某水電站壩基薄層砂巖物理力學(xué)特性試驗研究

李長銀

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院,成都,610072)

1 概述

某水電站工程位于四川省樂山市沙灣區(qū)的大渡河干流上,為河床式電站加長尾水渠的開發(fā)方式,設(shè)計水庫正常蓄水位 398.00m,相應(yīng)庫容6630×104m3,電站裝機容量 760MW。工程樞紐由混凝土閘壩、非溢流壩、電站廠房、船閘、副壩及尾水渠等建筑物組成,閘壩高 30.7m,廠房高約80m。壩廠基巖體為白堊系夾關(guān)組(K1j)砂巖夾薄層或透鏡體狀泥巖,按其巖體結(jié)構(gòu)分為兩個工區(qū)層次:工區(qū)第②層 K1j②為中厚層狀砂巖夾薄層狀砂巖,其薄層狀砂巖約占該層巖體的 5%～35%,局部達(dá) 45% ～51%左右;工區(qū)第 ①層 K1j①以薄層狀砂巖為主,夾中厚層狀砂巖,其薄層狀砂巖占 41%～98%,局部為 20% ～43%,巖層傾角平緩為 4°～5°,斜層理發(fā)育,巖石強度低,性狀較差。設(shè)計廠房建基面位于第一工區(qū)層上,廠房地基薄層砂巖的承載能力和抗滑穩(wěn)定是否能滿足設(shè)計要求,需要在可行性研究階段對其物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行專題試驗研究。

研究方法根據(jù)壩址區(qū)普遍覆蓋 10m～30m的砂卵石層,且 K1j①埋深在 40m以下的實際條件,采用鉆孔取芯進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)試驗、鉆孔內(nèi)物探聲波和孔內(nèi)變形模量測試,在 40余 m深的堅井內(nèi)打兩條水平試驗平洞進(jìn)行巖體載荷試驗、大剪試驗和彈模試驗等綜合試驗研究工作。

2 室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗

本次在 K1j①地層的取樣鉆孔共 8孔,薄層砂巖巖芯樣品以小于 5cm片狀、薄餅狀為主,5cm以上柱狀巖樣較少。砂巖為孔隙式 ～接觸式膠結(jié)細(xì)粒結(jié)構(gòu)。由于 K1j①地層砂巖以薄層為主,樣品膠結(jié)較差、分層多、強度低,不能滿足現(xiàn)行規(guī)程對室內(nèi)巖石力學(xué)性試驗的試件加工條件。為了滿足設(shè)計和地質(zhì)需要,取得薄層砂巖抗壓強度、抗剪強度、變形模量等力學(xué)性指標(biāo)及物理性指標(biāo),經(jīng)研究,對本次試驗用樣的試件加工、試驗方法(主要針對力學(xué)性試驗)、資料整理等采用非常規(guī)方法。在取樣過程中,對 K1j①地層的鉆孔樣全部封樣,樣品按孔號及鉆孔深度編號。根據(jù) K1j①地層鉆孔芯樣厚度特點,將 5cm以上的柱狀樣品歸為一種試驗類型,按《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》SL264-2001要求進(jìn)行加工、試驗及資料整理;將 5cm以下的短柱狀、餅狀、薄片狀樣品歸為一種試驗類型,按非常規(guī)方法進(jìn)行加工、試驗及資料整理。

2.1 試驗方法及其對成果數(shù)據(jù)的影響分析

2.1.1 樣品處理。巖芯鉆出后及時封樣處理,避免樣品過久暴露失水;在樣品加工過程中,采用即開封、即加工,加工完畢立即進(jìn)行試驗或防失水處理。力學(xué)性試驗偏重選擇飽和處理(因天然含水量大,對于力學(xué)強度,飽和狀態(tài)與天然狀態(tài)強度接近,而樣品進(jìn)行飽和處理較為方便),使試驗成果基本客觀反映巖石實際物理力學(xué)性質(zhì)。

2.1.2 薄層層厚 5cm以下樣品抗壓試驗。由于樣品成片狀、餅狀,無法上鉆機、車床加工,主要采用手工磨平端面,多塊試件疊加的方法制作。疊加塊數(shù)一般四塊以上,最多可達(dá)十多塊,疊加厚度一般在 5cm～10cm之間。由于抗壓試件以縱向劈裂破壞為主,水平向的分層疊加不會影響試件的破壞方式(試驗過程也證實了這一現(xiàn)象),因此,試驗成果值能基本反映巖石抗壓強度。而疊加試件端面經(jīng)磨平處理后,端面之間不能完全吻合,各疊加層巖性不均等因素會降低巖石抗壓強度,試驗成果值應(yīng)略低于實際抗壓強度值。

