斷層帶巖體變形模量對壩基穩定性影響

周洪福，王春山，聶德新

1.中國地質調查局成都地質調查中心，成都 6100812.成都理工大學環境與土木工程學院，成都 610059

斷層帶巖體變形模量對壩基穩定性影響

周洪福1，王春山1，聶德新2

1.中國地質調查局成都地質調查中心，成都 610081
2.成都理工大學環境與土木工程學院，成都 610059

變形模量是表征斷層帶巖體力學性能的一個重要參數，而斷層帶巖體變形模量與其所處的環境有密切關系。以理論分析和現場試驗為基礎，以三維數值分析技術為主要研究手段，結合大型水電工程實例，對斷層帶巖體變形模量對壩基整體穩定性影響進行了分析研究。研究結果表明：大壩建成水庫蓄水以后，在未受到庫水滲透影響的前提條件下，位于壩基部位的斷層帶巖體變形模量會有一定程度的增大。斷層帶變形模量從0.6GPa一直增加到4.0GPa，使得斷層帶巖體所在壩段關鍵點水平位移降低0.544～0.846mm、垂直位移降低1.190～2.232mm、最大拉應力降低0.06MPa，有利于提高大壩的整體穩定性。

工程地質；斷層帶巖體；變形模量；壩基穩定性；三維有限元方法

0 前言

工程巖體是一種復雜的力學介質，除巖性、結構、構造等內在因素外，其力學性質還與其賦存環境密切相關。大量研究表明：處于在常溫、常壓條件下的地殼淺表部巖體，其力學參數隨圍壓的升高而增大［1－2］；而對于較深部位的巖體，因“三高”（高地溫、高地應力、高孔隙水壓）影響，其力學性質和破壞方式與常溫、常壓條件下有較大的不同［3－5］。

因受構造影響，中國西南環青藏高原東緣地區各類斷裂十分發育，大型水電工程常遇到規模不等的斷層帶巖體。斷層帶巖體在天然狀態下所受的應力主要是構造應力和上覆巖體的自重應力，當其位于壩基位置并且大壩建成蓄水以后，應力狀態較天然條件下發生了很大變化，在壩體自重應力和庫水壓力的影響下，壩基斷層帶巖體的應力均有不同程度的增加。隨著應力（圍壓）的增大，壩基斷層帶巖體力學性能將相應改善，這可從張咸恭和聶德新［6－9］等提出的斷層帶巖體“圍壓效應”得到證實：處于一定圍壓下的斷層帶巖體，其力學性能與圍壓的大小有密切的關系，力學參數隨圍壓的升高而增大。

綜上所述，水庫蓄水后，因圍壓增大，位于壩基的斷層帶巖體的變形模量也會相應有所增加，但斷層帶巖體應力（圍壓）與變形模量之間的具體關系如何，圍壓升高是否必然導致變形模量增大，變形模量增大對水電工程大壩應力、位移以及整體穩定性有何影響——均是值得關注并深入研究的課題。為此，筆者通過理論分析和現場試驗，分析斷層帶巖體圍壓與變形模量的相關關系，并用三維數值計算，分析變形模量對壩基穩定性影響，以期對其他類似工程提供參考和借鑒。

1 巖體變形模量與應力的現場試驗

1.1 巖體模量與波速的關系

由經典工程地質理論可知，破碎巖體（特別是斷層帶巖體）中發育眾多結構面，當彈性波在破碎巖體中傳播時，其動力參數（速度、振幅、頻率）極易受結構面的影響。因此，可以借助彈性波波速的變化來了解破碎巖體的某些特性，如彈性模量、強度參數等。其基本理論基于彈性體波動微分方程［10］：

式中：E為巖體動彈性模量；γ為巖體密度；vP為巖體縱波速度；μ為巖體泊松比。

由此可見，巖體的波速與模量呈正相關關系。

1.2 波速與圍壓的關系

為研究巖體波速與圍壓間的關系，采用現場試驗予以論證和分析。

1.2.1 試驗點概況

試驗地點位于怒江某水電工程，水電站壩型為混凝土重力壩，壩高85m，正常蓄水位高程732m，庫容量0.393×109m3，裝機1.1GW［11－12］。壩址區右岸為石炭系玄武巖，左岸為三疊系白云巖。受外圍怒江斷裂的影響，壩址區斷層較發育，共有4組優勢斷層：①330°∠75°；②39°∠53°；③275°∠54°；④138°∠79°。其中規模最大的一條為順河斷層（走向NE20°）并從壩基穿過。壩址附近最大主應力方向接近正東向，最大主應力σ1＝6.0MPa，基本垂直于壩址區最大斷層，從而使斷層帶處于較高的圍壓狀態；最小主應力σ3＝4.3MPa；最大剪應力τmax＝0.70MPa。

