廖 彬, 聶德新

(1.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059； 2.四川省投資集團有限責任公司，成都 610059)

大型水電站所在高山峽谷區(qū)，巖體堅硬、地應力量值高、卸荷明顯、風化深度大，而高混凝土壩大多以微新、弱風化下帶的Ⅲ1-Ⅱ級堅硬巖體作為壩基[1-2]，必須對強風化-弱風化上帶和卸荷巖體進行較大規(guī)模的爆破開挖才能達到要求，由此而造成壩基巖體的松弛、變形模量的降低，對大壩的變形穩(wěn)定性帶來大的影響，是高壩壩基巖體研究的重點。

對巖體變形模量的研究，無論以現(xiàn)場巖體變形試驗成果進行評價，還是從巖體的其他特征指標進行評價都有較為成熟的技術或方法。D.U.Deere等[3]用鉆孔巖心的RQD指標評價巖體變形模量；Z.T.Bieniawski[4-5]研究了巖體的RMR分級，提出了用分級指標選取變形模量；E.Hoek等[6]研究了不同巖體類型的變形模量和強度參數(shù)；中國水利水電勘察國標規(guī)范中給出了不同巖級的變形模量[1]。研究彈性波速結合一定的現(xiàn)場試驗變形模量，建立起動靜參數(shù)的關系去獲得巖體變形參數(shù)有廣泛的研究[7-10]。近20年來，溪洛渡、小灣、拉西瓦、白鶴灘、黃登等世界級大型水電站超高混凝土壩的興建，對巖體變形模量和強度參數(shù)以大量的、系統(tǒng)的建前、壩基開挖資料，從壩址巖體的風化分帶、卸荷程度、開挖爆破松弛帶、巖體質量分級，對巖體的變形模量和強度參數(shù)作了新的、有開創(chuàng)性的研究，綜合評價水平有了大的進展[11-16]。

由于巖體模量是應力、應變的函數(shù)，在河流初始下切邊坡尚未形成時，處于深埋狀態(tài)下的巖體的原位模量基本上為新鮮巖體的模量；伴隨河谷高大邊坡的逐漸形成，巖體應力釋放，外部風化營力的進入，邊坡巖體卸荷帶、風化帶的逐漸形成，巖體變形模量和強度參數(shù)的下降基本上是同步的，因此應力狀態(tài)的變化是其主要因素之一。對地應力場特征、地應力的測量、地應力場反演已進行了較多的研究[17-25]，符文熹[26]較為深入地研究了地應力對巖體變形模量的影響及變形模量取值，是值得探索的方向。本文以官地水電站為研究載體，用巖體應力狀態(tài)的變化研究高重力壩大規(guī)模開挖減載、巖體松弛回彈、變形模量的降低和大壩建成后高重力壩壓重后壩基巖體變形模量的回復。

1 工程概況及地質簡況

官地水電站位于雅礱江下游，混凝土重力壩頂部海拔高度 1 334 m,最大壩高171 m。

官地壩址河谷深切、高度大、兩岸地形坡度陡、河谷呈“V”形，河水面海拔高度 1 205 m左右，兩岸山頂海拔高度 2 880 m(圖1、圖2)。壩址區(qū)所在大地構造部位為康滇地軸與麗江臺緣拗褶帶的交界部位，地層為二疊系峨眉山玄武巖，似層面產狀260°∠80°，大壩所在部位無大的斷層，兩岸巖體弱風化深度11～80 m，弱卸荷深度9～88 m。

圖1 官地河谷地形Fig.1 The topography of Guandi River Valley

圖2 官地電站修建中河谷地形Fig.2 The river valley topography of the Guandi power station under construction

壩址位置測試的最大主應力方位為NW向，與其所在大的“川滇菱形斷塊”的構造應力場最大主應力方向基本吻合。通過對區(qū)域和壩址地應力場的數(shù)值分析，用新建立的彈性力學三個方向余弦計算公式，經(jīng)過計算、檢驗，壩址初始構造最大主應力方向及量值：σ1=7.75 MPa，方向NW310°∠10°；σ2=5.25 MPa，σ3=2.25 MPa。

