吳 松，彭森良

（1.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，陜西 西安 710068；2.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051）

1 前言

東薩宏水電站位于老撾與柬埔寨交界處，為引水式電站，裝機(jī)260 MW，其混凝土重力壩最大壩高33 m，長(zhǎng)約6.8 km（由1#堤壩、2#堤壩、3#堤壩組成），水庫(kù)（壓力前池）容量約0.3 億m3。該工程為國(guó)際EPC 總承包項(xiàng)目，業(yè)主方屬馬來(lái)西亞，設(shè)計(jì)咨詢(xún)方為某國(guó)際知名咨詢(xún)公司。

該電站絕大部分壩段高度在10 m～20 m 之間，壩基發(fā)育英安巖夾熔結(jié)凝灰?guī)r，均屬堅(jiān)硬巖。根據(jù)設(shè)計(jì)方計(jì)算，將壩基置于強(qiáng)風(fēng)化巖體上具備條件，但需要給出強(qiáng)風(fēng)化巖體的巖塊強(qiáng)度才能說(shuō)服國(guó)際咨詢(xún)方同意強(qiáng)風(fēng)化巖體為大壩建基面，如何獲得強(qiáng)風(fēng)化巖體的巖塊強(qiáng)度成為一大技術(shù)難題。

經(jīng)充分調(diào)研和溝通，國(guó)際咨詢(xún)方認(rèn)可采用不規(guī)則巖塊的點(diǎn)荷載試驗(yàn)成果作為巖塊強(qiáng)度的獲取手段。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)點(diǎn)荷載試驗(yàn)已有研究工作涵蓋了點(diǎn)荷載試驗(yàn)的工作原理[1～2]、點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果的影響因素[3]、煤層抗拉強(qiáng)度[4]及風(fēng)化花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度[5～6]與點(diǎn)荷載試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系、變質(zhì)沉積巖單軸抗壓強(qiáng)度與點(diǎn)荷載試驗(yàn)成果之間的關(guān)系[7]以及點(diǎn)荷載試驗(yàn)成果對(duì)巖體或巖石地基強(qiáng)度參數(shù)的影響[8～11]等。本文在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對(duì)淺變質(zhì)巖漿巖的巖塊斷口變色程度（即風(fēng)化程度）與巖石單軸抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行了相應(yīng)研究。

本工程共343 個(gè)壩段（每個(gè)壩段長(zhǎng)約20 m），其中強(qiáng)風(fēng)化巖塊約占90%，弱風(fēng)化巖塊約占8%，全風(fēng)化巖塊約占2%。每個(gè)壩段需開(kāi)展2 組不規(guī)則巖塊點(diǎn)荷載試驗(yàn)，共完成點(diǎn)荷載試驗(yàn)847組，其中，自然含水狀態(tài)下的不規(guī)則巖塊點(diǎn)荷載試驗(yàn)78 組，飽和狀態(tài)下不規(guī)則巖塊點(diǎn)荷載試驗(yàn)769 組。本文通過(guò)整理上述試驗(yàn)成果，與前期地勘巖芯單軸壓縮試驗(yàn)成果進(jìn)行了對(duì)比分析。

2 基本地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

工程區(qū)屬湄公河侵蝕平原，兩岸的河心島嶼均為湄公河侵蝕堆積階地，拔河高度5 m～15 m，總體地勢(shì)平緩，僅在2#堤壩與3#堤壩之間發(fā)育有山頂高程約104 m 的熔巖殘丘（0#山包）,沖溝以紋溝及細(xì)溝為主，少量切溝，延伸不超過(guò)350 m，大部分位于堤壩圍擋范圍以?xún)?nèi)。電站所在河道形成槽型河漫灘河谷，岸邊地勢(shì)較陡，局部坡度超過(guò)30°。

2.2 地層巖性

工程區(qū)大部分為第四系沖、殘積層（Qal+el）所覆蓋，僅在河邊及兩岸部分沖溝溝底可見(jiàn)基巖零星出露，在河邊局部還有少量第四系沖積層分布，詳述如下：