由于力學性能極差，在斷層帶巖體上鑿出的聲波測試孔在壓力作用下將會坍塌，導致無法進行波速測試，因此選取與斷層帶巖體接近的碎裂巖體進行波速與應力關系現場試驗。所選試驗點的巖性為玄武巖，巖體中裂隙發育，裂隙間距小于10cm，屬碎裂結構巖體（圖1）。

1.2.2 試驗方法與步驟

試驗采用應力－波速同向測試法，具體試驗方法如下：首先將實驗點處地表巖體鑿平，起伏差小于5 mm；然后在試驗點中心位置采用風鉆鑿出深1m左右的孔并插入精軋螺紋鋼，在孔底部采用特殊裝置固定鋼筋提供反力；將直徑40cm的承壓板套入鋼筋，在承壓板上放置千斤頂并連接上油泵；同時在承壓板周邊對稱鑿出孔深1m左右的4個孔用于聲波速度測試。實驗時，油泵以3～5MPa為一級進行加壓，每加1級壓力后測試4個孔內的巖體波速；每個孔內間隔20cm進行1次聲波測試，1個孔可以測得5個波速值，4個孔一共可以測得20個值，其平均值作為該級壓力下巖體波速值。

1.2.3 試驗結果及分析

圖1 試驗點照片Fig.1 Site of field tests

試驗結果（圖2）表明：當壓力（圍壓）較低時，碎裂結構巖體的波速隨壓力增大而變化不明顯，這是因為此時巖體中的裂隙隨圍壓增大而逐漸閉合；而當圍壓增大到一定程度后（1號試驗點壓力為20 MPa以上，2號試驗點壓力為10MPa以上，此時承壓板上壓力，也就是作用于斷層帶巖體的圍壓大于1MPa），裂隙已基本閉合，巖體波速隨圍壓的增加而顯著增大（注：此處的壓力是指試驗用油泵的液壓表讀數，此讀數與巖體承受圍壓呈正相關關系）。

圖2 波速與壓力的關系Fig.2 Relationship between wave velocity and stress

1.3 模量與圍壓的關系

上述實驗結果證明了碎裂結構巖體波速與圍壓之間存在著正相關關系，而且巖體波速與變形模量之間存在理論上的正相關關系；因此，碎裂結構巖體的變形模量與圍壓必然呈正相關關系，也即碎裂結構巖體（特別是斷層帶巖體）所受圍壓越大，變形模量也相應越高。據此，水電大壩建成以及水庫蓄水后，在壩體自重和庫水壓力的作用下，壩基斷層帶巖體的圍壓增大，其變形模量也會相應增大。

2 斷層帶巖體模量對穩定性的影響

斷層帶巖體變形模量增大以后對壩基和壩體位移、應力以及整體穩定性的影響，筆者用三維數值方法予以分析論證。

2.1 計算模型及參數

根據壩址區最大斷層帶巖體的空間展布特征（穿過壩基的順河向斷層）以及大壩設計資料（重力壩），斷層帶巖體主要位于11壩段，建立三維數值分析模型（圖3），計算模型順河流方向長400m，垂直河流方向寬123m。為了消除邊界效應，斷層帶巖體和大壩位于模型中間。

計算模型共有9種材料，各種材料計算參數見表1。

圖3 三維數值分析模型Fig.3 Three-dimensional FEM model

表1 數值分析計算參數Table 1 Physico-mechanical parameters of rock mass

考慮到水電站建成運營以后泥沙的淤積作用，計算模型中施加在大壩的外界作用力有庫水壓力、泥沙淤積壓力以及壩底揚壓力。計算模型前后兩側和左右兩側為法向約束，底面為三向約束。

2.2 計算方法與變形模量設置

壩址一帶最大主應力近正東向，而順河向發育的最大斷層帶走向基本呈南北向，最大主應力垂直于斷層帶，這使得斷層帶處于相對較高的圍壓狀態，并且大壩建成水庫蓄水以后作用于斷層帶巖體的圍壓將會進一步增加，斷層帶巖體變形模量也會相應增大。為了分析斷層帶巖體變形模量增大對壩體和壩基整體穩定性的影響，將三維模型中斷層帶巖體變形模量從0.6GPa一直增大到4.0GPa，分別計算斷層帶巖體變形模量在0.6、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0GPa共8種情況下、11壩段關鍵點（壩頂、壩趾、壩踵）處的水平位移、垂直位移以及壩體最大主拉應力變化情況，以反映變形模量對壩基和壩體穩定性的作用和影響。

