陳 冬 梅， 張 平， 易 毅

(1.中冶成都勘察研究總院有限公司，四川 成都 610023；2.四川省能投攀枝花水電開發(fā)有限公司，四川 攀枝花 617068； 3.中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

在拱壩建設(shè)過程中，壩基巖體一般會(huì)經(jīng)歷松弛及壓密兩個(gè)過程，壩基巖體松弛主要是受到開挖爆破及卸荷等因素的影響，巖體松弛過程中出現(xiàn)聲波速度降低、裂隙張開度增加及裂隙數(shù)量增加等效應(yīng)；壩基巖體壓密主要是受到混凝土澆筑蓋重增加的影響，巖體壓密過程中表現(xiàn)出聲波速度升高、裂隙張開度減小等效應(yīng)。

針對(duì)壩基巖體松弛及壓密效應(yīng)常采用長觀孔進(jìn)行觀測(cè)。壩基巖體松弛效應(yīng)的觀測(cè)是在壩基開挖后至固結(jié)灌漿前，而壩基巖體壓密效應(yīng)的觀測(cè)則是在固結(jié)灌漿至澆筑完成的一段時(shí)間內(nèi)。壩基巖體松弛包括時(shí)間效應(yīng)及空間效應(yīng)，時(shí)間效應(yīng)反映巖體波速及裂隙開度等隨時(shí)間的變化規(guī)律，而壓密效應(yīng)則是反映巖體波速及裂隙開度隨混凝土蓋重增加的變化規(guī)律。

筆者利用某水電站壩基巖體在開挖階段獲得的長觀孔觀測(cè)數(shù)據(jù)研究了壩基巖體松弛[1-3]的時(shí)間及空間效應(yīng)，利用該水電站壩基巖體在大壩澆筑期間獲得的長觀孔觀測(cè)數(shù)據(jù)研究了壩基巖體的壓密效應(yīng)，研究?jī)?nèi)容見圖1。該水電站壩基巖性主要為澄江期灰白色及微紅色中粒黑云二長花崗巖，局部輝綠巖脈穿插發(fā)育。

2 壩基巖體松弛的時(shí)間及空間效應(yīng)

壩基從開挖到混凝土澆筑一般持續(xù)時(shí)間較長，兩側(cè)壩肩高高程壩基巖體開挖到澆筑時(shí)間一般長達(dá)1～2 a，長時(shí)間的卸荷松弛導(dǎo)致巖體的波速及變形模量等各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)大幅度降低，為此，某水電站對(duì)大壩壩基開挖后的巖體卸荷松弛情況進(jìn)行了長期觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間最長達(dá)到了18個(gè)月，左右兩側(cè)壩肩巖體卸荷松弛觀測(cè)共布置了42個(gè)長觀孔，觀測(cè)頻率為1～3個(gè)月觀測(cè)一次。

壩基巖體松弛的時(shí)間效應(yīng)系指巖體從開挖到混凝土澆筑期間巖體松弛隨觀測(cè)時(shí)間增加而表現(xiàn)出的聲波速度減小、波速衰減率增加、巖體裂隙數(shù)量及裂隙張開度增加等一系列效應(yīng)。

圖1 壩基巖體松弛效應(yīng)與壓密效應(yīng)研究?jī)?nèi)容示意圖

2.1 壩基巖體松弛時(shí)間效應(yīng)的巖體波速衰減率分析

壩基巖體松弛的時(shí)間效應(yīng)主要是巖體波速衰減隨時(shí)間的變化規(guī)律。隨著時(shí)間的增加，波速衰減率呈逐漸增大的趨勢(shì)，它是表征巖體波速衰減程度的指標(biāo)。根據(jù)壩基開挖后巖體長觀孔的觀測(cè)結(jié)果，筆者對(duì)42個(gè)長觀孔的巖體波速按不同的觀測(cè)時(shí)間及巖性進(jìn)行了匯總統(tǒng)計(jì)，得到表1。表1為不同巖性不同觀測(cè)時(shí)間段(30～450 d)巖體波速平均衰減率表。

表1 壩基巖體波速平均衰減率隨觀測(cè)時(shí)間變化統(tǒng)計(jì)表

對(duì)表1進(jìn)行分析得知壩基巖體松弛時(shí)間效應(yīng)特征如下：

(1)隨著時(shí)間增加，花崗巖及輝綠巖的巖體波速衰減率均呈逐漸增大的趨勢(shì)，在360 d后，花崗巖的波速衰減率為11.11%，輝綠巖的波速衰減率為9.35%，表明花崗巖波速衰減的時(shí)間效應(yīng)略強(qiáng)于輝綠巖。

