基于西藏果多水電站巖體環(huán)境構(gòu)建下的物理力學(xué)分析探索

王曉朋

摘 要：隨著我國水力資源開發(fā)重點的西移，川西、藏東等高寒地區(qū)的水電建設(shè)逐漸拉開序幕，其特有的氣候與地理環(huán)境，為水電建設(shè)提出了新的挑戰(zhàn)。在壩工設(shè)計上緊密相關(guān)的壩基沉降、邊坡和洞室穩(wěn)定性問題控制中，如何合理給定巖體的物理力學(xué)參數(shù)一直是一個比較棘手的問題。在文章中，將就西藏果多水電站巖體環(huán)境構(gòu)建下的物理力學(xué)進(jìn)行一定的研究與分析。

關(guān)鍵詞：西藏果多水電站；巖體環(huán)境；物理力學(xué)

中圖分類號：TV741 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0019-02

1 概述

隨著我國水電開發(fā)力度的不斷加大，我國水電站建設(shè)重點逐漸西移，尤其是西藏地區(qū)。據(jù)全國水力資源復(fù)查結(jié)果顯示，西藏自治區(qū)水力資源理論蘊藏量17640億千瓦時，技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量1.1億千瓦，位居全國第二位，僅次于四川省。然而，目前西藏地區(qū)已建水電站總裝機(jī)容量僅約50萬千瓦，只占技術(shù)可開發(fā)量的5‰，開發(fā)利用率為全國最低。西藏地區(qū)其獨特的自然和人文地理環(huán)境為水電工程建設(shè)提出了新的問題和要求，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)地問題突出、高地應(yīng)力問題突出、高寒環(huán)境對工程建設(shè)的影響等均制約著藏區(qū)水電工程建設(shè)的順利開展。而該地區(qū)水電站建設(shè)壩基巖體（尤其是軟巖）力學(xué)參數(shù)的選取對工程建設(shè)的成功與否尤為關(guān)鍵，科學(xué)、合理的選擇壩基巖體力學(xué)參數(shù)，將是工程建設(shè)者適應(yīng)新環(huán)境、促進(jìn)科技發(fā)展的關(guān)鍵內(nèi)容。

2 壩址區(qū)巖體物理力學(xué)性質(zhì)試驗參數(shù)研究

為查明電站壩址區(qū)巖體物理力學(xué)特性，勘測階段進(jìn)行了大量室內(nèi)物理力學(xué)試驗以及現(xiàn)場試驗，如：巖礦鑒定、三軸壓縮試驗、水質(zhì)分析、化學(xué)分析及現(xiàn)場大剪、變形試驗等，并利用鉆孔及平硐進(jìn)行巖體聲波波速測試。

壩址區(qū)共在鉆孔中取樣51組進(jìn)行了巖塊室內(nèi)物理力學(xué)試驗、取其中3組進(jìn)行了巖石聲波室內(nèi)試驗，6組進(jìn)行了巖石單軸壓縮試驗，15組進(jìn)行了室內(nèi)三軸壓縮試驗，對13個鉆孔進(jìn)行了鉆孔聲波測試和對5個鉆孔進(jìn)行了孔內(nèi)錄像，對10個平硐進(jìn)行了地震波測試，原位大剪試驗14組，原位變形試驗13組等多種試驗。

2.1 巖塊室內(nèi)試驗

為了解下壩址巖體的物理力學(xué)特征，在鉆孔中共取樣51組進(jìn)行了巖塊室內(nèi)物理力學(xué)試驗、取其中3組進(jìn)行了巖石聲波室內(nèi)試驗，共取樣6組紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行了室內(nèi)巖石單軸壓縮試驗，沿層面、裂隙面等結(jié)構(gòu)面破壞的試驗值在飽和抗壓強(qiáng)度的統(tǒng)計過程中已舍去了，統(tǒng)計結(jié)果顯示：

2.1.1 泥巖、粉砂質(zhì)泥巖平均密度為2.71g/cm2，平均比重2.76g/cm2，平均吸水率為1.46%。自然狀態(tài)下弱風(fēng)化巖石飽和抗壓強(qiáng)度平均值為12.1MPa，微新巖體飽和抗壓強(qiáng)度平均值為16.8MPa。

2.1.2 粉砂巖平均密度為2.69g/cm2，平均比重2.73g/cm2，平均吸水率為1.03%。自然狀態(tài)下弱風(fēng)化巖石飽和抗壓強(qiáng)度平均值為56MPa，微新巖體飽和抗壓強(qiáng)度平均值為63.3MPa。

2.1.3 砂巖平均密度為2.65g/cm2，平均比重2.72g/cm2，平均吸水率為0.55%。自然狀態(tài)下弱風(fēng)化巖石飽和抗壓強(qiáng)度平均值為91.5MPa，微新巖體飽和抗壓強(qiáng)度平均值為103.6MPa。

2.2 室內(nèi)三軸試驗

為了解壩址區(qū)紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖在三向應(yīng)力條件下的強(qiáng)度，該電站共取樣15組紫紅色泥巖及粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行了室內(nèi)三軸壓縮試驗。

2.2.1 試驗準(zhǔn)備

本次試驗依據(jù)為：第一，中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50266-99）；第二，中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》（SL264-2001）；第三，中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水電水利巖石力學(xué)試驗規(guī)程》（DL/T 5368-2007）。