2 力學分析的基礎及研究方式

2.1 力學方程

分析巖體模量的變化的力學基礎，是有關平均應力與體積模量的關系

(1)

對于平均應力可以由三向主應力的和獲得

(2)

對于體積模量，可以彈性力學的相關公式計算

(3)

式中：K為體積模量；E為巖體模量(彈性模量或變形模量)；μ為泊松比。

在當前的巖體力學研究中，大多以變形模量作為變形的主要參數(shù)，現(xiàn)場巖體變形試驗就以彈性力學的“布氏”方程作為計算變形模量的基本公式

E=π(1-μ2)pD/4W

(4)

式中：E為變形模量(若以彈性變形值代入，則為彈性模量)；μ為泊松比；p為板上壓力；D為承壓板直徑；W為變形值。

在應力、應變計算中，若以變形模量作為參數(shù)，則計算獲得的為全變形。

體積變化率(體積應變)θ

θ=ΔV/V=Δεx+Δεy+Δεz

(5)

式中：Δεx、Δεy、Δεz分別為x、y、z三個方向的應變。

由式(1)(2)(5)得

(6)

式(6)便是分析巖體應力變化、體積應變改變時模量變化的基本力學方程。

2.2 研究方式

由于斜坡及壩基巖體的應力狀態(tài)除符合彈性力學的基本規(guī)律外，由于地形的不均勻變化、材料的突變(斷層等弱面)均會造成應力的變化。為了獲得壩基模量變化的規(guī)律或總的特征，本文采用以下方式來處理：①將斜坡地形中個別突變的部位作適當?shù)墓饣?；②將巖體中的小的結構面以巖體質量的綜合巖級納入模型；③材料的物理力學參數(shù)，按地質剖面展示的巖級進行選值；④力學分析以有限元計算獲得應力、應變資料作為模量變化分析的基本資料；⑤以力學分析方法研究壩基巖體在重力壩重力作用下模量的回復，按壩基開挖前、壩基開挖、重力壩修建至設計的高度時壩基巖體變形模量的三個段次作比較分析；⑥應當充分認識到用力學分析方法研究壩基模量，由于涉及多種簡化處理(或多種設定)，僅在以力學理論揭示的確存在壩基巖體在重力壩壓重后模量有回復的現(xiàn)象，而不完全去刻畫巖體涉及的復雜變化。

3 壩基開挖爆破松弛帶的確定

壩基的開挖，基本上是爆破開挖方式，兩岸壩肩開挖大多以平行開挖面進行預裂爆破。河床部位開挖大多為水平預裂爆破。盡管對壩基開挖的沖擊較其他大藥量爆破要小一些，但仍有一定厚度的巖體被裂化、質量下降、力學參數(shù)降低，成為與混凝土壩接觸面間的薄弱地帶，成為表層抗滑穩(wěn)定性需認真注意的部位。

官地壩基開挖中，對爆破松弛帶的厚度采用物探聲波測試，根據(jù)波速的變化來分析、確定厚度。為了獲得壩基開挖松弛帶的平均厚度、波速，篩選從地表開始有測試資料的測孔，列于表1。從表中資料可以看出：①大部分測孔松弛帶波速低，有個別孔波速高，應視為松弛帶不明顯；②松弛帶的厚度大多在1～2.5 m；③以各孔的平均厚度作為壩基爆破松弛帶的厚度，以平均波速為爆破松弛帶的波速。

表1 壩基爆孔聲波測試結果 Table 1 Acoustic test results of blast hole in dam foundation

壩基爆破松弛帶厚度為2.10 m；壩基爆破松弛帶波速為3.338 km/s。

4 研究模型的建立

4.1 分析模型

分析壩基巖體在重力壩壓重下變形模量的回復，涉及河谷的形狀、地層巖性、構造、巖體應力狀態(tài)、巖體物理力學性質、河谷下切的形態(tài)和建壩要開挖的形態(tài)，以及建壩后地基的應力狀態(tài)，因此，建立合理、符合實際的數(shù)值分析模型是研究重力壩壩基巖體變形模量回復的主要工作。

