徽縣宋家灣水庫工程壩址區巖體變形特性試驗研究

董志英

（甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅 蘭州 730000）

徽縣宋家灣水庫工程壩址區巖體變形特性試驗研究

董志英

（甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅 蘭州 730000）

巖體變形試驗研究的目是為水庫大壩的工程地質條件評價提供依據，同時為工程設計提供力學參數。在徽縣宋家灣水庫壩軸線左右岸的勘探平硐中進行巖體變形試驗，采用剛性承壓板法施力于半無限空間巖體表面，測量巖體變形，并按均勻、連續、各向同性的半無限彈性體表面受局部荷載的布西涅斯克公式計算巖體變形特征值。結合工程地質條件對變形試驗成果進行分析，按照左右岸巖體風化程度和完整性不同，得出巖體變形參數的標準值：左岸：ES=5.57～6.34 GPa，E0=3.51～3.73 GPa；右岸：ES=1.09～7.72 GPa，E0=0.55～5.17 GPa。

水庫工程；巖體變形試驗；變形模量；彈性模量

1 工程概況

甘肅省徽縣宋家灣水庫工程壩址位于永寧河中游河段上，工程主要任務為供水，取水口位于宋家灣水庫右岸，出水口位于徽縣縣城北長峪河左岸，沿線布置兩個分水口輸水至徽縣柳林鎮和永寧鎮，出水口經城鄉管網輸水至徽縣所轄城區及部分鄉鎮。

工程由攔河樞紐及輸水系統兩部分組成，供水對象主要為徽縣城關區、柳林鎮、永寧鎮。宋家灣水庫設計總庫容3510萬m3，年供水量3222萬m3，設計引水流量1.45 m3/s。為Ⅲ等中型工程，主要建筑物級別為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級；輸水系統為Ⅳ等小(Ⅰ)型工程，主要建筑物為4級，次要及臨時建筑為5級。

2 巖體變形試驗

確定壩基巖體的變形特征，為地質評價和設計提供計算參數。依據《甘肅徽縣宋家灣工程初步設計階段》勘測的要求，現場巖體變形試驗在水庫壩址區的2個勘探平硐中進行，共布置巖體變形試驗6組。

2.1 試驗區基本地質條件與試點布置

在壩址區左、右壩軸線上各開挖一個平硐，進行現場巖體變形試驗。

左岸平硐 PD1，硐長41.8 m，揭露的巖性為中泥盆統砂巖、砂質板巖夾灰巖：巖石呈青灰色、灰黑色，局部灰白色，以中硬巖為主，砂巖為變質細粒石英砂巖，砂質板巖常互變為砂巖，變質程度深淺不等，一般為中厚層狀結構，局部薄層或互層狀結構，灰巖呈夾層狀或透鏡狀分布于變質砂巖、砂質板巖中，成層不穩定。巖體中發現次級小斷層5條，破碎帶寬1～20 cm，泥鈣質膠結一般或中等，巖層產狀 NW296°～325°SW∠30°～37°，層面輕度～中等發育，多閉合，部分充填方解石脈或鈣質薄膜。強風化界限深度為4～6 m，弱風化界限深度為15～18 m。其中 31.5～40 m段揭露的巖性為灰巖，40.0～41.8 m段以板巖為主。按勘測試驗委托書的要求，在弱風化段的6.9m和16.9 m處布置PD1B1、PD1B2兩點變形試驗，在微風化段31.2 m處布置PD1B3變形試驗點；PD1B1、PD1B2兩點的巖性為中厚層狀的砂質板巖夾灰巖，巖體完整性較好；PD1B3點的巖性為中厚層狀的砂質板巖夾灰巖，局部薄層或互層狀結構，裂隙發育，巖體完整性差。

右岸平硐PD2，硐長58.0 m，硐口至17.0 m段揭露的巖性為第四系全新統崩坡積塊石碎石土，呈土黃色，主要由碎石土和孤塊石組成，顆粒組成極不均勻，粒徑大小不一，部分地段孤塊石集中分布，可見最大粒徑3.2 m，有架空現象，其中0～10.0 m段含泥量較高，塊碎石呈棱角狀，成分主要為變質砂巖、砂質板巖，結構松散。17.0～20.0 m為強風化段，20.0～33.0 m為弱風化段，33.0～58 m為微風化段，揭露巖性為中泥盆統砂巖、砂質板巖夾灰巖，青灰色、灰黑色，局部灰白色，以中硬巖為主，砂巖為變質細粒石英砂巖，砂質板巖常互變為砂巖，變質程度深淺不等，一般為中厚層狀結構，局部薄層或互層狀結構，灰巖呈夾層狀或透鏡狀分布于變質砂巖、砂質板巖中，成層不穩定。巖體中發現次級小斷層四條，破碎帶寬3～30 cm，泥鈣質膠結一般或中等，巖層產狀 NW305°～325°NE∠30°～37°，層面輕度～中等發育，多閉合，部分充填方解石脈或鈣質薄膜。按照委托書的要求，在 PD2平硐中的 24.3 m、37.8 m、49.7 m處布置 PD2B1、PD2B2、PD2B3等 3組變形點，PD2B1點在弱風化段，PD2B2、PD2B3兩點布置在微風化段，試點出的巖性均為砂質板巖夾灰巖，但前兩點的巖體裂隙發育，完整性差，最后一點的巖體完整性相對較好。

