断层带岩体变形模量对坝基稳定性影响

周洪福，王春山，聂德新

1.中国地质调查局成都地质调查中心，成都 6100812.成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059

断层带岩体变形模量对坝基稳定性影响

周洪福1，王春山1，聂德新2

1.中国地质调查局成都地质调查中心，成都 610081
2.成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059

变形模量是表征断层带岩体力学性能的一个重要参数，而断层带岩体变形模量与其所处的环境有密切关系。以理论分析和现场试验为基础，以三维数值分析技术为主要研究手段，结合大型水电工程实例，对断层带岩体变形模量对坝基整体稳定性影响进行了分析研究。研究结果表明：大坝建成水库蓄水以后，在未受到库水渗透影响的前提条件下，位于坝基部位的断层带岩体变形模量会有一定程度的增大。断层带变形模量从0.6GPa一直增加到4.0GPa，使得断层带岩体所在坝段关键点水平位移降低0.544～0.846mm、垂直位移降低1.190～2.232mm、最大拉应力降低0.06MPa，有利于提高大坝的整体稳定性。

工程地质；断层带岩体；变形模量；坝基稳定性；三维有限元方法

0 前言

工程岩体是一种复杂的力学介质，除岩性、结构、构造等内在因素外，其力学性质还与其赋存环境密切相关。大量研究表明：处于在常温、常压条件下的地壳浅表部岩体，其力学参数随围压的升高而增大［1－2］；而对于较深部位的岩体，因“三高”（高地温、高地应力、高孔隙水压）影响，其力学性质和破坏方式与常温、常压条件下有较大的不同［3－5］。

因受构造影响，中国西南环青藏高原东缘地区各类断裂十分发育，大型水电工程常遇到规模不等的断层带岩体。断层带岩体在天然状态下所受的应力主要是构造应力和上覆岩体的自重应力，当其位于坝基位置并且大坝建成蓄水以后，应力状态较天然条件下发生了很大变化，在坝体自重应力和库水压力的影响下，坝基断层带岩体的应力均有不同程度的增加。随着应力（围压）的增大，坝基断层带岩体力学性能将相应改善，这可从张咸恭和聂德新［6－9］等提出的断层带岩体“围压效应”得到证实：处于一定围压下的断层带岩体，其力学性能与围压的大小有密切的关系，力学参数随围压的升高而增大。

综上所述，水库蓄水后，因围压增大，位于坝基的断层带岩体的变形模量也会相应有所增加，但断层带岩体应力（围压）与变形模量之间的具体关系如何，围压升高是否必然导致变形模量增大，变形模量增大对水电工程大坝应力、位移以及整体稳定性有何影响——均是值得关注并深入研究的课题。为此，笔者通过理论分析和现场试验，分析断层带岩体围压与变形模量的相关关系，并用三维数值计算，分析变形模量对坝基稳定性影响，以期对其他类似工程提供参考和借鉴。

1 岩体变形模量与应力的现场试验

1.1 岩体模量与波速的关系

由经典工程地质理论可知，破碎岩体（特别是断层带岩体）中发育众多结构面，当弹性波在破碎岩体中传播时，其动力参数（速度、振幅、频率）极易受结构面的影响。因此，可以借助弹性波波速的变化来了解破碎岩体的某些特性，如弹性模量、强度参数等。其基本理论基于弹性体波动微分方程［10］：

式中：E为岩体动弹性模量；γ为岩体密度；vP为岩体纵波速度；μ为岩体泊松比。

由此可见，岩体的波速与模量呈正相关关系。

1.2 波速与围压的关系

为研究岩体波速与围压间的关系，采用现场试验予以论证和分析。

1.2.1 试验点概况

试验地点位于怒江某水电工程，水电站坝型为混凝土重力坝，坝高85m，正常蓄水位高程732m，库容量0.393×109m3，装机1.1GW［11－12］。坝址区右岸为石炭系玄武岩，左岸为三叠系白云岩。受外围怒江断裂的影响，坝址区断层较发育，共有4组优势断层：①330°∠75°；②39°∠53°；③275°∠54°；④138°∠79°。其中规模最大的一条为顺河断层（走向NE20°）并从坝基穿过。坝址附近最大主应力方向接近正东向，最大主应力σ1＝6.0MPa，基本垂直于坝址区最大断层，从而使断层带处于较高的围压状态；最小主应力σ3＝4.3MPa；最大剪应力τmax＝0.70MPa。

