亭子口电站水平层状岩体变形特性试验研究

肖本职，何沛田

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室（重庆中心），重庆 400014）

亭子口电站水平层状岩体变形特性试验研究

肖本职，何沛田

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室（重庆中心），重庆 400014）

通过对亭子口水利枢纽工程坝基下卧的黏土岩、粉砂岩、长石石英砂岩和岩屑砂岩等4种主要岩性的岩体变形试验曲线特征进行分析，认为：厚层岩屑砂岩的试验变形量主要来自于岩石晶格错动变形，长石石英砂岩的试验变形量主要为岩石内孔隙和空隙变形以及岩石晶格错动产生的变形，而层理较发育的薄层黏土岩和粉砂岩的试验变形量主要由层间压缩变形、岩石内孔隙和空隙变形以及岩石晶格错动产生的变形共同组成。

亭子口电站；层状岩体；变形试验；曲线特征

1 概 述

嘉陵江亭子口水利枢纽是嘉陵江干流梯级开发中的控制性梯级，主要建筑物有大坝、厂房、升船机及灌渠首部建筑物。设计拟采用混凝土重力坝，坝轴线长1 108 m，最大坝高110 m。坝址区为白垩系下统红层沉积岩体，出露主要地层为苍溪组砂岩、粉砂岩、黏土岩，总厚度480 m，为软硬相间不等厚的红层岩体，相变频繁。坝址处于九龙山背斜南东翼，岩层走向30°～60°，微倾下游偏左岸，倾角1°～5°，属于近水平层状岩体［1］。

由于红层岩体的特性，该类岩体的孔隙和空隙较大，变形模量相对较低，模量比一般为低模比或中模比岩石。工程岩体的铅垂向变形特性对重力坝的影响十分重要，是大坝变形稳定分析的重要依据。为了解坝基各岩层的变形特性，针对揭露出的黏土岩、粉砂岩、长石石英砂岩和岩屑砂岩等4种主要岩性进行了铅垂向变形试验研究。

进行试验的4种主要岩性中，位于最下部的K1c

2－1层岩屑砂岩为巨厚层岩体，层理不发育，其次是位于K1c2－1层之上的K1c2－3层长石石英砂岩，岩层较厚，层理不明显，而K1c2－3，K1c

3－1，K1c

3－3等层中的粉砂岩和黏土岩岩体厚度都相对较薄，岩层相互交错，相变突出，层理较发育。

对于层状岩体的变形特性试验研究，一直以来都是岩石力学界非常关注的研究领域。无论是我国最早关于岩石力学试验的规程《水利水电工程岩石试验规程》（DLJ 204－81，SLJ 2－81）及1992年的补充部分（DL 5006－92）、2001年的修订版《水利水电工程岩石试验规程》（SL264－2001），还是1999年颁布的国家标准《工程岩石试验方法标准》（GB／T500266－1999），以及国际岩石力学学会试验室和现场试验标准化委员会的《岩石力学试验建议方法》，关于岩体变形试验，都是基于平面半无限均匀连续介质岩体的假定，用建立在以半无限均质体受集中力作用下的布辛涅斯克公式为基础推导出的公式计算弹性模量和变形模量。

关于层状岩体变形特性的研究，岩石力学工作者进行了一些有益的探索。黄醒春等首先建立起了层状岩体的横观各向同性本构关系［2］，为层状岩体的研究打下了一定理论基础。谢和平等通过对层状岩体进行双向压缩试验及理论研究，提出了基于体积膨胀及体积畸变导致破坏的层状岩体的能量型破坏准则［3］。周火明等通过数值模拟计算，研究了不同加载尺寸对层状符合岩体变形参数的影响［4］。台湾学者陈?季等通过对现场孔内变形试验参数与室内动静弹性试验参数建立对比关系，来估算台湾地区沉积岩体的弹性模量［5］。上世纪80年代，李迪等通过对环形柔性板深部变形测量的分层弹模计算研究，提出了软弱层带岩体的地基概化模型和计算模型，并找到了利用承压板下中心孔中多点位移计测出的岩体深部变形分别计算出荷载影响范围内水平成层岩体各层模量的方法，提出了分层弹模计算方法的概念，后来逐步得到完善并开始在工程中研究性地应用［6－11］，该方法较好地解决了层状岩体的变形特性试验研究问题。但是，关于水平层状岩体的变形试验问题仍然处于研究阶段，目前尚未纳入规程规范。因此，本工程仍然只能采用现行规程中的圆形刚性承压板法，拟通过对亭子口电站水平层状岩体不同岩性及不同岩层厚度岩石介质的变形曲线特征进行分析，找出岩体变形的形成机理及其变化规律。

