深部變形破裂巖體變形模量研究

鄒路軍，趙其華，滿僑僑

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室， 四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610059)

西南地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，隨著水電站的不斷設(shè)計開發(fā)，深部變形等問題研究得到許多研究人員的關(guān)注。深部變形破裂可造成水困滲漏、滑坡涌浪等大規(guī)模的災(zāi)害，也是大型水利工程建設(shè)中邊坡支護、硐室開挖等亟需解決的問題[1-3]。

變形模量是反映巖體抵抗壓縮變形的能力，是巖體工程勘查設(shè)計時非常重要的參數(shù)之一。目前，已有測試變形模量主要分為兩類，一是通過現(xiàn)場試驗的方法，如膨脹試驗、平板載荷試驗、扁鏟試驗等[4-6]試驗；二是通過一些參數(shù)的換算關(guān)系推導(dǎo)出變形模量，如VP[7-9]、RMR[10]、GSI[11]、Q[12]、RQD[13]等。在此基礎(chǔ)上，許多研究者結(jié)合工程實際在變形模量計算方法、取值方面做出了相應(yīng)研究，如周洪福等[14]認為玄武巖體波速與變形模量具有較好的相關(guān)性，宋彥輝等[15]以瑪爾擋壩址建立了利用巖體縱波速度估算巖體變形模量的預(yù)測公式并表明估算公式與Barton等公式具有較好的一致性，李攀峰等[16]以溪洛渡水電站高拱壩為例提出了適用于高拱壩施工完成后壩基綜合變形模量取值的思路與方法，還有對錦屏拱壩基礎(chǔ)變形模量多目標非線性規(guī)劃問題和基于云南石門坎水電站壩基巖體的變形模量與波速關(guān)系研究等[17-19]。

作為水電站的壩基深部變形破裂巖體，其變形模量對于工程施工尤為重要。目前，關(guān)于深部破裂巖體的變形模量研究較少，為了進一步擴大對變形模量取值研究及為類似工程提供思路，有必要對深部破裂巖體的變形模量進行深入研究。本文針對葉巴灘水電站深部變形破裂巖體，在現(xiàn)場進行波速試驗、變形試驗，通過動靜試驗結(jié)果分析，推導(dǎo)出波速與變形模量之間的關(guān)系，并據(jù)此評價各個不同類型破裂巖體的變形模量。

1 工程地質(zhì)概況

葉巴灘水電站壩址區(qū)位于金沙江上游干流與左岸支流降曲河的匯合口下游約4.5 km的河段上，金沙江由北向南流經(jīng)壩址區(qū)，河道順直，河谷狹窄，山體雄厚，谷坡陡峻，左岸坡度45°～55°，右岸坡度40°～45°，緩坡平臺不發(fā)育，為基本對稱的深切“V”型峽谷，自然邊坡相對高差大于1 000 m。

壩址區(qū)出露地層主要為華力西期花崗閃長巖，塊狀構(gòu)造。巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面有三組，分別為EW/S∠60°，NE50°/NW∠75°，NW50°/NE∠75°。根據(jù)實地測量資料，壩址區(qū)地應(yīng)力場與區(qū)域應(yīng)力場方向基本一致，為NE60°～70°，最大主應(yīng)力為15 MPa～20 MPa，并與河流流向正交，結(jié)合壩址區(qū)鉆孔餅芯發(fā)育特征，初步判斷屬中等地應(yīng)力。

根據(jù)葉巴灘水電站壩址區(qū)宏觀地質(zhì)特征和KV、RQD等指標，將深部破裂巖體分為三類[20]：輕微松弛型、中等松弛型、強烈松弛型。3種類型的深部破裂巖體特征如下：

(1) 輕微松弛型：主要分布在左岸中高程，距岸坡90 m～130 m范圍內(nèi)，表現(xiàn)形式為單裂縫。破裂面零星發(fā)育，破裂面兩側(cè)巖體較完整、集中松弛，破裂面張開寬度多小于1 cm，優(yōu)勢方向為NW80°/SW∠60°、NE45°/NW∠80°，無充填或充填巖屑，巖石斷口新鮮，僅表面可見銹染，風(fēng)化程度為弱上風(fēng)化，潮濕—滴水，Kv大于0.64，RQD大于75%，巖體輕微松弛。