4.1.1 河谷形態(tài)、高度的選取

官地河谷深度大、坡度陡，兩岸地形也有變化，從圖1和圖2可以看出河谷兩側山頂?shù)暮０胃叨仍?2 880 m左右，雅礱江河水的海拔高度在 1 205 m左右，而目前壩址地形圖涉及的海拔高度在 1 500 m左右，地形剖面海拔高度也在 1 500 m左右，這對分析整個峽谷巖體的應力狀態(tài)是不夠的，還必須獲得整個峽谷區(qū)的地貌形態(tài)。

為獲得官地河谷較可信的地貌形態(tài)，以壩址1∶1 000地形圖為基礎，將其納入包含有兩岸高處地形的庫區(qū)地形圖中，以此大范圍地形圖為基礎，建立三維地形模型(圖3)。

圖3 壩址大范圍三維地形模型Fig.3 3D massive terrain model around the dam site

對建立的三維地形進行剖切，獲得Ⅶ線(壩軸線)地形剖面，并與地質上的Ⅶ線剖面進行擬合(圖4)。從圖上可以看出，地形線基本一致，表明地形模型是可信的。

圖4 剖切地形模型得到的Ⅶ剖面地形 與地質剖面地形Fig.4 The Ⅶ section topography and the geological section topography obtained by the sectional topography model

剖切至模型高處，獲得河谷地形剖面，并對部分突點作適當光滑得到計算模型的地形(圖5)，從圖中可以看出藍顏色的地形線可以作為計算模型中河谷地形線。

圖5 計算剖面Ⅶ線(軸線剖面)概化地質模型Fig.5 Generalized geological model for calculating profile Line Ⅶ (axial profile)

4.1.2 地層巖性模型

壩址二疊系巖性層為：陽新灰?guī)r(P1y)；泥質粉砂巖、砂巖、角礫狀灰?guī)r(P1p)；凝灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r(P2β11)； 含斑玄武巖、凝灰?guī)r(P2β12)；致密玄武巖、火山角礫集塊巖(P2β13)；含斑玄武巖、角礫熔巖(P2β14)；輝斑玄武巖、角礫集塊熔巖(P2β15)；杏仁狀玄武巖(P2β21)；致密玄武巖、杏仁狀玄武巖(P2β22)；致密玄武巖(P2β23)。

壩址無大的斷層，表2是壩址主要地層及在壩線剖面上巖層界線中心坐標，以此構建圓盤模型，納入壩址三維地形模型，剖切得到計算剖面地質概化模型(圖5)。

表2 壩址主要巖性層產狀及中點坐標Table 2 Attitude of major rock formation at dam site and relevant midpoint coordinates

從圖5中可以看出與大壩直接相關的地層為P2β15輝斑玄武巖、角礫集塊熔巖，與Ⅶ剖面(含高處)相關的巖性層為P2β11-P2β14、P2β15、P2β21、P2β22。

4.2 初始構造應力方位、量值和巖體力學參數(shù)

4.2.1 初始模型和基本巖級物理力學參數(shù)

以概化的Ⅶ線(軸線剖面)為初始地質結構模型。巖體物理力學參數(shù)：河流未下切時各層巖體取初始巖體(新鮮巖體)參數(shù)；現(xiàn)今河谷各層巖體按對應巖級取值；爆破松弛帶用平均聲波縱波速度?、艏墡r體參數(shù)；混凝土壩體的參數(shù)用多個大型水電站選用值，選取的巖體力學參數(shù)見表3。

表3 計算模型巖體及壩體參數(shù)Table 3 Calculation of model rock mass and dam parameters

4.2.2 計算的基本模型及開挖、壩體模型

根據(jù)地形、巖性、巖體等資料，圖6是構建的用于計算的整個河谷基本模型。

圖6 整個河谷基本模型Fig.6 Basic model of the entire valley

圖7為壩基主要巖級模型，表淺部為Ⅳ級巖體，淺部為Ⅲ1級巖體，下部為Ⅱ級巖體，爆破松弛帶為Ⅳ級巖體。

圖7 壩基主要巖級Fig.7 Major rock mass levels of dam foundation

圖8是建立的壩基開挖模型，開挖線按工程實際設定，河床表面海拔高度 1 200 m，重力壩建基面海拔高度 1 163 m，最大開挖深度37 m,兩岸邊坡開挖的起始海拔高度為 1 395 m，水平方向挖深35～50 m。

