高地應(yīng)力下水電站巖體原位變形和強(qiáng)度試驗(yàn)研究

夏廣新，劉忠富，譚 春，許德鑫

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司托巴水電工程建設(shè)管理局，云南維西674600；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130061）

0 引言

巖體變形和強(qiáng)度參數(shù)是抽水蓄能電站整體工程設(shè)計(jì)中必不可少的設(shè)計(jì)參數(shù)，其數(shù)值大小對(duì)工程布置和結(jié)構(gòu)參數(shù)影響較大，直接涉及到工程造價(jià)和工期，因此，如何科學(xué)合理地開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)巖體原位試驗(yàn)至關(guān)重要。在水利工程建設(shè)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)參數(shù)測(cè)試，一般根據(jù)DL/T 5368-2007《水電水利工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》，試驗(yàn)壓力為工程設(shè)計(jì)壓力的1.2 倍，但是對(duì)于高地應(yīng)力區(qū)，試驗(yàn)壓力如何選擇至關(guān)重要，通過(guò)在吉林蛟河抽水蓄能電站現(xiàn)場(chǎng)巖體變形和強(qiáng)度試驗(yàn)，初步探討巖體試驗(yàn)壓力的選擇方法，為有關(guān)工程設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供參考。

1 工程概況

吉林蛟河抽水蓄能電站裝機(jī)容量為1 200 MW，根據(jù)GB 50201-2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》和DL 5180-2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大（1）型。主要建筑物：上水庫(kù)擋水建筑物、輸水建筑物、地下廠房、主變洞、母線(xiàn)洞、通風(fēng)兼出線(xiàn)洞、地面開(kāi)關(guān)站、下水庫(kù)擋水及泄水建筑物等。

工程地質(zhì)條件為花崗閃長(zhǎng)巖，呈麻灰白色，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物分為長(zhǎng)石、石英、黑云母及角閃石，巖質(zhì)堅(jiān)硬。頂拱零星分布的緩傾角節(jié)理與陡傾角結(jié)構(gòu)面相互切割，局部可能構(gòu)成不穩(wěn)定的楔形體。上覆巖體厚278.6～340.0 m，發(fā)育有6 條，走向以N30°～5°OE 居多，傾向SE，以陡傾角為主。斷層一般由碎裂巖、碎塊巖、斷層泥等組成。斷層面多干燥，少量潮濕、有滴水。該段共發(fā)育有節(jié)理392 條，主要為陡傾角節(jié)理，產(chǎn)狀為：①N50°～80°E，SE/NW∠75°～85°；②N5°～10°E，SE/NW ∠60°～85°；③N30°～60°W，SW ∠65°～85°，節(jié)理多微張，充填泥質(zhì)、巖屑，性狀較差。巖體以塊狀結(jié)構(gòu)和次塊狀結(jié)構(gòu)為主，圍巖以Ⅱ類(lèi)為主，約占92.6%，Ⅲ類(lèi)約占7.4%。巖體縱波速為4.02～5.19 km/s。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)壓力的確定

2.1 有關(guān)資料的收集

蛟河電站上庫(kù)最高和岔管段水位差500.0 m，考慮水錘壓力為1.2 MPa，試驗(yàn)壓力為6.2 MPa，考慮1.2 倍試驗(yàn)壓力，計(jì)算試驗(yàn)壓力為7.4 MPa。

國(guó)內(nèi)有關(guān)抽水蓄能電站試驗(yàn)資料：桓仁抽水蓄能電站工程現(xiàn)場(chǎng)巖體變形試驗(yàn)壓力為3.2 MPa，蒲石河抽水蓄能電站工程巖體變形試驗(yàn)壓力為6.3 MPa；廣州抽水蓄能試驗(yàn)巖體抗剪試驗(yàn)法向壓力為3.6 MPa。

