刚性钻孔弹模计在白鹤滩电站坝基岩体变形参数测定中的应用

罗超文，李海波，马 鹏

(1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室，武汉 430071;2.中国电力顾问集团华东电力勘测设计研究院，杭州 310014)

1 工程概况

白鹤滩水电站位于云南省巧家县大寨乡与四川省宁南县跑马乡之间的金沙江峡谷中，上距乌东德水电站坝址182 km，下距溪落渡水电站枢纽195 km，距西昌200 km，距昆明306 km。工程为混凝土双曲拱坝，最大坝高277 m，初拟正常蓄水位820 m，相应库容179.24亿 m3，装机容量12 600 MW，是我国继三峡、溪洛渡之后又一座千万kW级的水电站。

根据地质勘察揭示，工程区岩体主要为二迭系厚层玄武岩，其中第三层(P2β3)微晶隐晶玄武岩柱状节理发育，且发育层间剪切错动带，岩体完整性较差，是影响拱座和坝基岩体变形的不利地质构造［1］。柱状节理玄武岩柱体形成时受到种种环境条件的影响，特别是岩体内的非均质结构，因而在柱列断面上，形成六边形、四边形以及七边形等多种组合情况［2－4］，对柱状节理玄武岩的变形特征分析也成为白鹤滩水电站主要工程问题之一。

刚性钻孔弹模计虽已在工程中得到广泛应用，但是在本次试验之前，刚性钻孔弹模计试验数据从没有与大型刚性承压板做过对比性试验。因此，为了验证刚性钻孔弹模计试验数据的可靠性，在勘探平洞中各布置了一组现场对照性试验。对照性试验结果表明:刚性钻孔弹模计试验结果是可靠的。在此基础上，对左、右岸平洞和岸坡钻孔内的柱状节理玄武岩做了250点的变形试验，以此为基础分析了柱状节理玄武岩变形特征及其随孔深的变化规律，讨论了岩体的各向异性特征以及断层、岸坡卸荷等对柱状节理玄武岩试验结果的影响。

2 刚性钻孔弹模计试验方法简介

目前，国际上普遍采用的工程岩体弹性模量测试方法总体上可以归纳为动力法和静力法2大类。

动力法主要是通过研究地震波或声波在岩体中的传播规律来建立运动参数与岩体弹性模量的关系［5］，但是，该方法给出的是岩体动态弹性模量值，高于岩体的实际静态弹性模量值。

静力法是通过量测岩体在静荷载作用下的岩体变形，然后用弹性力学公式推算岩体的弹性模量变形指标，是工程设计中应用较多的方法。大致可分为承压板法、水压试洞法以及钻孔试验法3类。

承压板法一般只能测量地表或洞壁附近处的岩体弹模值，若需了解深部岩体的弹模，则需开挖巷道至被测位置。试验过程中，特别是在高应力地区，由于试验区表层岩体的松动，试验得到的弹性模量内均含有松动层的影响，其测试结果一般比岩体的真实弹性模量值低。水压试洞法试验过程比较复杂、费用高，在工程应用较少。

钻孔试验法按加压板的刚度可分为柔性和刚性加压法。柔性加压法是通过量测胶囊的体积变化来确定岩体的变形，主要用于软岩变形特性试验。刚性钻孔弹模计是利用千斤顶内的活塞通过承压板对钻孔壁施加一对径向压力，同时测量出相应的孔壁变形，并据此计算出岩体的弹性模量值。与柔性弹模计试验方法相比，刚性弹模计具有压力大、且能够量测不同方向岩体模量特点，更广泛地在水电、核电工程中得到应用［5］。

3 试验仪器及试验点布置

3.1 试验仪器

试验仪器为BJ－76A钻孔弹模计，主要由二路加压系统、位移量测系统及压力量测系统组成。试验时利用仪器内部的4个千斤顶活塞推动2块刚性承压板对钻孔壁岩体施加一对称的条带载荷。在承压板上装有LVDT线性差动变压器式位移传感器用来量测钻孔孔壁岩体在加载时的径向变形，同时，用安装在活塞上的测力计直接测定出力。