基巖為深海相噴發(fā)沉積的次塊狀～塊狀英安巖夾熔結(jié)凝灰?guī)r地層，英安巖主要成分為蝕變基性斜長(zhǎng)石、石英、蝕變輝石、安山巖、安山質(zhì)玄武質(zhì)、霏細(xì)碎片及鈣質(zhì)巖脈，熔結(jié)凝灰?guī)r主要成分為輝石、斜長(zhǎng)石、磷灰石、蝕變安山巖及酸堿性交替出現(xiàn)的玻璃質(zhì)（絹云母、綠簾石、鈉長(zhǎng)石、綠泥石），在兩岸河槽壁及河床大面積出露，揭露噴發(fā)沉積厚度大于100 m。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

堤壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷裂與褶皺均不發(fā)育，屬穩(wěn)定的火山間歇性噴發(fā)再沉積形成的單斜構(gòu)造區(qū)，單斜構(gòu)造總體呈近東西向，傾向南，傾角60°左右，單斜體厚度超過(guò)5000 m。

堤壩建基面除順流層結(jié)構(gòu)面發(fā)育外，還有一組近垂直結(jié)構(gòu)面稍發(fā)育，均非緩傾節(jié)理，其余方向結(jié)構(gòu)面不甚發(fā)育。在部分壩段零星揭露緩傾節(jié)理，其延伸一般不超過(guò)3 m，節(jié)理面多閉合或微張，充填物以鐵質(zhì)為主，泥質(zhì)充填極少見(jiàn)，因此，堤壩沿線(xiàn)壩基抗滑穩(wěn)定主要受控于壩基巖體與混凝土接觸面，無(wú)深層抗滑穩(wěn)定問(wèn)題。

2.4 物理地質(zhì)現(xiàn)象

堤壩區(qū)無(wú)可溶巖地層，滑坡、崩塌、泥石流及巖體卸荷等不發(fā)育，物理地質(zhì)現(xiàn)象主要為巖體風(fēng)化。將工程區(qū)巖體按風(fēng)化程度劃分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化、微風(fēng)化～新鮮四級(jí)。其中強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化分別劃分為2 個(gè)亞類(lèi)，即強(qiáng)風(fēng)化上帶、強(qiáng)風(fēng)化下帶、弱風(fēng)化上帶及弱風(fēng)化下帶。

堤壩區(qū)全風(fēng)化底界埋深一般為1 m～3 m，強(qiáng)風(fēng)化上帶底界埋深一般為2 m～5 m，強(qiáng)風(fēng)化下帶底界埋深一般為4 m～8 m，弱風(fēng)化上帶底界埋深一般為8 m～9 m，弱風(fēng)化下帶底界埋深一般為9 m～12 m，向下為微風(fēng)化～新鮮巖體。

2.5 水文地質(zhì)條件

堤壩區(qū)分布深海相噴出巖地層，地下水主要為基巖裂隙水，地下水均補(bǔ)給河水。雨季兩岸地下水位較高較陡，地下水埋深一般為3 m～4 m；旱季兩岸地下水位低平，地下水埋深一般為6 m～7 m。

鉆孔壓水試驗(yàn)及注水試驗(yàn)成果揭示，強(qiáng)風(fēng)化上帶以上巖體具有中等透水～強(qiáng)透水性（1.0×10-2cm/s≤K＜1 cm/s）；強(qiáng)風(fēng)化下帶及弱風(fēng)化上部巖體具有中等透水性（1.0×10-4cm/s≤K＜1.0×10-2cm/s）；弱風(fēng)化下部巖體具有弱透水性（1 Lu≤q＜10 Lu）；微風(fēng)化～新鮮巖體具有微～弱透水性。

3 不規(guī)則巖塊點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1 試樣要求

試驗(yàn)遵循中國(guó)水電行業(yè)規(guī)范《水電水利工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5368-2007），本工程對(duì)試樣要求如下：

