祁海燕，蔡云波，劉忠富，何國(guó)偉

（1.遼寧宏禹水利工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，遼寧 沈陽110006；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）

巖體變形模量和彈性模量是巖體的基本力學(xué)參數(shù)。目前現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方法有3種：平板千斤頂法、柔性和剛性承壓板[1～4]；試洞法：水壓加載或壓力枕加載；鉆孔法：鉆孔膨脹計(jì)（全斷面柔性加壓）和鉆孔彈模計(jì)（剛性或柔性加壓）。試洞法加壓區(qū)大，代表性較好，但費(fèi)用特高；平板法費(fèi)用較高，測(cè)點(diǎn)很少，且受表面松動(dòng)影響，測(cè)值偏低；鉆孔法較靈活，費(fèi)用最低，可利用地質(zhì)勘探孔進(jìn)行測(cè)試，覆蓋面較大，測(cè)試深度較深，數(shù)據(jù)較多，通過統(tǒng)計(jì)分析可以獲得最接近現(xiàn)場(chǎng)特性的數(shù)據(jù)。

鉆孔法[5～8]分鉆孔膨脹計(jì)和鉆孔彈模計(jì)2種，前者用橡膠囊加壓，壓力較低,最高20 MPa，適用于軟巖；后者用活塞對(duì)部份孔壁加壓，壓力較高，可達(dá)70 MPa，既適用于硬巖也適用于軟巖，一種規(guī)格的彈?？蛇m用于二種孔徑的鉆孔、還可測(cè)定巖體的各向異性。 鉆孔彈模計(jì)法是檢測(cè)巖體質(zhì)量的一種較好的方法[9～12]，可以在深部巖體或鉆孔有水的情況下進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)段巖體基本上不產(chǎn)生擾動(dòng)，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、拆裝方便、可重復(fù)多次使用等優(yōu)點(diǎn)。

1 工程概況

豐滿大壩全面治理工程（重建方案）水庫(kù)總庫(kù)容114.46×108m3，重建工程裝機(jī)容量720 MW，利用原豐滿三期擴(kuò)機(jī)2臺(tái)單機(jī)容量140 MW的機(jī)組，總裝機(jī)容量1 000 MW。

根據(jù)DL5180-2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》及GB50201-94《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，該工程為一等工程，工程規(guī)模為大（1）型。主要建筑物大壩、泄洪洞、壩后式廠房和開關(guān)站為1級(jí)建筑物，廠房尾水渠擋墻等次要建筑物為3級(jí)。

基巖為變質(zhì)礫巖，巖性均一，巖質(zhì)堅(jiān)硬。強(qiáng)風(fēng)化帶厚度不大，弱風(fēng)化帶多屬較完整-完整巖體。巖體多為Ⅲ-Ⅱ類，斷層部位為Ⅳ類（局部為Ⅴ類）。

具體地質(zhì)概況如下：

1）F67斷層破碎帶

測(cè)試段巖性為變質(zhì)礫巖，灰色～灰黑色，変余礫狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯均較破碎。礫石粒徑一般為3～5 cm，磨圓中等，分選性差，成分主要為中、基性火成巖，呈硅質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)良好。巖體完整性差～破碎。風(fēng)化程度一般為中等風(fēng)化，個(gè)別測(cè)試段呈微風(fēng)化狀態(tài)，全孔平均巖芯采取率60%～85%。其中，在FZK120鉆孔中，f1斷層部位處于17.10～22.00 m，主要由碎裂巖、碎塊巖組成，傾角75°～85°。

2）壩基巖體

FZK114孔測(cè)試部位為24.8～27.0 m。變質(zhì)礫巖，灰-灰黑色，變余礫狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造,礫石粒徑一般為3～4 cm，成分主要為中、基性火成巖，呈硅質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)良好。巖體節(jié)理較發(fā)育，巖芯對(duì)磨較嚴(yán)重，中等風(fēng)化，全孔平均巖芯采取率77%，全孔平均巖芯獲得率28%，全孔平均RQD值18%。

