李祥俊，穆萬鵬，劉忠富，譚春（.華能瀾滄江水電股份有限公司托巴水電工程籌建處，云南 迪慶 674600；.桑河二級水電站有限公司，云南 昆明 6504；.中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林 長春 006）

壩基斷層巖體原位直剪與變形試驗研究

李祥俊1，穆萬鵬2，劉忠富3，譚春3
（1.華能瀾滄江水電股份有限公司托巴水電工程籌建處，云南 迪慶 674600；2.桑河二級水電站有限公司，云南 昆明 650214；3.中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林 長春 130061）

由于壩基F67斷層破碎帶規(guī)模較大，性狀較差，對壩基變形、抗滑及滲透穩(wěn)定影響均較大，如何使提供的抗剪強度與變形模量參數(shù)既保證大壩安全又經(jīng)濟合理，是試驗工作的關(guān)鍵。文中根據(jù)豐滿水電站壩基進行的原位試驗，介紹了這次試驗內(nèi)容、方法及成果，提出了該工程F67斷層泥化帶、強烈擠壓破碎帶和擠壓破碎帶的巖體變形模量和抗剪強度參數(shù)，為設(shè)計提供依據(jù)。

豐滿重建；壩基F67斷層；巖體變形與直剪；試驗成果

1　概述

豐滿水電站始建于1937年偽滿時期，是我國最早建設(shè)的水電站，由于當時的建設(shè)條件，大壩施工質(zhì)量差，滲漏嚴重，存在安全隱患。2009年9月，水電水利規(guī)劃設(shè)計總院審查并通過中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司設(shè)計的重建方案。

豐滿水電站為吉林省境內(nèi)第二松花江干流上修建的一座以發(fā)電為主，兼顧防洪、供水、灌溉等多方面綜合利用的大型水力發(fā)電工程，工程為一等工程，主要建筑物大壩、左岸泄洪兼導(dǎo)流洞、壩后式廠房和開關(guān)站為1級建筑物。壩址布置在原壩址下游120 m處，為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程269.90 m，壩頂長1 068.00 m，最大壩高94.50 m。

2　 F67斷層地質(zhì)條件

壩址區(qū)主要為二疊系下統(tǒng)一拉溪組地層和第四系地層（玄武巖和松散堆積物），侵入巖為華力西晚期花崗巖。其中F67斷層為壩址區(qū)發(fā)育規(guī)模最大、性狀最差的一條斷層破碎帶，在右岸階地部位順江通過壩址區(qū)，與壩軸線近于正交。該斷層破碎帶由F67-1、F67-2、F67-3、F67-4和F67-5等多條斷層組成，總體走向N15°～50°W，傾向SW，傾角60°～85°。由于F67斷層多期活動，致使該破碎帶斷層條數(shù)較多，間距較近，加之風化作用的影響，各斷層寬度不一，性狀亦有差異；但破碎帶寬度總體上自上而下逐漸變小，破碎程度隨深度的增加而逐漸減弱。整個破碎帶巖石破碎程度不均一，按其破碎情況大致可分斷層泥化帶、強烈擠壓破碎帶和擠壓破碎帶三個部分。

泥化帶：約占斷層帶總寬度的2.3%，即F67-1、F67-2、F67-3斷層中心帶；F67-1斷層泥化帶寬度約0.5～0.7 m，局部可達2.5 m，由灰～灰黃色泥夾巖屑組成，濕時具塑性。F67-2、F67-3斷層泥化帶分別寬0.4～0.6 m和0.05～0.1 m，由泥夾巖屑組成。

強烈擠壓破碎帶：約占斷層帶總寬度的18.7%，沿F67-1、F67-2、F67-3斷層中心帶上盤分布，寬一般3～6 m，破碎帶內(nèi)與斷層方向一致的陡傾角節(jié)理密集分布，破碎帶內(nèi)巖石多被壓碎成數(shù)厘米至十厘米大小的較軟弱至中等堅硬的巖塊（碎塊巖），部分地段見有碎裂巖及斷層角礫巖，并多被鈣質(zhì)及硅質(zhì)次生物重新膠結(jié)，局部有綠泥石化、高嶺土化現(xiàn)象。

擠壓破碎帶：約占斷層帶總寬度的79%，分布于F67-1、F67-2、F67-3強烈擠壓破碎帶兩側(cè)，寬度25～30 m；破碎帶內(nèi)見有多條傾角較陡的小斷層，巖石多破碎呈10～30 cm大小的中硬巖塊，局部強烈破碎、軟弱。其特點是壓碎巖塊多被鈣質(zhì)及硅質(zhì)次生物重膠結(jié)，整個擠壓破碎帶下盤破碎程度較上盤輕，下盤側(cè)擠壓破碎帶向外壓碎巖塊逐漸增大，巖石由中等堅硬逐漸變?yōu)閳杂病?/p>

3　試驗內(nèi)容

這次試驗是在大壩施工期間，由設(shè)計、地質(zhì)、試驗、監(jiān)理、施工共同確定試驗位置，在F67斷層壩段建基面斷層帶內(nèi)進行，內(nèi)容包括原位變形試驗和原位抗剪（斷）試驗。原位變形試驗：在F67斷層泥化帶、一般擠壓破碎帶、強烈擠壓破碎帶布置原位變形試驗各1組，每組6個試驗點。試驗采用剛性承壓板法，巖體變形試驗加載方向為鉛直方向。