2.3 計算結果與分析

計算結果見表2，根據表2的計算結果作圖得到圖4、圖5。從圖表中的計算結果可以得到以下幾點認識。

2.3.1 壩基及壩體變形

從11壩段各關鍵點位移可以看出，隨著斷層帶巖體變形模量增加，無論水平位移，還是垂直位移均隨之降低（表2、圖4）。

表2 斷層帶巖體不同變形模量條件下11壩段關鍵點位移與應力Table 2 Displacement and stress at some key points of the 11th segment of the dam with different modulus of fault rock mass

圖4 斷層帶變形模量與11壩段不同部位位移關系曲線Fig.4 Relation curve of fault deformation modulus and displacement in dam 11

斷層帶巖體變形模量從0.6GPa增加到4.0 GPa，11壩段水平位移的降低程度相對垂直位移的降低程度低一些：壩頂的水平位移一共降低了0.544 mm，垂直位移則降低了1.190mm；壩趾的水平位移降低了0.729mm，垂直位移降低了1.981mm；壩踵的水平位移降低了0.846mm，而垂直位移則降低了2.232mm。

圖5 斷層帶變形模量與最大主拉應力關系曲線Fig.5 Alteration of maximal tensile stress in dam with deformation modulus of fault rock mass

提高斷層帶巖體變形模量，相對壩頂和壩趾而言，壩踵處位移量的降低程度最大。

2.3.2 應力分布

隨著斷層帶變形模量從0.6GPa增加到4.0 GPa，壩體最大主拉應力也隨之降低，從0.380MPa降低為0.324MPa。從圖5中可知：當斷層帶巖體變形模量從0.6GPa增加到1.0GPa時，最大主拉應力從0.380MPa降低到0.350MPa，降低程度相對是最大的；當斷層帶巖體變形模量從1.0GPa增加到2.0GPa時，最大主拉應力基本沒有變化；當斷層帶巖體變形模量從2.0GPa增加到4.0GPa時，最大主拉應力又開始降低。

綜上所述，大壩建成及水庫蓄水后，在未受到庫水滲透影響的條件下，斷層帶巖體因圍壓增加，其變形模量有一定程度的增大，這使得斷層帶巖體所在的11壩段關鍵點水平位移和垂直位移均有所降低；特別是將較大幅度地降低壩踵處的垂直位移，并且壩踵處的拉應力也相應降低，這對提高大壩的整體穩定性有利。

3 結論

1）理論分析和現場試驗研究成果表明，地殼淺表部斷層帶巖體的變形模量與圍壓呈正相關關系，變形模量隨圍壓增高而相應地增大。

2）水電工程大壩建成且水庫蓄水后，在大壩自重和庫水壓力作用下，位于壩基部位的斷層帶巖體所受圍壓有所增大，在未受到庫水滲透影響的條件下，其變形模量有所增大，有利于壩基和壩體的整體穩定性。

3）數值計算結果表明，壩基斷層帶巖體變形模量的增大將不同程度地降低壩體位移，特別是壩踵處的垂直位移，并且壩踵處拉應力也相應降低。

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Influence of Deformation Modulus of Fault Rock Masses on Dam Foundation Stability

Zhou Hongfu1，Wang Chunshan1，Nie Dexin2

1.ChengduCenter，ChinaGeologicalSurvey，Chengdu610081，China
2.CollegeofEnvironmentandCivilEngineering，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China

The deformation modulus of fault rock mass is an important parameter to denote its mechanical characteristic，and it is obviously related to the environment.A large scale hydropower project was taken as an example to analyze the influence of deformation modulus of fault rock masses on dam base stability based on site test and theory and 3D-numerical analysis.Result indicates that if the deformation modulus of fault rock mass increases from 0.6Gpa to 4.0GPa，the horizontal displacement at key point in the dam will decrease 0.544-0.846mm，the vertical displacement at key point in the dam will decrease 1.190-2.232mm and the maximal tensile stress at key point in the dam will decrease 0.06 MPa because of the increase in the deformation modulus of fault rock mass after impoundment of hydropower station and without influence of water infiltration，which is advantageous to stability of dam base.

engineering geology；rock mass of fault zone；deformation modulus；stability of dam base；three-dimensional FEM

10.13278/j.cnki.jjuese.201404202

P642.2

A

周洪福，王春山，聶德新.斷層帶巖體變形模量對壩基穩定性影響.吉林大學學報：地球科學版，2014，44（4）：1254-1259.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404202.

Zhou Hongfu，Wang Chunshan，Nie Dexin.Influence of Deformation Modulus of Fault Rock Masses on Dam Foundation Stability.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1254-1259.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404202.

2013-11-23

國家自然科學基金項目（40372127）

周洪福（1980—，男，高級工程師，博士，主要從事工程巖土體穩定性和地質災害調查等方面的研究工作，E-mail：zhf800726＠163.com。