FZK105，F(xiàn)ZK103孔測(cè)試部位為巖性為變質(zhì)礫巖，灰色，變余礫狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造,巖質(zhì)較堅(jiān)硬，礫的粒徑一般為2～6 cm大者可達(dá)10～13 cm，中等磨圓，良好的硅質(zhì)膠結(jié)。本孔全孔呈完整～較完整狀態(tài)，巖芯多呈25～40 cm的柱狀，巖體節(jié)理較發(fā)育，多以傾角65°～85°陡傾角節(jié)理為主，節(jié)理面平直粗糙，具有鐵銹和鈣膜，張開寬度大于1 mm。微風(fēng)化，平均巖芯采取率90%以上，平均巖芯獲得率70%以上，全孔平均RQD值61%～79%。

為了查明壩基巖體的變形模量和彈性模量，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)巖體鉆孔變形試驗(yàn)。試驗(yàn)共布置6個(gè)鉆孔，每孔5個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中F67斷層破碎帶部位布置3個(gè)孔，編號(hào)為FZK109，F(xiàn)ZK120，F(xiàn)ZK121；壩基巖體布置3個(gè)鉆孔，編號(hào)為FZK114，F(xiàn)ZK103，F(xiàn)ZK105，其中有兩孔為水上鉆孔。

2 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔變形模量試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)原理

本次試驗(yàn)采用中科院武漢巖土所研制的GY-90鉆孔彈模計(jì)（屬于鉆孔千斤頂法），它主要由二路加壓系統(tǒng)、位移量測(cè)系統(tǒng)及壓力測(cè)量系統(tǒng)組成。GY型孔內(nèi)彈模測(cè)定器是在美國(guó)古德曼千斤頂（Goodman Jack）的基礎(chǔ)上研制開發(fā)的。Goodman Jack是國(guó)際上具有代表性的鉆孔彈模計(jì)，已作為國(guó)際巖石力學(xué)委員會(huì)（ISRM）的建議方法，用于鉆孔中測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)巖體變形模量。利用鉆孔彈模儀內(nèi)部的4個(gè)活塞推動(dòng)兩塊剛性承壓板對(duì)鉆孔壁巖體施加一對(duì)稱的條帶載荷，通過分析鉆孔巖體在荷載作用下的變形確定其彈性模量值。實(shí)際測(cè)試過程中，通過在承壓板上安裝的LVDT線性差動(dòng)變壓器式位移傳感器測(cè)量鉆孔孔壁巖體在加載時(shí)的徑向變形，用壓力表及安裝在活塞上的測(cè)力計(jì)直接測(cè)定出力。通過測(cè)試不同壓力下的變形，根據(jù)式(1)計(jì)算出測(cè)試部位巖體的變形模量或彈性模量E(GPa)∶

式中：A——三維問題的影響系數(shù)，取A=0.915；H——壓力修正系數(shù)；取H=0.9；D——鉆孔直徑，mm，測(cè)試鉆孔的實(shí)際直徑為90 mm；ΔQ——壓力增量，MP；ΔD——變形增量，mm；T(V,β)——與承壓板寬度(接觸孔壁時(shí)圓周角大小)和巖體泊松比有關(guān)的系數(shù)，當(dāng) γ=0.25，2β=45°時(shí)，T(0.25，22.5°)=2.141；當(dāng) γ=0.30～0.35，2β=45°時(shí)，T(0.30，22.5°)=2.077。

本次鉆孔斷層破碎帶部位泊松比γ計(jì)算取0.32，其它部位取0.25。

2.2 試驗(yàn)壓力的選擇

測(cè)試采用的最大壓力按以下原則確定：

1）巖體設(shè)計(jì)承載力的1.2～1.5倍。

2）對(duì)于較堅(jiān)硬的完整巖體適當(dāng)提高試驗(yàn)壓力，以擴(kuò)大壓力在巖體中的影響范圍。

3）為消除孔徑效應(yīng)引起的誤差，適當(dāng)提高試驗(yàn)壓力。

4）儀器設(shè)計(jì)工作壓力的要求。

根據(jù)以上原則，并與設(shè)計(jì)、地質(zhì)溝通協(xié)商后，借鑒國(guó)內(nèi)其它工程經(jīng)驗(yàn)。確定本次試驗(yàn)斷層部位試驗(yàn)最大壓力為13.0 MPa左右；較堅(jiān)硬完整類巖體試驗(yàn)壓力為30.0 MPa左右。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容和方法

