西南地區壩基深部玄武巖工程地質特性研究

杜怡韓,聶德新,黃 博,張 墨

(1.安徽工程大學 建筑工程學院，安徽 蕪湖 241000；2.成都理工大學 環境與土木工程學院，四川 成都 610059)

在水利水電工程中，壩基巖體質量評價是整個項目工程地質評價中最為重要的一環，決定了建基面的選擇、施工設計方案、壩基整體穩定性等關鍵問題。巖體評價指標主要為結構面發育程度、結構面間距、完整系數、強度參數等，理論上結構面間距越小，聲波波速越低，巖體風化程度越高、結構越破碎、巖體質量越差。然而，由于勘察、施工條件的限制，壩基深部巖體的評價難度較大。作者近年來在西南玄武巖地區水電工程實踐當中發現，對于淺部強風化～弱上風化帶巖體，結構面間距和完整系數兩種方法評價的巖體結構基本對應，但對于深部玄武巖，雖然結構面密度較大，其縱波波速值卻較高，兩個指標劃分的巖體結構類型差異較大。因此，對于深部玄武巖簡單按照結構面指標來評價巖體質量是不合適的。已有較多研究表明，巖體透水率、縱波波速等指標能較好反映巖體工程特性，且與巖體力學參數有較好的相關性，其測試方法相對簡便，可用于深部巖體，借助透水率、縱波波速等指標評價深部玄武巖巖體是可行的。

針對西南地區深部玄武巖特性，提出“緊密鑲嵌結構”玄武巖，以西南某水電站壩基玄武巖為例，通過鉆孔巖芯、透水率、縱波波速等指標劃分壩基巖體風化帶、卸荷帶、巖體結構，利用波速與變形模量相關關系、呂榮值與變形模量相關關系、室內MTS試驗，確定深部巖體力學參數，劃分巖體質量等級，為深部玄武巖工程特性研究提供依據。

1 深部玄武巖工程地質特性

我國西南地區地殼運動比較活躍，在內外動力作用下，形成了復雜的地質環境和巖(土)體結構。玄武巖強度高，剛度大，巖石內部儲存了較高的彈性應變構造能，一旦受到強烈地質構造作用，將大量釋放其儲存的高能量，形成較多的結構面。處于原位狀態的深部玄武巖，在未受擾動的前提下，其結構面處于緊密貼合狀態，并不會降低縱波傳播速度和滲透性，在幾何表象上不完整，但在力學特性上表現出類似完整巖體的較高力學性質，其工程特性評價應綜合考慮透水率、縱波波速、力學參數等指標。

1.1 深部玄武巖巖體結構、巖體風化、卸荷劃分

在表部強～弱上風化段，巖體受到風化、卸荷的影響，結構面進一步發育，巖體完整性降低，縱波波速較低；而在深部弱下～微風化段，巖體基本處于原位狀態，結構面緊密貼合，力學特性類似于完整巖體。深部玄武巖在幾何表象上表現為鑲嵌結構，而在力學性質上表現為完整性較差～較完整巖體，結合我國西南玄武巖水利水電工程實踐經驗，提出“緊密鑲嵌結構”。巖體結構、風化卸荷劃分主要參考指標不再局限于巖體幾何尺寸，而主要參考縱波速度、滲透系數、力學參數等指標。

在用定量指標劃分巖體風化帶時，從各個工程實際應用來看，根據波速比對巖體風化程度進行劃分，與現場實際情況較為吻合。在玄武巖中，構造形成的層內錯動帶、擠壓破碎帶在初始狀態下具有較高的波速，后期河谷切割暴露后，壓力解除、風化營力進入，碎裂巖體松弛，波速發生大幅降低，而臨近的完整巖石具有較好的整體性，縱波波速值較高，聲波孔測試結果會表現出較低波速與高波速交替的凹凸形狀。因此，在利用波速比劃分玄武巖風化帶時，需要對波速～孔深柱式圖凹凸變化規律進行分析，根據低波速——即凹槽出現的頻率及波速值劃分風化帶。

水平孔聲波以20 cm為間隔進行測試，對于玄武巖來說，若20 cm的測段內分布有拉張的卸荷裂隙，則縱波波速值銳減，波速值一般在2 000 m/s以下，而卸荷帶內的測段若無拉張裂隙分布，則獲得接近正常巖體的波速。因此依據測試結果繪制的波速-孔深柱式圖出現跳躍式的變化，波速很低的凹槽地段為測段內出現卸荷拉張裂隙，可據此劃分水平方向的卸荷帶。

