淺變質巖漿巖巖塊斷口變色程度與單軸抗壓強度關系研究

吳 松，彭森良

（1.中國水電建設集團十五工程局有限公司，陜西 西安 710068；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，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260 MW，其混凝土重力壩最大壩高33 m，長約6.8 km（由1#堤壩、2#堤壩、3#堤壩組成），水庫（壓力前池）容量約0.3 億m3。該工程為國際EPC 總承包項目，業主方屬馬來西亞，設計咨詢方為某國際知名咨詢公司。

該電站絕大部分壩段高度在10 m～20 m 之間，壩基發育英安巖夾熔結凝灰巖，均屬堅硬巖。根據設計方計算，將壩基置于強風化巖體上具備條件，但需要給出強風化巖體的巖塊強度才能說服國際咨詢方同意強風化巖體為大壩建基面，如何獲得強風化巖體的巖塊強度成為一大技術難題。

經充分調研和溝通，國際咨詢方認可采用不規則巖塊的點荷載試驗成果作為巖塊強度的獲取手段。國內外學者對點荷載試驗已有研究工作涵蓋了點荷載試驗的工作原理[1～2]、點荷載試驗結果的影響因素[3]、煤層抗拉強度[4]及風化花崗巖單軸抗壓強度[5～6]與點荷載試驗結果的關系、變質沉積巖單軸抗壓強度與點荷載試驗成果之間的關系[7]以及點荷載試驗成果對巖體或巖石地基強度參數的影響[8～11]等。本文在大量試驗數據基礎上對淺變質巖漿巖的巖塊斷口變色程度（即風化程度）與巖石單軸抗壓強度之間的關系進行了相應研究。

本工程共343 個壩段（每個壩段長約20 m），其中強風化巖塊約占90%，弱風化巖塊約占8%，全風化巖塊約占2%。每個壩段需開展2 組不規則巖塊點荷載試驗，共完成點荷載試驗847組，其中，自然含水狀態下的不規則巖塊點荷載試驗78 組，飽和狀態下不規則巖塊點荷載試驗769 組。本文通過整理上述試驗成果，與前期地勘巖芯單軸壓縮試驗成果進行了對比分析。

2 基本地質條件

2.1 地形地貌

工程區屬湄公河侵蝕平原，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，總體地勢平緩，僅在2#堤壩與3#堤壩之間發育有山頂高程約104 m 的熔巖殘丘（0#山包）,沖溝以紋溝及細溝為主，少量切溝，延伸不超過350 m，大部分位于堤壩圍擋范圍以內。電站所在河道形成槽型河漫灘河谷，岸邊地勢較陡，局部坡度超過30°。

2.2 地層巖性

工程區大部分為第四系沖、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：

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

2.3 地質構造

堤壩區地質構造簡單，斷裂與褶皺均不發育，屬穩定的火山間歇性噴發再沉積形成的單斜構造區，單斜構造總體呈近東西向，傾向南，傾角60°左右，單斜體厚度超過5000 m。

堤壩建基面除順流層結構面發育外，還有一組近垂直結構面稍發育，均非緩傾節理，其余方向結構面不甚發育。在部分壩段零星揭露緩傾節理，其延伸一般不超過3 m，節理面多閉合或微張，充填物以鐵質為主，泥質充填極少見，因此，堤壩沿線壩基抗滑穩定主要受控于壩基巖體與混凝土接觸面，無深層抗滑穩定問題。

2.4 物理地質現象

堤壩區無可溶巖地層，滑坡、崩塌、泥石流及巖體卸荷等不發育，物理地質現象主要為巖體風化。將工程區巖體按風化程度劃分為全風化、強風化、弱風化、微風化～新鮮四級。其中強風化、弱風化分別劃分為2 個亞類，即強風化上帶、強風化下帶、弱風化上帶及弱風化下帶。

堤壩區全風化底界埋深一般為1 m～3 m，強風化上帶底界埋深一般為2 m～5 m，強風化下帶底界埋深一般為4 m～8 m，弱風化上帶底界埋深一般為8 m～9 m，弱風化下帶底界埋深一般為9 m～12 m，向下為微風化～新鮮巖體。

2.5 水文地質條件

堤壩區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。

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

3 不規則巖塊點荷載強度試驗

3.1 試樣要求

試驗遵循中國水電行業規范《水電水利工程巖石試驗規程》（DL/T 5368-2007），本工程對試樣要求如下：

（1）不規則巖塊尺寸限定為(50±35)mm；

（2）兩加載點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和飽和狀態兩種，其中飽和狀態將試樣在水中浸泡不低于48 h；

