高地應力下水電站巖體原位變形和強度試驗研究

夏廣新，劉忠富，譚 春，許德鑫

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司托巴水電工程建設管理局，云南維西674600；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130061）

0 引言

巖體變形和強度參數是抽水蓄能電站整體工程設計中必不可少的設計參數，其數值大小對工程布置和結構參數影響較大，直接涉及到工程造價和工期，因此，如何科學合理地開展現場巖體原位試驗至關重要。在水利工程建設過程中，現場巖體力學參數測試，一般根據DL/T 5368-2007《水電水利工程巖石試驗規程》，試驗壓力為工程設計壓力的1.2 倍，但是對于高地應力區，試驗壓力如何選擇至關重要，通過在吉林蛟河抽水蓄能電站現場巖體變形和強度試驗，初步探討巖體試驗壓力的選擇方法，為有關工程設計和試驗提供參考。

1 工程概況

吉林蛟河抽水蓄能電站裝機容量為1 200 MW，根據GB 50201-2014《防洪標準》和DL 5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》的規定，工程等別為Ⅰ等，工程規模為大（1）型。主要建筑物：上水庫擋水建筑物、輸水建筑物、地下廠房、主變洞、母線洞、通風兼出線洞、地面開關站、下水庫擋水及泄水建筑物等。

工程地質條件為花崗閃長巖，呈麻灰白色，中細粒結構，塊狀構造，主要礦物分為長石、石英、黑云母及角閃石，巖質堅硬。頂拱零星分布的緩傾角節理與陡傾角結構面相互切割，局部可能構成不穩定的楔形體。上覆巖體厚278.6～340.0 m，發育有6 條，走向以N30°～5°OE 居多，傾向SE，以陡傾角為主。斷層一般由碎裂巖、碎塊巖、斷層泥等組成。斷層面多干燥，少量潮濕、有滴水。該段共發育有節理392 條，主要為陡傾角節理，產狀為：①N50°～80°E，SE/NW∠75°～85°；②N5°～10°E，SE/NW ∠60°～85°；③N30°～60°W，SW ∠65°～85°，節理多微張，充填泥質、巖屑，性狀較差。巖體以塊狀結構和次塊狀結構為主，圍巖以Ⅱ類為主，約占92.6%，Ⅲ類約占7.4%。巖體縱波速為4.02～5.19 km/s。

2 現場試驗壓力的確定

2.1 有關資料的收集

蛟河電站上庫最高和岔管段水位差500.0 m，考慮水錘壓力為1.2 MPa，試驗壓力為6.2 MPa，考慮1.2 倍試驗壓力，計算試驗壓力為7.4 MPa。

國內有關抽水蓄能電站試驗資料：桓仁抽水蓄能電站工程現場巖體變形試驗壓力為3.2 MPa，蒲石河抽水蓄能電站工程巖體變形試驗壓力為6.3 MPa；廣州抽水蓄能試驗巖體抗剪試驗法向壓力為3.6 MPa。

一般工程試驗壓力為3.2~6.3 MPa，由于該工程地應力數值為17 MPa，屬于高地應力區，試驗壓力需要通過現場試驗確定。

通過現場巖體變形試驗，初步選擇最高壓力為16.0 MPa，分級差進行逐級一次循環法試驗，在試驗壓力10.0 MPa 以內，各級壓力下巖體變形基本屬于彈性階段，在壓力10.0 MPa 以后，巖體變形出現較大的上下波動，分析在10.0 MPa 以后巖體塑性變形較大，造成巖體破壞變形，見圖1 所示。

2.2 試驗壓力的選擇

測試采用的最大壓力確定原則：

1）考慮實測地應力數值大小的影響，巖體變形試驗壓力可以接近地應力最大值；

2）根據巖體壓力與變形關系曲線，在彈性變形階段的最大試驗壓力作為巖體抗剪強度的法向試驗壓力；

3）需要與設計、地質人員溝通協商后，借鑒國內其他工程經驗，確定工程實際的試驗壓力。

通過現場試驗，確定此次巖體變形試驗最大壓力為15.0 MPa，巖體強度試驗壓力為8.0 MPa。見圖1 所示。

圖1 現場巖體壓力~變形關系曲線

3 試驗原理和方法

3.1 變形試驗原理

巖體變形試驗原理為彈性理論方法，認為巖體是理想均勻各向同性的彈性體，按照彈性理論半空間無限體的布西涅斯克公式計算巖體的彈性模量和變形模量。剛性承壓板法試驗變形參數按下式計算：