（1）不規(guī)則巖塊尺寸限定為(50±35)mm；

（2）兩加載點(diǎn)間距與加載處平均寬度之比宜為0.3～1.0；

（3）試樣分為天然含水狀態(tài)和飽和狀態(tài)兩種，其中飽和狀態(tài)將試樣在水中浸泡不低于48 h；

（4）每組試驗(yàn)取不規(guī)則巖塊40 組以上，以確保有效試驗(yàn)巖塊數(shù)量不低于20 塊。其中，全風(fēng)化巖塊由于浸水后極易軟化，僅考慮了天然含水狀態(tài)下的點(diǎn)荷載試驗(yàn)強(qiáng)度。

3.2 試驗(yàn)儀器要求

主要試驗(yàn)儀器為數(shù)顯點(diǎn)荷載儀和游標(biāo)卡尺，主要參數(shù)如下：

（1）最大工作壓力60 MPa；

（2）最大壓力50 kN；

（3）活塞直徑35 mm，行程160 mm；

（4）活塞面積9.62 cm2；

（5）讀數(shù)精度0.01 kN；

（6）游標(biāo)卡尺量程200 mm，最小分度值0.02 mm。

3.3 試驗(yàn)步驟

（1）選擇試件最小尺寸方向?yàn)榧虞d方向。將試件放入球端圓錐之間，使上下錐端位于試件中心處并與試件緊密接觸。用游標(biāo)卡尺量測(cè)加載點(diǎn)間距及通過(guò)兩加載點(diǎn)最小截面的寬度或平均寬度。加載點(diǎn)距試件自由端的距離不應(yīng)小于加載點(diǎn)間距的0.5。

（2）穩(wěn)定地施加載荷，使試件在10 s～60 s 內(nèi)破壞，記錄破壞荷載。

（3）試驗(yàn)結(jié)束后，描述試件的破壞形態(tài)，拍照留存記錄，選取破壞面貫穿整個(gè)試件并通過(guò)兩加載點(diǎn)為有效試驗(yàn)。

3.4 試驗(yàn)成果整理

（1）按照下列公式計(jì)算點(diǎn)荷載強(qiáng)度:

式中：Is為未經(jīng)修正的不規(guī)則巖塊點(diǎn)荷載強(qiáng)度，MPa；P 為破壞荷載，N；De為等價(jià)巖芯直徑，mm。

（2）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制等價(jià)巖芯直徑De與破壞載荷P 的關(guān)系曲線(xiàn)，并在曲線(xiàn)上查找為2500 mm2時(shí)對(duì)應(yīng)的破壞荷載P 值（P50），按下式計(jì)算點(diǎn)荷載試驗(yàn)強(qiáng)度指數(shù)（Is（50））:

（3）計(jì)算值取3 位有效數(shù)字。

（4）巖石單軸抗壓強(qiáng)度（UCS，單位為MPa）與點(diǎn)荷載試驗(yàn)強(qiáng)度指數(shù)（Is（50），單位為MPa）按下式計(jì)算:

4 試驗(yàn)成果分析

4.1 前期地勘弱風(fēng)化及微新巖石單軸抗壓強(qiáng)度

前期地勘共取樣完成有效巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)89組，其中弱風(fēng)化巖石23 組，微新巖石66 組，英安巖與熔結(jié)凝灰?guī)r強(qiáng)度區(qū)別不大，總體上，弱風(fēng)化巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為62.45 MPa～98.64 MPa，平均值為73.16 MPa；微新巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為68.55 MPa～123.93 MPa，平均值為93.11 MPa。

4.2 巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)強(qiáng)度值及似軟化系數(shù)

對(duì)847 組合計(jì)約20000 塊有效試驗(yàn)巖塊的風(fēng)化程度分別按照全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化上帶、強(qiáng)風(fēng)化下帶、弱風(fēng)化上帶、弱風(fēng)化下帶及微風(fēng)化～新鮮進(jìn)行了分類(lèi)，并根據(jù)破壞截面的變色程度5%分位值進(jìn)行詳細(xì)劃分，得到統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 不規(guī)則巖塊樣點(diǎn)荷載試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

由表1 可知：

（1）不規(guī)則巖塊點(diǎn)荷載試驗(yàn)成果與前期地勘單軸壓縮試驗(yàn)成果一致，說(shuō)明不規(guī)則巖塊點(diǎn)荷載試驗(yàn)的成果是可靠的。

