旁壓試驗在松塔水電站地質力學分層中的應用

沈少華, 陳明星

(中國電建集團 北京勘測設計研究院有限公司,北京 100024)

旁壓試驗在松塔水電站地質力學分層中的應用

沈少華, 陳明星

(中國電建集團 北京勘測設計研究院有限公司,北京 100024)

通過對河床5個鉆孔內旁壓試驗成果分析得知,同一土層1#-4#鉆孔旁壓試驗成果相近,5#鉆孔旁壓試驗成果與其余孔有一定的差異,通過相似性及差異性對比對地層力學特性差異作出初步推斷,其成果在地質力學分層研究中具有很好的應用價值。

旁壓試驗;地質分層;沉積應力;旁壓模量

怒江松塔水電站位于西藏自治區察隅縣境內,壩址處在怒江云南、西藏省區分界上游約7 km,作為怒江中下游河段水電規劃“兩庫十三級”中第一個梯級電站,是“龍頭”水庫之一。

在工程地質勘察過程中筆者發現,松塔水電站河床地層具有第四紀覆蓋層厚、河床不同部位地層分布不均、分層差別較大、分層較多等特點;進一步研究發現不同地層、同一地層不同位置具有地層成因復雜、沉積歷史不確定等特點,地質力學差異性較大,由于對壩型選擇及筑壩位置的選擇影響較大,在地質力學分層中對同一類地層分層過于簡單而不利于工程地質研究。在可行性研究階段為了更深入地研究河床深厚覆蓋層工程力學特性引入了旁壓試驗。分析發現旁壓試驗成果可以用于推斷地層成因及土層沉積應力歷史變化,在地質力學分層研究中具有很好的應用價值。

1 工程地質概況

松塔水電站壩址區河谷狹窄,呈典型的“V”形。兩岸總體坡度為50°～60°,兩岸山體雄厚,山頂高程均在3 000 m以上。

地質勘探查明壩址區河床覆蓋層厚度大致為58～70 m,平均厚度約為65 m,成分主要由第四系沖洪積砂卵礫石組成,局部夾巨塊石和砂層透鏡體。下伏基巖主要是黑云二長花崗巖。覆蓋層較厚,分層較多,地層差異性較大,為論證在其上筑壩的可能性,進行了大量的工程地質研究。

2 旁壓試驗簡介

2.1 原理及方法

旁壓試驗的原理是在鉆孔內進行原位水平載荷試驗,它主要是利用一個可以充水膨脹的圓形旁壓器對孔壁施加壓力,使孔壁產生徑向變形,從而確定土體的應力應變特征參數。

預鉆式旁壓儀工作之前先預鉆一個勘探孔,工作時,在試驗位置放入旁壓器,在地面上先通過增壓缸的面積變換將較低的氣壓轉換成高壓力的水壓,再通過高壓導管傳至孔內旁壓器,從而使彈性膜膨脹,地基孔壁由于受壓而產生變形。變形量則通過觀測增壓缸的活塞位移值s確定,試驗壓力P通過與增壓缸相連接的傳感器測得。根據試驗所測結果,得到壓力P與位移值s的關系曲線,即旁壓曲線。

2.2 旁壓試驗儀器

試驗采用PM-2B型預鉆式旁壓儀,其主要組成由壓力施加裝置、注水系統、壓力與變形量測系統及孔內旁壓器等組成。主要技術參數為:孔內旁壓器總長910 mm,外徑90 mm,位移最大值35 cm,最大加壓可達5.5 MPa,增壓缸面積為59.1 cm2。

2.3 數據整理

2.3.1 壓力及體積校正

應用以下公式進行壓力P和位移值s的校正:

P=P′+Pw-Pi

s=s′-α(P′+Pw)

式中:P、s為校正后壓力(kPa)和水位下降對應位移值(cm);P′、s′為壓力表的讀數(kPa)和水位下降對應位移值(cm);Pw為靜水壓力(kPa);γw為水容重(kN/m3);Pi為旁壓器彈性膜約束力(kPa);α為旁壓器綜合變形系數(cm/kPa)[1-2]。

2.3.2 繪制旁壓試驗曲線

通過校正后的各級壓力P及位移值s,繪制P-s曲線。根據變形特征,可將旁壓試驗曲線劃分為三個階段:第一段壓密階段起始于原點,終于曲線段與直線段交點,直線段的延長線與坐標縱軸交點處作橫軸的平行線,其與旁壓曲線交點所對應的坐標壓力為初始水平土壓力P0;第二段為線性變形階段,曲線段大致為直線,起始于壓密階段終端,終于直線段終點,端點處對應的壓力即為臨塑壓力Pf;第三段曲線變形時施加壓力大于臨塑壓力,曲線急劇變形從而趨向于與縱軸平行的一條漸近線,其延長線與橫軸的交點所對應的壓力為極限壓力Pl[3]。