圖8 壩基開挖模型Fig.8 Dam foundation excavation model

圖9為重力壩模型，頂部海拔高度為1 334 m，河床建基面海拔高度為 1 163 m，爆破松弛帶取檢測的平均厚度2.1 m。每40 m高差設置水平線，以利于獲取同高程單元的信息開展對比；河床布鉛直線以利于分析縱向單元信息時縱向坐標相同。

圖9 壩體及壩基模型Fig.9 Models of dam body and dam foundation

5 壩基巖體應力狀態(tài)

5.1 自然河谷應力狀態(tài)

由前面用應力、體積應變分析巖體模量的公式(1)～(6)可知，巖體應力的變化和體積應變的變化，將引起巖體模量變化。為此，在分析壩基巖體在重力壩重力作用下模量發(fā)生回復前，應先了解壩基巖體在各個階段(自然河谷、壩基開挖、重力壩澆筑后)應力的變化特征。

5.1.1 最大主應力

圖10為官地河床部位最大主應力，從圖中可以看出：①河床部位，最大主應力量值呈環(huán)帶狀增大→集中增高→減小→逐漸增高現(xiàn)象；②河床表面 1 200 m的海拔高度σ≈0 MPa，向下增大；③河床下部海拔高度 1 148 m部位出現(xiàn)最大主應力集中包，量值46.43 MPa；④擬建的建基面位置(海拔高度 1 163 m)σ1=31.11 MPa，在應力集中包之上； ⑤應力集中包向下應力減小，下延深度172 m(海拔高度 1 069 m)，量值36.71 MPa，呈現(xiàn)減小趨勢到海拔高度876 m以下(深度124 m)才增加。

圖10 河床部位最大主應力Fig.10 Maximum principal stress of the river bed

5.1.2 最小主應力

圖11為河床部位最小主應力，河床表部應力接近0，向下逐漸增大，至92 m深度(海拔高度 1 108 m)為12 MPa。

圖11 河床部位最小主應力Fig.11 Minimum principal stress of the river bed

5.2 壩基開挖后河床部位巖體應力狀態(tài)及變化

圖12為壩基開挖后，河床部位最大主應力。從圖中可以看出：①建基面(海拔高度 1 163 m)以下，最大主應力量值仍呈環(huán)帶狀分布；②在建基面下30～40 m出現(xiàn)應力集中包，量值50 MPa(海拔高度 1 130 m)，較天然河床下部應力集中包出現(xiàn)的位置(海拔高度 1 148 m,圖10)下延15 m左右；③建基面(海拔高度1 163 m)以下15 m(海拔高度1 148 m)的應力σ1=10.71 MPa，較開挖前的46.43 MPa下降35.72 MPa，表明巖體有較大的松弛。

圖12 開挖后河床部位最大主應力Fig.12 Maximum principal stress of the river bed after excavation

圖13為開挖后河床部位最小主應力，從圖中可以看出應力量值的變化與開挖前差異不大。

圖13 開挖后河床部位最小主應力Fig.13 Minimum principal stress of the river bed after excavation

圖14為計算的壩基開挖后，河床部位巖體回彈變形值，從圖中可以看出：①建基面(海拔高度1 163 m)巖體回彈值6.53 cm；②海拔高度1 109 m(建基面下54 m)，巖體回彈值3.67cm；③河床巖體回彈的影響深度超過100 m。

圖14 壩基開挖后河床巖體回彈變形Fig.14 Rebound deformation of rock mass of river bed after dam foundation excavation

巖體應力的變化、巖體的回彈，預示河床開挖后巖體模量將降低。

5.3 重力壩澆筑至壩基巖體應力的增加值分析

圖15為填筑重力壩(未蓄水)至海拔高度 1 334 m的河床部位最大主應力，從圖中可以看出：①建基面(海拔高度 1 163 m)應力為4.0 MPa，與壩的自重相當；②建基面之下海拔高度 1 148 m原應力集中包處，量值30.0 MPa。