由于力学性能极差，在断层带岩体上凿出的声波测试孔在压力作用下将会坍塌，导致无法进行波速测试，因此选取与断层带岩体接近的碎裂岩体进行波速与应力关系现场试验。所选试验点的岩性为玄武岩，岩体中裂隙发育，裂隙间距小于10cm，属碎裂结构岩体（图1）。

1.2.2 试验方法与步骤

试验采用应力－波速同向测试法，具体试验方法如下：首先将实验点处地表岩体凿平，起伏差小于5 mm；然后在试验点中心位置采用风钻凿出深1m左右的孔并插入精轧螺纹钢，在孔底部采用特殊装置固定钢筋提供反力；将直径40cm的承压板套入钢筋，在承压板上放置千斤顶并连接上油泵；同时在承压板周边对称凿出孔深1m左右的4个孔用于声波速度测试。实验时，油泵以3～5MPa为一级进行加压，每加1级压力后测试4个孔内的岩体波速；每个孔内间隔20cm进行1次声波测试，1个孔可以测得5个波速值，4个孔一共可以测得20个值，其平均值作为该级压力下岩体波速值。

1.2.3 试验结果及分析

图1 试验点照片Fig.1 Site of field tests

试验结果（图2）表明：当压力（围压）较低时，碎裂结构岩体的波速随压力增大而变化不明显，这是因为此时岩体中的裂隙随围压增大而逐渐闭合；而当围压增大到一定程度后（1号试验点压力为20 MPa以上，2号试验点压力为10MPa以上，此时承压板上压力，也就是作用于断层带岩体的围压大于1MPa），裂隙已基本闭合，岩体波速随围压的增加而显著增大（注：此处的压力是指试验用油泵的液压表读数，此读数与岩体承受围压呈正相关关系）。

图2 波速与压力的关系Fig.2 Relationship between wave velocity and stress

1.3 模量与围压的关系

上述实验结果证明了碎裂结构岩体波速与围压之间存在着正相关关系，而且岩体波速与变形模量之间存在理论上的正相关关系；因此，碎裂结构岩体的变形模量与围压必然呈正相关关系，也即碎裂结构岩体（特别是断层带岩体）所受围压越大，变形模量也相应越高。据此，水电大坝建成以及水库蓄水后，在坝体自重和库水压力的作用下，坝基断层带岩体的围压增大，其变形模量也会相应增大。

2 断层带岩体模量对稳定性的影响

断层带岩体变形模量增大以后对坝基和坝体位移、应力以及整体稳定性的影响，笔者用三维数值方法予以分析论证。

2.1 计算模型及参数

根据坝址区最大断层带岩体的空间展布特征（穿过坝基的顺河向断层）以及大坝设计资料（重力坝），断层带岩体主要位于11坝段，建立三维数值分析模型（图3），计算模型顺河流方向长400m，垂直河流方向宽123m。为了消除边界效应，断层带岩体和大坝位于模型中间。

计算模型共有9种材料，各种材料计算参数见表1。

图3 三维数值分析模型Fig.3 Three-dimensional FEM model

表1 数值分析计算参数Table 1 Physico-mechanical parameters of rock mass

考虑到水电站建成运营以后泥沙的淤积作用，计算模型中施加在大坝的外界作用力有库水压力、泥沙淤积压力以及坝底扬压力。计算模型前后两侧和左右两侧为法向约束，底面为三向约束。

2.2 计算方法与变形模量设置

坝址一带最大主应力近正东向，而顺河向发育的最大断层带走向基本呈南北向，最大主应力垂直于断层带，这使得断层带处于相对较高的围压状态，并且大坝建成水库蓄水以后作用于断层带岩体的围压将会进一步增加，断层带岩体变形模量也会相应增大。为了分析断层带岩体变形模量增大对坝体和坝基整体稳定性的影响，将三维模型中断层带岩体变形模量从0.6GPa一直增大到4.0GPa，分别计算断层带岩体变形模量在0.6、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0GPa共8种情况下、11坝段关键点（坝顶、坝趾、坝踵）处的水平位移、垂直位移以及坝体最大主拉应力变化情况，以反映变形模量对坝基和坝体稳定性的作用和影响。

2.3 计算结果与分析

计算结果见表2，根据表2的计算结果作图得到图4、图5。从图表中的计算结果可以得到以下几点认识。

2.3.1 坝基及坝体变形

从11坝段各关键点位移可以看出，随着断层带岩体变形模量增加，无论水平位移，还是垂直位移均随之降低（表2、图4）。

表2 断层带岩体不同变形模量条件下11坝段关键点位移与应力Table 2 Displacement and stress at some key points of the 11th segment of the dam with different modulus of fault rock mass