1.2 深部玄武巖力學參數

巖體是由完整巖塊和結構面構成，巖體的變形參數由巖塊變形參數和結構面的變形參數共同決定，其大小與巖體結構類型有關。巖體結構面發育、延續性好、規模大、充填物性狀差，其變形模量較低，反之較高。在聲波測試技術中，巖塊和結構面對聲波的傳播和吸收不同，在巖體結構越差的地段，聲波波速越低，反之越高。較多的工程實踐也證實，聲波波速與變形模量具有較好的相關性。現場變形試驗難以獲得深部巖體變形模量，利用波速與模量的關系可推導壩基深部巖體的變形模量。

溪洛渡水電站和金安橋水電站壩基巖體均為玄武巖，且已投產運營數年，其力學參數具有較高的可靠性。對這兩個水電站壩基巖體建基條件進行復核，并對壩基巖體變形模量與聲波波速之間關系進行研究，將兩個水電站變形試驗成果及對應聲波波速進行擬合，如圖1所示。結果表明，對于玄武巖來說，聲波波速與變形模量具有較好的相關關系，深部玄武巖變形模量可通過相關關系式由波速計算而得。

圖1 溪洛渡、金安橋水電站變形模量與聲波波速相關關系圖

呂榮值通過鉆孔壓水試驗獲取，以呂榮為單位表征試段巖體的透水率，以及流體通過巖體的難易程度，反映了巖體的滲透性與巖體裂隙發育程度緊密相關，巖體結構越差，呂榮值越大，反之越小。而聲波速度的高低同樣可以表征巖體的緊密程度、風化程度以及巖體力學參數的高低，因此呂榮值與聲波波速、變形模量也應具有較好的相關性。此外，通過MTS伺服試驗儀可恢復小巖體在三向應力下的狀態，以獲取深部狀態下巖體的抗剪切強度。

綜上，可以對深部玄武巖進行聲波測試和滲透試驗，再利用波速、呂榮值與變形模量的相關關系，結合室內試驗得出力學參數。

1.3 巖體質量等級劃分

通常來說，巖體質量劃分主要依據風化分帶、巖體結構、力學參數等指標。倘若以風化程度作為建基巖體質量劃分主要要求的話，則不同巖性巖體在同一風化帶所表現出來的性質差異很大，如弱風化花崗巖變形模量可達到10～15 GPa，而黃河上第三系紅層的弱下風化巖體其變形模量僅為1～2 GPa；根據已建溪洛渡、金安橋、二灘水電站的工程經驗，壩基巖體風化分帶劃分均參照國標，巖體結構劃分上玄武巖與其他巖體存在差異，這是因為深部玄武巖雖然隱微裂隙發育，但由于自身剛度大，處于原位應力下的巖體結構面鑲嵌緊密，仍然具有很高的力學特性；而與同等風化和同等巖級下的不同巖性巖體相比較，玄武巖的力學參數更高。因此，對于玄武巖的巖體質量等級劃分，可不再拘泥于巖體幾何尺寸，而是更多地參考其原位狀態下力學參數、透水率等指標。

2 工程實例

2.1 工程概況

該水電站位于云南省鶴慶縣中江鄉，是金沙江中游河段8個梯級電站的第6級電站。壩體類型為混凝土重力壩，最大壩高119 m，水庫正常蓄水位1 298.0 m，總庫容5.44 億m，電站裝機容量1 800 MW。壩址區全景及工程地質圖如圖2所示。壩址區金沙江總體流向自北向南。壩址區河谷寬闊，約700～800 m，左岸坡度20°～40°，局部存在陡崖，右岸地形平緩，坡度5°～20°，分布Ⅰ～Ⅳ級堆積階地。壩址區地層巖性為二疊系上統玄武巖(Pβ)，位于傾伏背斜的尾翼，上覆黑泥哨組(Ph)砂巖、泥質砂巖。兩岸壩肩壩段部位巖體為Pβ，其余壩段巖體為Pβ，屬致密塊狀玄武巖，厚度大于800 m。

圖2 壩址區全貌及工程地質剖面圖

2.2 壩基玄武巖巖體結構特征

壩基巖體通常是根據裂隙發育程度及完整性系數來劃分，通過對所有平洞和露頭結構面精測，獲得各個平洞不同區段的優勢結構面間距，同時，根據各平洞內聲波測試結果計算出不同區段巖體完整性系數，并進行對比。以平硐PD12為例，僅在洞深10～20 m范圍，兩種指標評價的巖體結構相同，均為碎裂結構。在深部地段，按照巖體結構面間距主要劃分為碎裂結構和鑲嵌結構，但聲波波速值增加較快，按照完整性系數劃分為次塊狀結構、塊狀結構，兩個指標劃分的巖體結構類型差異較大。

