魏星燦，楊靜熙，肖華波，王 剛

(中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

楞古水電站壩基花崗偉晶巖脈力學(xué)參數(shù)研究

魏星燦，楊靜熙，肖華波，王 剛

(中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072)

壩基巖土體力學(xué)參數(shù)是水電工程大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性計(jì)算的重要依據(jù)，楞古水電站壩基出露了大量花崗偉晶巖脈，因此，研究其力學(xué)參數(shù)具有重要的工程意義。通過圓形剛性承壓板試驗(yàn)和平推直剪試驗(yàn)研究了巖脈的變形特征和強(qiáng)度特征，試驗(yàn)結(jié)果表明：巖脈承壓板試驗(yàn)應(yīng)力-變形關(guān)系曲線分為直線型(或準(zhǔn)直線型)、上凹型2種，巖脈直剪試驗(yàn)τ-u關(guān)系曲線分為脆性、塑性和復(fù)合型3種。通過分析包絡(luò)模量、割線模量的物理意義和水電工程的特點(diǎn)，以及最小二乘法、優(yōu)定斜率法在強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析中的代表性，確定了巖體力學(xué)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的取值原則。通過研究，最終提出了壩基花崗偉晶巖脈的力學(xué)參數(shù)。

偉晶巖脈；巖體力學(xué)參數(shù)；巖體變形；巖體強(qiáng)度; 楞古水電站

1 研究背景

在水電工程中，巖土體的物理力學(xué)參數(shù)選取一直是勘測(cè)設(shè)計(jì)工作中研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)于基巖上建重力壩，需重點(diǎn)研究壩基巖體的變形模量、巖體抗剪(斷)強(qiáng)度和混凝土與巖體接觸面的抗剪(斷)強(qiáng)度。

目前，巖體力學(xué)參數(shù)取值方法主要有：工程經(jīng)驗(yàn)類比法、加權(quán)平均值法、位移反分析法、貝葉斯可靠估計(jì)法、敏感性綜合分析法、最小二乘法、優(yōu)定斜率法等[1]。水電工程中，壩基巖體力學(xué)參數(shù)常利用原位試驗(yàn)進(jìn)行分析研究，但原位試驗(yàn)費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、試驗(yàn)難度大，因此，利用少量原位試驗(yàn)研究巖體力學(xué)參數(shù)顯得尤其重要。除了通過原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)分析方法獲取巖體力學(xué)參數(shù)外，劉春等[2]、寇雪蓮[3]還總結(jié)出巖體分類法、數(shù)值模擬法和數(shù)學(xué)力學(xué)法。楊澤等[4]在計(jì)算巖體力學(xué)參數(shù)時(shí)，利用Hoek-Brown準(zhǔn)則、 Georgi方法、費(fèi)森科方法和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合，采取折減處理法。汪亦顯[5]利用巖石不同角度的剪切試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，采用了隨機(jī)-模糊回歸分析法和最小二乘法進(jìn)行參數(shù)研究。劉業(yè)科等[6]在運(yùn)用Kalamaras法、Hoek-Brown法和Singh方法獲取巖體力學(xué)參數(shù)時(shí)，考慮到巖塊與巖體的差異，采取工程處理法得到了巖體力學(xué)參數(shù)。

楞古水電站為雅礱江中游第4級(jí)梯級(jí)電站，屬于大Ⅰ型水電工程，擬建碾壓混凝土重力壩，最大壩高167 m，電站裝機(jī)容量2 595 MW。壩基巖體以變質(zhì)砂巖為主，部分為花崗偉晶巖脈。在野外調(diào)查、工程地質(zhì)測(cè)繪和勘探揭示的基礎(chǔ)上，依據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[7]和《水電水利工程壩址工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》[8]進(jìn)行了壩基巖體質(zhì)量初步分級(jí)。在壩基巖體質(zhì)量分級(jí)和力學(xué)參數(shù)選取過程中，壩基巖脈常成為一個(gè)不利的影響因素[9-10]，鑒于目前國(guó)內(nèi)水電工程中對(duì)花崗偉晶巖脈研究較少，為此專門針對(duì)楞古壩花崗偉晶基巖脈開展了力學(xué)參數(shù)研究。