2.3.3 旁壓模量

可按下式確定試驗土層的旁壓模量Em:

式中:Em為旁壓模量(kPa);μ為土體的泊松比;sc為旁壓器原始體積表示值(cm)。

根據相關規范,旁壓曲線確定的壓力特征值可用于評定地基土的承載力基本值f0及土層密實度等,還可以根據土體的旁壓模量Em換算土的壓縮模量Es和變形模量E0。

3 河床地層分層特點及旁壓試驗點分布

3.1 松塔水電站河床地層特點

根據勘探結果松塔水電站河床覆蓋層共分七大層,典型的河床橫斷面覆蓋層分層剖面見圖1,其中①、⑤和⑦層為混合土卵石、塊石層,②、④和⑥層為粉土質砂層,③為塊石層,總體上為混合土卵石層與粉土質砂層交替分布,局部夾塊石層及粉細砂層,兩岸地形不對稱,河流兩側土層分布存在一定差異,同一土層分布不均,成因較復雜。

3.2 旁壓試驗點分布

旁壓試驗點根據鉆孔位置布置,根據地形地質情況選取5個鉆孔的旁壓試驗結果進行分析,1#-5#鉆孔之間最遠距離470 m,試驗點均在第⑥層粉土質砂層,鉆孔在河床的平面布置見圖2。

圖1 河床覆蓋層分層Fig.1 Layered river bed cover

圖2 鉆孔平面布置圖Fig.2 Layout plane of drilling plane

4 旁壓試驗分析

4.1 旁壓試驗曲線分析

旁壓試驗曲線與地層力學特性密切相關,具有相同工程力學特性的同一類地層其旁壓試驗曲線具有相似的變化特征,相反不同地層或者同一類地層試驗點具有不同力學特性,其旁壓試驗曲線具有不同的變化特征,對其相似性及差異性進行分析可以深入地了解土層的工程力學特性[4-5],進而對土層進行地質力學分層研究。5個鉆孔具有相近深度及位置的河床粉土質砂層旁壓試驗曲線如圖3所示。

由圖3可見,1#鉆孔15.9 m、2#鉆孔10.6 m、3#鉆孔24.1 m及4#鉆孔12.3 m處取得的旁壓試驗曲線具有相似的變化特征,根據旁壓試驗曲線變化規律可以初步推斷4個鉆孔內粉土質砂層具有相似的力學特性,推測粉土質砂層具有相似的地質成因,其分層特性相近。

圖3 5個鉆孔旁壓試驗曲線Fig.3 Pressuremeter test curve in 5 drillings

5#鉆孔29.1 m處試驗土層旁壓試驗曲線與其余4個鉆孔具有明顯不同的變化特征,說明其力學特性與其他孔地層之間有一定的差異,初步推測5#鉆孔處試驗土層與其他鉆孔試驗土層具有不同的地質成因,其力學分層特性不同。

4.2 旁壓試驗成果分析

從旁壓試驗曲線可以獲得5個鉆孔試驗土層的初始水平土壓力P0、臨塑壓力Pf及極限壓力Pl,進而評定地基承載力及土層密實度。5個鉆孔內粉土質砂層旁壓試驗成果如表1、圖4所示。由表1、圖1、圖4可見:

(1) 1#、2#、3#、4#4個鉆孔試驗土層的極限土壓力為580～760 kPa,承載力基本值為183.3～240 kPa,4個鉆孔試驗土層的工程力學參數差異不大,在工程力學特性研究中可以歸類為一類地層。

表1 旁壓試驗成果表

5個鉆孔內旁壓試驗成果對比如下:

圖4 旁壓試驗成果對比Fig.4 Contrast of pressuremeter test results

(2) 根據現場鉆孔編錄、取樣試驗及旁壓試驗成果,對比1#、2#、3#、4#4個鉆孔所處的位置及深度可知,4個鉆孔所處位置地形及水流情況相似,其地層成分、深度差異不大,可以初步推斷這4個鉆孔內試驗點地層具有相似的成因、沉積應力歷史,在地層成因劃分上可以歸類為一類地層。

(3) 5#鉆孔處于河床右岸,在圖1中處于剖面位置的右側,5個試驗點試驗深度相近,但5個試驗點所處的河岸位置及地形有一定的差異,5#鉆探試驗點河岸地形上緊靠一個河岸沖溝。5#鉆孔29.1 m處土層與其余4個鉆孔試驗點土層旁壓試驗曲線確定的力學參數有一定的差異,在同一土層工程力學特性研究中明顯不同于其他鉆孔試驗土層,在土層工程力學分層及地層成因研究上應區別對待。