图4 断层带变形模量与11坝段不同部位位移关系曲线Fig.4 Relation curve of fault deformation modulus and displacement in dam 11

断层带岩体变形模量从0.6GPa增加到4.0 GPa，11坝段水平位移的降低程度相对垂直位移的降低程度低一些：坝顶的水平位移一共降低了0.544 mm，垂直位移则降低了1.190mm；坝趾的水平位移降低了0.729mm，垂直位移降低了1.981mm；坝踵的水平位移降低了0.846mm，而垂直位移则降低了2.232mm。

图5 断层带变形模量与最大主拉应力关系曲线Fig.5 Alteration of maximal tensile stress in dam with deformation modulus of fault rock mass

提高断层带岩体变形模量，相对坝顶和坝趾而言，坝踵处位移量的降低程度最大。

2.3.2 应力分布

随着断层带变形模量从0.6GPa增加到4.0 GPa，坝体最大主拉应力也随之降低，从0.380MPa降低为0.324MPa。从图5中可知：当断层带岩体变形模量从0.6GPa增加到1.0GPa时，最大主拉应力从0.380MPa降低到0.350MPa，降低程度相对是最大的；当断层带岩体变形模量从1.0GPa增加到2.0GPa时，最大主拉应力基本没有变化；当断层带岩体变形模量从2.0GPa增加到4.0GPa时，最大主拉应力又开始降低。

综上所述，大坝建成及水库蓄水后，在未受到库水渗透影响的条件下，断层带岩体因围压增加，其变形模量有一定程度的增大，这使得断层带岩体所在的11坝段关键点水平位移和垂直位移均有所降低；特别是将较大幅度地降低坝踵处的垂直位移，并且坝踵处的拉应力也相应降低，这对提高大坝的整体稳定性有利。

3 结论

1）理论分析和现场试验研究成果表明，地壳浅表部断层带岩体的变形模量与围压呈正相关关系，变形模量随围压增高而相应地增大。

2）水电工程大坝建成且水库蓄水后，在大坝自重和库水压力作用下，位于坝基部位的断层带岩体所受围压有所增大，在未受到库水渗透影响的条件下，其变形模量有所增大，有利于坝基和坝体的整体稳定性。

3）数值计算结果表明，坝基断层带岩体变形模量的增大将不同程度地降低坝体位移，特别是坝踵处的垂直位移，并且坝踵处拉应力也相应降低。

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Influence of Deformation Modulus of Fault Rock Masses on Dam Foundation Stability

Zhou Hongfu1，Wang Chunshan1，Nie Dexin2

1.ChengduCenter，ChinaGeologicalSurvey，Chengdu610081，China
2.CollegeofEnvironmentandCivilEngineering，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China

The deformation modulus of fault rock mass is an important parameter to denote its mechanical characteristic，and it is obviously related to the environment.A large scale hydropower project was taken as an example to analyze the influence of deformation modulus of fault rock masses on dam base stability based on site test and theory and 3D-numerical analysis.Result indicates that if the deformation modulus of fault rock mass increases from 0.6Gpa to 4.0GPa，the horizontal displacement at key point in the dam will decrease 0.544-0.846mm，the vertical displacement at key point in the dam will decrease 1.190-2.232mm and the maximal tensile stress at key point in the dam will decrease 0.06 MPa because of the increase in the deformation modulus of fault rock mass after impoundment of hydropower station and without influence of water infiltration，which is advantageous to stability of dam base.

engineering geology；rock mass of fault zone；deformation modulus；stability of dam base；three-dimensional FEM

10.13278/j.cnki.jjuese.201404202

P642.2

A

周洪福，王春山，聂德新.断层带岩体变形模量对坝基稳定性影响.吉林大学学报：地球科学版，2014，44（4）：1254-1259.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404202.

Zhou Hongfu，Wang Chunshan，Nie Dexin.Influence of Deformation Modulus of Fault Rock Masses on Dam Foundation Stability.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1254-1259.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404202.

2013-11-23

国家自然科学基金项目（40372127）

周洪福（1980—，男，高级工程师，博士，主要从事工程岩土体稳定性和地质灾害调查等方面的研究工作，E-mail：zhf800726＠163.com。