西南地區(qū)壩基深部玄武巖工程地質(zhì)特性研究

杜怡韓,聶德新,黃 博,張 墨

(1.安徽工程大學 建筑工程學院，安徽 蕪湖 241000；2.成都理工大學 環(huán)境與土木工程學院，四川 成都 610059)

在水利水電工程中，壩基巖體質(zhì)量評價是整個項目工程地質(zhì)評價中最為重要的一環(huán)，決定了建基面的選擇、施工設計方案、壩基整體穩(wěn)定性等關鍵問題。巖體評價指標主要為結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、結(jié)構(gòu)面間距、完整系數(shù)、強度參數(shù)等，理論上結(jié)構(gòu)面間距越小，聲波波速越低，巖體風化程度越高、結(jié)構(gòu)越破碎、巖體質(zhì)量越差。然而，由于勘察、施工條件的限制，壩基深部巖體的評價難度較大。作者近年來在西南玄武巖地區(qū)水電工程實踐當中發(fā)現(xiàn)，對于淺部強風化～弱上風化帶巖體，結(jié)構(gòu)面間距和完整系數(shù)兩種方法評價的巖體結(jié)構(gòu)基本對應，但對于深部玄武巖，雖然結(jié)構(gòu)面密度較大，其縱波波速值卻較高，兩個指標劃分的巖體結(jié)構(gòu)類型差異較大。因此，對于深部玄武巖簡單按照結(jié)構(gòu)面指標來評價巖體質(zhì)量是不合適的。已有較多研究表明，巖體透水率、縱波波速等指標能較好反映巖體工程特性，且與巖體力學參數(shù)有較好的相關性，其測試方法相對簡便，可用于深部巖體，借助透水率、縱波波速等指標評價深部玄武巖巖體是可行的。

針對西南地區(qū)深部玄武巖特性，提出“緊密鑲嵌結(jié)構(gòu)”玄武巖，以西南某水電站壩基玄武巖為例，通過鉆孔巖芯、透水率、縱波波速等指標劃分壩基巖體風化帶、卸荷帶、巖體結(jié)構(gòu)，利用波速與變形模量相關關系、呂榮值與變形模量相關關系、室內(nèi)MTS試驗，確定深部巖體力學參數(shù)，劃分巖體質(zhì)量等級，為深部玄武巖工程特性研究提供依據(jù)。

1 深部玄武巖工程地質(zhì)特性

我國西南地區(qū)地殼運動比較活躍，在內(nèi)外動力作用下，形成了復雜的地質(zhì)環(huán)境和巖(土)體結(jié)構(gòu)。玄武巖強度高，剛度大，巖石內(nèi)部儲存了較高的彈性應變構(gòu)造能，一旦受到強烈地質(zhì)構(gòu)造作用，將大量釋放其儲存的高能量，形成較多的結(jié)構(gòu)面。處于原位狀態(tài)的深部玄武巖，在未受擾動的前提下，其結(jié)構(gòu)面處于緊密貼合狀態(tài)，并不會降低縱波傳播速度和滲透性，在幾何表象上不完整，但在力學特性上表現(xiàn)出類似完整巖體的較高力學性質(zhì)，其工程特性評價應綜合考慮透水率、縱波波速、力學參數(shù)等指標。

1.1 深部玄武巖巖體結(jié)構(gòu)、巖體風化、卸荷劃分

在表部強～弱上風化段，巖體受到風化、卸荷的影響，結(jié)構(gòu)面進一步發(fā)育，巖體完整性降低，縱波波速較低；而在深部弱下～微風化段，巖體基本處于原位狀態(tài)，結(jié)構(gòu)面緊密貼合，力學特性類似于完整巖體。深部玄武巖在幾何表象上表現(xiàn)為鑲嵌結(jié)構(gòu)，而在力學性質(zhì)上表現(xiàn)為完整性較差～較完整巖體，結(jié)合我國西南玄武巖水利水電工程實踐經(jīng)驗，提出“緊密鑲嵌結(jié)構(gòu)”。巖體結(jié)構(gòu)、風化卸荷劃分主要參考指標不再局限于巖體幾何尺寸，而主要參考縱波速度、滲透系數(shù)、力學參數(shù)等指標。

