周洪福，王春山，聶德新

1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 6100812.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059

斷層帶巖體變形模量對(duì)壩基穩(wěn)定性影響

周洪福1，王春山1，聶德新2

1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610081
2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059

變形模量是表征斷層帶巖體力學(xué)性能的一個(gè)重要參數(shù)，而斷層帶巖體變形模量與其所處的環(huán)境有密切關(guān)系。以理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，以三維數(shù)值分析技術(shù)為主要研究手段，結(jié)合大型水電工程實(shí)例，對(duì)斷層帶巖體變形模量對(duì)壩基整體穩(wěn)定性影響進(jìn)行了分析研究。研究結(jié)果表明：大壩建成水庫(kù)蓄水以后，在未受到庫(kù)水滲透影響的前提條件下，位于壩基部位的斷層帶巖體變形模量會(huì)有一定程度的增大。斷層帶變形模量從0.6GPa一直增加到4.0GPa，使得斷層帶巖體所在壩段關(guān)鍵點(diǎn)水平位移降低0.544～0.846mm、垂直位移降低1.190～2.232mm、最大拉應(yīng)力降低0.06MPa，有利于提高大壩的整體穩(wěn)定性。

工程地質(zhì)；斷層帶巖體；變形模量；壩基穩(wěn)定性；三維有限元方法

0 前言

工程巖體是一種復(fù)雜的力學(xué)介質(zhì)，除巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等內(nèi)在因素外，其力學(xué)性質(zhì)還與其賦存環(huán)境密切相關(guān)。大量研究表明：處于在常溫、常壓條件下的地殼淺表部巖體，其力學(xué)參數(shù)隨圍壓的升高而增大［1－2］；而對(duì)于較深部位的巖體，因“三高”（高地溫、高地應(yīng)力、高孔隙水壓）影響，其力學(xué)性質(zhì)和破壞方式與常溫、常壓條件下有較大的不同［3－5］。

因受構(gòu)造影響，中國(guó)西南環(huán)青藏高原東緣地區(qū)各類斷裂十分發(fā)育，大型水電工程常遇到規(guī)模不等的斷層帶巖體。斷層帶巖體在天然狀態(tài)下所受的應(yīng)力主要是構(gòu)造應(yīng)力和上覆巖體的自重應(yīng)力，當(dāng)其位于壩基位置并且大壩建成蓄水以后，應(yīng)力狀態(tài)較天然條件下發(fā)生了很大變化，在壩體自重應(yīng)力和庫(kù)水壓力的影響下，壩基斷層帶巖體的應(yīng)力均有不同程度的增加。隨著應(yīng)力（圍壓）的增大，壩基斷層帶巖體力學(xué)性能將相應(yīng)改善，這可從張咸恭和聶德新［6－9］等提出的斷層帶巖體“圍壓效應(yīng)”得到證實(shí)：處于一定圍壓下的斷層帶巖體，其力學(xué)性能與圍壓的大小有密切的關(guān)系，力學(xué)參數(shù)隨圍壓的升高而增大。

綜上所述，水庫(kù)蓄水后，因圍壓增大，位于壩基的斷層帶巖體的變形模量也會(huì)相應(yīng)有所增加，但斷層帶巖體應(yīng)力（圍壓）與變形模量之間的具體關(guān)系如何，圍壓升高是否必然導(dǎo)致變形模量增大，變形模量增大對(duì)水電工程大壩應(yīng)力、位移以及整體穩(wěn)定性有何影響——均是值得關(guān)注并深入研究的課題。為此，筆者通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析斷層帶巖體圍壓與變形模量的相關(guān)關(guān)系，并用三維數(shù)值計(jì)算，分析變形模量對(duì)壩基穩(wěn)定性影響，以期對(duì)其他類似工程提供參考和借鑒。

1 巖體變形模量與應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 巖體模量與波速的關(guān)系

由經(jīng)典工程地質(zhì)理論可知，破碎巖體（特別是斷層帶巖體）中發(fā)育眾多結(jié)構(gòu)面，當(dāng)彈性波在破碎巖體中傳播時(shí)，其動(dòng)力參數(shù)（速度、振幅、頻率）極易受結(jié)構(gòu)面的影響。因此，可以借助彈性波波速的變化來(lái)了解破碎巖體的某些特性，如彈性模量、強(qiáng)度參數(shù)等。其基本理論基于彈性體波動(dòng)微分方程［10］：