（4）每組試驗取不規則巖塊40 組以上，以確保有效試驗巖塊數量不低于20 塊。其中，全風化巖塊由于浸水后極易軟化，僅考慮了天然含水狀態下的點荷載試驗強度。

3.2 試驗儀器要求

主要試驗儀器為數顯點荷載儀和游標卡尺，主要參數如下：

（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）讀數精度0.01 kN；

（6）游標卡尺量程200 mm，最小分度值0.02 mm。

3.3 試驗步驟

（1）選擇試件最小尺寸方向為加載方向。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。用游標卡尺量測加載點間距及通過兩加載點最小截面的寬度或平均寬度。加載點距試件自由端的距離不應小于加載點間距的0.5。

（2）穩定地施加載荷，使試件在10 s～60 s 內破壞，記錄破壞荷載。

（3）試驗結束后，描述試件的破壞形態，拍照留存記錄，選取破壞面貫穿整個試件并通過兩加載點為有效試驗。

3.4 試驗成果整理

（1）按照下列公式計算點荷載強度:

式中：Is為未經修正的不規則巖塊點荷載強度，MPa；P 為破壞荷載，N；De為等價巖芯直徑，mm。

（2）根據試驗結果，繪制等價巖芯直徑De與破壞載荷P 的關系曲線，并在曲線上查找為2500 mm2時對應的破壞荷載P 值（P50），按下式計算點荷載試驗強度指數（Is（50））:

（3）計算值取3 位有效數字。

（4）巖石單軸抗壓強度（UCS，單位為MPa）與點荷載試驗強度指數（Is（50），單位為MPa）按下式計算:

4 試驗成果分析

4.1 前期地勘弱風化及微新巖石單軸抗壓強度

前期地勘共取樣完成有效巖石飽和單軸抗壓強度試驗89組，其中弱風化巖石23 組，微新巖石66 組，英安巖與熔結凝灰巖強度區別不大，總體上，弱風化巖石飽和單軸抗壓強度為62.45 MPa～98.64 MPa，平均值為73.16 MPa；微新巖石飽和單軸抗壓強度為68.55 MPa～123.93 MPa，平均值為93.11 MPa。

4.2 巖石點荷載試驗強度值及似軟化系數

對847 組合計約20000 塊有效試驗巖塊的風化程度分別按照全風化、強風化上帶、強風化下帶、弱風化上帶、弱風化下帶及微風化～新鮮進行了分類，并根據破壞截面的變色程度5%分位值進行詳細劃分，得到統計結果，見表1。

表1 不規則巖塊樣點荷載試驗成果統計

由表1 可知：

（1）不規則巖塊點荷載試驗成果與前期地勘單軸壓縮試驗成果一致，說明不規則巖塊點荷載試驗的成果是可靠的。

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

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

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

（5）隨著風化程度和變色程度的加深，巖塊“似軟化系數”減小，反之亦然，至弱風化下帶巖塊和微新巖塊，“似軟化系數”已達到0.98 左右，且不隨著風化程度和變色程度的減小而變化。可據此推斷，強風化上帶巖體軟化系數最小，小于0.65；強風化下帶巖體軟化系數小于0.75；弱風化上帶巖體軟化系數小于0.90；弱風化下帶和微新巖塊軟化系數小于0.98。

5 經驗公式的建立

依據統計結果，通過EXCEL 軟件處理擬合，分別得到強風化巖塊、弱風化～微新巖塊破壞斷口變色程度與飽和巖塊UCS 值的二次多項式關系式，其可靠度達到0.98 以上，見圖1 及圖2。可參考應用于老撾南部廣泛發育的同類地層巖塊UCS 值的估算，也可借鑒應用于其它堅硬巖分布區域的巖塊UCS 值的估算。

圖1 強風化巖塊變色程度與UCS 值關系經驗公式

圖2 弱風化～微新巖塊變色程度與UCS 值關系經驗公式

6 結語

本文通過分析東薩宏水電站847 組壩基巖體不規則巖塊點荷載試驗成果和前期地勘巖芯樣單軸壓縮試驗成果，認為不規則巖塊點荷載試驗成果較為可靠，且巖塊破壞斷面變色程度與UCS 值密切相關，并得出相應經驗公式。當巖體破碎無法取得滿足單軸壓縮試驗的巖芯時，采用不規則巖塊點荷載試驗是可靠的，尤其對于強風化地基巖體強度的估算，是一種較為重要的手段，且對普遍分布于老撾南部的同一類地層的其它工程地基巖塊UCS 取值具有重要參考意義，對同類工程堅硬巖地基則具有一定參考意義。