黃火林 李廣場 徐福斌

金沙江白鶴灘水電站巖體變形特性動靜對比研究

黃火林 李廣場 徐福斌

（浙江華東工程安全技術(shù)有限公司 浙江杭州 310014）

大型水電工程研究巖體變形特性的動靜對比關(guān)系具有重要的意義，其成果可為了解工程巖體特性、巖體質(zhì)量分級、穩(wěn)定性評價(jià)、變模分區(qū)、建基面施工驗(yàn)收提供技術(shù)支撐。本文基于白鶴灘水電站可研階段的巖體動靜參數(shù)測試成果，分析測試成果的規(guī)律性，結(jié)合白鶴灘巖體的巖性多樣性、各向異性、非均質(zhì)性等特征，選擇具有地質(zhì)代表性的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行動靜對比關(guān)系式擬合，建立了地震波速度、聲波速度與巖體變形模量之間的關(guān)系，并通過分析論證，推薦使用聲波速度與巖體變形模量的動靜對比關(guān)系式。

白鶴灘水電站 動靜對比 變形特性 變形模量 波速

前言

金沙江白鶴灘水電站位于金沙江下游河段，壩址左岸屬四川省寧南縣跑馬鄉(xiāng)，右岸屬云南省巧家縣交界大寨鎮(zhèn)。白鶴灘水電站是我國繼三峽、溪洛渡之后又一座千萬千瓦級的水電站。

巖體變形特性的動靜對比關(guān)系式研究對大型水電工程具有重要的意義，其成果可為了解工程巖體特性、巖體質(zhì)量分級、穩(wěn)定性評價(jià)、變模分區(qū)、建基面施工驗(yàn)收等提供技術(shù)支撐。國內(nèi)各大中型水電站都開展了動靜對比研究工作，如三峽、溪洛渡、二灘、錦屏等。白鶴灘作為國內(nèi)又一座大型水電站，開展動靜對比研究具有重要性和必要性。

國外在20世紀(jì)30年代開始了巖體動靜關(guān)系的研究工作，國內(nèi)從20世紀(jì)80年代開始研究工作。李澤、錢世龍從彈性理論出發(fā)，提出動、靜彈模在本質(zhì)上是一致的，兩者所存在的差異是由于動力法和靜力法本身技術(shù)條件（或手段）造成的，對比是有條件的，動靜彈模測試方法各有優(yōu)勢。沙椿通過靜動對比，分別建立變形模量與聲波和地震波速度的相關(guān)規(guī)律，并將大量的彈性波測試成果轉(zhuǎn)換為變形模量，為壩基巖體質(zhì)量分級、穩(wěn)定性評價(jià)及變模分區(qū)、應(yīng)力分析提供了實(shí)用指標(biāo)。李維樹對三峽壩區(qū)巖體及烏江構(gòu)皮灘水電站分別進(jìn)行了動力法和靜力法的試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究，建立壩區(qū)變形特性的動靜對比相關(guān)式。全海通過對巖體變形模量與原位縱波波速的研究，結(jié)合工程實(shí)例，建立了該工程巖體變形模量與聲速的相關(guān)關(guān)系。胡國忠、王宏圖以川東北飛仙關(guān)組的儲層和致密層巖石為研究對象，建立不同巖性的巖石的動彈性模量和靜彈性模量的相關(guān)關(guān)系。李偉、田連義分別對小灣水電站壩址區(qū)巖體的動靜彈模進(jìn)行對比分析研究，通過動靜對比關(guān)系將巖體彈性波測試的速度空間分布規(guī)律轉(zhuǎn)換為變形模量分區(qū)，也為工程設(shè)計(jì)及壩基巖體質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

從國內(nèi)動靜對比研究成果來看，各水電工程所采用的動靜對比關(guān)系式各異，這也體現(xiàn)了各水電站地質(zhì)條件的差異性以及動靜對比研究的復(fù)雜性。本文基于白鶴灘水電站可研階段的巖體動靜參數(shù)測試成果，分析測試成果的規(guī)律性，結(jié)合白鶴灘巖體的巖性多樣性、各向異性、非均質(zhì)性等特征，選擇具有地質(zhì)代表性的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行動靜對比關(guān)系式擬合，建立了地震波速度、聲波速度與巖體變形模量之間的關(guān)系，并通過分析論證，推薦使用聲波速度與巖體變形模量的動靜對比關(guān)系式。

1 測試方法

1.1巖體變形試驗(yàn)