在用定量指標劃分巖體風化帶時，從各個工程實際應用來看，根據(jù)波速比對巖體風化程度進行劃分，與現(xiàn)場實際情況較為吻合。在玄武巖中，構(gòu)造形成的層內(nèi)錯動帶、擠壓破碎帶在初始狀態(tài)下具有較高的波速，后期河谷切割暴露后，壓力解除、風化營力進入，碎裂巖體松弛，波速發(fā)生大幅降低，而臨近的完整巖石具有較好的整體性，縱波波速值較高，聲波孔測試結(jié)果會表現(xiàn)出較低波速與高波速交替的凹凸形狀。因此，在利用波速比劃分玄武巖風化帶時，需要對波速～孔深柱式圖凹凸變化規(guī)律進行分析，根據(jù)低波速——即凹槽出現(xiàn)的頻率及波速值劃分風化帶。

水平孔聲波以20 cm為間隔進行測試，對于玄武巖來說，若20 cm的測段內(nèi)分布有拉張的卸荷裂隙，則縱波波速值銳減，波速值一般在2 000 m/s以下，而卸荷帶內(nèi)的測段若無拉張裂隙分布，則獲得接近正常巖體的波速。因此依據(jù)測試結(jié)果繪制的波速-孔深柱式圖出現(xiàn)跳躍式的變化，波速很低的凹槽地段為測段內(nèi)出現(xiàn)卸荷拉張裂隙，可據(jù)此劃分水平方向的卸荷帶。

1.2 深部玄武巖力學參數(shù)

巖體是由完整巖塊和結(jié)構(gòu)面構(gòu)成，巖體的變形參數(shù)由巖塊變形參數(shù)和結(jié)構(gòu)面的變形參數(shù)共同決定，其大小與巖體結(jié)構(gòu)類型有關。巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育、延續(xù)性好、規(guī)模大、充填物性狀差，其變形模量較低，反之較高。在聲波測試技術中，巖塊和結(jié)構(gòu)面對聲波的傳播和吸收不同，在巖體結(jié)構(gòu)越差的地段，聲波波速越低，反之越高。較多的工程實踐也證實，聲波波速與變形模量具有較好的相關性?，F(xiàn)場變形試驗難以獲得深部巖體變形模量，利用波速與模量的關系可推導壩基深部巖體的變形模量。

溪洛渡水電站和金安橋水電站壩基巖體均為玄武巖，且已投產(chǎn)運營數(shù)年，其力學參數(shù)具有較高的可靠性。對這兩個水電站壩基巖體建基條件進行復核，并對壩基巖體變形模量與聲波波速之間關系進行研究，將兩個水電站變形試驗成果及對應聲波波速進行擬合，如圖1所示。結(jié)果表明，對于玄武巖來說，聲波波速與變形模量具有較好的相關關系，深部玄武巖變形模量可通過相關關系式由波速計算而得。

圖1 溪洛渡、金安橋水電站變形模量與聲波波速相關關系圖

呂榮值通過鉆孔壓水試驗獲取，以呂榮為單位表征試段巖體的透水率，以及流體通過巖體的難易程度，反映了巖體的滲透性與巖體裂隙發(fā)育程度緊密相關，巖體結(jié)構(gòu)越差，呂榮值越大，反之越小。而聲波速度的高低同樣可以表征巖體的緊密程度、風化程度以及巖體力學參數(shù)的高低，因此呂榮值與聲波波速、變形模量也應具有較好的相關性。此外，通過MTS伺服試驗儀可恢復小巖體在三向應力下的狀態(tài)，以獲取深部狀態(tài)下巖體的抗剪切強度。

綜上，可以對深部玄武巖進行聲波測試和滲透試驗，再利用波速、呂榮值與變形模量的相關關系，結(jié)合室內(nèi)試驗得出力學參數(shù)。

1.3 巖體質(zhì)量等級劃分

通常來說，巖體質(zhì)量劃分主要依據(jù)風化分帶、巖體結(jié)構(gòu)、力學參數(shù)等指標。倘若以風化程度作為建基巖體質(zhì)量劃分主要要求的話，則不同巖性巖體在同一風化帶所表現(xiàn)出來的性質(zhì)差異很大，如弱風化花崗巖變形模量可達到10～15 GPa，而黃河上第三系紅層的弱下風化巖體其變形模量僅為1～2 GPa；根據(jù)已建溪洛渡、金安橋、二灘水電站的工程經(jīng)驗，壩基巖體風化分帶劃分均參照國標，巖體結(jié)構(gòu)劃分上玄武巖與其他巖體存在差異，這是因為深部玄武巖雖然隱微裂隙發(fā)育，但由于自身剛度大，處于原位應力下的巖體結(jié)構(gòu)面鑲嵌緊密，仍然具有很高的力學特性；而與同等風化和同等巖級下的不同巖性巖體相比較，玄武巖的力學參數(shù)更高。因此，對于玄武巖的巖體質(zhì)量等級劃分，可不再拘泥于巖體幾何尺寸，而是更多地參考其原位狀態(tài)下力學參數(shù)、透水率等指標。

