重建丰满水电站坝基变质砾岩钻孔变形模量试验研究

祁海燕，蔡云波，刘忠富，何国伟

（1.辽宁宏禹水利工程建设监理有限公司，辽宁 沈阳110006；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061）

岩体变形模量和弹性模量是岩体的基本力学参数。目前现场测定方法有3种：平板千斤顶法、柔性和刚性承压板[1～4]；试洞法：水压加载或压力枕加载；钻孔法：钻孔膨胀计（全断面柔性加压）和钻孔弹模计（刚性或柔性加压）。试洞法加压区大，代表性较好，但费用特高；平板法费用较高，测点很少，且受表面松动影响，测值偏低；钻孔法较灵活，费用最低，可利用地质勘探孔进行测试，覆盖面较大，测试深度较深，数据较多，通过统计分析可以获得最接近现场特性的数据。

钻孔法[5～8]分钻孔膨胀计和钻孔弹模计2种，前者用橡胶囊加压，压力较低,最高20 MPa，适用于软岩；后者用活塞对部份孔壁加压，压力较高，可达70 MPa，既适用于硬岩也适用于软岩，一种规格的弹模可适用于二种孔径的钻孔、还可测定岩体的各向异性。 钻孔弹模计法是检测岩体质量的一种较好的方法[9～12]，可以在深部岩体或钻孔有水的情况下进行试验,对试验段岩体基本上不产生扰动，具有设备简单、拆装方便、可重复多次使用等优点。

1 工程概况

丰满大坝全面治理工程（重建方案）水库总库容114.46×108m3，重建工程装机容量720 MW，利用原丰满三期扩机2台单机容量140 MW的机组，总装机容量1 000 MW。

根据DL5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》及GB50201-94《防洪标准》的规定，该工程为一等工程，工程规模为大（1）型。主要建筑物大坝、泄洪洞、坝后式厂房和开关站为1级建筑物，厂房尾水渠挡墙等次要建筑物为3级。

基岩为变质砾岩，岩性均一，岩质坚硬。强风化带厚度不大，弱风化带多属较完整-完整岩体。岩体多为Ⅲ-Ⅱ类，断层部位为Ⅳ类（局部为Ⅴ类）。

具体地质概况如下：

1）F67断层破碎带

测试段岩性为变质砾岩，灰色～灰黑色，変余砾状结构，块状构造，岩芯均较破碎。砾石粒径一般为3～5 cm，磨圆中等，分选性差，成分主要为中、基性火成岩，呈硅质胶结，胶结良好。岩体完整性差～破碎。风化程度一般为中等风化，个别测试段呈微风化状态，全孔平均岩芯采取率60%～85%。其中，在FZK120钻孔中，f1断层部位处于17.10～22.00 m，主要由碎裂岩、碎块岩组成，倾角75°～85°。

2）坝基岩体

FZK114孔测试部位为24.8～27.0 m。变质砾岩，灰-灰黑色，变余砾状结构，块状构造,砾石粒径一般为3～4 cm，成分主要为中、基性火成岩，呈硅质胶结，胶结良好。岩体节理较发育，岩芯对磨较严重，中等风化，全孔平均岩芯采取率77%，全孔平均岩芯获得率28%，全孔平均RQD值18%。

FZK105，FZK103孔测试部位为岩性为变质砾岩，灰色，变余砾状结构，块状构造,岩质较坚硬，砾的粒径一般为2～6 cm大者可达10～13 cm，中等磨圆，良好的硅质胶结。本孔全孔呈完整～较完整状态，岩芯多呈25～40 cm的柱状，岩体节理较发育，多以倾角65°～85°陡倾角节理为主，节理面平直粗糙，具有铁锈和钙膜，张开宽度大于1 mm。微风化，平均岩芯采取率90%以上，平均岩芯获得率70%以上，全孔平均RQD值61%～79%。