巖體變形試驗(yàn)采用剛性承壓板法，同時在試點(diǎn)周邊鉆取4～8個聲波孔，進(jìn)行聲波測試。

巖體變形模量或者彈性模量按公式（1）計(jì)算，當(dāng)以全變形W0代入式中計(jì)算時為變形模量E0；當(dāng)以彈性變形We代入式中計(jì)算時為彈性模量Ee。

式中：W為巖體表面變形；P為按承壓面單位面積計(jì)算的壓力；D為承壓板直徑；μ泊松比。

1.2彈性波測試

針對變形試驗(yàn)點(diǎn)巖體開展了聲波和地震波測試，測試方法和資料整理如下。

1.2.1 聲波測試

變形試驗(yàn)點(diǎn)巖體聲波速度測試采用RS-ST01C智能型聲波儀。本次采用單孔聲波測試法，聲波速度的計(jì)算公式如下：

式中：t1，t2分別為同一激發(fā)信號的相同相位在兩個接收換能器的接收時間；Δt為二者時間差；L為兩個接收換能器的間距；Vp為聲波速度。

1.2.2 地震波測試

平洞洞壁巖體和變形試驗(yàn)點(diǎn)巖體地震波測試使用美國公司制造的SE12型智能地震儀及其配套設(shè)備。

變形試驗(yàn)點(diǎn)巖體地震波測試時，檢波器以變形試驗(yàn)點(diǎn)為中心兩邊展開布置，對于平洞洞壁巖體檢波器沿洞壁呈直線布置。采用相遇觀測系統(tǒng)，以錘擊作震源，道間距為0.5～1m，地震波測試使用同一儀器和檢波器，每次測試時使用同一采集參數(shù)。

從地震波原始記錄上讀取縱、橫波旅行時，然后求取θ（x）曲線，利用下式計(jì)算波速：

式中：v為地震波速度；△s為θ(x)曲線的距離差。

2 測試成果

預(yù)可至可研階段白鶴灘壩區(qū)共完成162點(diǎn)玄武巖剛性承壓板試驗(yàn)，其中134個變形試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行了波速測試，并取得有效數(shù)據(jù)；試驗(yàn)壓力為水平向試驗(yàn)點(diǎn)計(jì)73點(diǎn)，壓力為鉛直向試驗(yàn)點(diǎn)計(jì)61點(diǎn)。根據(jù)變形試驗(yàn)成果對各巖性變模進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。

從統(tǒng)計(jì)成果可知：

（1）同巖性巖體，隨著巖體類別的提高，其變模和波速增高。

（2）對比同類別巖體的變模，隱晶質(zhì)玄武巖、杏仁狀玄武巖和角礫熔巖間差異較小，將它們歸并為同一類巖體，統(tǒng)稱為非柱狀節(jié)理玄武巖。除Ⅲ2巖體外，大部分同類別柱狀節(jié)理玄武巖的變模與非柱狀節(jié)理玄武巖相當(dāng)，但波速高于非柱狀節(jié)理玄武巖。

（3）對具有統(tǒng)計(jì)意義的巖體類別（至少有3點(diǎn)）而言，大部分同類巖體壓力水平向變模高于鉛直向，說明巖體具有各向異性特征。

3 動靜對比分析

從第2節(jié)的分析可知，柱狀節(jié)理玄武巖與非柱狀節(jié)理玄武巖動靜參數(shù)之間存在差異，因此在分析中將二者分別進(jìn)行動靜參數(shù)關(guān)系擬合。考慮試驗(yàn)點(diǎn)的地質(zhì)代表性、匹配性、規(guī)律性等因素，剔除了部分試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3.1地震波速度與變模相關(guān)性

地震波只進(jìn)行水平向測試，分別對柱狀節(jié)理玄武巖與非柱狀節(jié)理玄武巖體的地震波速度與變模之間進(jìn)行動靜對比關(guān)系曲線擬合，關(guān)系式分別為E0=7.9366·Vp0.4709和E0=1.4399Vp1.6968，其相關(guān)系數(shù)分別為0.24和0.53。可見地震波速度與變形模量之間相關(guān)度低。

3.2聲波速度與變模相關(guān)性

對134個剛性承壓板變形試驗(yàn)點(diǎn)的巖體測得了聲波速度，其中試驗(yàn)壓力水平向試驗(yàn)點(diǎn)為73點(diǎn)，壓力鉛直向試驗(yàn)點(diǎn)為61點(diǎn)，根據(jù)上文所述，將其分為柱狀節(jié)理玄武巖巖體與非柱狀節(jié)理玄武巖巖體，并考慮水平向與鉛直向變形模量的差異，再分壓力方向進(jìn)行聲波速度與變形模量的關(guān)系擬合。