2 工程實例

2.1 工程概況

該水電站位于云南省鶴慶縣中江鄉(xiāng)，是金沙江中游河段8個梯級電站的第6級電站。壩體類型為混凝土重力壩，最大壩高119 m，水庫正常蓄水位1 298.0 m，總庫容5.44 億m，電站裝機容量1 800 MW。壩址區(qū)全景及工程地質(zhì)圖如圖2所示。壩址區(qū)金沙江總體流向自北向南。壩址區(qū)河谷寬闊，約700～800 m，左岸坡度20°～40°，局部存在陡崖，右岸地形平緩，坡度5°～20°，分布Ⅰ～Ⅳ級堆積階地。壩址區(qū)地層巖性為二疊系上統(tǒng)玄武巖(Pβ)，位于傾伏背斜的尾翼，上覆黑泥哨組(Ph)砂巖、泥質(zhì)砂巖。兩岸壩肩壩段部位巖體為Pβ，其余壩段巖體為Pβ，屬致密塊狀玄武巖，厚度大于800 m。

圖2 壩址區(qū)全貌及工程地質(zhì)剖面圖

2.2 壩基玄武巖巖體結(jié)構(gòu)特征

壩基巖體通常是根據(jù)裂隙發(fā)育程度及完整性系數(shù)來劃分，通過對所有平洞和露頭結(jié)構(gòu)面精測，獲得各個平洞不同區(qū)段的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面間距，同時，根據(jù)各平洞內(nèi)聲波測試結(jié)果計算出不同區(qū)段巖體完整性系數(shù)，并進行對比。以平硐PD12為例，僅在洞深10～20 m范圍，兩種指標評價的巖體結(jié)構(gòu)相同，均為碎裂結(jié)構(gòu)。在深部地段，按照巖體結(jié)構(gòu)面間距主要劃分為碎裂結(jié)構(gòu)和鑲嵌結(jié)構(gòu)，但聲波波速值增加較快，按照完整性系數(shù)劃分為次塊狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)，兩個指標劃分的巖體結(jié)構(gòu)類型差異較大。

鉆孔巖芯能很好地反映這個現(xiàn)象，鉆孔ZK80部分深度巖芯如圖3所示。圖3a巖芯深度范圍為25.90～35.10 m，巖芯完整程度較好，巖石質(zhì)量指標RQD為52.1%，該段測得縱波速度平均值為3 817 m/s；鉆孔深度52.95～63.45 m區(qū)段內(nèi)，巖芯RQD值降為32%，但原位聲波波速測試的縱波波速平均值為4 609 m/s，這表明深部巖芯結(jié)構(gòu)面密度高于完整的淺部巖體。由于鉆進取樣過程對巖體的擾動，取出后深部巖體結(jié)構(gòu)面進一步張開、破裂，RQD低于淺部巖體，但深部玄武巖在未受擾動情況下巖體保持原位狀態(tài)，巖體結(jié)構(gòu)面貼合緊密，具有良好的力學特性。因此，深部玄武巖的工程特性評價不應局限于巖體結(jié)構(gòu)面間距，而應該重點考慮其滲透性以及力學特性。

圖3 ZK80鉆孔中部分巖芯照片

2.3 壩基巖體結(jié)構(gòu)分類方案

由于結(jié)構(gòu)面間距與完整性系數(shù)評價的巖體結(jié)構(gòu)類型存在明顯差異，對于深部巖體，結(jié)構(gòu)面間距僅僅表現(xiàn)出巖石被結(jié)構(gòu)面切割后的尺寸大小，聲波波速和滲透系數(shù)則能更好地反映巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度及力學特性，對于評價真實的巖體工程特性更具有代表性。結(jié)合已有工程經(jīng)驗，壩址區(qū)巖體結(jié)構(gòu)分類方案主要參考指標為縱波速度、完整性系數(shù)和呂榮值，具體如表1所示。