2 试验方法、布置及成果

2.1 试验方法及布置

由于水平层状岩体的变形试验问题仍然处于研究阶段，目前并未纳入规程规范。因此，本工程仍然采用传统的圆形刚性承压板法进行，最大试验荷载按工程应力的1.2倍施加，实际施加最大试验荷载为3 MPa。

亭子口水利枢纽设计采用重力坝及左岸坝后式厂房，坝基岩体的垂直变形将是大坝变形稳定的关键问题。因此，变形试验主要布置在坝轴线上，荷载均为垂直施加。结合现场勘探平洞，分为左右岸和上下3层进行布置，根据勘探平洞内揭露出的岩性情况及试验条件布置相应岩层的变形试验。第一层布置在洪水位以上，坝顶高程以下勘探平洞内（软岩类）；第二层布置在枯水位以上河岸边勘探平洞内（软岩类）；第三层布置在枯水位以下勘探竖井内（长石石英砂岩）。主要坝段持力层为K1c2－1巨厚层岩屑砂岩，由于该层岩体埋设较深，试验布置在坝轴线上游约500 m专用试验平洞内的同层岩体中。

由于岩屑砂岩、长石石英砂岩为厚层岩体，岩性相对稳定，层理不明显，各布置1组试验。而粉砂岩、黏土岩为薄层岩体，且相互交错，岩层岩性不稳定，相变突出，层理发育。为了更准确全面地了解软岩类岩体的变形特性，对粉砂岩、黏土岩这2种岩性各布置了3组变形试验。

2.2 试验成果

4种主要岩性共计8组／22点变形试验的试验成果［12］见表1（有2点试验失败，数据废弃）。

影响岩体变形特性的因素较多，主要有岩性、完整程度、节理裂隙发育程度和岩层层面等。砂岩类属于较坚硬岩～坚硬岩，黏土岩类属于软岩～较软岩。总体上讲较硬质岩的变形模量高于软质岩的变形模量，即砂岩类的变形模量高于黏土岩类的变形模量。其主要原因是岩性不同的岩体，致密程度不同，其抵抗变形的能力不同。而在砂岩类中，岩屑砂岩的变形模量又明显高于长石石英砂岩和粉砂岩的变形模量，这主要是由于岩屑砂岩的颗粒结构较长石石英砂岩和粉砂岩更加致密。

表1 试验成果统计表Table 1 Statistics of test results

3 典型曲线及变形特征分析

3.1 典型曲线及变形特征分析

岩体变形曲线的形态与试验岩层的岩性、加压面以下地质特征甚至承压板的安装情况都有密切的关系。常见的有直线型、上凹型、下凹型及长尾型等曲线形态，在排除安装质量问题的前提下，试验曲线能够较好地反映试验岩体的性状及地质特征。该工程4种岩性岩体的典型应力-变形试验曲线见图1。通过对这些典型曲线的曲线形态进行分析，可以发现不同岩性岩体的基本变形特性。

图1 4种岩性典型曲线Fig.1 Typical curves of 4 kinds of rockm asses

由于岩层倾角仅为1～5°，属于近水平岩体，而变形试验荷载为铅直向，即荷载基本与岩层面及层理垂直。试验加载过程中所产生的变形主要包括了3部分：一是层间压缩变形；二是岩石内部的孔隙和空隙变形；三是岩石晶格错动变形。

图1（a）、（b）两条曲线代表了黏土岩和粉砂岩的应力与变形关系曲线，该类曲线所反映的变形特性为：荷载初期，岩体的层间变形占主导地位，而岩石内部孔隙变形和晶格错动变形很少。此时的应力-变形曲线呈现应力小变形大的非破坏性压密变形阶段，其曲线形态为下凹型曲线。随着荷载的增加，层间空隙被压密，层间变形趋于稳定，此时岩石内部孔隙变形和晶格错动变形占主导地位。此时的应力-变形曲线基本近似于直线，而且每级荷载作用下，循环加载线不重合，开度较宽。该变形曲线较好地反映了该类岩体在荷载作用下所反映出的层间压缩变形；同时也反映出了岩石晶格错动变形的岩体变形特性。而对于粉砂岩和粘土岩的比较，由于粉砂岩的孔隙率高于粘土岩，但其强度也高于粘土岩。因此，粉砂岩的初期压密阶段更为突出，但压密阶段后的曲线更近于直线。而粘土岩的压密阶段结束得并不是太明显，而是缓慢完成的。

图1（c）代表了长石石英砂岩的应力-变形曲线。该层岩体为较厚层岩体，层理不明显，但质地较疏松，矿物颗粒接触不紧密，存在着孔隙和空隙，但岩体的强度较高，属于较坚硬岩石。因此，在较低压力作用下，其变形相对较小，随着压力的增加，岩石内部孔隙和空隙受到压密，开始产生晶格错动变形，此时的变形随着压力增加而明显增大，呈现上凸型应力-变形曲线。从加卸载过程曲线来看，开度较宽，每级循环圈明显变大。这类曲线反映了该工程的较厚层、层理不明显、强度较高，但颗粒疏松类岩体的变形特征。