試驗采用美國產(chǎn)MTS815 Flex Test GT巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)進(jìn)行。依據(jù)國標(biāo)和規(guī)程規(guī)定，本次試驗試件尺寸均為φ50mm×H100mm。采用鉆、切割與精磨進(jìn)行試樣制備。精磨后精度，包括平行度、平整度和垂直度均滿足國標(biāo)和規(guī)程要求。

干燥試樣的狀態(tài)為自然風(fēng)干狀態(tài)；飽和狀態(tài)試樣采用抽氣法進(jìn)行飽和，飽和條件按國標(biāo)與規(guī)程進(jìn)行。

本次試驗由巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)進(jìn)行，計算機(jī)程序控制自動完成加載與測量，整個加載過程速率控制穩(wěn)定、精確。試驗所施加荷載由力傳感器測量，試件變形由引伸計測量，這些測量信息均由計算機(jī)自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、記錄，完全消除了人為測量誤差。

2.2.2 試驗結(jié)果

根據(jù)室內(nèi)MTS815 Flex Test GT巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)進(jìn)行了單軸和三軸試驗，通過試驗數(shù)據(jù)繪制試驗曲線，干燥狀態(tài)和飽和狀態(tài)下巖樣典型應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線（單軸）。通過試驗曲線擬合計算得出巖石的變形參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)。抗剪斷強(qiáng)度（峰值）與抗剪強(qiáng)度（殘余值）按最佳關(guān)系曲線和下包線兩種方法整理，兩者結(jié)果有所差別，最終結(jié)果可以參考相關(guān)規(guī)范、類比相關(guān)工程項目進(jìn)行確定。

2.3 波速測試成果

主要利用鉆孔、平硐進(jìn)行聲波波速測試，以了解不同巖性、完整程度、風(fēng)化程度巖體的波速特征值。

鉆孔聲波測試成果：電站下壩址共對13個鉆孔進(jìn)行了鉆孔聲波測試，測試成果表明：T3d2厚層灰色砂巖、粉砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖地層巖體，巖體波速為3000～5000m/s、平均波速為4500m/s左右、完整性系數(shù)多大于0.7，巖體較完整。

T3d2厚層灰色砂巖、粉砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖地層巖體中弱風(fēng)化砂巖、粉砂巖段波速為3900～4800m/s、平均波速為4300m/s左右，完整性系數(shù)多大于0.7，巖體較完整；微新巖體砂巖、粉砂巖段波速為4000～5000m/s、平均波速為4600m/s左右，完整性系數(shù)多大于0.7，巖體較完整；該地層泥巖所占比例較少，僅在微新巖體中測得泥巖、泥質(zhì)粉砂巖段波速為2500～3300m/s、平均波速為3000m/s左右，完整性系數(shù)在0.3左右，巖體較破碎，可能受斷層影響所致。endprint

平硐巖體地震波測試成果：電站下壩址共對10個平硐進(jìn)行了地震波測試。測試成果表明：T3d2厚層灰色砂巖、粉砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖地層巖體中，大部分巖體波速在3000～4800m/s之間，完整性系數(shù)在0.4～0.7之間，巖體較完整。

T3d2厚層灰色砂巖、粉砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖地層巖體中弱風(fēng)化砂巖、粉砂巖段波速為3100～4200m/s之間，完整性系數(shù)在0.4～0.7之間，巖體較完整，局部受斷層、夾層等影響，完整性較差；微新巖體中砂巖、粉砂巖段波速在4000～4800m/s之間，完整性系數(shù)多大于0.7，巖體較完整，局部受斷層、夾層等影響，完整性較差。

于左岸PDk1、PDk7平硐中測的J1ch1～2紫紅色泥巖夾砂巖地層，該地層弱風(fēng)化巖體波速在3200m/s左右，完整性系數(shù)在0.4左右，巖體較破碎；微風(fēng)化巖體波速在4100m/s左右，完整性系數(shù)在0.6左右，巖體較完整。

2.4 基于試驗成果的建議值取值原則

第一，巖石密度、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等，有大量的統(tǒng)計資料，取值時巖芯均是較為新鮮完整的，對于微新巖體地質(zhì)建議值可直接取用標(biāo)準(zhǔn)值，但作為風(fēng)化巖體的取值需進(jìn)行折減。

第二，變形參數(shù)，由于試驗時的尺寸效應(yīng)，大體積巖體的變形參數(shù)理論上比小尺寸巖體的值低，建議在標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上適當(dāng)折減。

第三，巖體抗剪（斷）強(qiáng)度參數(shù)。巖體抗剪強(qiáng)度的試驗值，除與巖石強(qiáng)度有關(guān)，還與試驗塊體剪斷面所含的結(jié)構(gòu)面所占的比例及性狀有狀。通過對巖體剪切面的粗略統(tǒng)計，裂隙面平均所占比例為10～15%。也就是說通過現(xiàn)場試驗所取得的巖體抗剪強(qiáng)度值是包含了一定微小結(jié)構(gòu)面比例的，這也是巖體與巖塊的區(qū)別，但該比例低于與大體積節(jié)理巖體中節(jié)理對巖體強(qiáng)度的影響，地質(zhì)取值宜小于標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)需提供某特定方向上的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)時，則需考慮巖體中的結(jié)構(gòu)面連通率，即還需要一定的折減。

3 結(jié)束語

在上文中，我們對西藏果多水電站巖體環(huán)境構(gòu)建下的物理力學(xué)情況進(jìn)行了一定的研究，對水電站建設(shè)打下了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，具有較好的研究應(yīng)用價值。

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