表1 該水電站壩基巖體結(jié)構(gòu)分類方案

注：D為裂隙間距。

以平洞PD12為例，對于通過結(jié)構(gòu)面間距和巖體完整性系數(shù)劃分結(jié)果不相同的深部玄武巖，根據(jù)壩基巖體結(jié)構(gòu)分類方案，劃分結(jié)果如表2所示。

表2 PD12巖體結(jié)構(gòu)劃分表

2.4 巖體風化、卸荷劃分

鉆孔縱波波速在玄武巖層內(nèi)錯動帶處數(shù)值較低，正常巖體波速較高，在波速-孔深柱狀圖上表現(xiàn)為低、高波速的凹凸形狀，因此，結(jié)合聲波波速、現(xiàn)場勘察、國標劃分方案，修正完整性系數(shù)，確定風化分帶關鍵波速為3 800 m/s、4 200 m/s及5 000 m/s。根據(jù)聲波柱狀圖凹槽處聲波值大小及出現(xiàn)頻率劃分該壩址區(qū)巖體風化帶：凹槽波速為3 800 m/s，出現(xiàn)頻率較高，為弱上風化；凹槽波速為4 200 m/s，且相鄰高波速大于等于5 000 m/s區(qū)段，為弱下風化；凹槽對應的波速為5 000 m/s左右及稍高波速值，相鄰高波速大于等于5 500 m/s，為微新巖體。以PD16號平洞聲波波速比柱狀圖為例，如圖4所示。洞口6 m處存在一條較大的擠壓破碎帶，無法造孔，洞深8 m以后巖體聲波值較高，12 m以后波速比基本大于0.67，劃分為弱下風化巖體。22 m以后聲波波速值均達到5 000 m/s以上，為微新巖體。

依據(jù)測試結(jié)果繪制的波速-孔深柱式圖出現(xiàn)跳躍式的變化，波速很低的凹槽地段為測段內(nèi)出現(xiàn)卸荷拉張裂隙，據(jù)此劃分卸荷帶，仍然以PD16為例，22 m處出現(xiàn)凹槽，洞深8～22 m波速比相對較低，為卸荷帶；22 m以后波速比均大于0.8，為未卸荷。平硐PD16風化、卸荷帶劃分圖如圖4所示。

2.5 壩基深部玄武巖巖體參數(shù)

分別對兩岸壩高較低地段、河邊基巖露頭等淺部巖體開展變形試驗，獲得壩址區(qū)淺部巖體變形參數(shù)。以11壩段處變形試驗點BX11-1為例，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。應力-位移曲線如圖5所示。由圖5可知，第一級荷載卸載后殘余變形最大，荷載越大，卸荷后恢復的彈性變形量越大，變形模量隨著逐級循環(huán)壓力的增大而增大，表明巖體在應力作用下微裂隙逐漸閉合，巖體抗變形能力增強。這也進一步說明深部玄武巖在初始應力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)面閉合，強度更高。

圖4 平硐PD16風化、卸荷帶劃分圖

表3 變形測試點DT11應力-位移統(tǒng)計表

根據(jù)壩基巖體變形試驗成果及相應的聲波波速值，擬合聲波波速及變形模量的相關關系曲線如圖6所示，關系式如式(1)所示。

Ln

(E)=

0.890 1

*V

-1.577，

(1)

式中，

E

為變形模量(GPa

)

；

V

為聲波縱波速(km/s)?？梢钥闯觯暡úㄋ俸妥冃文Ａ肯嚓P系數(shù)大于0.9，具有較好的相關性。

圖5 變形測試點DT11應力-位移曲線圖6 壩址變形模量與縱波波速相關曲線

通過對壩區(qū)鉆孔中呂容值與聲波波速值進行統(tǒng)計，對大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分區(qū)，得到各個區(qū)段內(nèi)呂容值與波速平均值，對兩者進行相關關系分析，擬合曲線如圖7所示，相關關系如式(2)所示。

V

=

0.638Ln

(q)

+4.922 5，

(2)

在建立了波速與變形模量、呂榮值與波速相關關系后，以波速作為中間變量，建立呂榮值與變形模量相關關系如式(3)所示。

Ln

(E)=

0.568Ln

(q)

+2.805，

(3)

本項目中開展原位滲透試驗的區(qū)域，根據(jù)巖體呂榮值計算獲得深部玄武巖變形參數(shù)。由于現(xiàn)場不便于開展深部玄武巖原位直剪試驗，利用MTS試驗(見圖8)研究巖體在三軸應力狀態(tài)下強度特性。以鉆孔ZK75中44.71～44.89 m試樣為例，該巖樣不同圍壓下軸向應力與位移量的關系曲線如圖9所示。試驗數(shù)據(jù)如表4所示。根據(jù)