为了查明坝基岩体的变形模量和弹性模量，为设计提供依据，进行了现场岩体钻孔变形试验。试验共布置6个钻孔，每孔5个测点。其中F67断层破碎带部位布置3个孔，编号为FZK109，FZK120，FZK121；坝基岩体布置3个钻孔，编号为FZK114，FZK103，FZK105，其中有两孔为水上钻孔。

2 现场钻孔变形模量试验研究

2.1 试验原理

本次试验采用中科院武汉岩土所研制的GY-90钻孔弹模计（属于钻孔千斤顶法），它主要由二路加压系统、位移量测系统及压力测量系统组成。GY型孔内弹模测定器是在美国古德曼千斤顶（Goodman Jack）的基础上研制开发的。Goodman Jack是国际上具有代表性的钻孔弹模计，已作为国际岩石力学委员会（ISRM）的建议方法，用于钻孔中测定现场岩体变形模量。利用钻孔弹模仪内部的4个活塞推动两块刚性承压板对钻孔壁岩体施加一对称的条带载荷，通过分析钻孔岩体在荷载作用下的变形确定其弹性模量值。实际测试过程中，通过在承压板上安装的LVDT线性差动变压器式位移传感器测量钻孔孔壁岩体在加载时的径向变形，用压力表及安装在活塞上的测力计直接测定出力。通过测试不同压力下的变形，根据式(1)计算出测试部位岩体的变形模量或弹性模量E(GPa)∶

式中：A——三维问题的影响系数，取A=0.915；H——压力修正系数；取H=0.9；D——钻孔直径，mm，测试钻孔的实际直径为90 mm；ΔQ——压力增量，MP；ΔD——变形增量，mm；T(V,β)——与承压板宽度(接触孔壁时圆周角大小)和岩体泊松比有关的系数，当 γ=0.25，2β=45°时，T(0.25，22.5°)=2.141；当 γ=0.30～0.35，2β=45°时，T(0.30，22.5°)=2.077。

本次钻孔断层破碎带部位泊松比γ计算取0.32，其它部位取0.25。

2.2 试验压力的选择

测试采用的最大压力按以下原则确定：

1）岩体设计承载力的1.2～1.5倍。

2）对于较坚硬的完整岩体适当提高试验压力，以扩大压力在岩体中的影响范围。

3）为消除孔径效应引起的误差，适当提高试验压力。

4）仪器设计工作压力的要求。

根据以上原则，并与设计、地质沟通协商后，借鉴国内其它工程经验。确定本次试验断层部位试验最大压力为13.0 MPa左右；较坚硬完整类岩体试验压力为30.0 MPa左右。

2.3 试验内容和方法

这次试验F67断层破碎带3个孔加载方式采用逐级一次循环法，其它部位加载方式采用大循环法。具体试验步骤如下：

1）试验前对钻孔弹模计进行标定，放入仪器前采用与仪器直径相当的一段钢管放入孔内，保证孔内无岩石碎块后，钻孔畅通无阻时，开始试验设备安装。

2）连接一定长度的钻杆，每隔1 m用白布带将油管、电缆捆紧到钻杆上。

3）将钻孔弹模计放入孔内测试部位，定向后加压至2 MPa，使承压块和孔壁接触，然后卸压至1.0 MPa初始压力，读取初始读数。

4）试验时每级压力加压或退压后立即读数，以后每隔3～5 min读数一次，当相邻两次读数差与同级压力下第一次读数和前一级压力下最后一次读数差之比小于5%，施加或退至下一级压力。

5）每一循环退压时，最低压力退至1.0 MPa。

6）试验结束后，压力退至零并保持一段时间，取出钻孔弹模仪。

2.4 资料整理原则

对试验的压力-变形曲线进行分析，根据曲线类型和加压方式，借鉴国内其它工程经验，计算变形（或弹性）模量，比如拉西瓦电站、广东岭澳核电站二期工程、三峡电站、紫坪铺水库、小湾水电站等工程，计算初始压力为2～10 MPa。

