陳書文，許仙娥

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司勘察院，天津 300222)

1 研究背景

變形模量是巖體力學(xué)重要的參數(shù)之一，大型工程往往需要準確測試巖體的變形模量，為工程設(shè)計驗算壩基穩(wěn)定性提供依據(jù)。由于巖體是具有各向異性的非連續(xù)結(jié)構(gòu)，所處的地形地質(zhì)環(huán)境不同，物理力學(xué)性質(zhì)差別較大，尤其是巖體的變形模量，受結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度的影響更大，建設(shè)工程往往采取固結(jié)灌漿的方法，來改善巖體的完整性和均勻性，從而提高巖體變形模量。

目前，巖體變形模量取值一般通過以下途徑:①原位試驗［1］;②經(jīng)驗關(guān)系方法，如 RMR，Q［2－3］等;③通過地球物理方法計算(通常是縱波速度測試);④依據(jù)規(guī)范［4］取值。經(jīng)過固結(jié)灌漿后的巖體變形模量，采用原位試驗雖然可靠準確，但試驗周期長、費用昂貴，且灌漿后的巖體均位于建筑物基礎(chǔ)內(nèi)，開挖大量的試驗點既不經(jīng)濟也不實際，且由于巖體結(jié)構(gòu)的差異及巖體變形試驗的尺寸效應(yīng)［5］，即使進行大規(guī)模的變形試驗，也只能取得一些點上的資料，很難把握經(jīng)固結(jié)灌漿后巖體各個部位的變形模量值。規(guī)范取值雖具有普遍指導(dǎo)意義，但當巖體變形模量為影響工程建設(shè)的重要參數(shù)時，特別是固結(jié)灌漿后的取值，尚不能滿足設(shè)計復(fù)核要求。因此，需要結(jié)合影響變形模量的各項因素，在綜合這些因素的基礎(chǔ)上，尋找能夠代表各因素基本特征，同時具備可實施又簡便、快速的方法，作為固結(jié)灌漿后建基巖體變形特征的綜合評價，并得出灌漿巖體的變形模量值。

2 高摩贊大壩樞紐工程概況

高摩贊大壩樞紐工程位于巴基斯坦南瓦茲里斯坦地區(qū)，壩址區(qū)主要建筑物包括133 m高碾壓混凝土曲線型重力壩、發(fā)電引水系統(tǒng)和廠房等，大壩已于2011年建成蓄水。

壩址區(qū)岸坡陡立、河道狹窄，主要由侏羅系薄層灰?guī)r夾砂質(zhì)頁巖組成，風化卸荷深度大、范圍廣，斷層、裂隙、層間剪切帶等構(gòu)造發(fā)育，巖體破碎、巖體完整性差、模量低，天然狀態(tài)下的巖體質(zhì)量不能滿足混凝土曲線重力壩的建設(shè)，其安全性取決于壩基巖體固結(jié)灌漿的質(zhì)量。為檢驗固結(jié)灌漿效果，高摩贊工程采用了聲波、地震波檢測和現(xiàn)場試驗多種手段。

3 現(xiàn)場變形試驗

巖體現(xiàn)場變形試驗方法有承壓板法、狹縫法、單(雙)軸壓縮法、鉆孔徑向加壓法、液壓枕徑向加壓法及水壓法，本實例采用了剛性承壓板法和鉆孔徑向加壓法中的鉆孔千斤頂法，按彈性理論公式計算巖體變形參數(shù)。

剛性承壓板法計算公式為

式中:E為變形模量(MPa);P為承壓面單位面積上的壓力(MPa);W為巖體表面變形(cm);D為承壓板直徑(cm);μ為巖體泊松比。

鉆孔千斤頂法計算公式為

式中:k為與千斤頂相關(guān)的系數(shù);p為試驗壓力與初始壓力之差(MPa);d為鉆孔直徑(cm);Δd為鉆孔巖體徑向變形(cm)。

4 灌漿巖體變形模量估算

4.1 實測縱波速度估算

巖體的變形模量與巖體風化程度的變化有很好的相關(guān)性。國內(nèi)外已有成果表明，縱波速度既可反映巖體的風化程度、完整性和應(yīng)力狀態(tài)，也可反映巖體的變性特征，與巖體變形模量具有較好相關(guān)關(guān)系［6］。

在對灌漿巖體進行現(xiàn)場變形試驗的同時，利用聲波和地震波測試，量測變形點的縱波速度，根據(jù)變形試驗點試驗值及對應(yīng)的地震波縱波波速值(見表1)，通過統(tǒng)計分析建立二者之間的相關(guān)關(guān)系(見圖1)。

表1 變形試驗點地震波縱波速度與變形模量Table 1 Values of longitudinal velocity of seismic wave and deformation modulus at deformation test s pot

地震波縱波速度與灌漿巖體變形模量的相關(guān)關(guān)系式為

式中:Vps為地震波縱波速度(km/s);E0為灌漿巖體變形模量(GPa);r為相關(guān)系數(shù)。

聲波縱波速度與地震波縱波速度采用實測數(shù)據(jù)建立相關(guān)關(guān)系，相關(guān)曲線如圖2所示，其關(guān)系式為

式中Vpa為聲波縱波速度(km/s)。

圖1 地震波縱波速度與變形模量關(guān)系曲線Fig.1 Relation between longitudinal velocity of seismic wave and deformation modulus