(2) 中等松弛型：左岸集中分布在中高程，右岸則在高程上分布較為均勻，距岸坡80 m～140 m之間，表現(xiàn)為破裂面或破碎帶。破裂帶內(nèi)可見砂糖狀巖屑、泥質(zhì)條帶，巖體較完整—較破碎、部分松弛，破裂帶寬度為5 cm～20 cm，優(yōu)勢方向為NE55°/NW∠80°、NW82°/SW∠56°，風(fēng)化程度為弱下風(fēng)化，干燥～潮濕，Kv為0.36～0.64，RQD為50%～75%，巖體中度松弛。

(3) 強烈松弛型：左岸分布在中高程，右岸絕大多數(shù)分布在高高程范圍內(nèi)，位于距岸坡80 m～120 m，沿原有結(jié)構(gòu)面局部張開或整體松弛。破裂面無充填，發(fā)育區(qū)巖體較破碎—破碎、整體松弛，破裂面張開寬度為1 cm～10 cm，少數(shù)可大于10 cm，破裂帶寬1 m～10 m，優(yōu)勢方向為NE25°/SE∠60°、SNE∠65°，風(fēng)化程度為微風(fēng)化，潮濕，Kv小于0.36，RQD小于50%，巖體強烈松弛。

2 試驗方法

2.1 變形模量測試

變形實驗采取的是剛性承壓板法，圓形承壓板直徑40 cm。將最大壓力分為5級并采用一級循環(huán)加壓，加壓后讀數(shù)一次，此后每隔10 min再次讀數(shù)，直到變形穩(wěn)定后卸壓，以此循環(huán)。當所有承壓板上測表相鄰兩次讀數(shù)之差Δλ與同級壓力下第一讀數(shù)與前一次壓力最后一次變形讀數(shù)λ之比，Δλ/λ<5%時認為變形穩(wěn)定，并按布辛涅思克公式計算變形模量。

2.2 波速測試

測試采用跨孔法,在變形試點周圍布置聲波鉆孔，聲波孔傾角約10°，孔深2.0 m，孔間距置于2 m～5 m之間。測試時,在聲波孔深1.0 m～2.0 m范圍內(nèi),從孔底向孔口每間隔0.2 m采集一次數(shù)據(jù),每孔測試5次,取平均值作為聲波縱波波速值(Vp)。

3 波速與變形模量關(guān)系研究

變形模量是巖體工程設(shè)計的重要參數(shù)之一，現(xiàn)以波速入手，探討葉巴灘深部變形破裂巖體變形模量與波速的關(guān)系。

由波動方程：

(1)

由波動方程可知，動彈性模量與巖體密度、泊松比、波速呈正相關(guān)，而動彈性模量反應(yīng)了巖體抵御壓縮變形的能力，因此縱波波速也一定能反應(yīng)巖體變形能力。而由巖體縱波波速獲取的動彈性模量與由變形實驗獲得的靜變形模量都是能夠反應(yīng)巖體抵御壓縮變形能力的大小，從而可知動彈性模量和靜變形模量也一定存在某種聯(lián)系。所以，從縱波波速直接推算出變形模量在理論上是可行的。因此，根據(jù)現(xiàn)場僅有的變形試驗和波速試驗(見圖1)，經(jīng)過多次擬合后得到具有較高的精度的關(guān)系式(2)。

圖1變形模量與波速相關(guān)曲線

lnEm=3.17lnVp-24．24

(2)

4 測試結(jié)果及分析

4.1 測試結(jié)果

為進一步得出不同類型的深部破裂巖體的變形模量的規(guī)律，筆者采取了具有代表性的32個樣本，其中輕微松弛型8個，中等松弛型14個，強烈松弛型10個。借助現(xiàn)場建立的變形模量與波速關(guān)系式(2)，再運用這32個樣本測試得到的綜合波速，得到不同類型的深部變形破裂巖體的變形模量(見表1)，再根據(jù)表1繪制了圖2。

表1 深部變形破裂巖體變形模量

4.2 結(jié)果分析

由表1可得，輕微松弛型變形模量12.03中等松弛型>強烈松弛型。巖體松弛程度越大，變形模量越小。

圖2深部破裂巖體變形模量分布圖

由圖2可知，不同類型的深部變形破裂變形模量分布有明顯的分布規(guī)律。絕大多數(shù)輕微松弛型巖體變形模量位于15 GPa以上，其置信度為87.5%；中等松弛型巖體變形模量大致位于9 GPa～16 GPa，置信度為85.7%強烈松弛型變形模量則大致位9 GPa之下，置信度為70%。三者之間具有一定的重合度，但總體分割較好。