鉆孔巖芯能很好地反映這個現象，鉆孔ZK80部分深度巖芯如圖3所示。圖3a巖芯深度范圍為25.90～35.10 m，巖芯完整程度較好，巖石質量指標RQD為52.1%，該段測得縱波速度平均值為3 817 m/s；鉆孔深度52.95～63.45 m區段內，巖芯RQD值降為32%，但原位聲波波速測試的縱波波速平均值為4 609 m/s，這表明深部巖芯結構面密度高于完整的淺部巖體。由于鉆進取樣過程對巖體的擾動，取出后深部巖體結構面進一步張開、破裂，RQD低于淺部巖體，但深部玄武巖在未受擾動情況下巖體保持原位狀態，巖體結構面貼合緊密，具有良好的力學特性。因此，深部玄武巖的工程特性評價不應局限于巖體結構面間距，而應該重點考慮其滲透性以及力學特性。

圖3 ZK80鉆孔中部分巖芯照片

2.3 壩基巖體結構分類方案

由于結構面間距與完整性系數評價的巖體結構類型存在明顯差異，對于深部巖體，結構面間距僅僅表現出巖石被結構面切割后的尺寸大小，聲波波速和滲透系數則能更好地反映巖體結構面發育程度及力學特性，對于評價真實的巖體工程特性更具有代表性。結合已有工程經驗，壩址區巖體結構分類方案主要參考指標為縱波速度、完整性系數和呂榮值，具體如表1所示。

表1 該水電站壩基巖體結構分類方案

注：D為裂隙間距。

以平洞PD12為例，對于通過結構面間距和巖體完整性系數劃分結果不相同的深部玄武巖，根據壩基巖體結構分類方案，劃分結果如表2所示。

表2 PD12巖體結構劃分表

2.4 巖體風化、卸荷劃分

鉆孔縱波波速在玄武巖層內錯動帶處數值較低，正常巖體波速較高，在波速-孔深柱狀圖上表現為低、高波速的凹凸形狀，因此，結合聲波波速、現場勘察、國標劃分方案，修正完整性系數，確定風化分帶關鍵波速為3 800 m/s、4 200 m/s及5 000 m/s。根據聲波柱狀圖凹槽處聲波值大小及出現頻率劃分該壩址區巖體風化帶：凹槽波速為3 800 m/s，出現頻率較高，為弱上風化；凹槽波速為4 200 m/s，且相鄰高波速大于等于5 000 m/s區段，為弱下風化；凹槽對應的波速為5 000 m/s左右及稍高波速值，相鄰高波速大于等于5 500 m/s，為微新巖體。以PD16號平洞聲波波速比柱狀圖為例，如圖4所示。洞口6 m處存在一條較大的擠壓破碎帶，無法造孔，洞深8 m以后巖體聲波值較高，12 m以后波速比基本大于0.67，劃分為弱下風化巖體。22 m以后聲波波速值均達到5 000 m/s以上，為微新巖體。

依據測試結果繪制的波速-孔深柱式圖出現跳躍式的變化，波速很低的凹槽地段為測段內出現卸荷拉張裂隙，據此劃分卸荷帶，仍然以PD16為例，22 m處出現凹槽，洞深8～22 m波速比相對較低，為卸荷帶；22 m以后波速比均大于0.8，為未卸荷。平硐PD16風化、卸荷帶劃分圖如圖4所示。

2.5 壩基深部玄武巖巖體參數

分別對兩岸壩高較低地段、河邊基巖露頭等淺部巖體開展變形試驗，獲得壩址區淺部巖體變形參數。以11壩段處變形試驗點BX11-1為例，試驗數據如表3所示。應力-位移曲線如圖5所示。由圖5可知，第一級荷載卸載后殘余變形最大，荷載越大，卸荷后恢復的彈性變形量越大，變形模量隨著逐級循環壓力的增大而增大，表明巖體在應力作用下微裂隙逐漸閉合，巖體抗變形能力增強。這也進一步說明深部玄武巖在初始應力狀態下結構面閉合，強度更高。

圖4 平硐PD16風化、卸荷帶劃分圖

表3 變形測試點DT11應力-位移統計表

根據壩基巖體變形試驗成果及相應的聲波波速值，擬合聲波波速及變形模量的相關關系曲線如圖6所示，關系式如式(1)所示。

Ln

(E)=

0.890 1

*V

-1.577，

(1)

式中，

E

為變形模量(GPa

)

；

V

為聲波縱波速(km/s)。可以看出，聲波波速和變形模量相關系數大于0.9，具有較好的相關性。

圖5 變形測試點DT11應力-位移曲線圖6 壩址變形模量與縱波波速相關曲線

通過對壩區鉆孔中呂容值與聲波波速值進行統計，對大量統計數據進行分區，得到各個區段內呂容值與波速平均值，對兩者進行相關關系分析，擬合曲線如圖7所示，相關關系如式(2)所示。