式中：E——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代入式中計算時則為彈性模量Ee；μ——巖體泊松比；p——按承壓面單位面積計算的壓力，MPa；D——承壓板直徑，cm；W——巖體表面變形，cm。

3.2 抗剪強度試驗原理

巖體抗剪強度試驗分為混凝土抗剪和巖體抗剪，兩種試驗原理相同，在抗剪試驗中，剪切破壞遵循庫侖準則，其表達式：

式中：τ，σ——施加在剪切面上的剪應力、法向應力，MPa；φ——材料的內摩擦角；C——材料的粘聚力，MPa。

3.3 變形試驗方法

巖體變形試驗采用剛性承壓板法、巖體變形試驗加載方向為水平方向和垂直方向，試驗狀態為人工泡水飽和狀態，加載方式采用逐級一次循環法，試驗壓力荷載分5 級進行，各級應力分別為3.0 ，6.0 ，9.0 ，12.0 ，15.0 MPa。

3.4 抗剪試驗方法

混凝土抗剪試驗采用平推法，試驗狀態為人工泡水飽和狀態，法向應力由設計、地質確定，試驗壓力為8.0 MPa，等分6 級，各級應力分別為1.4，2.8，4.2，5.6，7.0，8.0 MPa。

4 試驗成果分析

4.1 巖體變形試驗結果

總體上看，各測段和測點的變形規律較好，與被測巖體的實際情況基本吻合，其變形特性指標在總體量級上是合理的。考慮試驗點地質條件和試驗條件，從圍巖類別和方向進行分析，具體試驗成果見表1 和圖2。

圖2 現場某點巖體壓力~變形關系曲線

表1 巖體變形試驗成果表

經分析得出：

1）Ⅱ類圍巖水平方向變形模量為36.03~45.27 GPa，平均值為42.14 GPa，彈性模量為55.35~63.79 GPa，平均值為59.92 GPa。

2）Ⅱ類圍巖垂直方向變形模量為26.25~33.89 GPa，平均值為30.89 GPa，彈性模量為41.54 ~50.63 GPa，平均值為46.64 GPa。

3）Ⅲ類圍巖水平方向變形模量為24.63~28.48 GPa，平均值為26.57 GPa，彈性模量為43.32~48.28 GPa，平均值為45.79 GPa。

4）Ⅲ類圍巖垂直方向變形模量為11.68~16.82 GPa，平均值為14.40 GPa，彈性模量為22.04~27.25 GPa，平均值為24.22 GPa。

4.2 巖體抗剪強度試驗結果

試驗數據經各自表達式的曲線擬合后，巖體抗剪試驗相關系數在0.98以上，巖體與混凝土接觸面的抗剪試驗相關系數在0.97以上，相關關系均比較顯著。試驗數據離散性小，同一區巖體性質均一，曲線擬合精度較好，給出的試驗數據表達式能夠代表實際巖體結構面破壞時的摩爾-庫侖表達式，試驗數據準確可靠，具體結果見表2和圖3。

圖3 某點巖體~混凝土抗剪應力曲線

表2 巖體抗剪強度試驗成果表

4.3 巖體-混凝土接觸面試驗成果

1）混凝土與巖體接觸面抗剪斷試驗具體結果：抗剪斷試驗結果tgφ′為1.158~1.287，平均值為1.222，C′為 1.444~1.543，平均值為 1.504；抗剪試驗結果 tgφ為 0.848~0.886，平均值為 0.863，C為0.666~0.779，平均值為0.736。

2）巖體抗剪試驗具體結果：抗剪斷試驗結果tgφ′為 1.571~1.912，平均值為 1.740，C′為 2.029~2.701，平均值為2.353；抗剪試驗結果 tgφ為0.910~1.124，平均值為1.023，C為1.269~1.492，平均值為1.398。

5 結語

此次試驗是國內抽水蓄能電站首次采用高壓力下進行的試驗，測試結果經正態統計分析，誤差較小，其試驗成果是準確可靠的。試驗成果表明，高壓力下巖體變形規律比較好，對實測成果進行正態統計分析，統計分析巖體的變形模量與實測值相差0.57~1.21 GPa，統計分析巖體的彈性模量與實測值相差0.71~1.21 GPa，總體來看相差較小，進一步說明高壓力下實測成果是準確可靠的。對于高地應力抽水蓄能電站現場巖體力學試驗，巖體抗剪強度試驗在彈性變形范圍內最大壓力下進行，巖體變形試驗在地應力最大值范圍內進行，技術上可行的，可以充分了解現場巖體變形和強度參數，為設計提供更多、更可靠的試驗成果。