這次試驗(yàn)F67斷層破碎帶3個(gè)孔加載方式采用逐級(jí)一次循環(huán)法，其它部位加載方式采用大循環(huán)法。具體試驗(yàn)步驟如下：

1）試驗(yàn)前對(duì)鉆孔彈模計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，放入儀器前采用與儀器直徑相當(dāng)?shù)囊欢武摴芊湃肟變?nèi)，保證孔內(nèi)無巖石碎塊后，鉆孔暢通無阻時(shí)，開始試驗(yàn)設(shè)備安裝。

2）連接一定長(zhǎng)度的鉆桿，每隔1 m用白布帶將油管、電纜捆緊到鉆桿上。

3）將鉆孔彈模計(jì)放入孔內(nèi)測(cè)試部位，定向后加壓至2 MPa，使承壓塊和孔壁接觸，然后卸壓至1.0 MPa初始?jí)毫?，讀取初始讀數(shù)。

4）試驗(yàn)時(shí)每級(jí)壓力加壓或退壓后立即讀數(shù)，以后每隔3～5 min讀數(shù)一次，當(dāng)相鄰兩次讀數(shù)差與同級(jí)壓力下第一次讀數(shù)和前一級(jí)壓力下最后一次讀數(shù)差之比小于5%，施加或退至下一級(jí)壓力。

5）每一循環(huán)退壓時(shí)，最低壓力退至1.0 MPa。

6）試驗(yàn)結(jié)束后，壓力退至零并保持一段時(shí)間，取出鉆孔彈模儀。

2.4 資料整理原則

對(duì)試驗(yàn)的壓力-變形曲線進(jìn)行分析，根據(jù)曲線類型和加壓方式，借鑒國(guó)內(nèi)其它工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算變形（或彈性）模量，比如拉西瓦電站、廣東嶺澳核電站二期工程、三峽電站、紫坪鋪水庫(kù)、小灣水電站等工程，計(jì)算初始?jí)毫?～10 MPa。

資料整理方法如下：

1）對(duì)直線型曲線，變形參數(shù)為常數(shù)，按最高一級(jí)的壓力和相應(yīng)的變形取值，計(jì)算變形（或彈性）模量。

2）對(duì)向上凹型曲線，隨壓力增加，變形參數(shù)值增大，按不同壓力段計(jì)算，見圖1。這次斷層破碎帶部位分為 2.7～6.3 MPa和 2.7～13.5（21.6）MPa兩個(gè)壓力段進(jìn)行計(jì)算變形模量及彈性模量。

3）對(duì)初期壓力有明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)的長(zhǎng)尾型曲線，第一段線段坡度較緩，為人為擾動(dòng)巖體以及儀器承壓板與巖體接觸耦所致，按折點(diǎn)后直線段計(jì)算變形參數(shù)。

圖1 巖體壓力變形關(guān)系曲線圖

4）對(duì)于壩基部位堅(jiān)硬巖體采用大循環(huán)試驗(yàn)曲線，考慮儀器承壓板與巖體接觸耦合情況，以及巖體變形特點(diǎn)，以5～20 MPa加壓段曲線計(jì)算巖體變形模量，其中5 MPa為第一循環(huán)加壓數(shù)值，20 MPa為第三循環(huán)加壓數(shù)值，以最后一循環(huán)卸壓曲線計(jì)算彈性模量。見圖2。