土層的力學特性與密實度密切相關,參考Baguelin(1978)的建議,根據旁壓試驗曲線確定的初始水平土壓力P0及極限壓力Pl,劃分砂土密實度如表2所示。

表2 5個鉆孔粉土質砂層密實度劃分

通過表2中Pl-P0劃分砂土密實度可知,1#-4#粉土質砂層為稍密狀態,5#鉆孔處粉土質砂層為中密—密實狀態。根據圖1、圖2分析,受鉆探試驗點位置、地層差異及河岸地形影響,分析其力學特性差異主要反映在地層成因及土層沉積應力歷史兩個方面。

(1) 在土層成因分析上,松塔水電站河床地層有河相沉積、泥石流成因,地質歷史環境上還有可能存在堰塞湖、河流改道等情況,即使是深度及位置相近的相似土層,其成因也有可能存在較大的差異,從圖3可見,5#鉆孔29.1 m處土層各項力學參數明顯高于其余4個鉆孔試驗點土層,雖然地層成分相似,但其土層成因存在差異。

(2) 在設計計算地基土層的壓縮變形沉降時,需要了解土層的沉積應力歷史,5#鉆孔29.1 m處粉土質砂層力學參數較高,可以推斷5#鉆孔位置河床地層在正常沉積的過程中可能遭遇過泥石流、山崩、堰塞湖等地質情況,使得土層固結狀態發生變化,土層可能處于超固結狀態,這也是通過表2得知同一類土層5#鉆孔處試驗土層密實度明顯大于其余4個鉆孔試驗點土層的原因。分析其地形位置分布可以大致推斷出5#鉆孔處試驗土層受到的自然力與1#-4#鉆孔所處位置不同,導致地層力學特性存在一定的差異,在地質沉積應力歷史研究中要對其分類區別對待[6]。

綜上所述,通過對旁壓試驗成果分析,可以對土層成因、沉積應力歷史等作出初步推斷,確定其在地質意義上的工程力學特性分層、初步判定土層成因差異。5#鉆孔試驗位置地層與其余鉆孔具有不同的力學特性,在地質分層上要考慮其差異性,在地層成因及工程力學特性研究上應分區研究。

5 結語

(1) 旁壓試驗曲線的變化特征與地層力學特性密切相關,分析孔內旁壓試驗曲線能對土層地質力學分層進行初步研究。

(2) 1#-4#鉆孔同一土層內旁壓試驗曲線具有相似性,旁壓試驗確定的力學參數相近,在土層工程力學特性上應劃歸為一類地層。

(3) 5#鉆孔內旁壓試驗確定的力學參數明顯不同于其余4個鉆孔試驗點地層,地層密實程度也存在差異,在地質力學分層研究中要有區別對待。

(4) 通過對旁壓試驗成果分析對比,可以在地層成因、土層沉積應力歷史上對同一類試驗土層差異性作出推斷。

[1] 中華人民共和國建設部.巖土工程勘察規范:GB50021—2001[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[2] 常士驃,張蘇民.工程地質手冊[M].第四版.北京:中國建筑工業出版社,2007.

[3] 劉怡林,王吉利,駱行文,等.旁壓試驗在黃土地區地基承載力現場測試中的應用[J].公路交通科技,2004,21(6):17-19.

[4] 汪稔,胡建華.旁壓試驗在蘇通大橋地質勘察工程中的應用[J].巖土力學,2003,24(6):887-891.

[5] 熊德全,王昆,馬加禹.其宗水電站深厚覆蓋層鉆孔旁壓試驗[J].云南水利發電,2009,25(6):16-19.

[6] 東南大學,浙江大學,湖南大學.土力學[M].北京:中國建筑工業出版社,2001.

(責任編輯：陳文寶)

Application of Pressuremeter Test of Geological and MechanicsStratification at Songta Hydropower Station

SHEN Shaohua, CHEN Mingxing

(BeijingEngineeringCorporationLimited,Beijing100024)

Through the analysis of results in 5 drilling holes to realize 1#-4#drilling holes in same soil is similarity,the result of 5#drilling hole is different to other holes in the same soil,through the comparison of similarity and differences in mechanics stratification,it has good application value of geological and mechanics classification.

pressuremeter test; geological classification; sedimentology stress; pressuremeter modulus

2015-09-06;改回日期:2015-12-11

沈少華(1979-),男,高級工程師,巖土工程專業,從事巖土工程勘察工作。E-mail:cmx1984@126.com

TU413.4; TV72

A

1671-1211(2016)04-0634-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.04.020

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160707.1528.044.html 數字出版日期:2016-07-07 15:28