2.1.3 抗壓強度值修正?？箟涸嚰睆健⒏叨炔灰?對抗壓強度值進(jìn)行了尺寸修正。按《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》SL264-2001要求,以徑高比 1∶2的修正系數(shù)為 1,徑高比 1∶1的修正系數(shù)為 8/9,介于兩者間的試件按以下公式修正:

修正值 =實測值 ×8/(7+2直徑/高)

2.1.5 直剪資料整理。直剪試驗成果除按組整理外,還分為層厚 5cm以上和 5cm以下兩類進(jìn)行綜合計算整理。層厚 5cm以上砂巖類歸納剪斷面為巖石的抗剪強度值,共 19點;層厚 5cm以下砂巖類歸納剪斷面為層面的抗剪強度值,共29點。

2.2 試驗成果分析

表1 層砂巖巖石室內(nèi)試驗成果匯總

表1 層砂巖巖石室內(nèi)試驗成果匯總

顆粒密度ΔS干孔隙 單軸抗壓強度巖石結(jié)構(gòu) 項目 密度ρd吸水率 率n天然飽和度ωs 干Rd 天然 飽和 軟化系數(shù)變形模量(飽和)直剪強度(飽和)(g/cm3) (%) (MPa)E50(GPa)μ50 f c(MPa)層厚5cm以下平均值 2.67 2.13 9.11 21.0 74.4 15.86 7.53 6.01 0.46 1.70 0.36 0.71 1.10最大值 2.68 2.20 12.9 26.4 87.8 12.14 9.45 2.86 0.39 0.75 1.29最小值 2.66 1.95 7.69 19.5 60 2.86 2.71 1.24 0.30 0.57 0.87層厚5cm以上平均值 2.67 2.13 8.51 20.42 71.2 29.97 25.71 11.69 0.40 2.24 0.34 1.11 1.49最大值 2.70 2.20 10.68 26.45 81.1 43.83 29.60 15.97 0.75 3.96 0.43 1.15 1.80最小值 2.67 1.95 7.12 17.98 60 11.4 20.41 5.50 0.31 1.24 0.3 0.69 1.40

2.2.1 物性指標(biāo)

③飽和度。層厚 5cm以上樣品平均值71.2%,層厚 5cm以下樣品平均值 74.4%,反映樣品所在地層有較高的含水量,經(jīng)飽和處理后樣品飽和率一般均為 90%以上。

總的比較,層厚 5cm以上強度值高于層厚5cm以下,均為軟巖。但考慮到試驗因素,層厚5cm以下強度實際值應(yīng)比試驗成果值略高。同一地層樣品,天然抗壓強度略高于飽和抗壓強度。

由以上分析可看出薄層砂巖抗壓強度值的大小特性是由本工程砂巖的結(jié)構(gòu)特性決定的。

從上述成果可看出,砂巖層變形模量總體小,層厚 5cm以上的模量值好于層厚 5cm以下者,這一規(guī)律性與抗壓強度值、孔隙率等指標(biāo)反映的規(guī)律性一致。

2.2.4 抗剪斷強度。本次直剪試驗垂荷控制為 4級 ,即 0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa、1.6MPa。資料計算中作面積修正,將剪切預(yù)留面不為層面、剪斷面不平、不是層面的砂巖試驗點歸為一類計算整理,所用樣品一般為層厚 5cm以上樣品;將剪切預(yù)留面為層結(jié)構(gòu)面、且剪斷面較平、為層面的砂巖試驗點歸為一類計算整理,所用樣品為薄層層厚 5cm以下薄片、薄餅狀樣品?？辜魯鄰姸日龖?yīng)力 -剪應(yīng)力關(guān)系見圖 1、圖 2。

圖 1 砂巖非層面抗剪斷試點正應(yīng)力-剪應(yīng)力關(guān)系曲線

圖 2 砂巖層面抗剪斷試點正應(yīng)力-剪應(yīng)力關(guān)系曲線

非層面破壞砂巖的斷面特點:不平整,一般起伏差 0.5cm,有微量云母微粒,有的試件斷面松軟顆粒較多。層面破壞砂巖斷面特點:平整,略粗糙,剪斷面云母少,沒有云母集中,含泥量與樣品其它部分沒有變化,有的斷面有松軟顆粒。

2.2.5 薄層結(jié)構(gòu)對力學(xué)性指標(biāo)的影響。

2.2.6 各指標(biāo)的相關(guān)性。從表 1中可看出,各物理力學(xué)指標(biāo)之間有較好的相關(guān)性。層薄層砂巖樣,分層結(jié)構(gòu)多,顆粒結(jié)構(gòu)接觸式膠結(jié)多,塊體干密度小,孔隙率大,抗壓強度值低,變形模量小,直剪強度成果值低于層厚 5cm以上樣品。各項物理力學(xué)性指標(biāo)之間和各項物理力學(xué)指標(biāo)與鑒定結(jié)果相互支持、印證。