式中：E為巖體動(dòng)彈性模量；γ為巖體密度；vP為巖體縱波速度；μ為巖體泊松比。

由此可見(jiàn)，巖體的波速與模量呈正相關(guān)關(guān)系。

1.2 波速與圍壓的關(guān)系

為研究巖體波速與圍壓間的關(guān)系，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)予以論證和分析。

1.2.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于怒江某水電工程，水電站壩型為混凝土重力壩，壩高85m，正常蓄水位高程732m，庫(kù)容量0.393×109m3，裝機(jī)1.1GW［11－12］。壩址區(qū)右岸為石炭系玄武巖，左岸為三疊系白云巖。受外圍怒江斷裂的影響，壩址區(qū)斷層較發(fā)育，共有4組優(yōu)勢(shì)斷層：①330°∠75°；②39°∠53°；③275°∠54°；④138°∠79°。其中規(guī)模最大的一條為順河斷層（走向NE20°）并從壩基穿過(guò)。壩址附近最大主應(yīng)力方向接近正東向，最大主應(yīng)力σ1＝6.0MPa，基本垂直于壩址區(qū)最大斷層，從而使斷層帶處于較高的圍壓狀態(tài)；最小主應(yīng)力σ3＝4.3MPa；最大剪應(yīng)力τmax＝0.70MPa。

由于力學(xué)性能極差，在斷層帶巖體上鑿出的聲波測(cè)試孔在壓力作用下將會(huì)坍塌，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行波速測(cè)試，因此選取與斷層帶巖體接近的碎裂巖體進(jìn)行波速與應(yīng)力關(guān)系現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。所選試驗(yàn)點(diǎn)的巖性為玄武巖，巖體中裂隙發(fā)育，裂隙間距小于10cm，屬碎裂結(jié)構(gòu)巖體（圖1）。

1.2.2 試驗(yàn)方法與步驟

試驗(yàn)采用應(yīng)力－波速同向測(cè)試法，具體試驗(yàn)方法如下：首先將實(shí)驗(yàn)點(diǎn)處地表巖體鑿平，起伏差小于5 mm；然后在試驗(yàn)點(diǎn)中心位置采用風(fēng)鉆鑿出深1m左右的孔并插入精軋螺紋鋼，在孔底部采用特殊裝置固定鋼筋提供反力；將直徑40cm的承壓板套入鋼筋，在承壓板上放置千斤頂并連接上油泵；同時(shí)在承壓板周邊對(duì)稱鑿出孔深1m左右的4個(gè)孔用于聲波速度測(cè)試。實(shí)驗(yàn)時(shí)，油泵以3～5MPa為一級(jí)進(jìn)行加壓，每加1級(jí)壓力后測(cè)試4個(gè)孔內(nèi)的巖體波速；每個(gè)孔內(nèi)間隔20cm進(jìn)行1次聲波測(cè)試，1個(gè)孔可以測(cè)得5個(gè)波速值，4個(gè)孔一共可以測(cè)得20個(gè)值，其平均值作為該級(jí)壓力下巖體波速值。

1.2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)照片F(xiàn)ig.1 Site of field tests

試驗(yàn)結(jié)果（圖2）表明：當(dāng)壓力（圍壓）較低時(shí)，碎裂結(jié)構(gòu)巖體的波速隨壓力增大而變化不明顯，這是因?yàn)榇藭r(shí)巖體中的裂隙隨圍壓增大而逐漸閉合；而當(dāng)圍壓增大到一定程度后（1號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)壓力為20 MPa以上，2號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)壓力為10MPa以上，此時(shí)承壓板上壓力，也就是作用于斷層帶巖體的圍壓大于1MPa），裂隙已基本閉合，巖體波速隨圍壓的增加而顯著增大（注：此處的壓力是指試驗(yàn)用油泵的液壓表讀數(shù)，此讀數(shù)與巖體承受?chē)鷫撼收嚓P(guān)關(guān)系）。