表1 剛性承壓板變形試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)一覽表

3.2.1 柱狀節(jié)理玄武巖

柱狀節(jié)理玄武巖體聲波速度和變形模量關(guān)系擬合中，水平向采用了23組數(shù)據(jù)，鉛直向采用了14組數(shù)據(jù)，其擬合關(guān)系式分別為E0=0.0264e1.2232Vp和E0=0.1075e0.9337Vp，其相關(guān)系數(shù)分別為0.96和0.84。由此可知，柱狀節(jié)理玄武巖體的水平向變模和鉛直向變模與聲波速度相關(guān)度高。因此，考慮將其二者進(jìn)行歸并擬合，擬合曲線關(guān)系式為E0=0.0344e1.1667Vp，柱狀節(jié)理玄武巖體水平向和鉛直向動靜參數(shù)進(jìn)行歸并擬合后，相關(guān)度高，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.94。

3.2.2 非柱狀節(jié)理玄武巖

非柱狀節(jié)理玄武巖體聲波速度和變形模量關(guān)系擬合中，水平向采用了31組數(shù)據(jù)，鉛直向采用了23組數(shù)據(jù)，其擬合關(guān)系式分別為E0=0.0474e1.2191Vp和E0=0.6214e0.6928Vp，相關(guān)系數(shù)分別為0.90和0.54。

由以上分析可知，對非柱狀節(jié)理玄武巖體而言，水平向變模與聲波速度相關(guān)度高，相關(guān)系數(shù)為0.90，而鉛直向變模與聲波速度相關(guān)程度則要低，相關(guān)系數(shù)僅有0.54。

4 動靜對比關(guān)系式論證與推薦

前述章節(jié)建立了各巖性巖體地震波、聲波與模量的相關(guān)關(guān)系，各動靜對比關(guān)系式是否符合實(shí)際需要進(jìn)一步分析和論證。動靜對比關(guān)系式擬從以下兩個方面進(jìn)行評價(jià)：

（1）相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)表征兩個變量的相關(guān)程度，相關(guān)系數(shù)越大，表明兩變量的相關(guān)性越好，通常相關(guān)系數(shù)大于0.8時認(rèn)為兩變量的相關(guān)性較好。由于白鶴灘壩區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，相關(guān)系數(shù)按表2的標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)動靜對比關(guān)系式的相關(guān)程度。

（2）相關(guān)資料論證。以波速標(biāo)準(zhǔn)值驗(yàn)算模量，將其與變模標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，分析動靜對比關(guān)系式的合理性和適用性。

表2 動靜對比關(guān)系式相關(guān)程度評價(jià)表

4.1地震波速度與變形模量

各巖性巖體剛性承壓板模量和地震波速度的動靜對比關(guān)系式匯總見表3。

表3 動靜對比相關(guān)性一覽表

從表3中可知，巖體地震波速度與變形模量擬合關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)均小于0.6，相關(guān)性差，不予采用該動靜對比關(guān)系式。

4.2聲波速度與變形模量

各巖性巖體剛性承壓板模量和聲波速度的動靜對比關(guān)系式匯總見表4。以下分別對柱狀節(jié)理玄武巖和非柱狀節(jié)理玄武巖的動靜對比關(guān)系式進(jìn)行分析與評價(jià)。

4.2.1 柱狀節(jié)理玄武巖

從表4可知，柱狀節(jié)理玄武巖壓力水平向、鉛直向和綜合水平鉛直方向的動靜對比關(guān)系式均為指數(shù)函數(shù)，相關(guān)系數(shù)均大于0.8，相關(guān)性較好至好。

表4 動靜對比相關(guān)性一覽表

根據(jù)Vp～E0關(guān)系計(jì)算出各類柱狀節(jié)理玄武巖波速標(biāo)準(zhǔn)值所對應(yīng)的變模，計(jì)算值與變模標(biāo)準(zhǔn)值對比見表5。

由表5可知：（1）根據(jù)水平向、鉛直向和綜合Vp～E0關(guān)系式計(jì)算的各類巖體變模相近；（2）依據(jù)Vp～E0關(guān)系式計(jì)算的各類巖體變模與水平向變模標(biāo)準(zhǔn)值相近，大于鉛直向標(biāo)準(zhǔn)值。

