77 MPa，總體上屬中硬巖頂部和硬巖下部；飽和弱風(fēng)化下帶巖塊和微新巖塊UCS 值普遍大于70 MPa，屬堅硬巖。

（4）在強風(fēng)化下帶底部和弱風(fēng)化上帶頂部之間，飽和巖塊UCS 值變化明顯，由30 MPa 左右迅速提升為50 MPa 以上，這對巖體力學(xué)強度提升貢獻明顯，具有重要工程意義。

（5）隨著風(fēng)化程度和變色程度的加深，巖塊“似軟化系數(shù)”減小，反之亦然，至弱風(fēng)化下帶巖塊和微新巖塊，“似軟化系數(shù)”已達到0.98 左右，且不隨著風(fēng)化程度和變色程度的減小而變化?？蓳?jù)此推斷，強風(fēng)化上帶巖體軟化系數(shù)最小，小于0.65；強風(fēng)化下帶巖體軟化系數(shù)小于0.75；弱風(fēng)化上帶巖體軟化系數(shù)小于0.90；弱風(fēng)化下帶和微新巖塊軟化系數(shù)小于0.98。

5 經(jīng)驗公式的建立

依據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，通過EXCEL 軟件處理擬合，分別得到強風(fēng)化巖塊、弱風(fēng)化～微新巖塊破壞斷口變色程度與飽和巖塊UCS 值的二次多項式關(guān)系式，其可靠度達到0.98 以上，見圖1 及圖2?？蓞⒖紤?yīng)用于老撾南部廣泛發(fā)育的同類地層巖塊UCS 值的估算，也可借鑒應(yīng)用于其它堅硬巖分布區(qū)域的巖塊UCS 值的估算。

圖1 強風(fēng)化巖塊變色程度與UCS 值關(guān)系經(jīng)驗公式

圖2 弱風(fēng)化～微新巖塊變色程度與UCS 值關(guān)系經(jīng)驗公式

6 結(jié)語

本文通過分析東薩宏水電站847 組壩基巖體不規(guī)則巖塊點荷載試驗成果和前期地勘巖芯樣單軸壓縮試驗成果，認為不規(guī)則巖塊點荷載試驗成果較為可靠，且?guī)r塊破壞斷面變色程度與UCS 值密切相關(guān)，并得出相應(yīng)經(jīng)驗公式。當(dāng)巖體破碎無法取得滿足單軸壓縮試驗的巖芯時，采用不規(guī)則巖塊點荷載試驗是可靠的，尤其對于強風(fēng)化地基巖體強度的估算，是一種較為重要的手段，且對普遍分布于老撾南部的同一類地層的其它工程地基巖塊UCS 取值具有重要參考意義，對同類工程堅硬巖地基則具有一定參考意義。