2.2 試驗成果

通過剛性承壓板施力于半無限空間巖體表面，測量巖體變形，并按均勻、連續、各向同性的半無限彈性體表面受局部荷載的布西涅斯克公式計算巖體變形特征指標。

（1）剛性承壓板法試驗采用板上4個測表的變形平均值作為巖體變形值，當其中一個測表失效時，可采用另外三個測表（變形均勻時）或另一對稱的兩個測表（變形不均勻時）的平均值作為變形值。

（2）繪制壓力與變形之間的關系曲線，根據曲線類型確定變形值，計算巖體變形參數。

（3）剛性承壓板法試驗變形參數按下列公式（布西涅斯克公式）計算：

式中，E為變形模量或彈性模量，MPa；當以全變形W0代入式中計算時為變形模量E0；當以彈性變形We代入式中計算時為彈性模量Ee；μ為巖體泊松比（依據室內巖石試驗成果，變質砂巖與砂質板巖互層取0.25，較破碎裂隙發育巖體取0.33）；p為按承壓板單位面積計算的壓力，MPa；D為承壓板直徑（56.6cm），cm；W為巖體變形，cm。

2.3 壓力（P）～變形（W0）關系曲線分析

變形試驗中所獲得的壓力（P）～變形（W0）關系曲線反映了巖體在外荷載作用下的變形特性。

經對壓力～變形關系曲線的分析，PD1B2和PD1B3兩點均為變質砂巖與砂質板巖互層，表層微裂隙發育，深層巖體均質性較好，壓力（P）～變形（W0）關系曲線方程為 P=f(w)=kw，=k（k為常數），=0呈線形關系，見圖1和圖2。

圖1 PD1B2變形試驗壓力—變形關系曲線

圖2 PD1B3變形試驗壓力—變形關系曲線

PD1B1、PD2B1、PD2B2和PD2B3四點巖性均為變質砂巖與砂質板巖互層，但層理裂隙發育，為軟硬巖互層的得結構，壓力（P）～變形（W0）關系曲線方程為P=（fw），遞增，＞0，它反映出隨壓力增高，結構面有逐漸被壓密，模量逐漸增大的趨勢，線形呈上凹型，見圖3～圖6。

圖3 PD1B1變形試驗壓力—變形關系曲線

圖4 PD2B1變形試驗壓力—變形關系曲線

圖5 PD2B2變形試驗壓力—變形關系曲線

圖6 PD2B3變形試驗壓力—變形關系曲線

2.4 巖體變形試驗成果

每個變形試驗點按照曲線類型不同分別進行計算，Ⅰ類曲線取直線段計算，Ⅱ類曲線可逐級分別計算。試驗參數成果見表2。

表2 巖體變形試驗參數成果表

依據試點描述可以看出，左岸PD1B3點在微風化段，巖性為砂質板巖夾灰巖，填充方解石脈、裂隙面有銹染，裂隙發育，巖體完整性差。而PD1B1和PD1B2兩點雖然處于弱風化段，但巖體完整性好，巖性均一，為砂巖與砂質板巖互層，裂隙面閉合，層間結合緊密，充填石英巖脈或鈣質薄膜，因此變形模量和彈性模量大于PD1B3點；右岸PD2B1和PD2B2點巖性均為砂巖與砂質板巖互層，試點裂隙較發育，且部分裂隙面有銹染，巖體完整性差；試點PD2B3巖體完整性好，表現在變形模量和彈性模量較PD2B1、PD2B2兩點大。總體看來，左岸平洞的巖體變形試驗參數大于右岸平洞，這與左右岸的巖體地質特征一致。

3 巖體變形試驗參數的標準值

變形試驗共做6組，左岸PD1和右岸PD2各3組，巖性均為變質砂巖和砂質板巖互層。左岸PD1平洞中變形試點B1、B2處于弱風化帶，但試點處的巖體為中厚層結構，沒有大的裂隙通過，微裂隙也不發育，巖體完整性好，表現在變形參數較微風化帶的B3點的值高，經與地質人員溝通，認為弱風帶整體上完整性比微風化帶的差，因此試點B1、B2試驗參數不能完全反映弱風化帶的變形參數，經與地質人員共同確定，提出左岸巖體的變形參數的標準值；對右岸平洞的變形試驗參數，較好的反映了巖體的特征，弱風化帶和微風化帶的變形參數按試驗值提出標準值。

（1）左岸，弱風化，砂巖與砂質板巖互層，微小裂隙較發育：

ES=5.57 GPa E0=3.73 GPa

（2）左岸，微風化，砂質板巖夾灰巖，微小裂隙較發育，巖體完整性差：

ES=6.34 GPa E0=3.51 GPa

（3）右岸，弱風化，砂巖與砂質板巖互層，微小裂隙較發育，巖體完整性差：

ES=1.09 GPa E0=0.55 GPa

（4）右岸，微風化，砂巖與砂質板巖互層，微小裂隙發育，巖體完整性好：

ES=7.72 GPa E0=5.17 GPa

4 結論

經現場巖體變形試驗，采用比設計要求的壓力大0.7 MPa所獲得的壓力（P）～變形（W0）關系曲線反映了壩址區巖體在外荷載作用下的變形特性，為地質評價和設計提供了可靠的計算依據。

TV68

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1673-9000（2017）05-0101-03

2017-04-25

董志英（1981-），女，藏族，甘肅蘭州人，助理工程師，主要從事巖土檢測工作。