圖2 波速與壓力的關(guān)系Fig.2 Relationship between wave velocity and stress

1.3 模量與圍壓的關(guān)系

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了碎裂結(jié)構(gòu)巖體波速與圍壓之間存在著正相關(guān)關(guān)系，而且?guī)r體波速與變形模量之間存在理論上的正相關(guān)關(guān)系；因此，碎裂結(jié)構(gòu)巖體的變形模量與圍壓必然呈正相關(guān)關(guān)系，也即碎裂結(jié)構(gòu)巖體（特別是斷層帶巖體）所受?chē)鷫涸酱螅冃文Ａ恳蚕鄳?yīng)越高。據(jù)此，水電大壩建成以及水庫(kù)蓄水后，在壩體自重和庫(kù)水壓力的作用下，壩基斷層帶巖體的圍壓增大，其變形模量也會(huì)相應(yīng)增大。

2 斷層帶巖體模量對(duì)穩(wěn)定性的影響

斷層帶巖體變形模量增大以后對(duì)壩基和壩體位移、應(yīng)力以及整體穩(wěn)定性的影響，筆者用三維數(shù)值方法予以分析論證。

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)壩址區(qū)最大斷層帶巖體的空間展布特征（穿過(guò)壩基的順河向斷層）以及大壩設(shè)計(jì)資料（重力壩），斷層帶巖體主要位于11壩段，建立三維數(shù)值分析模型（圖3），計(jì)算模型順河流方向長(zhǎng)400m，垂直河流方向?qū)?23m。為了消除邊界效應(yīng)，斷層帶巖體和大壩位于模型中間。

計(jì)算模型共有9種材料，各種材料計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 三維數(shù)值分析模型Fig.3 Three-dimensional FEM model

表1 數(shù)值分析計(jì)算參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of rock mass

考慮到水電站建成運(yùn)營(yíng)以后泥沙的淤積作用，計(jì)算模型中施加在大壩的外界作用力有庫(kù)水壓力、泥沙淤積壓力以及壩底揚(yáng)壓力。計(jì)算模型前后兩側(cè)和左右兩側(cè)為法向約束，底面為三向約束。

2.2 計(jì)算方法與變形模量設(shè)置

壩址一帶最大主應(yīng)力近正東向，而順河向發(fā)育的最大斷層帶走向基本呈南北向，最大主應(yīng)力垂直于斷層帶，這使得斷層帶處于相對(duì)較高的圍壓狀態(tài)，并且大壩建成水庫(kù)蓄水以后作用于斷層帶巖體的圍壓將會(huì)進(jìn)一步增加，斷層帶巖體變形模量也會(huì)相應(yīng)增大。為了分析斷層帶巖體變形模量增大對(duì)壩體和壩基整體穩(wěn)定性的影響，將三維模型中斷層帶巖體變形模量從0.6GPa一直增大到4.0GPa，分別計(jì)算斷層帶巖體變形模量在0.6、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0GPa共8種情況下、11壩段關(guān)鍵點(diǎn)（壩頂、壩趾、壩踵）處的水平位移、垂直位移以及壩體最大主拉應(yīng)力變化情況，以反映變形模量對(duì)壩基和壩體穩(wěn)定性的作用和影響。

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果作圖得到圖4、圖5。從圖表中的計(jì)算結(jié)果可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

2.3.1 壩基及壩體變形

從11壩段各關(guān)鍵點(diǎn)位移可以看出，隨著斷層帶巖體變形模量增加，無(wú)論水平位移，還是垂直位移均隨之降低（表2、圖4）。

表2 斷層帶巖體不同變形模量條件下11壩段關(guān)鍵點(diǎn)位移與應(yīng)力Table 2 Displacement and stress at some key points of the 11th segment of the dam with different modulus of fault rock mass

圖4 斷層帶變形模量與11壩段不同部位位移關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve of fault deformation modulus and displacement in dam 11

斷層帶巖體變形模量從0.6GPa增加到4.0 GPa，11壩段水平位移的降低程度相對(duì)垂直位移的降低程度低一些：壩頂?shù)乃轿灰埔还步档土?.544 mm，垂直位移則降低了1.190mm；壩趾的水平位移降低了0.729mm，垂直位移降低了1.981mm；壩踵的水平位移降低了0.846mm，而垂直位移則降低了2.232mm。