2 壩基巖脈基本特征

2.1 巖脈產(chǎn)出特征

壩址區(qū)變質(zhì)砂巖為三疊系侏倭組，產(chǎn)狀N40°～60°E/NW∠40°～65°，中厚層-厚層狀；花崗偉晶巖脈同位素年齡值為70.6～219.6 Ma，屬燕山期產(chǎn)物，與砂巖總體呈“似層狀”侵入(圖1)?；◢弬ゾr脈在平面上呈NEE-SWW向展布，數(shù)量多、規(guī)模大，脈寬3～20 m，局部可達(dá)30 m，最窄僅數(shù)厘米，延伸數(shù)十米至數(shù)百米(圖2)。

圖1 壩址花崗偉晶巖脈出露示意圖Fig.1 Layout of granite pegmatite dike at the dam site

圖2 巖脈“似層狀”產(chǎn)出延伸Fig.2 Photo of layered attitude of dike

2.2 巖脈礦物特征

巖脈呈淺灰白色-白色，偉晶結(jié)構(gòu)，礦物粒徑以5～6 cm為主，最大粒徑達(dá)30 cm。磨片成果顯示，長(zhǎng)石以鈉更長(zhǎng)石為主，厚板狀，含量60%～70%；石英以粒徑1～2 cm的聚合粒團(tuán)塊狀、斑塊狀或囊狀為主，含量25%～35%之間；暗色礦物以黑云母為主，少量石榴石(圖3)，黑云母片多呈片狀，部分板狀、書頁狀、桶狀，黑云母無定向分布，含量約5%～10%。

圖3 花崗偉晶巖脈中暗色礦物特征Fig.3 Characteristics of dark minerals in pegmatite dike

2.3 巖脈物理力學(xué)特征

巖脈室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)共計(jì)完成21組，其中，微風(fēng)化巖塊9組，弱風(fēng)化樣12組。試驗(yàn)成果顯示：微新花崗偉晶巖脈的干密度為2.58～2.60 g/cm3，相對(duì)密度為2.62～2.64，天然吸水率為0.38%～0.42%，飽和吸水率為0.40%～0.49%，濕抗壓強(qiáng)度為60 ～70 MPa，軟化系數(shù)>0.75；弱風(fēng)化花崗偉晶巖脈的干密度為2.53～2.60 g/cm3，相對(duì)密度為2.59～2.63，天然吸水率為0.44%～1.04%，飽和吸水率為0.56%～1.23%，濕抗壓強(qiáng)度為40 ～60 MPa，屬較堅(jiān)硬巖。

3 巖脈變形特征及參數(shù)

巖脈的變形特征通過變形試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用《水電水利工程巖體試驗(yàn)規(guī)程》[11]中的圓形剛性承壓板法進(jìn)行。壩址區(qū)平硐(SPD01,SPD06,SPD14,SPD15)內(nèi)共完成8組載荷試驗(yàn)，據(jù)載荷試驗(yàn)應(yīng)力-變形曲線分析，壩基巖脈的變形特征可分為直線型(或準(zhǔn)直線型)(圖4 (a))和上凹型(圖4 (b))2類。在直線型(或準(zhǔn)直線型)中，巖體變形隨壓力增加成等比例或近似等比例增加，宏觀上，巖體較均一、完整；在上凹型中，低壓力段的變形量較大，變形增量隨壓力增加逐漸減少，關(guān)系曲線的包絡(luò)線逐漸變陡，宏觀上，巖體較破碎、完整性較差。

圖4 載荷試驗(yàn)應(yīng)力-變形關(guān)系曲線Fig.4 Pressure-deformation curves obtained from load test

圖5 巖體變形模量特征值Fig.5 Characteristic values of deformation modulus of rock mass

巖體變形模量可選用包絡(luò)線模量Eb或割線模量E0表示(圖5)。包絡(luò)線模量是在去除巖體松弛、裂隙巖體壓密、巖體初始應(yīng)力和巖橋等的影響后，而求得的一種趨于穩(wěn)定、緊密狀態(tài)下的變形模量，它符合水電大壩建成并達(dá)到設(shè)定荷載運(yùn)行狀態(tài)下的壩基變形特征，但是不能反映大壩施工期和初期低水頭運(yùn)行期的壩基變形特征。割線模量是在最高一級(jí)壓力作用下，考慮全變形計(jì)算而得的變形模量，反映了巖體從初始受荷狀態(tài)至設(shè)定載荷下的全過程變形特征。因此，水電工程大壩巖體采用割線模量作為巖體變形模量更符合工程實(shí)際。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析巖脈的變形試驗(yàn)數(shù)據(jù)，微風(fēng)化巖脈的割線模量為17.8～32.3 GPa，平均值為25.0 GPa；弱風(fēng)化巖脈的割線模量為10.6～11.7 GPa，平均值為11.2 GPa。