一般工程試驗(yàn)壓力為3.2~6.3 MPa，由于該工程地應(yīng)力數(shù)值為17 MPa，屬于高地應(yīng)力區(qū)，試驗(yàn)壓力需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巖體變形試驗(yàn)，初步選擇最高壓力為16.0 MPa，分級(jí)差進(jìn)行逐級(jí)一次循環(huán)法試驗(yàn)，在試驗(yàn)壓力10.0 MPa 以?xún)?nèi)，各級(jí)壓力下巖體變形基本屬于彈性階段，在壓力10.0 MPa 以后，巖體變形出現(xiàn)較大的上下波動(dòng)，分析在10.0 MPa 以后巖體塑性變形較大，造成巖體破壞變形，見(jiàn)圖1 所示。

2.2 試驗(yàn)壓力的選擇

測(cè)試采用的最大壓力確定原則：

1）考慮實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)值大小的影響，巖體變形試驗(yàn)壓力可以接近地應(yīng)力最大值；

2）根據(jù)巖體壓力與變形關(guān)系曲線(xiàn)，在彈性變形階段的最大試驗(yàn)壓力作為巖體抗剪強(qiáng)度的法向試驗(yàn)壓力；

3）需要與設(shè)計(jì)、地質(zhì)人員溝通協(xié)商后，借鑒國(guó)內(nèi)其他工程經(jīng)驗(yàn)，確定工程實(shí)際的試驗(yàn)壓力。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定此次巖體變形試驗(yàn)最大壓力為15.0 MPa，巖體強(qiáng)度試驗(yàn)壓力為8.0 MPa。見(jiàn)圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)巖體壓力~變形關(guān)系曲線(xiàn)

3 試驗(yàn)原理和方法

3.1 變形試驗(yàn)原理

巖體變形試驗(yàn)原理為彈性理論方法，認(rèn)為巖體是理想均勻各向同性的彈性體，按照彈性理論半空間無(wú)限體的布西涅斯克公式計(jì)算巖體的彈性模量和變形模量。剛性承壓板法試驗(yàn)變形參數(shù)按下式計(jì)算：

式中：E——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)則為彈性模量Ee；μ——巖體泊松比；p——按承壓面單位面積計(jì)算的壓力，MPa；D——承壓板直徑，cm；W——巖體表面變形，cm。

3.2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)原理

巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)分為混凝土抗剪和巖體抗剪，兩種試驗(yàn)原理相同，在抗剪試驗(yàn)中，剪切破壞遵循庫(kù)侖準(zhǔn)則，其表達(dá)式：

式中：τ，σ——施加在剪切面上的剪應(yīng)力、法向應(yīng)力，MPa；φ——材料的內(nèi)摩擦角；C——材料的粘聚力，MPa。

3.3 變形試驗(yàn)方法

巖體變形試驗(yàn)采用剛性承壓板法、巖體變形試驗(yàn)加載方向?yàn)樗椒较蚝痛怪狈较?，試?yàn)狀態(tài)為人工泡水飽和狀態(tài)，加載方式采用逐級(jí)一次循環(huán)法，試驗(yàn)壓力荷載分5 級(jí)進(jìn)行，各級(jí)應(yīng)力分別為3.0 ，6.0 ，9.0 ，12.0 ，15.0 MPa。

3.4 抗剪試驗(yàn)方法

混凝土抗剪試驗(yàn)采用平推法，試驗(yàn)狀態(tài)為人工泡水飽和狀態(tài)，法向應(yīng)力由設(shè)計(jì)、地質(zhì)確定，試驗(yàn)壓力為8.0 MPa，等分6 級(jí)，各級(jí)應(yīng)力分別為1.4，2.8，4.2，5.6，7.0，8.0 MPa。

4 試驗(yàn)成果分析

4.1 巖體變形試驗(yàn)結(jié)果

總體上看，各測(cè)段和測(cè)點(diǎn)的變形規(guī)律較好，與被測(cè)巖體的實(shí)際情況基本吻合，其變形特性指標(biāo)在總體量級(jí)上是合理的。考慮試驗(yàn)點(diǎn)地質(zhì)條件和試驗(yàn)條件，從圍巖類(lèi)別和方向進(jìn)行分析，具體試驗(yàn)成果見(jiàn)表1 和圖2。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)某點(diǎn)巖體壓力~變形關(guān)系曲線(xiàn)

