某水电站坝基薄层砂岩物理力学特性试验研究

李长银

(四川省水利水电勘测设计研究院,成都,610072)

1 概述

某水电站工程位于四川省乐山市沙湾区的大渡河干流上,为河床式电站加长尾水渠的开发方式,设计水库正常蓄水位 398.00m,相应库容6630×104m3,电站装机容量 760MW。工程枢纽由混凝土闸坝、非溢流坝、电站厂房、船闸、副坝及尾水渠等建筑物组成,闸坝高 30.7m,厂房高约80m。坝厂基岩体为白垩系夹关组(K1j)砂岩夹薄层或透镜体状泥岩,按其岩体结构分为两个工区层次:工区第②层 K1j②为中厚层状砂岩夹薄层状砂岩,其薄层状砂岩约占该层岩体的 5%～35%,局部达 45% ～51%左右;工区第 ①层 K1j①以薄层状砂岩为主,夹中厚层状砂岩,其薄层状砂岩占 41%～98%,局部为 20% ～43%,岩层倾角平缓为 4°～5°,斜层理发育,岩石强度低,性状较差。设计厂房建基面位于第一工区层上,厂房地基薄层砂岩的承载能力和抗滑稳定是否能满足设计要求,需要在可行性研究阶段对其物理力学性质进行专题试验研究。

研究方法根据坝址区普遍覆盖 10m～30m的砂卵石层,且 K1j①埋深在 40m以下的实际条件,采用钻孔取芯进行室内物理力学试验、钻孔内物探声波和孔内变形模量测试,在 40余 m深的坚井内打两条水平试验平洞进行岩体载荷试验、大剪试验和弹模试验等综合试验研究工作。

2 室内岩石物理力学试验

本次在 K1j①地层的取样钻孔共 8孔,薄层砂岩岩芯样品以小于 5cm片状、薄饼状为主,5cm以上柱状岩样较少。砂岩为孔隙式 ～接触式胶结细粒结构。由于 K1j①地层砂岩以薄层为主,样品胶结较差、分层多、强度低,不能满足现行规程对室内岩石力学性试验的试件加工条件。为了满足设计和地质需要,取得薄层砂岩抗压强度、抗剪强度、变形模量等力学性指标及物理性指标,经研究,对本次试验用样的试件加工、试验方法(主要针对力学性试验)、资料整理等采用非常规方法。在取样过程中,对 K1j①地层的钻孔样全部封样,样品按孔号及钻孔深度编号。根据 K1j①地层钻孔芯样厚度特点,将 5cm以上的柱状样品归为一种试验类型,按《水利水电工程岩石试验规程》SL264-2001要求进行加工、试验及资料整理;将 5cm以下的短柱状、饼状、薄片状样品归为一种试验类型,按非常规方法进行加工、试验及资料整理。

2.1 试验方法及其对成果数据的影响分析

2.1.1 样品处理。岩芯钻出后及时封样处理,避免样品过久暴露失水;在样品加工过程中,采用即开封、即加工,加工完毕立即进行试验或防失水处理。力学性试验偏重选择饱和处理(因天然含水量大,对于力学强度,饱和状态与天然状态强度接近,而样品进行饱和处理较为方便),使试验成果基本客观反映岩石实际物理力学性质。

2.1.2 薄层层厚 5cm以下样品抗压试验。由于样品成片状、饼状,无法上钻机、车床加工,主要采用手工磨平端面,多块试件叠加的方法制作。叠加块数一般四块以上,最多可达十多块,叠加厚度一般在 5cm～10cm之间。由于抗压试件以纵向劈裂破坏为主,水平向的分层叠加不会影响试件的破坏方式(试验过程也证实了这一现象),因此,试验成果值能基本反映岩石抗压强度。而叠加试件端面经磨平处理后,端面之间不能完全吻合,各叠加层岩性不均等因素会降低岩石抗压强度,试验成果值应略低于实际抗压强度值。

2.1.3 抗压强度值修正。抗压试件直径、高度不一,对抗压强度值进行了尺寸修正。按《水利水电工程岩石试验规程》SL264-2001要求,以径高比 1∶2的修正系数为 1,径高比 1∶1的修正系数为 8/9,介于两者间的试件按以下公式修正:

修正值 =实测值 ×8/(7+2直径/高)

2.1.5 直剪资料整理。直剪试验成果除按组整理外,还分为层厚 5cm以上和 5cm以下两类进行综合计算整理。层厚 5cm以上砂岩类归纳剪断面为岩石的抗剪强度值,共 19点;层厚 5cm以下砂岩类归纳剪断面为层面的抗剪强度值,共29点。

2.2 试验成果分析

表1 层砂岩岩石室内试验成果汇总

表1 层砂岩岩石室内试验成果汇总

颗粒密度ΔS干孔隙 单轴抗压强度岩石结构 项目 密度ρd吸水率 率n天然饱和度ωs 干Rd 天然 饱和 软化系数变形模量(饱和)直剪强度(饱和)(g/cm3) (%) (MPa)E50(GPa)μ50 f c(MPa)层厚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层厚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 物性指标

③饱和度。层厚 5cm以上样品平均值71.2%,层厚 5cm以下样品平均值 74.4%,反映样品所在地层有较高的含水量,经饱和处理后样品饱和率一般均为 90%以上。

总的比较,层厚 5cm以上强度值高于层厚5cm以下,均为软岩。但考虑到试验因素,层厚5cm以下强度实际值应比试验成果值略高。同一地层样品,天然抗压强度略高于饱和抗压强度。