图1（d）代表了岩屑砂岩的应力-变形曲线。该类岩体为巨厚层、层理不明显、岩体致密，岩石内部孔隙和空隙较小，强度高，为坚硬岩石。在给定的压力范围内，应力与变形呈线性变化，基本为一直线，从加卸载过程曲线来看，开度窄小，每级循环圈基本相似。这反映了该工程的巨厚层、层理不明显，岩石颗粒结构致密、强度较高的坚硬岩体的变形特征。

3.2 讨 论

综上所述，粘土岩和粉砂岩等层理较发育薄层软岩和较软岩，在较低应力作用下产生较大变形，该变形为层间压缩变形、岩石内孔隙和空隙变形以及岩石晶格错动变形共同组成的综合变形量。长石石英砂岩属于层理不明显，但颗粒较疏松，岩石内部孔隙和空隙较大，在给定的应力作用下所产生的变形主要为岩石内孔隙和空隙变形以及岩石晶格错动产生的变形。而岩屑砂岩属于层理不明显、颗粒结构致密、孔隙和空隙较小。在给定的应力作用下只产生了较小的变形，该变形主要为岩石晶格错动变形。由此可见，同样的试验方法，对于不同岩性或不同地质结构的岩体，其试验成果的物理意义却大不相同。

传统的刚性承压板法变形试验对于连续介质岩体是合适的，也得到了很好的应用并已形成规范多年。然而，对于层状岩体，受压面以下为层状非均质各向异性岩体，用该方法得到的岩体变形及其模量，它反应的是受压面以下岩体的综合变形及其模量，而并不能反映加压层岩体本身的变形特性。因此，对于类似本工程的成层状岩体以及含有裂隙、断层破碎带、软弱夹层等非均匀、复杂介质组成岩体，需在传统的承压板法变形试验基础上发展一种新的层状岩体变形试验方法。这种试验方法能够测试不同深度的变形，与分层弹模计算方法相匹配，方可解决工程实际问题。

4 结 语

通过对嘉陵江亭子口水利枢纽坝址区黏土岩、粉砂岩、长石石英砂岩和岩屑砂岩的变形试验成果进行分析，长石石英砂岩和岩屑砂岩的变形试验成果基本反映了这2类岩石的变形特性，而黏土岩、粉砂岩的变形试验成果反映的是试验加压点以下岩体的综合模量和变形特性。

（1）结构致密的厚层岩屑砂岩的试验变形量很小，主要来自于岩石晶格错动变形。厚层长石石英砂岩的试验变形量主要为岩石内孔隙和空隙变形以及岩石晶格错动产生的变形。而层理较发育的薄层黏土岩和粉砂岩，其试验变形量较大，主要由层间压缩变形、岩石内孔隙和空隙变形以及岩石晶格错动产生的变形3大部分组成。

（2）对于厚层均质岩体，圆形刚性承压板法变形试验成果能够较好地反映试验岩体的变形特性。

（3）对于成层状岩体以及含有裂隙、断层破碎带、软弱夹层等非均匀、复杂介质组成的岩体，传统的圆形刚性承压板法变形试验成果所反映的是试验加压点以下岩体的综合变形特性，而非加压岩体本身的变形特性。对于该类岩体，须在传统的承压板法变形试验基础上发展一种新的与分层弹模计算方法相匹配的层状岩体变形试验方法，以便更好地解决工程实际中需要的各层岩体或软弱层带的变形模量的问题。

［1］ 长江水利委员会.嘉陵江亭子口水利枢纽可行性研究报告－工程地质［R］.武汉：长江水利委员会，1995.（ChangjiangWater Resource Commission.Report of fea-sibility research for Jialingjiang Tingzikou Hydraulic Pro-ject－Engineering Geological［R］.Wuhan：Changjiang Water Resource Commission，1995.（in Chinese））

［2］ 黄醒春，陶连金，曹文贵.岩石力学［M］.北京：高等教育出版社，2005.（HUANG Xing-chun，TAO Lian-jin，CAO Wen-gui.Rock Mechanics［M］.Beijing：Higher Education Press，2005.（in Chinese））

［3］ 谢和平，鞠 杨，黎立云，等.岩体变形破坏过程的能量机制［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（9）：1729～1740.（XIEHe-ping，JU Yang，LILi-yun，etal.En-ergymechanism of deformation and failure of rock masses［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineer-ing，2008，27（9）：1729～1740.（in Chinese））