根据式(1)可以计算试验部位岩体的变形模量或弹性模量［5－13］E(GPa)值，

式中:A为三维问题的影响系数;H为压力修正系数;D为钻孔直径(mm);ΔQ为压力增量(MPa);ΔD为变形增量(mm);T*(ν，β)为与承压板宽度(接触孔壁时圆周角大小)和岩体泊松比有关的系数，T*(0.25，22.5°)=2.141。

一般计算钻孔岩体的弹性模量时，式中的ΔQ，ΔD取压力变形曲线高压部分的线性段增量值。计算变形模量时，式中的ΔQ，ΔD取压力变形曲线中的低压部分变化量值。

3.2 试验点布置

试验在右岸PD37号平洞、左岸PD36号平洞和PD143平洞内各布置了1个试验断面(每个断面3个测孔)，以及左岸岸坡ZK413孔。试验布置见图1。

3.2.1 对照组试验布置

承压板试验与刚性钻孔弹模试验对照组布置在左岸 PD143平洞内 130～141 m处，平洞高程720.09 m，洞向270°。试验点岩体为二叠系上统峨嵋山组第三段(P2β3)隐晶玄武岩－含杏仁隐晶玄武岩。

图1 试验布置示意图Fig.1 Layout of test points

共布置3个钻孔弹模试验孔，试验孔编号和试验点数见表1。其中，PD143－1孔为铅直孔，与断层F14相距1.5 m;PD143－3孔为水平孔，与PD143平洞轴线夹角大约为40°，与断层F14夹角大约为30°，相距0.7 m;PD143－4孔为水平孔，与断层 F14平行，相距6 m。试验布置见图2。

图2 PD143平洞试验布置示意图Fig.2 Sketch of test points in adit PD143

在左岸PD143平洞内130～141 m处，共布置6个现场承压板试验点，试验点编号和具体位置见表2。

3.2.2 左岸其它试验孔布置

为了研究左岸岩体变形特性，在左岸岸坡以及PD36平洞布置了4个钻孔弹模试验点。其中，ZK413试验孔位于左岸岸坡，高程为679.71 m，最大试验深度为84.65 m。试验点岩体为二叠系上统峨嵋山组第三段(P2β3)灰黑色微晶－隐晶玄武岩，柱状节理极发育。

左岸PD36平洞内布置3个钻孔弹模试验点，试验断面距洞口(岸坡)约50 m左右。试验点岩体由外向内分别为二叠系上统峨嵋山组第三段(P2β3)柱状节理玄武岩、角砾熔岩、含斑玄武岩、柱状节理玄武岩。3个试验点中，PD36－1试验孔为铅直孔，最大试验深度为48.35 m;PD36－2试验孔为水平孔，向上游垂直于平洞轴线方向，最大试验深度为47.00 m;PD36－3试验孔为水平孔，向下游垂直于平洞轴线方向，最大试验深度为47.30 m。

3.2.3 右岸试验孔布置

右岸试验孔布置在PD37勘探平洞内，平洞高程621.18 m，洞向90°，岩体为二叠系上统峨嵋山组第三段(P2β3)灰黑色微晶－隐晶玄武岩，柱状节理极发育，柱体截面直径20 cm左右，岩层产状35°～40°∠15°～20°。

在PD37平洞内布置3个试验孔，试验孔断面距洞口(岸坡)30 m左右。其中，ZK121试验孔为垂直孔，最大试验深度为53.15 m;PD37－2孔为水平孔，向上游垂直于平洞轴线方向，最试验大深度为49.30 m;PD37－3孔为水平孔，向下游垂直于平洞轴线方向，最大试验深度为27.85 m。

4 试验成果

左岸PD143平洞对照试验岩层为二叠系上统峨嵋山组第三段(P2β3)隐晶玄武岩－含杏仁隐晶玄武岩。现场刚性钻孔弹模变形试验孔的试验成果见表1，现场大型刚性承压板变形试验成果表2。