原位抗剪（斷）試驗：在F67斷層一般擠壓破碎帶布置原位抗剪（斷）試驗2組，每組6個試驗點；F67斷層強烈擠壓破碎帶布置原位抗剪（斷）試驗1組，每組6個試驗點；F67斷層泥化帶布置原位抗剪（斷）試驗1組，每組6個試驗點。試驗采用平推法，其剪切加載方向與工程總體的水流推力方向一致，即剪力方向為N23.4°W，法向加載方向與鉛直方向。

4　試驗方法

4.1巖體直剪試驗方法

在巖體直剪試驗中，巖體剪切破壞遵循庫侖準則，其表達式為：

τ=σtgφ+C

式中：τ——施加在剪切面上的剪應(yīng)力，MPa；σ——施加在剪切面上的法向應(yīng)力，MPa；φ——材料的內(nèi)摩擦角；C——材料的粘聚力，MPa。

巖體直剪試驗采用平推法，在人工泡水條件下進行，剪切荷載方向與工程水流推力方向一致。根據(jù)設(shè)計資料，豐滿工程壩基應(yīng)力為2.0 MPa，分五級施加，級差為0.4 MPa，確定各級應(yīng)力為0.4，0.8，1.2，1.6，2.0 MPa。

對試驗場地進行清理，加工變形、直剪試驗試件，變形試驗與直剪試驗類似。4.2巖體變形試驗方法

巖體的變形試驗原理為彈性理論方法，認為巖體是理想均勻的各向同性的彈性體，按照彈性理論半空間無限體的布西涅斯克公式，計算巖體的彈性模量和變形模量。剛性承壓板法試驗變形參數(shù)按下列公式計算：式中：E——變形模量或彈性模量，MPa；當以全變形W0代入式中計算時為變形模量E0，當以彈性變形We代入式中計算時則為彈性模量Ee；μ——巖體泊松比；p——按承壓面單位面積計算的壓力，MPa；D——承壓板直徑，cm；D——巖體表面變形，cm。

巖體變形試驗采用剛性承壓板法，在人工泡水條件下進行，巖體變形試驗加載方向為鉛直方向，加載方式采用逐級一次循環(huán)法，試驗壓力荷載分5級進行。工程設(shè)計最大荷載為2.0 MPa，分五級施加，級差為0.4 MPa。

5　試驗結(jié)果

5.1抗剪試驗結(jié)果

這次巖體直剪試驗在F67斷層共進行4組24個巖體直剪試驗，F(xiàn)67直剪試驗為泥化帶剪切、強烈擠壓破碎帶剪切和擠壓破碎帶剪切。其中泥化帶抗剪斷（或抗剪）應(yīng)力曲線和試驗結(jié)果見圖2、圖3和表1所示。

總體上看，各組規(guī)律較好，試驗成果如下：泥化帶峰值強度：tgφ′=1.191，C′=0.534；tgφ=0.909，C=0.524MPa；強烈擠壓破碎帶峰值強度：tgφ′= 0.72，C′=1.616；tgφ=0.701，C=1.072 MPa；擠壓破碎帶峰值強度：tgφ′=1.261，C′=1.235；tgφ′=1.061，C=1.124 MPa；綜合值tgφ′=1.343，C′=1.071；tgφ= 1.030，C=1.035MPa。

5.2變形試驗結(jié)果

這次巖體變形試驗在F67斷層分別進行了3組（18點）巖體變形試驗，總體上看，各測段和測點的變形規(guī)律較好，與被測巖體的實際情況基本吻合，其變形特性指標在總體量級上是合理的。其中泥化帶變形試驗成果和變形模量關(guān)系曲線見表2和圖4所示。

試驗基本結(jié)果如下：泥化帶變形模量為0.08～0.24 GPa，平均為0.17 GPa，彈性模量為0.18～0.38 GPa，平均為0.32 GPa；強烈擠壓破碎帶變形模量為0.30 GPa～0.56GPa，平均為0.40GPa，彈性模量為0.26～0.76 GPa，平均為0.61 GPa；擠壓破碎帶變形模量為0.70～1.07 GPa，平均為0.86 GPa，彈性模量為0.91～1.43 GPa，平均為1.13 GPa。

表1　泥化帶抗剪斷（抗剪）試驗成果

圖2　泥化帶抗剪斷正應(yīng)力-剪應(yīng)力曲線

圖3　泥化帶抗剪正應(yīng)力-剪應(yīng)力曲線

表2　泥化帶變形試驗成果匯總表

6　結(jié)論

壩基F67斷層為壩址區(qū)發(fā)育規(guī)模最大、性狀最差的一條斷層破碎帶，是工程地質(zhì)研究的重點對象，其強度參數(shù)尤其重要，受巖性、成因及賦存環(huán)境等復(fù)雜因素影響。因此，在建壩地區(qū)的勘測中，均把斷層的試驗、勘察放在首要位置。目前，斷層破碎帶的巖體變形與抗剪強度參數(shù)的選定主要有兩種方法：其一是工程類比法，一般用于中小型工程或大型工程的規(guī)劃、可行性研究階段試驗資料不足的情況下。其二是現(xiàn)場原位試驗法，主要用于大型工程，在地質(zhì)勘探洞內(nèi)或壩基建基面上進行。通過國內(nèi)有關(guān)工程經(jīng)驗，比如錦屏一級水電站、黑龍江大頂子山航電樞紐等工程，采取在壩基建基面上進行巖體變形與直剪試驗，試驗方法是可行的，試驗成果科學合理，符合工程實際，使提供的抗剪強度與變形模量參數(shù)既保證大壩安全，又經(jīng)濟合理。

圖4 F67斷層泥化帶變形模量關(guān)系曲線

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