(3)

可得：

輕微松弛型：22%<γ<57%；

中等松弛型：43%<γ<73%；

強烈松弛型：58%<γ<91%。

深部破裂不同類型的巖體變形模量損傷率不同，輕微松弛型巖體由于巖體差異性回彈所造成的損傷程度較??；強烈松弛型巖體則能量釋放強烈，極易導(dǎo)致深部變形破裂在原有結(jié)構(gòu)面的基礎(chǔ)上擴張開來，損傷較大。

(4)

由式(2)可得：

(5)

可得：

輕微松弛型：43%<λ<78%；

中度松弛型：26%<λ<57%；

強烈松弛型：9%<λ<42%。

深部變形破裂輕微松弛型巖體變形模量弱化率較高，為新鮮完整巖體變形強度的43%～78%，巖體變形強度相對較好；中度松弛型巖體變形強度為新鮮巖體變形強度的26%～57%，變形強度中等；強烈松弛型巖體變形強度為新鮮巖體變形強度的9%～42%，巖體變形強度相對較弱。又由式(5)可知，深部變形破裂巖體變形模量弱化率與波速的冪次方成正比，而由波速大小可以用來判斷卸荷帶的強弱，經(jīng)過分析，輕微松弛型巖體大致屬于無卸荷帶，中度松弛型巖體大致屬于弱卸荷帶，強烈松弛型巖體大致屬于強卸荷帶。

4.3 部分公式的變形模量比較

前人就波速與變形模量已經(jīng)得出了一些經(jīng)驗公式。巴頓以Q值為中間參數(shù)，得出了變形模量和波速的關(guān)系式[12]。吳興春等[7]在巴頓的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了變形模量與波速的關(guān)系式，并利用ROMEDA擬合花崗巖縱波波速與變形模量之間的關(guān)系。馮國棟[9]對姚河壩水電站的波速和靜變形模量進行分析，得出了滿足設(shè)計要求的經(jīng)驗公式。

圖3不同經(jīng)驗公式變形模量對比圖

由圖3可以看出，不同的經(jīng)驗公式形態(tài)多呈曲線型，除了②為直線。①線較⑤線預(yù)測結(jié)果偏高，并且保持近似平行關(guān)系，巴頓預(yù)測結(jié)果較本文高4 GPa～5 GPa。②線顯然只有Vp>3.5 km/s時,經(jīng)驗公式才有意義。而③線和⑤線在Vp<4.2 km/s時，結(jié)果很相近，VP>4.2 km/s時則相差較大。④線較⑤線預(yù)測結(jié)果偏低，尤其當Vp>4 km/s時，差值逐漸增大。

不同經(jīng)驗公式顯然有各自的應(yīng)用范圍，應(yīng)用于不同的工況條件下。這與不同巖體類型、巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)環(huán)境有密切的關(guān)系，再者與采樣樣本的代表性也有一定關(guān)系。因此，在選取公式時，應(yīng)綜合考慮各要素，控制誤差范圍。

5 結(jié) 論

本文首先根據(jù)深部變形破裂宏觀地質(zhì)特征和KV、RQD指標把深部破裂巖體劃分為三類，在此基礎(chǔ)上結(jié)合變形模量進一步探討深部破裂對各類破裂巖體在變形強度、強度劣化等方面的影響。主要得到以下結(jié)論：

(1) 建立起波速與變形模量的關(guān)系，得到了各類不同破裂巖體變形模量的平均值。其中輕微松弛型為17.22 GPa，中度松弛型為12.02 GPa，強烈松弛型為7.3 GPa。

(2) 通過變形模量損傷率γ分析可得，輕微松弛型巖體變形模量損傷大多不超過50%，中等松弛型變形模量損傷大約40%～70%之間，而強烈松弛型巖體變形模量損傷至少超過50%。

(3) 由變形模量弱化率λ分析可得，輕微松弛型巖體強度大多為原來的50%以上，中等松弛型巖體強度大約為原來的30%～60%之間，強烈松弛型巖體強度大約40%以下。

(4) 波速與巖體變形模量有很好的相關(guān)性，但對于不同的巖體有各自不同差異，本文所得到的公式適用于結(jié)構(gòu)面發(fā)育的葉巴灘深部變形破裂巖體。