σ

與

σ

計算抗剪強度參數(shù)。

圖7 鉆孔呂容值與聲波波速相關關系曲線及關系式 圖8 MTS伺服控制剛性試驗機

表4 鉆孔ZK75深度44.71～44.89 m試樣軸向應力和側(cè)向應力

通過計算，試樣粘聚力為32.1 MPa，摩擦系數(shù)為2.47。由于尺寸效應影響，試驗值較高，因此，將同一風化帶各個試件試驗數(shù)據(jù)匯總，以弱下風化帶為例，如圖10所示。按照下包絡線軸壓與圍壓關系，并根據(jù)工程經(jīng)驗，乘以修正系數(shù)0.8，給定巖體抗剪斷強度：粘聚力14.2 MPa，摩擦系數(shù)1.17。

圖9 鉆孔ZK75深度44.71～44.89 m試樣壓力-位移曲線 圖10 剪切試驗σ1～σ3結(jié)果匯總圖

根據(jù)上述對各個定量指標的選取，確定該水電站壩基深部緊密鑲嵌玄武巖巖體質(zhì)量分級如表5所示。

表5 該水電站壩基玄武巖巖體質(zhì)量分級表

根據(jù)該標準，通過鉆孔、平硐對壩基巖體質(zhì)量進行劃分，獲得各級巖體界限點，將同級界限點連接成界面如圖11所示。由圖11可知，深部玄武巖巖體質(zhì)量較好，右岸由于埋藏河谷的存在，同高程巖體質(zhì)量級別相對左岸較低，現(xiàn)代河床及埋藏河谷選擇Ⅱ～Ⅲ級巖體為建基面，兩岸壩高較低地段選擇Ⅲ級巖體為建基面。該水電站2012年底開始蓄水，2014年初全部機組投產(chǎn)發(fā)電，已正常運行7年，壩體變形、沉降均在安全范圍內(nèi)，表明對于壩基玄武巖的工程特性評價具有較高的可靠性。

圖11 壩軸線巖體質(zhì)量分級圖

3 結(jié)論

西南地區(qū)玄武巖深部巖體在高地應力作用下形成較多的結(jié)構(gòu)面，未受擾動時巖體依然具有高的力學性能，存在幾何指標和力學指標的不匹配問題，原位測試也因作業(yè)條件的限制難于展開，給其工程地質(zhì)特性評價帶來困難。這是大型工程尤其是水利水電工程亟需解決的關鍵問題之一。以西南某水電站為工程背景，結(jié)合深部玄武巖聲波測試、呂榮值、波速與變形參數(shù)相關關系、室內(nèi)力學試驗，得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)深部弱下風化至微新玄武巖體，在尺寸效應上為鑲嵌結(jié)構(gòu)，而力學性質(zhì)上達到完整性差～較完整標準的特點，結(jié)合西南玄武巖地區(qū)水利水電工程實踐經(jīng)驗，提出“緊密鑲嵌結(jié)構(gòu)”。

(2)具有初始密度的層內(nèi)破碎帶將有較高的波速，河谷切割暴露后巖體松弛，波速降低，而臨近完整巖石依然具有高的波速，聲波柱式圖表現(xiàn)為低高波速的凹凸形狀，根據(jù)波速凹槽出現(xiàn)的頻率及數(shù)值判斷風化帶。測段內(nèi)分布有拉張的卸荷裂隙，縱波波速值銳減，無拉張裂隙，波速值接近正常巖體，因此波速柱式圖很低的凹槽地段為卸荷拉張裂隙，據(jù)此劃分卸荷帶。

(3)根據(jù)已有工程經(jīng)驗，玄武巖變形模量與聲波波速有較好的相關性。利用深部巖體聲波波速，借助波速與模量的擬合關系式、波速與呂榮值關系式，獲得呂榮值與變形模量相關關系，推算深部巖體的變形模量。

(4)以西南某水電站壩基巖體縱波波速、呂榮值等指標，獲得壩基巖體結(jié)構(gòu)、風化、卸荷分帶，結(jié)合原位試驗、室內(nèi)試驗，借助波速滲透系數(shù)與變形模量相關關系式得到深部巖體力學參數(shù)，得到壩基巖體質(zhì)量等級劃分標準，并完成壩基巖體質(zhì)量等級劃分，為建基面的選擇提供依據(jù)。