表1 PD143平洞玄武岩变形刚性钻孔弹模试验结果Table 1 Results of deformation tests on basalt in adit PD143

左岸ZK413钻孔及PD36平洞试验断面柱状节理玄武岩钻孔弹模变形试验孔的试验成果见表3。

右岸PD37平洞试验断面柱状节理玄武岩钻孔弹模变形试验孔的试验成果见表4。

4.1 PD143平洞对照组试验成果及分析

4.1.1 PD143－1孔试验成果及F14断层对试验成果的影响

PD143－1铅直孔岩体变形模量在2.16～13.07 GPa之间，平均值为9.62 GPa，岩体弹性模量在3.83 ～22.69 GPa之间，平均值为16.34 GPa。

F14断层为高倾角断层，其倾角大约为85°。F14断层越接近钻孔，其岩体的模量值越低，从PD143－1孔岩体模量值与深度的关系图(图3)上可以明显地看到这种趋势。由于受F14的影响PD143－1铅直孔的模量值总体上比PD143－4孔的模量值低。

表2 PD143平洞玄武岩变形刚性承压板试验结果Table 2 Results of deformation tests on basalt in adit PD143 by rigid plate test

表3 ZK413孔、PD36平洞柱状节理玄武岩变形试验结果Table 3 Results of deformation tests on columnar jointed basalt in borehole ZK143 and adit PD36

表4 PD37平洞柱状节理玄武岩变形试验结果Table 4 Results of deformation tests on columnar jointed basalt in adit PD37

图3 PD143－1孔岩体模量值与孔深的关系图Fig.3 Relationship between rock modulus and depth of borehole PD143－1

4.1.2 PD143－3孔试验成果及 F14断层、平洞对试验成果的影响

PD143－3孔垂直加压岩体变形模量在4.04～19.28 GPa之间，平均值为9.62 GPa，岩体弹性模量在4.43 ～ 28.23 GPa之间，平均值为13.24 GPa。水平加压岩体变形模量在1.85～19.76 GPa之间，平均值为9.66 GPa，岩体弹性模量在4.58 ～32.68 GPa之间，平均值为15.00 GPa。

F14断层及PD143平洞对PD143－3水平孔的岩体模量值影响较大，这是由于勘探平洞的开挖卸荷及F14断层的卸荷双重作用，PD143－3水平测试孔岩体受到了破坏，0～6 m岩体的模量值明显偏小。孔深6 m以后的岩体模量值有一个明显的上升过程(见图4)，这表明岩体的模量越接近断层及平洞卸荷区受影响越大。

图4 PD143－3孔岩体模量值与孔深的关系图Fig.4 Relationship between rock modulus and depth of borehole PD143－3

4.1.3 PD143 －4 孔试验成果

PD143－4水平孔垂直加压岩体变形模量在8.03 ～19.59 GPa之间，平均值为14.73 GPa，岩体弹性模量 在12.53 ～29.83 GPa之 间，平 均 值 为22.95 GPa。水平加压变岩体形模量在8.10 ～22.29 GPa之间，平均值为14.54 GPa，岩体弹性模量在11.24 ～35.18 GPa之间，平均值为23.41 GPa，岩体水平向的变形模量和弹性模量平均值与垂直向变形模量及弹性模量平均值比值分别为:0.99，1.02，表明含杏仁状玄武岩整体上无各向异性。PD143－4孔岩体模量值与深度的关系见图5。

图5 PD143－4孔岩体模量值与孔深的关系图Fig.5 Relationship between rock modulus and depth of borehole PD143－4

从图5 上可以看到0.5，16.15，18.10 m测点的岩体模量值明显小于其它试验点，这是由于0.5 m测点所在部位处于平洞开挖卸荷松弛区内、而16.15，18.10 m试验点通过钻孔电视发现有明显的节理、裂隙。

4.1.4 PD143平洞刚性承压板变形试验与钻孔弹模试验结果的比较

PD143平洞刚性承压板现场试验结果见表2，3个水平向测点岩体变形模量和弹性模量值平均值分别为15.28，26.41 GPa，3 个垂直向测点岩体变形模量和弹性模量值平均值分别为15.33，24.59 GPa。