圖5 斷層帶變形模量與最大主拉應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 Alteration of maximal tensile stress in dam with deformation modulus of fault rock mass

提高斷層帶巖體變形模量，相對(duì)壩頂和壩趾而言，壩踵處位移量的降低程度最大。

2.3.2 應(yīng)力分布

隨著斷層帶變形模量從0.6GPa增加到4.0 GPa，壩體最大主拉應(yīng)力也隨之降低，從0.380MPa降低為0.324MPa。從圖5中可知：當(dāng)斷層帶巖體變形模量從0.6GPa增加到1.0GPa時(shí)，最大主拉應(yīng)力從0.380MPa降低到0.350MPa，降低程度相對(duì)是最大的；當(dāng)斷層帶巖體變形模量從1.0GPa增加到2.0GPa時(shí)，最大主拉應(yīng)力基本沒(méi)有變化；當(dāng)斷層帶巖體變形模量從2.0GPa增加到4.0GPa時(shí)，最大主拉應(yīng)力又開(kāi)始降低。

綜上所述，大壩建成及水庫(kù)蓄水后，在未受到庫(kù)水滲透影響的條件下，斷層帶巖體因圍壓增加，其變形模量有一定程度的增大，這使得斷層帶巖體所在的11壩段關(guān)鍵點(diǎn)水平位移和垂直位移均有所降低；特別是將較大幅度地降低壩踵處的垂直位移，并且壩踵處的拉應(yīng)力也相應(yīng)降低，這對(duì)提高大壩的整體穩(wěn)定性有利。

3 結(jié)論

1）理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究成果表明，地殼淺表部斷層帶巖體的變形模量與圍壓呈正相關(guān)關(guān)系，變形模量隨圍壓增高而相應(yīng)地增大。

2）水電工程大壩建成且水庫(kù)蓄水后，在大壩自重和庫(kù)水壓力作用下，位于壩基部位的斷層帶巖體所受?chē)鷫河兴龃?，在未受到?kù)水滲透影響的條件下，其變形模量有所增大，有利于壩基和壩體的整體穩(wěn)定性。

3）數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，壩基斷層帶巖體變形模量的增大將不同程度地降低壩體位移，特別是壩踵處的垂直位移，并且壩踵處拉應(yīng)力也相應(yīng)降低。

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Influence of Deformation Modulus of Fault Rock Masses on Dam Foundation Stability

Zhou Hongfu1，Wang Chunshan1，Nie Dexin2

1.ChengduCenter，ChinaGeologicalSurvey，Chengdu610081，China
2.CollegeofEnvironmentandCivilEngineering，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China

The deformation modulus of fault rock mass is an important parameter to denote its mechanical characteristic，and it is obviously related to the environment.A large scale hydropower project was taken as an example to analyze the influence of deformation modulus of fault rock masses on dam base stability based on site test and theory and 3D-numerical analysis.Result indicates that if the deformation modulus of fault rock mass increases from 0.6Gpa to 4.0GPa，the horizontal displacement at key point in the dam will decrease 0.544-0.846mm，the vertical displacement at key point in the dam will decrease 1.190-2.232mm and the maximal tensile stress at key point in the dam will decrease 0.06 MPa because of the increase in the deformation modulus of fault rock mass after impoundment of hydropower station and without influence of water infiltration，which is advantageous to stability of dam base.

engineering geology；rock mass of fault zone；deformation modulus；stability of dam base；three-dimensional FEM

10.13278/j.cnki.jjuese.201404202

P642.2

A

周洪福，王春山，聶德新.斷層帶巖體變形模量對(duì)壩基穩(wěn)定性影響.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版，2014，44（4）：1254-1259.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404202.

Zhou Hongfu，Wang Chunshan，Nie Dexin.Influence of Deformation Modulus of Fault Rock Masses on Dam Foundation Stability.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1254-1259.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404202.

2013-11-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40372127）

周洪福（1980—，男，高級(jí)工程師，博士，主要從事工程巖土體穩(wěn)定性和地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等方面的研究工作，E-mail：zhf800726＠163.com。