表1 巖體變形試驗(yàn)成果表

經(jīng)分析得出：

1）Ⅱ類(lèi)圍巖水平方向變形模量為36.03~45.27 GPa，平均值為42.14 GPa，彈性模量為55.35~63.79 GPa，平均值為59.92 GPa。

2）Ⅱ類(lèi)圍巖垂直方向變形模量為26.25~33.89 GPa，平均值為30.89 GPa，彈性模量為41.54 ~50.63 GPa，平均值為46.64 GPa。

3）Ⅲ類(lèi)圍巖水平方向變形模量為24.63~28.48 GPa，平均值為26.57 GPa，彈性模量為43.32~48.28 GPa，平均值為45.79 GPa。

4）Ⅲ類(lèi)圍巖垂直方向變形模量為11.68~16.82 GPa，平均值為14.40 GPa，彈性模量為22.04~27.25 GPa，平均值為24.22 GPa。

4.2 巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)各自表達(dá)式的曲線(xiàn)擬合后，巖體抗剪試驗(yàn)相關(guān)系數(shù)在0.98以上，巖體與混凝土接觸面的抗剪試驗(yàn)相關(guān)系數(shù)在0.97以上，相關(guān)關(guān)系均比較顯著。試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性小，同一區(qū)巖體性質(zhì)均一，曲線(xiàn)擬合精度較好，給出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表達(dá)式能夠代表實(shí)際巖體結(jié)構(gòu)面破壞時(shí)的摩爾-庫(kù)侖表達(dá)式，試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，具體結(jié)果見(jiàn)表2和圖3。

圖3 某點(diǎn)巖體~混凝土抗剪應(yīng)力曲線(xiàn)

表2 巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果表

4.3 巖體-混凝土接觸面試驗(yàn)成果

1）混凝土與巖體接觸面抗剪斷試驗(yàn)具體結(jié)果：抗剪斷試驗(yàn)結(jié)果tgφ′為1.158~1.287，平均值為1.222，C′為 1.444~1.543，平均值為 1.504；抗剪試驗(yàn)結(jié)果 tgφ為 0.848~0.886，平均值為 0.863，C為0.666~0.779，平均值為0.736。

2）巖體抗剪試驗(yàn)具體結(jié)果：抗剪斷試驗(yàn)結(jié)果tgφ′為 1.571~1.912，平均值為 1.740，C′為 2.029~2.701，平均值為2.353；抗剪試驗(yàn)結(jié)果 tgφ為0.910~1.124，平均值為1.023，C為1.269~1.492，平均值為1.398。

5 結(jié)語(yǔ)

此次試驗(yàn)是國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站首次采用高壓力下進(jìn)行的試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果經(jīng)正態(tài)統(tǒng)計(jì)分析，誤差較小，其試驗(yàn)成果是準(zhǔn)確可靠的。試驗(yàn)成果表明，高壓力下巖體變形規(guī)律比較好，對(duì)實(shí)測(cè)成果進(jìn)行正態(tài)統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)分析巖體的變形模量與實(shí)測(cè)值相差0.57~1.21 GPa，統(tǒng)計(jì)分析巖體的彈性模量與實(shí)測(cè)值相差0.71~1.21 GPa，總體來(lái)看相差較小，進(jìn)一步說(shuō)明高壓力下實(shí)測(cè)成果是準(zhǔn)確可靠的。對(duì)于高地應(yīng)力抽水蓄能電站現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)試驗(yàn)，巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)在彈性變形范圍內(nèi)最大壓力下進(jìn)行，巖體變形試驗(yàn)在地應(yīng)力最大值范圍內(nèi)進(jìn)行，技術(shù)上可行的，可以充分了解現(xiàn)場(chǎng)巖體變形和強(qiáng)度參數(shù)，為設(shè)計(jì)提供更多、更可靠的試驗(yàn)成果。