由于受F14断层、平洞开挖卸荷等因素影响，PD143－1、PD143－3孔钻孔弹模试验的岩体模量值明显偏小，钻孔弹模测试结果与平洞内大型刚性承压板试验结果比较时，不采用 PD143－1，PD143－3孔岩体模量值试验成果，仅采用PD143－4孔岩体模量值试验成果。

根据表1，PD143－4孔试验孔16个测点岩体水平向变形模量和弹性模量值平均值分别为14.54，23.41 GPa，岩体垂直向变形模量和弹性模量值平均值分别为14.73，22.95 GPa。0.50，16.15，18.10 m孔深处3个试验点的模量值明显偏小，若将这3个试验点不统计，岩体水平向变形模量和弹性模量平均值分别为15.79，24.77 GPa;垂直向变形模量和弹性模量15.90，25.84 GPa。

PD143－4孔16个测点岩体水平向、垂直向变形模量和弹性模量平均值与平洞内刚性承压板变形试验获得的水平向、垂直向变形模量和弹性模量平均值的比值分别为0.951，0.886，0.961，0.933;如果去掉PD143－4孔3个偏小值后，13个钻孔弹模试验点岩体水平向、垂直向变形模量和弹性模量平均值与平洞内刚性承压板变形试验获得的水平向变形模量和弹性模量平均值的比值分别为1.041，0.978;垂直向变形模量和弹性模量平均值的比值分别为1.030，1.007。

对照试验成果表明，钻孔弹模试验成果与刚性承压板变形试验成果具有良好的一致性，表明了钻孔弹模试验结果是可靠的。

4.2 左岸ZK413孔试验成果及分析

ZK413 孔变形模量在4.85 ～17.15 GPa之间，平均值为11.30 GPa，弹性模量在6.53 ～ 29.76 GPa之间，平均值为18.68 GPa(见表3)，沿孔深的分布情况见图6。

图6 ZK413孔岩体模量值与孔深的关系图Fig.6 Relationship between rock modulus and depth of borehole ZK413

在34个测点中变形模量值小于10GPa测点数为9点，其它测点的变形模量值均大于10 GPa。

根据ZK413孔的钻孔数字电视揭露的试验部位的岩性来看，岩体的变形模量及弹性模量值的大小与岩体结构本身有直接关系，例如:孔深45.65，82.70，84.65 m测点处岩体有破碎带，裂隙密集程度及柱状玄武岩块状的大小直接影响岩体的变形模量及弹性模量值。

4.3 左岸PD36平洞试验成果及分析

PD36平洞试验断面试验成果见表3，根据表3 PD36平洞试验断面钻孔弹模试验水平向岩体的变形模量及弹性模量平均值为11.05，17.66 GPa;垂直向岩体变形模量及弹性模量平均值为8.21，14.37 GPa。水平向的变形模量和弹性模量平均值与垂直向变形模量及弹性模量平均值比值为1.35，1.23。

分析结果表明:PD36平洞试验断面柱状节理玄武岩存在各向异性，其水平向变形模量及弹性模量值比垂直向变形模量及弹性模量值大。

4.4 右岸PD37平洞试验成果及分析

PD37平洞试验断面试验成果见表4，根据表4 PD37平洞试验断面钻孔弹模试验水平向岩体的变形模量及弹性模量平均值为13.415，20.50 GPa;垂直向变形模量及弹性模量平均值为11.95，19.05 GPa。水平向的变形模量和弹性模量平均值与垂直向变形模量及弹性模量平均值比值分别为1.12，1.08。

以上分析表明:PD37平洞试验断面岩层存在各向异性，其水平向变形模量及弹性模量平均值比垂直向变形模量及弹性模量平均值大。

4.5 左、右岸柱状节理玄武岩试验成果的比较及分析

左岸PD36平洞试验断面钻孔弹模试验水平向岩体的变形模量及弹性模量平均值为11.05，17.66 GPa;垂直向岩体变形模量及弹性模量平均值为8.21，14.37 GPa。