资料整理方法如下：

1）对直线型曲线，变形参数为常数，按最高一级的压力和相应的变形取值，计算变形（或弹性）模量。

2）对向上凹型曲线，随压力增加，变形参数值增大，按不同压力段计算，见图1。这次断层破碎带部位分为 2.7～6.3 MPa和 2.7～13.5（21.6）MPa两个压力段进行计算变形模量及弹性模量。

3）对初期压力有明显转折点的长尾型曲线，第一段线段坡度较缓，为人为扰动岩体以及仪器承压板与岩体接触耦所致，按折点后直线段计算变形参数。

图1 岩体压力变形关系曲线图

4）对于坝基部位坚硬岩体采用大循环试验曲线，考虑仪器承压板与岩体接触耦合情况，以及岩体变形特点，以5～20 MPa加压段曲线计算岩体变形模量，其中5 MPa为第一循环加压数值，20 MPa为第三循环加压数值，以最后一循环卸压曲线计算弹性模量。见图2。

图2 岩体压力变形关系曲线图

2.5 试验成果分析

2.5.1 F67断层破碎带

该部位共3个钻孔，除FZK120钻孔变形模量受一组与试验方向交角较小的软弱结构面影响相对略低外，其它FZK121，FZK109两钻孔的变形模量总体相当。低压力段（2.7～6.3 MPa）变形模量为3.40～4.57 GPa，平均值为4.03 GPa；高压力段（2.7～13.5 MPa）变形模量 4.28～8.04 GPa，平均值为 5.87 GPa。

根据压力～变形关系曲线（典型曲线见图1）可以看出，对于该部位的岩体，在2.7 MPa的低压力下孔壁岩体与钻孔千斤顶间密切耦合过程已基本完成，低压力段（2.7～6.3 MPa）内的变形指标能够反映出该类岩体的变形特性。因此，对于该类软弱岩体，以低压力段的变形指标作为试验值。试验成果见表1。

2.5.2 坝基岩体

根据压力～变形曲线（典型曲线见图2）变化规律分析得出，坚硬完整岩体的变形特点：在0～5 MPa压力段的变形主要由承压块与孔壁的间隙闭合引起，此段在压力曲线上表现为随着压力的增大，变形较大，曲线斜率较小；当压力达到5 MPa以后，承压块曲面与孔壁才基本贴紧，实测曲线反映岩体的弹塑性变形特点，当压力增加到20 MPa以后，裂隙闭合，曲线表现为岩体的弹性变形。因此在计算岩体的参数时，取5～20 MPa压力段曲线计算岩体变形模量是合理的。试验成果如表2。

表1 F67断层破碎带试验成果表

表2 坝基岩体试验成果表

坝基部位岩体共进行3个钻孔的变形模量试验，根据钻孔柱状图可以看出，FZK114孔与其它两钻孔相比，地质条件明显较差，因此，该钻孔与其它两钻孔相比，变形模量总体量值较低，仅在1.0～2.0 GPa范围，其它两钻孔的变形模量总体上相当，变形模量 12.46～17.72 GPa，平均值为 15.50 GPa；弹性模量 16.07～28.81 GPa，平均值为 21.57 GPa。

3 结语

综合利用地质钻孔，在一个孔中做多种测量，包括钻孔弹模、围岩变形、孔内波速等，是一种简单、迅速、节省的试验方法。在一个钻孔中，能得到不同孔深处和不同方向上的弹模，其代表性明确，工程上易于分析、应用。

现场实测结果与地质资料一致，钻孔柱状图中表明的断层和节理裂隙发育部位所测数值很小，变形模量为3.40～4.57 GPa，平均值为4.03 GPa。总体来说变质砾岩变形模量12.46～17.72 GPa，平均值为15.50 GPa，弹性模量16.07～28.81 GPa，平均值为21.57 GPa。

该次试验是在丰满水电站正常运行的条件进行的，在试验场地限制的情况下，在钻孔中进行岩体变形模量试验，无疑是最佳选择。试验成果表明，各测点的变形规律比较好，较真实地反映岩体的变形特性，为工程设计提供了可靠的依据。

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