圖15 重力壩澆筑至1 334 m時河床最大主應力Fig.15 Maximum principal stress of river bed when gravity dam poured to height of 1 334 m

圖16為僅考慮壩體自重，河床部位巖體最大主應力的增加值，從圖中可以看出：①建基面(海拔高度 1 163 m)增加3.6 MPa；②海拔高度945 m(建基面之下218 m)仍有2.1 MPa；③壩體自重應力呈環(huán)帶狀向下增加，開口大致與谷寬相當。

圖16 壩體自重在河床部位的應力值Fig.16 The stress value of the dead weight of the dam at the riverbed

6 以力學方式研究官地水電站重力壩壩基巖體模量的回復

前面分析了河床壩基巖體應力的變化，由于應力狀態(tài)變化，巖體將隨應力的降低松弛回彈——模量降低；隨重力壩重力的加載，巖體又將被壓密(或壓回)，變形模量將發(fā)生回復。對于模量回復，最完善的方法應該以檢測資料、變形監(jiān)測資料和應力變化資料來開展分析：用預留的鉆孔，分別按開挖前、開挖后、灌漿后、重力壩澆筑至壩頂未蓄水前4個主要階段檢測巖體波速的變化，分析巖體模量的變化；以各時期監(jiān)測到壩基的變形量分析壩基的模量；然后用應力變化分析壩基模量的變化。目前已建的重力壩大多僅有其中的一項資料，且多為變形監(jiān)測資料，而開挖前、開挖后、灌漿后、大壩澆筑開始至壩頂各時段系統(tǒng)的、可以對位的、連續(xù)的聲波測試資料，由于施工的干擾很難實現(xiàn)，目前尚未見到系統(tǒng)成果。本文用應力狀態(tài)分析模量的回復，因涉及官地河谷的應力狀態(tài)、初始巖體力學參數(shù)的精確性、壩基巖體結構、巖體質量等眾多問題，限于官地電站河床開挖前、筑壩后測試成果(聲波等)基本沒有，開挖中的較多成果僅能反映一個環(huán)節(jié)，因而用應力狀態(tài)分析模量回復應是初步的，為的是揭示高重力壩壩基巖體模量的回復、提高，為今后科學、合理地開展壩基固結灌漿提供參考資料，也為以后的分析、研究提出另一種研究方法。

選取河床部位一條主斷面線作代表性分析(圖17)，計算高程從河床表面(海拔高度 1 200 m)至河床下部100 m左右，深度約200 m，建基面(海拔高度 1 163 m)以下深度170 m左右。

圖17 模量回復力學研究計算主斷面線位置Fig.17 Position of major cross-section line in research of mechanical calculation of modulus recovery

6.1 開挖前河床巖體模量分析

為分析壩基開挖前巖體模量，仍采用均化的方法，即以巖級代表含有硬性結構面，包括小的弱面的不均勻巖體。官地壩基無大的弱面。計算模量按前面的模型。

表4為用平均應力、體積應變資料計算的未開挖前河床部位巖體不同深度的變形模量(為了簡化，表中僅列出部分單元)，資料表明：①河床淺表部(海拔高度 1 200.63～1 164.26 m)，按平均應力、體積應變計算的巖體變形模量平均值為 3 203 MPa，屬于Ⅳ級巖體。②海拔高度 1 163.93～1 159.87 m，計算的巖體變形模量平均值為 8 915 MPa，屬于Ⅲ1級巖體；海拔高度 1 163 m為建基面，按規(guī)范要求，可以作為高重力壩壩基，計算的模量與原來選定的建基面要求的模量是吻合的。③海拔高度 1 158.86～988.72 m，計算的壩基巖體變形模量平均值為 17 198 MPa，屬于Ⅱ級巖體，模量值與地質上建議的變形模量大致相同。

表4 開挖前河床巖體變形模量Table 4 Deformation modulus of rock mass at riverbed before excavation

計算的壩基巖體變形模量與建基面選取的變形模量值相符，和建基巖體的變形模量值大致相同，表明用力學方式進行評價是可行的，因而可以作為壩基開挖后和重力壩修建后壩基巖體變形模量分析的基礎。