［4］ 周火明，盛 谦，陈殊伟，等.层状复合岩体变形试验尺寸效应的数值模拟［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（2）：289－292.（ZHOU Huo-ming，SHENG Qian，CHEN Shu-wei，et al.Numerical simulation on size-effect in deformation test of layer composite rockmass［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineer-ing，2004，23（2）：289－292.（in Chinese））

［5］ 陈?季，蔡瑞兴，李瑞琳.实验方法推估台湾地区岩石变形模量研究［J］.四川大学学报（工程科学版），2004，36（3）：9－13.（CHEN Shu-ji，CAIRui-xing，LI Rui-lin.Using experimentalmethod for elementary evalu-ation of rock deformation modulus in taiwan area［J］.Journal of Sichuan University（Engineering Science Edi-tion），2004，36（3）：9－13.（in Chinese））

［6］ 李 迪，王昌明.现场承压板变形试验的分层弹模计算［J］.长江科学院院报，1991，8（2）：29－36.（LIDi，WANG Chang-ming.Calculations on elastic moduli of each rock formation under in－situ bearing plate test［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1991，8（2）：29－36（in Chinese））

［7］ 李 迪，王昌明.刚性承压板法变形试验的分层弹模计算［J］.长江科学院院报，2003，20（2）：23－25.（LI Di，WANG Chang-ming.Calculation of elastic moduli of divided layers from rock deformation test for rigid bearing plate deformation［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003，20（2）：23－25.（in Chinese））

［8］ 张 漫，王志旺，李 迪.岩体变形试验分层弹模计算的工程应用［J］.长江科学院院报，2003，20（6）：41－43.（ZHANGMan，WANG Zhi-wang，LIDi.Calculation of elastic moduli of divided layers from rock deformation test and its application to geotechnical engineering［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003，20（6）：41－43.（in Chinese））

［9］ 李 迪，张 漫，王志旺，等.柔性承压板法变形试验分层弹模的联合计算［J］.固体力学学报（计算力学专辑），2003，24：204－208.（LIDi，ZHANGMan，WANG Zhi-wang，et al.Combined calculation of elastic moduli of divided layers for flexible bearing plate deformation test［J］.Acta Mechanica Solida Sinica，2003，24：204－208.（in Chinese））

［10］李 迪，张保军，张 漫，等.岩体变形试验与分层弹模计算［M］.武汉：湖北科技出版社，2005.（LI Di，ZHANG Bao-jun，ZHANGg Man，et al.Rock Deforma-tion Testand Elastic ModuliCalculation of Divided Layers［M］.Wuhan：Hubei Science and Technology Press，2005.（in Chinese））

［11］李 迪，张 漫，王志旺，等.关于层状岩体试验的建议方法［J］.岩土力学（增刊2），2006，27：1156－1160.（LI Di，ZHANG Man，WANG Zhi-wang.Suggested method for deformability test of layered rock masses［J］.Journal of Rock and Soil Mechanics，2006，27（supp.2）：1156～1160.（in Chinese））

［12］何沛田，肖本职，吴相超.嘉陵江亭子口水利枢纽岩石力学试验研究综合报告［R］.武汉：长江水利委员会长江科学院，2007.（HE Pei-tian，Xiao Ben-zhi，Wu Xiangchao.Compositive research report of rock mechan-ics tests for Jialingjiang Tingzikou Hydraulic Project［R］.Wuhan：Changjiang Water Resource Commission Yangtze River Scientific Research Institute，2007.（in Chinese））

（编辑：曾小汉）

Test Research on Deformation Characteristics of Horizontally layered Rockmass in Tingzikou Power Station

XIAO Ben-zhi，HE Pei-tian
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources（Chongqing Center），Yangtze River Scientific Research Institute，Chongqing 400014，China）

Through the analysis of characteristics in curve of deformation tests on the four kinds of rockmasses such as claystone，siltstone，feldspar-quartz sandstone and lithic sandstone underlain the dam foundation of Tingzikou Hydropower Station，it is thought that：the test deformation of thick lithic sandstone ismainly caused by slippage deformation of rock crystal lattice；the test deformation of feldspar-quartz sandstone ismainly from small crevices in rock，compressive deformation of rock small holes and slippage deformation of rock crystal lattice；and the test de-formation of thin layer claystone in which horizontal layer is developed and siltstone ismainly from compression de-formation in interlayer，small crevices in rock，compression deformation of rock small holes and slippage deforma-tion of rock crystal lattice.

Tingzikou Power Station；layer rockmass；deformation test；curve characteristic

TV223.1

A

1001－5485（2010）03－0046－04

2009-04-14；

2009-05-26

水利部岩土力学与工程重点实验室开放基金（G07－17）

肖本职（1966-），男，重庆垫江人，高级工程师，主要从事岩石物理力学试验、检测及地应力测量等方面的工作，（电话）023-63600884（电子信箱）benzhi＿xiao＠163.com。