3 現(xiàn)場巖體原位試驗

3.1 巖體載荷試驗

載荷試驗采用圓型剛性承壓板法,逐級加荷,面積為 500cm2,用液壓千斤頂加載,傳感器觀測變形。試面最大荷載為 3.14MPa,按十級等分施加,最小級差為 0.31MPa。

本次試驗及資料整理按《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》SL264-2001執(zhí)行。成果詳見表 2、圖3。

表 2 巖體載荷試驗應(yīng)力應(yīng)變成果

從圖 3載荷試驗 P～W關(guān)系曲線上看,荷載加至最大 3.14MPa都未達(dá)到破壞,隨著壓力的增高變形量逐漸減小,表明巖體處于壓密階段。這與現(xiàn)場試驗中巖體有側(cè)限,室內(nèi)巖塊試驗無側(cè)限的性質(zhì)是吻合的。

圖 3 安 SJ1DM1巖體載荷試驗 P～W關(guān)系曲線

3.2 巖體變形試驗

巖體變形試驗在鉆孔內(nèi)進(jìn)行了 44組,采用鉆孔變模測試儀;平洞內(nèi) 3組,采用圓形剛性承壓板法,試面面積為 2000cm2,用傳感器及標(biāo)準(zhǔn)壓力表測量巖體變形及試面應(yīng)力最大壓應(yīng)力為1.95MPa,按五級等分施加(成果見表 3)。從變形試驗資料中看到,現(xiàn)場試驗成果與室內(nèi)成果相近,略高于室內(nèi)試驗成果。

表 3 巖體變模成果

3.3 混凝土與砂巖接觸面直剪試驗

混凝土與巖體接觸面直剪試驗 1組,試件五塊方形混凝土試體澆筑基巖面上,試件尺寸為長×寬 ×高 =50cm×50cm×35cm,混凝土標(biāo)號平均值大于 20MPa。

試驗采用平推法。各試件剪力中心預(yù)定剪切面的距離,控制在 1.5cm左右范圍內(nèi)。推力方向指向下游,法向力鉛直向下,位于預(yù)定剪切面中央,并垂直于剪切面。試件抗剪斷結(jié)束后,均重復(fù)進(jìn)行抗剪及選擇性作單點摩擦試驗。

依據(jù)試件巖體設(shè)計應(yīng)力的要求,取最大法向應(yīng)力 σmax=1.26MPa,按五級等分施加,剪切過程中,保持剪切面上法向應(yīng)力不變。各試件均采用傳感器測量試驗法向位移和切向位移,用標(biāo)準(zhǔn)壓力表測法向應(yīng)力和切向應(yīng)力?；炷僚c砂巖接觸面直剪試驗成果分析資料整理按《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》SL264-2001要求進(jìn)行?；炷僚c巖體直剪試驗,剪切面大都在界面上破壞,剪應(yīng)力 ～剪變形關(guān)系曲線反映出,其屈服段較長,峰值不太明顯,都屬于塑性破壞型。其屈服極限點采用峰值強度的 80%～90%,巖體抗剪強度取屈服極限強度指標(biāo) tg=0.7,c=0.12MPa(見圖 4)。

圖 4 安 SJ1YJ1(混凝土/巖體接觸面)直剪試驗 α～τ關(guān)系曲線

4 結(jié)語

4.1 壩基夾關(guān)組(K1j)砂巖,顆粒結(jié)構(gòu)不均,膠結(jié)方式有孔隙式、接觸式,孔隙率、含水量大,整體力學(xué)強度不高,為軟巖,但其承載能力可滿足設(shè)計要求。壩基薄層砂巖巖體力學(xué)指標(biāo)建議值見表4。

表 4 壩基巖體力學(xué)指標(biāo)建議值

4.2 根據(jù)直剪試驗成果,K1j①地層的層厚 5cm以上砂巖抗剪強度相對較高。層厚 5cm以下砂巖,由于整體結(jié)構(gòu)較松軟和層面破壞,其摩擦系數(shù)和粘聚力較低。層面剪斷面比較平整,泥質(zhì)物含量與其它部分相比沒有增加。

4.3 沉積巖地層中,薄層狀結(jié)構(gòu)的頁巖、砂巖在工程勘察中常常遇到,但由于層理發(fā)育、巖性軟弱,難以滿足試驗規(guī)程對室內(nèi)試樣尺寸的要求,對其力學(xué)性質(zhì)的研究帶來困難。本次薄層狀砂巖室內(nèi)巖石試驗使用非標(biāo)準(zhǔn)方法所獲得的試驗成果,與現(xiàn)場原位試驗成果之間具有良好的相關(guān)性,說明試驗研究使用方法較適當(dāng),可供類似工程的勘察和試驗研究借鑒。