6.2 壩基開挖后河床巖體變形模量分析

表5為計算的壩基開挖后河床巖體的變形模量。由于開挖后河床巖體應力狀態(tài)發(fā)生變化，應力集中包向下轉移，計算的巖體變形模量出現(xiàn)降低：①表部2 m左右(海拔高度 1 163.93～1 161.91 m)，相當于爆破松弛帶，巖體變形模量為 3 682.7～4 346.1 MPa，平均值為 4 033 MPa，屬于Ⅳ級巖體的變形模量。②淺部2～10 m深度(海拔高度 1 160.89～1 141.44 m)，巖體變形模量由原來的12～17 GPa變?yōu)?～7 GPa，降低幅度較大，其原因是應力集中包向下轉移，建基面下由原來的應力集中包位置變成應力較小的部位，而應力較高的部位在海拔高度1 120 m左右。

表5 計算的開挖后河床巖體變形模量Table 5 Calculated deformation modulus of rock mass at riverbed after excavation

6.3 混凝土重力壩修建到設計的高度時壩基巖體變形模量的回復

表6為官地重力壩修建到設計的高度時河床巖體變形模量和開挖前、開挖后河床巖體的變形模量。表中資料表明：①重力壩壓重后河床巖體變形模量有了較大回復；建基面(海拔高度 1 163.93～1 141.44 m)平均變形模量為14.3 GPa，較開挖后的4.8 GPa有了較大的變化；建壩后、開挖前平均模量14.3 GPa、14.1 GPa，巖體變形模量回復到開挖前的量值(表中的平均值)。②海拔高度 1 139.62～1 032.35 m段，建壩后、開挖后、開挖前河床巖體的變形模量分別為19.28 GPa、10.98 GPa、17.54 GPa，建壩后的變形模量比開挖前高出1.74GPa，這與高171 m壩體在該處高出原地表(海拔高度 1 200 m)134 m的壓重有關；而高出開挖后平均模量近8 GPa(表6)。③海拔高度 1 030.53～988.72 m，建壩后、開挖后、開挖前計算的河床巖體變形模量平均值分別為14.11 GPa、11.12 GPa、17.19 GPa，巖體模量沒有回復到開挖前的量值，這與河床應力集中包的轉移、應力變化有關，但變形模量較開挖后提高了3 GPa。

表6 計算的壩體澆筑到設計的高度時壩基巖體變形模量Table 6 Calculated deformation modulus of rock mass when dam foundation poured to dam crest

7 結 語

高混凝土重力壩大多以微新、弱風化下帶的堅硬巖體作為壩基，河床表部的巖體大多不能達到這一條件，因此需要進行較大范圍、較大深度的爆破開挖，挖除強風化、弱風化上帶的巖體，從而引起巖體的松弛、卸荷，導致變形模量降低，成為高重力壩壩基重大工程問題。本文以概化的地質模型，以力學的基本方程和數(shù)值分析研究了官地水電站壩基玄武巖體在開挖前、開挖后和壩體澆筑后壩基巖體變形模量的變化及特征，得到以下結論及認識：

a.基于彈性力學理論研究高混凝土重力壩壩基巖體變形模量的變化應深入分析河谷的應力狀態(tài)，給定的巖體力學參數(shù)應盡可能的合理，壩址地質結構模型應盡量精細。

b.本文以建立的巖體模量計算的理論公式為基礎，以較精細的地質結構模型、較為準確的力學參數(shù)為前提，以數(shù)值分析為方法，研究了官地水電站河床壩基巖體隨壩基開挖應力的降低、松弛回彈，建基面附近巖體變形模量由原來的14.1 GPa降低到4.8 GPa；隨高重力壩重量的加載，壩基巖體被壓密，變形模量達到14.3 GPa,發(fā)生回復，這為高重力壩壩基變形分析，提供了另一種研究途徑。

c.本文用應力狀態(tài)分析高重力壩壩基巖體變形模量的回復應是初步的，為的是揭示高重力壩建成后壩基巖體變形模量出現(xiàn)的回復、提高，為今后科學、合理地分析高重力壩壩基巖體力學參數(shù)提出了另一個研究思路。