右岸PD37平洞试验断面钻孔弹模试验水平向岩体的变形模量及弹性模量平均值为13.415，20.50 GPa;垂直向变形模量及弹性模量平均值为11.95，19.05 GPa。

左、右岸柱状节理玄武岩水平向岩体的变形模量及弹性模量的比值分别为0.82，0.86;垂直向岩体的变形模量及弹性模量的比值分别为0.69，0.75。

表明右岸柱状节理玄武岩质量整体性比左岸柱状节理玄武岩质量整体性好。

左、右岸岩体水平向的变形模量和弹性模量平均值与垂直向变形模量及弹性模量平均值比值分别为:1.35，1.23和1.12，1.08。左岸的比值明显比右岸的值大，这表明左岸柱状节理玄武岩各向异性比右岸柱状节理玄武岩各向异性明显。

4.6 地应力对岩体变形模量试验结果的影响

根据文献［1］在坝址区两岸采用水压致裂法和应力解除法进行了地应力测量，左岸第一主应力平均值为15.6 MPa，右岸第一主应力平均值为21.8 MPa，方向均为NEE为主，倾角近水平。左右岸第一主应力的比值为0.716。

左岸PD36平洞和右岸PD37平洞水平孔水平向的变形模量加载方向接近地应力第一主应力的方向，为排除爆破等因素的影响，对水平向钻孔深度超过4m的测点的变形模量值进行统计，左岸PD36平洞满足条件水平向变形模量值有14个测点，平均值为8.02 GPa，右岸PD37平洞满足条件水平向变形模量值有15个测点，平均值为11.23 GPa，左右岸变形模量的比值为0.714。

左右岸第一主应力的比值及左右岸岩体的水平向变形模量的比值较为接近，这表明了地应力的大小，对白鹤滩电站柱状节理玄武岩变形模量量值大小有直接的影响。

4.7 岩体卸荷对岩体变形模量试验结果的影响

ZK413试验孔布置在左岸岸坡，PD36－1试验孔布置在左岸距岸坡约50m，ZK121试验孔布置在右岸距岸坡约30 m。3个铅直试验孔的所处位置均处在岸坡卸荷带内。为了真实反映柱状节理玄武岩的变形模量值，剔除因层间错动带等地质因素的影响明显偏小的变形模量值，对3个钻孔的变形模量值进行统计，各试验钻孔变形模量值的统计个数分别为27，21，24个，变形模量值的平均值分别为12.45，16.40，15.91 GPa。岩体变形模量值随距岸坡距离的增加，其变形模量值是增加的。

5 结论

根据白鹤滩水电站钻孔弹模试验成果的分析，可以得出以下结论:

(1)PD143平洞对照组试验结果表明，钻孔弹模的试验结果与现场刚性承压板试验结果具有较好的一致性，钻孔弹模试验结果是可靠的;

(2)白鹤滩水电站坝址区柱状节理玄武岩水平向变形模量明显大于铅直向变形模量，表现出变形性能明显的各向异性。

(3)两岸柱状节理玄武岩的变形模量除了受地质因素影响外，还受地应力因素的影响。

(4)柱状节理玄武岩的变形模量值也受岸坡卸荷的影响，距岸坡越近的测试孔，其变形模量值越小，反之越大。

(5)左岸PD36，ZK143弱下柱状节理玄武岩水平向加载变形模量和弹性模量平均值为11.16，18.07 GPa;铅直向加载变形模量和弹性模量平均值8.21，14.37 GPa。弱下柱状节理玄武岩水平向变形模量值和弹性模量值与垂直向变形模量值和弹性模量值的比值分别1.36，1.26，岩体有各向异性，水平向模量值大于垂直向模量值。

(6)右岸PD37弱下岩体水平加载变形模量和弹性模量平均值为13.41，20.50 GPa，铅直加载变形模量和弹性模量平均值11.95，19.05 GPa。弱下岩体水平向变形模量值和弹性模量值与垂直向变形模量值和弹性模量值的比值分别为1.12，1.08，岩体有各向异性，但不明显，水平向模量值略大于垂直向模量值。