圖2 聲波與地震波縱波速度關(guān)系曲線Fig.2 Relation between velocity of sound wave and longitudinal velocity of seismic wave

4.2 規(guī)范經(jīng)驗估算

根據(jù)規(guī)范［4］附錄E和V的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，得出回歸聲波縱波速度與變形模量的相關(guān)關(guān)系如圖3所示，其擬合公式為

圖3 聲波縱波速度與變形模量相關(guān)曲線Fig.3 Relation between sound wave velocity and deformation modulus

5 灌漿巖體變形模量對比

高摩贊工程針對灌漿后的建基巖體進行了大量的檢測工作，包括現(xiàn)場承壓板法、鉆孔千斤頂法變形試驗和孔內(nèi)聲波、孔內(nèi)聲波對穿、試驗洞地震波及試驗洞間地震波對穿測試，獲得了大量的實測數(shù)據(jù)，尤其是孔內(nèi)聲波測試數(shù)據(jù)。依據(jù)實測數(shù)據(jù)，采用前文所敘方法確定的固結(jié)灌漿后巖體變形模量如表2。

表2 各種方法確定的固結(jié)灌漿后建基巖體變形模量Table 2 Values of deformation modulus of dam foundation rock mass determined by different methods after consolidation grouting

本實例工程在固結(jié)灌漿后，進行了大量的鉆孔千斤頂法變形試驗和單孔聲波測試，從表2對比看，依據(jù)單孔聲波測試數(shù)據(jù)估算的變形模量與有限的現(xiàn)場大型變形試驗成果更接近，也較符合本工程實例巖體質(zhì)量的分布趨勢;規(guī)范經(jīng)驗公式估算的變形模量也接近大型試驗成果。而鉆孔千斤頂法變形試驗，盡管具有簡便和易于實施等特點，但其受巖體完整程度、鉆孔孔壁光滑度和試驗設(shè)備的差異等影響較大，適宜性還值得商榷。

依據(jù)單孔聲波測試數(shù)據(jù)估算成果，經(jīng)綜合分析，固結(jié)灌漿后壩基巖體變形模量地質(zhì)建議值如表3，經(jīng)設(shè)計復(fù)核可以滿足大壩變形穩(wěn)定要求，目前大壩運行和監(jiān)測基本正常。

表3 固結(jié)灌漿后壩基巖體變形模量地質(zhì)建議值Table 3 Proposed values of deformation modulus of dam foundation rock mass after consolidation grouting

通過比較分析可看出，采用縱波速度與變形模量的相關(guān)性，依靠單孔聲波測試數(shù)據(jù)可以用來估算巖體的變形模量，其快速、簡便，便于實施，更適合估算固結(jié)灌漿后建基巖體的變形模量。在有測試資料時，依據(jù)規(guī)范經(jīng)驗估算也可取得較好的效果。

6 結(jié)語

隨著水電工程的發(fā)展，對于各種地質(zhì)條件復(fù)雜，建基巖體質(zhì)量較差的工程，尤其需要關(guān)注固結(jié)灌漿后巖體的變形模量。而影響巖體變形模量的因素較多，也較復(fù)雜，對于已完工的工程，如何快速、簡便地確定灌漿巖體的變形模量尤為重要。筆者以高摩贊大壩樞紐工程為例，探討確定固結(jié)灌漿后巖體變形模量的幾種途徑，采用縱波速度估算灌漿巖體變形模量，確定地質(zhì)建議值，為工程設(shè)計復(fù)核提供依據(jù)，類似工程可以借鑒。

［1］SL264—2001，水利水電巖石試驗規(guī)程［S］.(SL264—2001，Specifications for Rock Tests in Water Conservancy and Hydroelectric Engineering［S］.(in Chinese))

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［3］BARTON N，LOSET F，LIEN R，et al.Application of Q-system in Design Decisions Concerning Dimensions and Appropriate Support for Underground Installations［C］∥International Society for Rock Mechanics.Proceedings of the International Conference of Subsurface Space，Rockstore.Stockholm，Sweden.June 23－27，1980:553 －561.

［4］GB 50487—2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.(GB 50487—2008，Code for Engineering Geological Investigation of Water Resources and Hydropower［S］.(in Chinese))

［5］張占榮，盛 謙，楊艷霜，等.基于現(xiàn)場試驗的巖體變形模量尺寸效應(yīng)研究［J］.巖土力學(xué)，2010，31(9):2875 －2881.(ZHANG Zhan-rong，SHENG Qian，YANG Yan-shuang，et al.Study of Size Effect of Rock Mass Deformation Modulus Based on In-situ Test［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31(9):2875 － 2881.(in Chinese))

［6］宋彥輝，巨廣宏，孫 苗.巖體波速與壩基巖體變形模量關(guān)系［J］.巖土力學(xué)，2011，32(5):1507 －1512.(SONG Yan-hui，JU Guang-hong，SUN Miao.Relationship between Wave Velocity and Deformation Modulus of Rock Masses［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32(5):1507 －1512.(in Chinese))