陳霓

（貴州省水利水電勘測設計研究院　貴州　貴陽　550001）

淺析水利工程巖體變形試驗

陳霓

（貴州省水利水電勘測設計研究院貴州貴陽550001）

工程巖體如果變形過大就會導致上面的建筑物失穩(wěn)危及安全，因此工程勘察期間必須獲得可靠的變形參數(shù)，才能據(jù)此在施工時采取適當措施防止其對工程的影響，保證建筑物的安全。本文結合具體工程實例，重點就水利工程巖體變形試驗進行了分析。

水利工程；巖體變形；試驗分析

引言

擬建三岔河水庫壩址位于貴州省開陽縣龍崗鎮(zhèn)格林村，水庫所在三岔河為魚梁河一支流，魚梁河經(jīng)清水河匯入烏江，地理位置東經(jīng)107°00′～107°03′，北緯26°56′～27°00′。三岔河發(fā)源于龍崗鎮(zhèn)二村羊比組，主河道全長14.3km。

1　工程概況

三岔河水庫總庫容1106.5萬m3，正常蓄水位約1061m，擬建壩高約75.0m，水庫規(guī)模為中型，主要建筑物有大壩、輸水管線、提水泵站等，工程具有供水、灌溉等功能。壩址通有鄉(xiāng)村公路，庫區(qū)兩側有簡易鄉(xiāng)村路，壩址距龍崗鎮(zhèn)7.0km，距貴陽86km。

2　地質背景

2.1地形地貌

壩址區(qū)河道較平直，河流流向近N，河床高程1005～1006m，平水期河水面寬5～11m，水深0.3～0.7m，河谷斷面呈對稱的“V”型河谷，左岸地形坡度46～55°；右岸地形坡度34～43°，正常高水位1061.0m時，河谷寬約134m，寬高比1.95。兩岸山頭高程1043～1083m。

2.2地層巖性

（1）第四系沖洪積物（Qal+pl）。第四系沖洪積物分布于河床，主要為砂卵礫石，粒徑一般3～12cm，厚度1.5～5.4m。

（2）寒武系中上統(tǒng)婁山關群∈2-3ls2。壩址出露基巖地層為寒武系中上統(tǒng)婁山關群∈2-3ls2淺灰色、灰色中厚層細至中粒白云巖，厚>93m。

2.3地質構造及結構面

壩址位于長麻窩斷層F3的SW盤（相距260m），由于壩址受斷層的影響較小，壩址處巖層產(chǎn)狀較穩(wěn)定，總體為單斜構造，巖層傾上游，產(chǎn)狀160～165°∠20～26°，河谷為橫向谷。壩址地層為單斜構造，無較大型斷層、褶皺等構造發(fā)育；據(jù)地表地質測繪及裂隙統(tǒng)計，主要發(fā)育三組裂隙，夾層：壩基出露地層主要為白云巖，巖體強風化帶沿層面及裂隙面間局部夾泥。兩岸平硐揭露主要有三層層間夾層，主要為次生夾泥，夾泥厚度1～5cm，進入弱風化帶巖體夾層主要為灰白色白云巖。層面起伏，起伏差約為5～15cm，層面的起伏差大于夾層的厚度。

2.4物理地質現(xiàn)象

表1　混凝土-巖接觸面和巖體抗剪斷強度對比

覆蓋層：壩址河床沖洪積砂卵礫石，層厚1.5～5.4m，兩岸岸坡大部分為基巖裸露，在部分地形較緩地帶有殘坡積粘土夾碎石，堆積厚度不大。巖體風化：壩址分布地層主要為寒武系中上統(tǒng)婁山關群∈2-3ls2），巖性為淺灰色、灰色中厚層細至中粒白云巖，巖體風化以裂隙性風化為主要特征。風化主要沿裂隙面擴展，強風化帶裂隙張開夾泥，局部裂隙面兩側有鐵質浸染呈紫紅色，鉆孔聲波縱波速平均值為3286m/s，弱風化帶裂隙一般閉合，鉆孔聲波縱波速平均值為3816m/s。

3　巖體力學參數(shù)驗證

3.1試驗方法

所有原位試驗均采用傳統(tǒng)方法按相關規(guī)范進行。試驗最大壓力和施力方向均依據(jù)設計資料，盡量滿足試驗部位實際工程應力狀態(tài)。直剪試驗均采用平推法，剪切面積2000～2500cm2，剪切方向水平向下游，試驗前混凝土強度等級達到設計要求（C25）。巖體變形試驗采用圓形剛性承壓板靜力法，承壓面積2000cm2，分5級逐級一次循環(huán)加壓。

3.2巖體抗剪強度參數(shù)

在右岸PD2和PD3平洞對兩種巖體都分別進行了巖體本身直剪試驗和混凝土-巖接觸面直剪試驗，且試驗位置基本一致。兩種試驗結果具有可比性，見表1。巖體直剪試驗表明，微風化薄層灰?guī)r抗剪強度參數(shù)高于鈣質泥巖抗剪強度參數(shù)?；?guī)r摩擦系數(shù)較大，黏聚力很小，這主要是因為試驗時大部分沿薄層層面破壞，破壞面平整光滑起伏差較小。