V

=

0.638Ln

(q)

+4.922 5，

(2)

在建立了波速與變形模量、呂榮值與波速相關關系后，以波速作為中間變量，建立呂榮值與變形模量相關關系如式(3)所示。

Ln

(E)=

0.568Ln

(q)

+2.805，

(3)

本項目中開展原位滲透試驗的區域，根據巖體呂榮值計算獲得深部玄武巖變形參數。由于現場不便于開展深部玄武巖原位直剪試驗，利用MTS試驗(見圖8)研究巖體在三軸應力狀態下強度特性。以鉆孔ZK75中44.71～44.89 m試樣為例，該巖樣不同圍壓下軸向應力與位移量的關系曲線如圖9所示。試驗數據如表4所示。根據

σ

與

σ

計算抗剪強度參數。

圖7 鉆孔呂容值與聲波波速相關關系曲線及關系式 圖8 MTS伺服控制剛性試驗機

表4 鉆孔ZK75深度44.71～44.89 m試樣軸向應力和側向應力

通過計算，試樣粘聚力為32.1 MPa，摩擦系數為2.47。由于尺寸效應影響，試驗值較高，因此，將同一風化帶各個試件試驗數據匯總，以弱下風化帶為例，如圖10所示。按照下包絡線軸壓與圍壓關系，并根據工程經驗，乘以修正系數0.8，給定巖體抗剪斷強度：粘聚力14.2 MPa，摩擦系數1.17。

圖9 鉆孔ZK75深度44.71～44.89 m試樣壓力-位移曲線 圖10 剪切試驗σ1～σ3結果匯總圖

根據上述對各個定量指標的選取，確定該水電站壩基深部緊密鑲嵌玄武巖巖體質量分級如表5所示。

表5 該水電站壩基玄武巖巖體質量分級表

根據該標準，通過鉆孔、平硐對壩基巖體質量進行劃分，獲得各級巖體界限點，將同級界限點連接成界面如圖11所示。由圖11可知，深部玄武巖巖體質量較好，右岸由于埋藏河谷的存在，同高程巖體質量級別相對左岸較低，現代河床及埋藏河谷選擇Ⅱ～Ⅲ級巖體為建基面，兩岸壩高較低地段選擇Ⅲ級巖體為建基面。該水電站2012年底開始蓄水，2014年初全部機組投產發電，已正常運行7年，壩體變形、沉降均在安全范圍內，表明對于壩基玄武巖的工程特性評價具有較高的可靠性。

圖11 壩軸線巖體質量分級圖

3 結論

西南地區玄武巖深部巖體在高地應力作用下形成較多的結構面，未受擾動時巖體依然具有高的力學性能，存在幾何指標和力學指標的不匹配問題，原位測試也因作業條件的限制難于展開，給其工程地質特性評價帶來困難。這是大型工程尤其是水利水電工程亟需解決的關鍵問題之一。以西南某水電站為工程背景，結合深部玄武巖聲波測試、呂榮值、波速與變形參數相關關系、室內力學試驗，得出以下結論：

(1)根據深部弱下風化至微新玄武巖體，在尺寸效應上為鑲嵌結構，而力學性質上達到完整性差～較完整標準的特點，結合西南玄武巖地區水利水電工程實踐經驗，提出“緊密鑲嵌結構”。

(2)具有初始密度的層內破碎帶將有較高的波速，河谷切割暴露后巖體松弛，波速降低，而臨近完整巖石依然具有高的波速，聲波柱式圖表現為低高波速的凹凸形狀，根據波速凹槽出現的頻率及數值判斷風化帶。測段內分布有拉張的卸荷裂隙，縱波波速值銳減，無拉張裂隙，波速值接近正常巖體，因此波速柱式圖很低的凹槽地段為卸荷拉張裂隙，據此劃分卸荷帶。

(3)根據已有工程經驗，玄武巖變形模量與聲波波速有較好的相關性。利用深部巖體聲波波速，借助波速與模量的擬合關系式、波速與呂榮值關系式，獲得呂榮值與變形模量相關關系，推算深部巖體的變形模量。

(4)以西南某水電站壩基巖體縱波波速、呂榮值等指標，獲得壩基巖體結構、風化、卸荷分帶，結合原位試驗、室內試驗，借助波速滲透系數與變形模量相關關系式得到深部巖體力學參數，得到壩基巖體質量等級劃分標準，并完成壩基巖體質量等級劃分，為建基面的選擇提供依據。