圖2 巖體壓力變形關(guān)系曲線圖

2.5 試驗(yàn)成果分析

2.5.1 F67斷層破碎帶

該部位共3個(gè)鉆孔，除FZK120鉆孔變形模量受一組與試驗(yàn)方向交角較小的軟弱結(jié)構(gòu)面影響相對(duì)略低外，其它FZK121，F(xiàn)ZK109兩鉆孔的變形模量總體相當(dāng)。低壓力段（2.7～6.3 MPa）變形模量為3.40～4.57 GPa，平均值為4.03 GPa；高壓力段（2.7～13.5 MPa）變形模量 4.28～8.04 GPa，平均值為 5.87 GPa。

根據(jù)壓力～變形關(guān)系曲線（典型曲線見圖1）可以看出，對(duì)于該部位的巖體，在2.7 MPa的低壓力下孔壁巖體與鉆孔千斤頂間密切耦合過程已基本完成，低壓力段（2.7～6.3 MPa）內(nèi)的變形指標(biāo)能夠反映出該類巖體的變形特性。因此，對(duì)于該類軟弱巖體，以低壓力段的變形指標(biāo)作為試驗(yàn)值。試驗(yàn)成果見表1。

2.5.2 壩基巖體

根據(jù)壓力～變形曲線（典型曲線見圖2）變化規(guī)律分析得出，堅(jiān)硬完整巖體的變形特點(diǎn)：在0～5 MPa壓力段的變形主要由承壓塊與孔壁的間隙閉合引起，此段在壓力曲線上表現(xiàn)為隨著壓力的增大，變形較大，曲線斜率較小；當(dāng)壓力達(dá)到5 MPa以后，承壓塊曲面與孔壁才基本貼緊，實(shí)測(cè)曲線反映巖體的彈塑性變形特點(diǎn)，當(dāng)壓力增加到20 MPa以后，裂隙閉合，曲線表現(xiàn)為巖體的彈性變形。因此在計(jì)算巖體的參數(shù)時(shí)，取5～20 MPa壓力段曲線計(jì)算巖體變形模量是合理的。試驗(yàn)成果如表2。

表1 F67斷層破碎帶試驗(yàn)成果表

表2 壩基巖體試驗(yàn)成果表

壩基部位巖體共進(jìn)行3個(gè)鉆孔的變形模量試驗(yàn)，根據(jù)鉆孔柱狀圖可以看出，F(xiàn)ZK114孔與其它兩鉆孔相比，地質(zhì)條件明顯較差，因此，該鉆孔與其它兩鉆孔相比，變形模量總體量值較低，僅在1.0～2.0 GPa范圍，其它兩鉆孔的變形模量總體上相當(dāng)，變形模量 12.46～17.72 GPa，平均值為 15.50 GPa；彈性模量 16.07～28.81 GPa，平均值為 21.57 GPa。

3 結(jié)語

綜合利用地質(zhì)鉆孔，在一個(gè)孔中做多種測(cè)量，包括鉆孔彈模、圍巖變形、孔內(nèi)波速等，是一種簡(jiǎn)單、迅速、節(jié)省的試驗(yàn)方法。在一個(gè)鉆孔中，能得到不同孔深處和不同方向上的彈模，其代表性明確，工程上易于分析、應(yīng)用。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與地質(zhì)資料一致，鉆孔柱狀圖中表明的斷層和節(jié)理裂隙發(fā)育部位所測(cè)數(shù)值很小，變形模量為3.40～4.57 GPa，平均值為4.03 GPa。總體來說變質(zhì)礫巖變形模量12.46～17.72 GPa，平均值為15.50 GPa，彈性模量16.07～28.81 GPa，平均值為21.57 GPa。

該次試驗(yàn)是在豐滿水電站正常運(yùn)行的條件進(jìn)行的，在試驗(yàn)場(chǎng)地限制的情況下，在鉆孔中進(jìn)行巖體變形模量試驗(yàn)，無疑是最佳選擇。試驗(yàn)成果表明，各測(cè)點(diǎn)的變形規(guī)律比較好，較真實(shí)地反映巖體的變形特性，為工程設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。

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