4 巖脈抗剪(斷)強(qiáng)度

4.1 試驗(yàn)破壞特性

楞古壩基花崗偉晶巖脈為多種礦物成分構(gòu)成的非均質(zhì)體，巖體中存在尺寸不等的節(jié)理裂隙。巖體試驗(yàn)破壞機(jī)理十分復(fù)雜，采用數(shù)值方法難以真實(shí)模擬巖體破裂過程[12]，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以直接將巖石組成和節(jié)理裂隙特征對(duì)強(qiáng)度的影響反映出來[13]，為研究巖體試件在荷載作用下的破壞機(jī)理提供了一種有效途徑。

巖脈抗剪(斷)試驗(yàn)的破壞特性是其力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)研究的重點(diǎn)，通過直剪試驗(yàn)的剪應(yīng)力τ與剪位移u的關(guān)系曲線確定巖脈剪切破壞類型。壩基平硐內(nèi)共完成10組巖脈直剪試驗(yàn)，據(jù)τ-u關(guān)系曲線特征，可將巖脈強(qiáng)度試驗(yàn)的破壞類型分為脆性、塑性和復(fù)合型3類(圖6)。圖6中uh,uv分別代表試驗(yàn)過程中水平方向和豎直方向的位移值。

圖6 直剪試驗(yàn)τ-u關(guān)系曲線Fig.6 Curves of τ-u in direct shear test

脆性破壞的初始階段，τ-u關(guān)系曲線近乎垂直向上延伸，其剪切位移量小，巖體具有彈性或準(zhǔn)彈性特征；當(dāng)曲線上升至出現(xiàn)拐點(diǎn)并呈非線性向上凸起時(shí)，試體開始擴(kuò)容膨脹，細(xì)微裂隙不斷擴(kuò)展，其剪切位移量較大，巖體屈服；繼續(xù)加載，試件裂縫擴(kuò)展加劇，剪切位移快速增加，剪應(yīng)力達(dá)到峰值后承載能力迅速下降，τ-u關(guān)系曲線呈先下降后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

塑性破壞的初始階段，τ-u關(guān)系曲線仍是直線上升，只是上升段較短，巖體很快進(jìn)入曲線呈非線性向上凸起的屈服階段；繼續(xù)加載至巖體屈服階段，曲線總體呈平緩上延趨勢(shì)，峰值強(qiáng)度后的曲線未出現(xiàn)明顯下降特征，僅剪切位移量大于脆性破壞的位移量。

復(fù)合型破壞的τ-u關(guān)系曲線介于前2種之間。

4.2 試驗(yàn)參數(shù)分析

統(tǒng)計(jì)分析巖體抗剪(斷)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法有優(yōu)定斜率法、最小二乘法、圖解法、點(diǎn)群中心法[14-15]等，其中，最小二乘法和優(yōu)定斜率法是以巖體工程地質(zhì)分類為基礎(chǔ)，按巖類進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在水電工程得到廣泛運(yùn)用。為此，壩基巖脈的強(qiáng)度參數(shù)采用最小二乘法和優(yōu)定斜率法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，巖體強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析見圖7，混凝土與巖脈接觸面強(qiáng)度見圖8，圖中τ′為抗剪斷試驗(yàn)的剪應(yīng)力；上線、下線分別代表優(yōu)定斜率法的上、下限值，中線代表最小二乘法回歸線。

圖7 巖體強(qiáng)度試驗(yàn)成果Fig.7 Test results of rock strength

圖8 混凝土與巖脈接觸面強(qiáng)度試驗(yàn)成果Fig.8 Test results of the strength of contact surface between concrete and dike

從試驗(yàn)結(jié)果看：楞古壩基花崗偉晶巖脈的強(qiáng)度試驗(yàn)值較高，試驗(yàn)值與巖體的風(fēng)化程度呈正相關(guān)。微新巖體的抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)為f′=1.325,c′=1.475 MPa，與混凝土接觸面的抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)為f′=1.109,c′=0.718 MPa；弱風(fēng)化巖體的抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)為f′=1.180,c′=0.920 MPa，與混凝土接觸面的抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)為f′=1.034,c′=0.730 MPa。其中f′為巖體內(nèi)摩擦角的正切值，c′為巖體黏聚力。