由以上分析可看出薄层砂岩抗压强度值的大小特性是由本工程砂岩的结构特性决定的。

从上述成果可看出,砂岩层变形模量总体小,层厚 5cm以上的模量值好于层厚 5cm以下者,这一规律性与抗压强度值、孔隙率等指标反映的规律性一致。

2.2.4 抗剪断强度。本次直剪试验垂荷控制为 4级 ,即 0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa、1.6MPa。资料计算中作面积修正,将剪切预留面不为层面、剪断面不平、不是层面的砂岩试验点归为一类计算整理,所用样品一般为层厚 5cm以上样品;将剪切预留面为层结构面、且剪断面较平、为层面的砂岩试验点归为一类计算整理,所用样品为薄层层厚 5cm以下薄片、薄饼状样品。抗剪断强度正应力 -剪应力关系见图 1、图 2。

图 1 砂岩非层面抗剪断试点正应力-剪应力关系曲线

图 2 砂岩层面抗剪断试点正应力-剪应力关系曲线

非层面破坏砂岩的断面特点:不平整,一般起伏差 0.5cm,有微量云母微粒,有的试件断面松软颗粒较多。层面破坏砂岩断面特点:平整,略粗糙,剪断面云母少,没有云母集中,含泥量与样品其它部分没有变化,有的断面有松软颗粒。

2.2.5 薄层结构对力学性指标的影响。

2.2.6 各指标的相关性。从表 1中可看出,各物理力学指标之间有较好的相关性。层薄层砂岩样,分层结构多,颗粒结构接触式胶结多,块体干密度小,孔隙率大,抗压强度值低,变形模量小,直剪强度成果值低于层厚 5cm以上样品。各项物理力学性指标之间和各项物理力学指标与鉴定结果相互支持、印证。

3 现场岩体原位试验

3.1 岩体载荷试验

载荷试验采用圆型刚性承压板法,逐级加荷,面积为 500cm2,用液压千斤顶加载,传感器观测变形。试面最大荷载为 3.14MPa,按十级等分施加,最小级差为 0.31MPa。

本次试验及资料整理按《水利水电工程岩石试验规程》SL264-2001执行。成果详见表 2、图3。

表 2 岩体载荷试验应力应变成果

从图 3载荷试验 P～W关系曲线上看,荷载加至最大 3.14MPa都未达到破坏,随着压力的增高变形量逐渐减小,表明岩体处于压密阶段。这与现场试验中岩体有侧限,室内岩块试验无侧限的性质是吻合的。

图 3 安 SJ1DM1岩体载荷试验 P～W关系曲线

3.2 岩体变形试验

岩体变形试验在钻孔内进行了 44组,采用钻孔变模测试仪;平洞内 3组,采用圆形刚性承压板法,试面面积为 2000cm2,用传感器及标准压力表测量岩体变形及试面应力最大压应力为1.95MPa,按五级等分施加(成果见表 3)。从变形试验资料中看到,现场试验成果与室内成果相近,略高于室内试验成果。

表 3 岩体变模成果

3.3 混凝土与砂岩接触面直剪试验

混凝土与岩体接触面直剪试验 1组,试件五块方形混凝土试体浇筑基岩面上,试件尺寸为长×宽 ×高 =50cm×50cm×35cm,混凝土标号平均值大于 20MPa。

试验采用平推法。各试件剪力中心预定剪切面的距离,控制在 1.5cm左右范围内。推力方向指向下游,法向力铅直向下,位于预定剪切面中央,并垂直于剪切面。试件抗剪断结束后,均重复进行抗剪及选择性作单点摩擦试验。

依据试件岩体设计应力的要求,取最大法向应力 σmax=1.26MPa,按五级等分施加,剪切过程中,保持剪切面上法向应力不变。各试件均采用传感器测量试验法向位移和切向位移,用标准压力表测法向应力和切向应力。混凝土与砂岩接触面直剪试验成果分析资料整理按《水利水电工程岩石试验规程》SL264-2001要求进行。混凝土与岩体直剪试验,剪切面大都在界面上破坏,剪应力 ～剪变形关系曲线反映出,其屈服段较长,峰值不太明显,都属于塑性破坏型。其屈服极限点采用峰值强度的 80%～90%,岩体抗剪强度取屈服极限强度指标 tg=0.7,c=0.12MPa(见图 4)。

图 4 安 SJ1YJ1(混凝土/岩体接触面)直剪试验 α～τ关系曲线

4 结语

4.1 坝基夹关组(K1j)砂岩,颗粒结构不均,胶结方式有孔隙式、接触式,孔隙率、含水量大,整体力学强度不高,为软岩,但其承载能力可满足设计要求。坝基薄层砂岩岩体力学指标建议值见表4。

表 4 坝基岩体力学指标建议值

4.2 根据直剪试验成果,K1j①地层的层厚 5cm以上砂岩抗剪强度相对较高。层厚 5cm以下砂岩,由于整体结构较松软和层面破坏,其摩擦系数和粘聚力较低。层面剪断面比较平整,泥质物含量与其它部分相比没有增加。

4.3 沉积岩地层中,薄层状结构的页岩、砂岩在工程勘察中常常遇到,但由于层理发育、岩性软弱,难以满足试验规程对室内试样尺寸的要求,对其力学性质的研究带来困难。本次薄层状砂岩室内岩石试验使用非标准方法所获得的试验成果,与现场原位试验成果之间具有良好的相关性,说明试验研究使用方法较适当,可供类似工程的勘察和试验研究借鉴。