(2)從巖體波速衰減的速率分析得知，花崗巖的波速衰減速率較為均勻，持續(xù)時(shí)間較長，1 a以后波速衰減率逐漸減弱；輝綠巖的波速衰減速率呈現(xiàn)出前高后低的趨勢(shì)，波速衰減在3個(gè)月以后逐漸減弱。

2.2 壩基巖體松弛時(shí)間效應(yīng)的全景圖像分析

鉆孔全景圖像能夠直觀地反映孔內(nèi)裂隙數(shù)量及張開度情況，隨著觀測(cè)時(shí)間的增加，孔內(nèi)裂隙數(shù)量及張開度隨之增加，圖2～4為Ⅱ類花崗巖、Ⅴ1類花崗巖及Ⅲ1類輝綠巖在不同觀測(cè)時(shí)間裂隙數(shù)量及張開度變化情況的對(duì)比。

圖2 Ⅱ類花崗巖卸荷松弛時(shí)間效應(yīng)鉆孔全景圖像特征圖(觀測(cè)30、180、360 d)

根據(jù)對(duì)圖2～4進(jìn)行分析得知，隨著觀測(cè)時(shí)間的增加，Ⅱ類花崗巖裂隙的張開度明顯增加，裂隙的數(shù)量變化不大，Ⅴ1類花崗巖裂隙的張開度及數(shù)量增加不明顯。由此可見，Ⅱ類花崗巖具有較強(qiáng)的時(shí)間效應(yīng)，Ⅴ1類花崗巖時(shí)間效應(yīng)不明顯，可能與該類巖體處于較弱的地應(yīng)力環(huán)境有關(guān)。

圖3 Ⅴ1類花崗巖卸荷松弛時(shí)間效應(yīng)鉆孔全景圖像特征圖(觀測(cè)30、180、450 d)

圖4 Ⅲ1類輝綠巖卸荷松弛時(shí)間效應(yīng)鉆孔全景圖像特征圖(觀測(cè)30、120、210 d)

根據(jù)對(duì)圖2、4進(jìn)行分析得知，隨著觀測(cè)時(shí)間的增加，Ⅲ1類輝綠巖裂隙數(shù)量大量增加，較多的隱微裂隙開始顯現(xiàn)，裂隙的寬度增加不是很明顯，可能與輝綠巖“硬、脆、碎”的特點(diǎn)有關(guān)。

3 壩基巖體澆筑壓密效應(yīng)

拱壩混凝土澆筑持續(xù)時(shí)間較長，一般可達(dá)2～3 a甚至更長時(shí)間。隨著澆筑時(shí)間的延長，大壩混凝土蓋重逐漸增加，壩基巖體在重力作用下逐漸被壓密，該過程伴隨著壩基巖體聲波速度的提高、巖體裂隙張開度減小等效應(yīng)。目前，國內(nèi)高拱壩壩基巖體對(duì)澆筑壓密效應(yīng)的系統(tǒng)觀測(cè)很少，某水電站因其較為特殊的地質(zhì)條件，在大壩澆筑過程中對(duì)壩基巖體壓密效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的長觀孔觀測(cè)，最長觀測(cè)期長達(dá)5 a，其中混凝土澆筑時(shí)間約為28個(gè)月，混凝土澆筑完成后的觀測(cè)時(shí)間約為32個(gè)月，觀測(cè)孔數(shù)為40個(gè)。

3.1 影響壩基巖體壓密效應(yīng)的因素

通過對(duì)長觀孔取得的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析得知，巖體波速的提高主要與混凝土蓋重厚度及巖體初始波速大小等影響因素有關(guān)。

3.1.1 混凝土蓋重厚度

為了分析混凝土蓋重厚度對(duì)巖體波速提高率的影響，筆者對(duì)混凝土澆筑期間的長觀孔數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，期間觀測(cè)的最長時(shí)間為2年4個(gè)月，筆者利用40個(gè)長觀孔的觀測(cè)數(shù)據(jù)、按不同蓋重厚度對(duì)巖體波速提高率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)成果見表3。根據(jù)表3繪制了長觀期間混凝土蓋重厚度與孔深0～5 m及孔深5 m以下波速提高率關(guān)系圖(圖5)。