［1］石安池，唐鸣发，周其健.金沙江白鹤滩水电站柱状节理玄武岩岩体变形特性研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(10):2079 － 2086.(SHI An-chi，TANG Ming-fa，ZHOU Qi-jian.Research of Deformation Characteristics of Columnar Jointed Basalt at Baihetan Hydropower Station on Jinsha River［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(10):2079 －2086.(in Chinese))

［2］徐松年.玄武岩双层柱状节理的形态特征及其形成机制的探讨［J］.地质论评，1980，26(6):510 －515.(XU Song-nian.Discussion on the Morphological Characteristics and Formation Mechanism of Two-Layer Columnar Joint［J］.Geological Review，1980，26(6):510 － 515.(in Chinese))

［3］徐松年.玄武岩柱状节理构造研究的进展与动向［J］.地质科技情报，1986，5(3):16 －23.(XU Song-nian.Study and Development Trend of Columnar Basalt Joint Structure［J］.Geological Science and Technology Information，1986，5(3):16 －23.(in Chinese))

［4］徐松年.火山岩柱状节理构造研究［M］.杭州:杭州大学出版社，1995.(XU Song-nian.Study on the Columnar Joint Structure of Volcanic Rocks［M］.Hangzhou:Hangzhou University Press，1995.(in Chinese))

［5］李光煜，周百海.测定岩体变形特性的BJ-110钻孔弹模计［J］.岩土工程学报，1991，13(4):12 －23.(LI Guang-yu，ZHOU Bai-hai.BJ-100 Borehole Jack in Deformation Character Measurement of Rock Mass［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1991，13(4):12 －23.(in Chinese))

［6］罗超文，龚壁新.钻孔弹模计及在灌浆效果检测中的应用［G］.工程岩石力学，武汉:武汉工业大学出版社，1998，118 －121.(LUO Chao-wen，GONG Bi-xin .Application of Borehole Jack in Detection of Consolidation Grouting Effects［G］.Engineering Rock Mechanics.Wuhan:Wuhan Industrial University Press，1998，118-121.(in Chinese))

［7］GOODMAN R E，VAN T K，HEUZE F E.The Measurement of Rock Deformability in Borehole［C］∥Proceedings of the 10th U.S.Symposium on Rock Mechanics(USRMS).Austin，Texas:American Rock Mechanics Association，May 20－22，1968.

［8］HEUZE F E，SALEM A.Plate Bearing and Borehole Jack Tests in Tock-A Finite Element Analysis［C］∥Proceedings of the 17th U.S.Symposium on Rock Mechanics(USRMS).Snowbird，Utah:American Rock Mechanics Association，August 25-27，1976.

［9］HUSTRULID W A.An Analysis of the Goodman Jack［C］∥Proceedings of the 17th U.S.Symposium on Rock Mechanics(USRMS).Snowbird，Utah:American Rock Mechanics Association，August 25－27，1976.

［10］HEYER T，MCVEY J.NX Borehole Jack Modulus Determinations in Homogeneous，Isotropic，Elastic，Materials［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences＆ Geomechanics Abstracts，1974，11(10):199－199.

［11］HEUZE F E，AMADEI B.The NX Borehole Jack:A Lesson in Trial and Errors［J］.International Journal of Rock Mechanics，Mining Science and Geomechanics Abstracts，1985，22(2):105 －112.

［12］HEUZE F E.Suggested Method for Estimating the In-Situ Modulus of Deformation of Rock Using the NX-Borehole Jack［J］.Geotechnical Testing Journal，1984，7(4):205－210.

［13］Suggested Method for Deformability Determination Using a Stiff Dilatometer［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences ＆ Geomechanics Abstracts，1996，33(4):735－741.

［14］LI Guang-yu，ZHOU Bo-hai，ZHU Zuo-duo.A Modified Borehole Jack［C］∥Proceedings of the 3rd International Symposium on Field Measurements in Geomechanics.Oslo:1991，9－11.