同類巖體抗剪強度與混凝土-巖體接觸面抗剪斷強度相比較，灰?guī)r摩擦系數(shù)f′=1.16與混凝土-灰?guī)r體接觸面摩擦系數(shù)f′= 1.13大致相當，后者略低。但是二者的黏聚力相差較大，巖體本身c′=0.48MPa，混凝土-灰?guī)r體接觸面c′=0.81MPa，這主要是由于混凝土-灰?guī)r接觸面直剪試驗時基本沿二者接觸面破壞，且澆筑混凝土前接觸面人造起伏差5～10mm，而灰?guī)r巖體本身直剪試驗沿薄層之間的層面破壞，層面較之于混凝土/灰?guī)r接觸面屬弱面，導致其黏聚力降低。而對于抗剪強度，因進行抗剪試驗前巖體已經(jīng)剪斷，產(chǎn)生了起伏差，所以二者抗剪強度差異明顯減小。從剪切破壞機理分析，對于薄層灰?guī)r，由于開挖和制樣導致表面薄層巖體受擾動，松弛卸荷，強度低于混凝土強度；對于全-強風化的鈣質泥巖夾泥質白云巖，抗壓強度遠低于混凝土強度，因此兩組混凝土與巖體接觸面抗剪強度主要受巖體強度控制。薄層灰?guī)r強度高于鈣質泥巖，導致前者抗剪強度明顯高于后者抗剪強度。

3.3巖體變形參數(shù)

巖體變形試驗成果表明，E1組位于PD1平洞，鉛直加載方向巖體變形模量3.55～9.28GPa，均值6.37GPa；E1組水平加載方向巖體變形模量5.46～6.89GPa，均值6.18GPa。試驗組數(shù)較少，導致試驗結果離散性較大且各向異性不明顯。E2組位于PD2平洞，巖體變形模量2.19～3.92GPa，均值3.13GPa。E3組位于PD3平洞，巖體變形模量0.06～0.15GPa，均值0.12GPa。E1，E2組同為薄層灰?guī)r，但E2組巖體還含有一定數(shù)量的縱向裂隙，呈碎裂結構，巖性和風化程度相同的情況下，右岸薄層灰?guī)r更破碎，完整性要差，所以E2組灰?guī)r變形參數(shù)比E1組灰?guī)r變形參數(shù)低。

3.4試驗結果討論

原位巖體力學試驗結果表明，兩種巖性巖體抗剪強度參數(shù)存在明顯差異，微風化薄層灰?guī)r抗剪強度參數(shù)高于全-強風化鈣質泥巖抗剪強度參數(shù)。E1、E2組試驗對象為微-弱風化的薄層灰?guī)r，E3組試驗對象為全-強風化的鈣質泥巖夾泥質白云巖，兩種不同巖性巖體變形模量相差很大（幾十倍）。此外，根據(jù)探槽、平洞及鉆孔勘察，左右兩岸巖體的弱風化（較破碎）巖體的厚度差異較大，其中右岸的微風化（較完整）埋深大于左岸。

4　工程建議

由于巖層傾角平緩，薄層灰?guī)r直剪試驗顯示試件多沿層面破壞，所以壩基存在沿層面發(fā)生淺層滑動的邊界條件。建議設計計算時復核大壩沿層面淺層滑動和沿大壩與基巖接觸面滑動的抗滑穩(wěn)定性。兩岸壩肩1/2壩高以下巖體為薄層-中厚層狀灰?guī)r，屬中硬巖，巖體質量分級為Ⅲ級。而1/2壩高以上巖體為泥質灰?guī)r、泥質白云巖及鈣質泥巖互層，巖體質量分級為Ⅳ～Ⅴ級。尤其是上部鈣質泥巖及泥質白云巖，屬軟巖或極軟巖，巖體工程性能與其自身成巖較差，微裂隙極發(fā)育。上下部巖體變形模量差異最大達幾十倍，對拱壩壩肩而言，屬嚴重的地質缺陷。上部巖體即使通過固結灌漿也難以滿足壩肩的應變要求。建議一方面在兩壩肩設置大型重力墩，墩基置于下伏灰?guī)r之上，彌補地形地質不足，承擔拱端推力，將其傳到后面山體。另一方面以弱風化中下部或微、新巖體作為壩基持力層，盡量增強下部壩體的整體剛度、擴大軟弱巖體段的基礎寬度，在加強基礎剛度的同時合理減小上部壩體的結構剛度，避免壩體變形對大壩的不利影響。

由于兩岸壩基巖體地質不對稱性，建議對大壩體型進行適當?shù)恼{整，確保兩岸應力對稱。壩基淺層巖體裂隙相對較發(fā)育、完整性較差，建議進行固結灌漿處理。

5　結束語

綜上所述，巖石的變形特性雖然很復雜，但在實際工程中，建筑物作用于巖石的應力遠低于單軸極限抗壓強度，巖石所處變形多為彈性變形狀態(tài)，因此可在一定程度上將巖石看作準彈性體，用彈性模量來表示其變形特征，一般只需測定抗壓強度50%處的彈性模量和泊松比就可以了。另外在彈性極限壓力之內單軸壓縮變形和三軸壓縮變形試驗結果參數(shù)值基本接近，而單軸壓縮試驗更簡單易行，故一般采用單軸壓縮試驗來測定巖石的變形指標。

[1]邊智華，張利潔.軟巖基本質量評價及強度特性試驗方法研究[J].長江科學院院報，2008，25（5）：37～42.

[2]《工程巖體試驗方法標準》（GB/T50266-2013）[S].

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