表5 柱狀節(jié)理玄武巖各類變模對比一覽表

變形模量標(biāo)準(zhǔn)值的水平向和鉛直向存在差異，這是由于層間、層內(nèi)錯動帶影響以及巖體松弛程度不同所造成的，而從聲波速度測試成果來看，聲波并不具有各向異性特征，因此通過Vp～E0關(guān)系式所得的水平向與鉛直向變模相近，這也論證了成果的合理性。

4.2.2 非柱狀節(jié)理玄武巖

非柱狀節(jié)理玄武巖Vp～E0關(guān)系均為指數(shù)函數(shù)，壓力水平向的Vp～E0相關(guān)系數(shù)為0.9，相關(guān)性好。鉛直向和綜合向的Vp～E0相關(guān)系數(shù)范圍為0.54～0.76，相關(guān)性差到一般。

根據(jù)Vp～E0關(guān)系計(jì)算各類非柱狀節(jié)理玄武巖波速標(biāo)準(zhǔn)值所對應(yīng)的變模，計(jì)算結(jié)果與變模標(biāo)準(zhǔn)值對比見表6。

表6 非柱狀節(jié)理玄武巖各類變模對比一覽表

從表6中可知：

（1）除Ⅳ類巖體外，根據(jù)水平向、鉛直向和綜合Vp～E0關(guān)系式計(jì)算的各類巖體變模相近；

（2）依據(jù)Vp～E0關(guān)系式計(jì)算的各類巖體變模與水平向變模標(biāo)準(zhǔn)值相近，鉛直向計(jì)算成果則大部分大于變模標(biāo)準(zhǔn)值。

4.3動靜對比關(guān)系式推薦

基于本文提出的兩個標(biāo)準(zhǔn)，上述分別對柱狀節(jié)理玄武巖與非柱狀節(jié)理玄武巖進(jìn)行動靜對比關(guān)系式論證分析。從論證成果可知，柱狀節(jié)理玄武巖體水平向與鉛直向動靜對比關(guān)系式皆合理，且二者較為相近，因此推薦綜合Vp～E0關(guān)系式；對非柱狀節(jié)理玄武巖體而言，水平向Vp～E0關(guān)系式相關(guān)性好，且成果合理，而鉛直向Vp～E0關(guān)系式則相關(guān)性差，且與相應(yīng)的變模標(biāo)準(zhǔn)值之間存在差異，因此推薦水平向Vp～E0關(guān)系式，考慮到波速無各向異性特征，水平向與鉛直向推薦同一個關(guān)系式。推薦的Vp～E0關(guān)系式見表7。

表7 推薦的動靜對比關(guān)系式匯總表

5 結(jié)論

（1）基于白鶴灘巖體彈性波和變形特性，將隱晶質(zhì)玄武巖、杏仁狀玄武巖和角礫熔巖歸并為非柱狀節(jié)理玄武巖，動靜對比關(guān)系按柱狀節(jié)理玄武巖和非柱狀節(jié)理玄武巖分別建立。

（2）各巖性巖體地震波速度與變模、靜彈模的相關(guān)性差，無法建立相關(guān)性較高的動靜對比關(guān)系式，主要原因?yàn)樽冃卧囼?yàn)和地震波測試反映的巖體不一致。

（3）柱狀節(jié)理玄武巖剛性承壓板水平向、鉛直向、綜合水平鉛直向動靜對比關(guān)系式相近，均呈指數(shù)函數(shù)，相關(guān)程度較高，且與相應(yīng)的變模標(biāo)準(zhǔn)值接近。推薦剛性承壓板綜合Vp～E0關(guān)系式作為動靜對比關(guān)系式。

（4）非柱狀節(jié)理玄武巖各模量和聲波速度呈指數(shù)相關(guān)，水平向的Vp～E0關(guān)系相關(guān)度高，鉛直向Vp～E0關(guān)系相關(guān)度低，故推薦剛性承壓板水平向Vp～E0關(guān)系式作為非柱狀節(jié)理玄武巖的動靜對比關(guān)系式。

（5）推薦的各動靜對比關(guān)系式依據(jù)可行性研究階段的測試資料，隨著工作的深入和資料的補(bǔ)充，動靜對比關(guān)系式需進(jìn)一步驗(yàn)證與完善。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.027

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1672-2469（2014）02-0098-05

黃火林（1982年- ），男，工程師。