（2）巖塊單軸抗壓強(qiáng)度值與變色程度、風(fēng)化程度密切相關(guān)，巖塊破壞面變色越多，風(fēng)化越深，相應(yīng)的巖塊UCS 值越低，反之亦然。

（3）總體上看，堅(jiān)硬的英安巖和熔結(jié)凝灰?guī)r全風(fēng)化巖塊已絕大部分成土，遇水極易軟化，已無(wú)法獲得飽和狀態(tài)下的UCS 值，天然含水狀態(tài)下UCS 值為0.62 MPa～8.17 MPa，總體判斷屬極軟巖；飽和強(qiáng)風(fēng)化上帶巖塊UCS 值一般為5 MPa～15 MPa，屬軟巖；飽和強(qiáng)風(fēng)化下帶巖塊UCS 值為10 MPa～30 MPa，絕大多數(shù)屬較軟巖；飽和弱風(fēng)化上帶巖塊UCS 值為52 MPa～77 MPa，總體上屬中硬巖頂部和硬巖下部；飽和弱風(fēng)化下帶巖塊和微新巖塊UCS 值普遍大于70 MPa，屬堅(jiān)硬巖。

（4）在強(qiáng)風(fēng)化下帶底部和弱風(fēng)化上帶頂部之間，飽和巖塊UCS 值變化明顯，由30 MPa 左右迅速提升為50 MPa 以上，這對(duì)巖體力學(xué)強(qiáng)度提升貢獻(xiàn)明顯，具有重要工程意義。

（5）隨著風(fēng)化程度和變色程度的加深，巖塊“似軟化系數(shù)”減小，反之亦然，至弱風(fēng)化下帶巖塊和微新巖塊，“似軟化系數(shù)”已達(dá)到0.98 左右，且不隨著風(fēng)化程度和變色程度的減小而變化?？蓳?jù)此推斷，強(qiáng)風(fēng)化上帶巖體軟化系數(shù)最小，小于0.65；強(qiáng)風(fēng)化下帶巖體軟化系數(shù)小于0.75；弱風(fēng)化上帶巖體軟化系數(shù)小于0.90；弱風(fēng)化下帶和微新巖塊軟化系數(shù)小于0.98。

5 經(jīng)驗(yàn)公式的建立

依據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，通過(guò)EXCEL 軟件處理擬合，分別得到強(qiáng)風(fēng)化巖塊、弱風(fēng)化～微新巖塊破壞斷口變色程度與飽和巖塊UCS 值的二次多項(xiàng)式關(guān)系式，其可靠度達(dá)到0.98 以上，見(jiàn)圖1 及圖2?？蓞⒖紤?yīng)用于老撾南部廣泛發(fā)育的同類(lèi)地層巖塊UCS 值的估算，也可借鑒應(yīng)用于其它堅(jiān)硬巖分布區(qū)域的巖塊UCS 值的估算。

圖1 強(qiáng)風(fēng)化巖塊變色程度與UCS 值關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式

圖2 弱風(fēng)化～微新巖塊變色程度與UCS 值關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析東薩宏水電站847 組壩基巖體不規(guī)則巖塊點(diǎn)荷載試驗(yàn)成果和前期地勘巖芯樣單軸壓縮試驗(yàn)成果，認(rèn)為不規(guī)則巖塊點(diǎn)荷載試驗(yàn)成果較為可靠，且?guī)r塊破壞斷面變色程度與UCS 值密切相關(guān)，并得出相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式。當(dāng)巖體破碎無(wú)法取得滿(mǎn)足單軸壓縮試驗(yàn)的巖芯時(shí)，采用不規(guī)則巖塊點(diǎn)荷載試驗(yàn)是可靠的，尤其對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化地基巖體強(qiáng)度的估算，是一種較為重要的手段，且對(duì)普遍分布于老撾南部的同一類(lèi)地層的其它工程地基巖塊UCS 取值具有重要參考意義，對(duì)同類(lèi)工程堅(jiān)硬巖地基則具有一定參考意義。