5 巖脈力學(xué)參數(shù)選取

偉晶巖脈力學(xué)參數(shù)選取按照以下原則確定：

(1) 巖脈的變形模量采用割線模量來表征，并結(jié)合巖脈風(fēng)化、卸荷、緊密程度和結(jié)構(gòu)類型等特征進(jìn)行綜合確定。

(2) 巖體抗剪(斷)試驗(yàn)的破壞類型有脆性破壞、塑性破壞和復(fù)合型破壞，對(duì)屬于脆性破壞，抗剪斷強(qiáng)度取峰值強(qiáng)度的優(yōu)定斜率下限值作為標(biāo)準(zhǔn)值，抗剪強(qiáng)度取比例極限強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)值；對(duì)塑性或復(fù)合型破壞巖體，取屈服強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)值[7]。

(3) 直剪試驗(yàn)均在勘探平硐內(nèi)，試驗(yàn)段必受到開挖爆破和試件加工等因素影響，同時(shí)，試件尺寸為50 cm×50 cm×25 cm(長(zhǎng)×寬×高)，試驗(yàn)值受尺寸效應(yīng)影響[16]，難以準(zhǔn)確代表原位巖體強(qiáng)度。試驗(yàn)成果應(yīng)按巖體類別、工程地質(zhì)單元、區(qū)段進(jìn)行歸類整理。

(4) 現(xiàn)場(chǎng)做的試驗(yàn)數(shù)量有限，而實(shí)際地質(zhì)條件千變?nèi)f化，因此，選取巖體強(qiáng)度參數(shù)時(shí)，以試驗(yàn)為基礎(chǔ)、規(guī)范為參考，綜合選取一個(gè)范圍值。

基于上述4點(diǎn)，楞古水電站壩基花崗偉晶巖脈力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

表1 花崗偉晶巖脈力學(xué)參數(shù)建議值Table 1 Recommended values of mechanical parameters of pegmatite dike

6 結(jié) 論

(1) 楞古水電站壩基“似層狀”產(chǎn)出的花崗偉晶巖脈中黑云母含量較高，局部集中，微風(fēng)化巖塊強(qiáng)度高，屬堅(jiān)硬巖，弱風(fēng)化巖塊強(qiáng)度稍低，但屬于較堅(jiān)硬巖。

(2) 巖脈承壓板試驗(yàn)的變形特征分為直線型(或準(zhǔn)直線型)和上凹型2種，巖脈的變形模量高，抗變形能力強(qiáng)。

(3) 巖脈直剪試驗(yàn)的破壞類型分為脆性、塑性和復(fù)合型，通過采取數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合巖脈地質(zhì)特征，最后提出了壩基巖脈的強(qiáng)度參數(shù)建議值。

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(編輯：占學(xué)軍)

Mechanical Parameters of Granite Pegmatite Dike in DamFoundation of Lenggu Hydropower Station

WEI Xing-can,YANG Jing-xi, XIAO Hua-bo, WANG Gang

(Chengdu Engineering Corporation Limited, Power China, Chengdu 610072 ,China)

Mechanical parameters of rock and soil at dam foundation are important for the design and stability calculation of dam structure. A large number of granite pegmatite dikes occurs at the dam foundation of Lenggu hydropower station. In view of this, the characteristics of deformation and strength of the dikes were studied by circular rigid bearing plate test and straight shear test. Test results show that stress-deformation curves obtained from bearing plate test are in two shapes, namely straight linear type (or quasi straight linear type) and concave type. The curves ofτ-uobtained from direct shear test can be classified into three types: brittleness, plasticity and composite type. According to the physical meaning of envelope modulus and secant modulus and the hydraulic project’s characteristics, as well as the representativeness of least square method and optimal slope method in analyzing strength test data, the principle of determining the standard value of rock mass is presented. Finally, mechanical parameters of pegmatite dike at the dam foundation are proposed.

pegmatite dike; mechanical parameters of rock mass; rock deformation; rock mass strength; Lenggu hydropower station

2016-02-01；

2016-03-12

魏星燦(1979-)，男，四川平昌人，高級(jí)工程師，主要從事水電水利工程和巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究工作, (電話) 028-87399118(電子信箱) weixc79@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160099

2017,34(4):66-70

TU45

A

1001-5485(2017)04-0066-05