根據(jù)對(duì)表2、圖5進(jìn)行分析得知，在孔深0～5 m段，巖體波速的提高與蓋重厚度相關(guān)性很好，蓋重厚度越大，波速提高越高；在孔深5 m以下段，巖體波速提高率與蓋重增加厚度具有一定的相關(guān)性，隨著蓋重厚度的增加，波速逐步提高，但與孔深0～5 m段比較，蓋重厚度與波速提高率的相關(guān)性略差。由此可見，在大壩澆筑壓密過程中，混凝土蓋重厚度是影響巖體波速提高的核心因素。

圖5 0～5 m及5 m以下巖體平均波速提高率與平均蓋重增加厚度關(guān)系圖

3.1.2 巖體初始波速

巖體波速是反映巖體完整性的重要指標(biāo)，巖體初始波速越高，巖體完整性越好，在混凝土蓋重厚度增加的過程中巖體不容易被壓縮，巖體波速提高較小；反之，巖體初始波速越低，巖體完整性越差，巖體越容易被壓縮，巖體波速提高越大。

表2 大壩混凝土蓋重厚度與波速提高率相關(guān)統(tǒng)計(jì)表

表3為巖體初始波速與波速提高率相關(guān)統(tǒng)計(jì)表。筆者對(duì)40個(gè)長觀孔按巖體初始波速大小分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得到巖體初始波速與波速提高率相關(guān)統(tǒng)計(jì)表。根據(jù)對(duì)該表進(jìn)行分析得知，孔深0～5 m段巖體的初始波速由2 887 m/s增加到4 931 m/s，波速提高率由30.3%降低到7.49%；孔深5 m以下段巖體波速由3 744 m/s增加到4 810 m/s，波速提高率由18.7%降低到8.23%。

表3 巖體初始波速與波速提高率相關(guān)統(tǒng)計(jì)表

由表3可見，壩基巖體壓密過程中，巖體初始波速是影響波速提高的重要因素。巖體初始波速越高，波速提高率越??；巖體初始波速越低，波速提高率越大。

3.2 壩基巖體澆筑壓密的特性分析

3.2.1 巖體波速提高的滯后性

壩基巖體的壓密需要一個(gè)時(shí)間的積累才能在巖體波速上反映出來。根據(jù)長觀孔檢測(cè)成果，為了解巖體波速提高的滯后性，筆者選取了一個(gè)典型的長觀孔繪制了混凝土澆筑期間蓋重增加厚度與波速階段提高率的關(guān)系圖(圖6)。

圖6 大壩澆筑期間巖體波速階段提高率與混凝土蓋重增加關(guān)系圖

根據(jù)對(duì)圖6進(jìn)行分析得知：觀測(cè)期1 a以內(nèi)，在79 d、162 d、281 d及330 d四個(gè)時(shí)間段混凝土蓋重厚度增加達(dá)到較高值，而巖體波速提高達(dá)到較高值對(duì)應(yīng)的時(shí)間則為128 d、233 d、300 d及362 d。由此可見：巖體波速提高較蓋重厚度增加具有一定的滯后性，一般滯后時(shí)間為1～3個(gè)月，在1 a時(shí)間以內(nèi)，巖體波速的提高主要受大壩混凝土蓋重上升的影響。

觀測(cè)期1 a以后，接縫灌漿完成后大壩成為一個(gè)整體，混凝土蓋重對(duì)壩基巖體的作用力相對(duì)分散，蓋重厚度的增加對(duì)波速的提高率作用減弱，巖體波速提高主要受大壩混凝土蓋重上升及時(shí)間效應(yīng)的雙重影響。

3.2.2 巖體波速提高的波動(dòng)性及收斂性

為了解壩基巖體波速提高的波動(dòng)性及收斂性，需要對(duì)整個(gè)長觀過程進(jìn)行分析，根據(jù)長觀孔檢測(cè)成果，筆者選取了一個(gè)典型的孔繪制了混凝土蓋重厚度增加與波速階段提高率的關(guān)系圖(圖7)，該長觀孔觀測(cè)時(shí)間為1 661 d。

如表9所示，在0.01的顯著性水平下，股票價(jià)格波動(dòng)是投資者情緒波動(dòng)的格蘭杰原因，而投資者情緒波動(dòng)不是股票價(jià)格波動(dòng)的格蘭杰原因，說明股票價(jià)格的變動(dòng)能夠?qū)е峦顿Y者情緒的變動(dòng)。根據(jù)主流經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，影響企業(yè)股價(jià)形成和波動(dòng)大致分為三個(gè)方面:其一為企業(yè)發(fā)展?fàn)顩r及前景，其二為外部宏觀環(huán)境與沖擊，其三為市場(chǎng)情緒與心理。說明企業(yè)發(fā)展?fàn)顩r與外部宏觀環(huán)境對(duì)股價(jià)的影響可能更大，這與我國目前股票市場(chǎng)的“政策市”、“消息市”等現(xiàn)狀是吻合的。

圖7 長觀期間巖體波速提高率的波動(dòng)性及收斂性示意圖

根據(jù)對(duì)圖7進(jìn)行分析得知，在大壩澆筑期間(圖中0～800 d)，巖體波速提高具有很強(qiáng)的波動(dòng)性，波速階段提高率主要受澆筑期間混凝土蓋重上升快慢的影響，在大壩蓄水期間(圖7中850～950 d)，受大壩荷載調(diào)整影響，巖體波速階段提高率波動(dòng)相對(duì)較大。大壩蓄水以后(圖7中950 d以后)，由于水位變動(dòng)幅度較小，巖體波速提高率的波動(dòng)性減弱，波速提高基本趨于收斂。

3.3 壩基巖體澆筑壓密效應(yīng)鉆孔全景圖像特征

壩基巖體在固結(jié)灌漿完成后，巖體的裂隙大部分被水泥漿充填，裂隙的張開度較小，在混凝土澆筑壓密過程中，長觀孔裂隙的張開度大多存在逐漸減小的趨勢(shì)。

圖8為R931N長觀孔17～19 m段花崗巖在蓋重厚度分別為84 m、119 m、136 m時(shí)裂隙張開度情況，隨著蓋重厚度的增加，在18 m、18.2 m及18.8～19 m處裂隙張開度逐漸減小，細(xì)微裂隙甚至“消失”。

圖9為L979N長觀孔14～16 m段輝綠巖在蓋重厚度分別為1.5 m、156 m時(shí)的裂隙張開度情況，隨著蓋重厚度的增加，裂隙張開度逐漸減小，但輝綠巖的隱微裂隙隨時(shí)間增加逐漸顯現(xiàn)，裂隙數(shù)量逐漸增加。

圖9 壩基巖體(輝綠巖)壓密效應(yīng)鉆孔全景圖像特征示意圖(蓋重厚度為1.5 m、156 m)

4 結(jié) 語

4.1 壩基巖體松弛的時(shí)間效應(yīng)

隨著時(shí)間增加，花崗巖及輝綠巖的巖體波速衰減率均呈逐漸增大的趨勢(shì)，裂隙張開度逐漸增加，1 a后花崗巖的波速衰減率為11.11%，輝綠巖的波速衰減率為9.35%；花崗巖的波速衰減速率較為均勻，持續(xù)時(shí)間較長，1 a以后波速衰減率逐漸減弱，輝綠巖的波速衰減速率呈現(xiàn)出前高后低的趨勢(shì)，3個(gè)月以后波速衰減逐漸減弱，表明花崗巖波速衰減的時(shí)間效應(yīng)略強(qiáng)于輝綠巖。

4.2 壩基巖體澆筑壓密效應(yīng)

(1)壩基巖體在混凝土澆筑過程中具有較為明顯的壓密效應(yīng)，巖體波速逐步提高，裂隙的張開

度逐漸變小?；炷辽w重厚度及巖體的初始波速為巖體波速提高的主要影響因素，其中混凝土蓋重厚度增加為核心因素。

(2)混凝土澆筑壓密過程中，巖體波速的提高較混凝土蓋重厚度的增加具有一定的滯后性、波動(dòng)性及收斂性。大壩澆筑期間，巖體波速的提高具有很強(qiáng)的波動(dòng)性，波速階段提高率主要受澆筑期間混凝土蓋重上升快慢的影響，在大壩蓄水期間，受大壩荷載調(diào)整影響，巖體波速階段提高率波動(dòng)相對(duì)較大，大壩蓄水以后，由于水位變動(dòng)幅度較小，巖體波速提高率的波動(dòng)性減弱，波速提高基本趨于收斂。

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