固结灌浆后岩体变形模量的确定方法——以高摩赞大坝枢纽工程为例

陈书文，许仙娥

(中水北方勘测设计研究有限责任公司勘察院，天津 300222)

1 研究背景

变形模量是岩体力学重要的参数之一，大型工程往往需要准确测试岩体的变形模量，为工程设计验算坝基稳定性提供依据。由于岩体是具有各向异性的非连续结构，所处的地形地质环境不同，物理力学性质差别较大，尤其是岩体的变形模量，受结构面发育程度的影响更大，建设工程往往采取固结灌浆的方法，来改善岩体的完整性和均匀性，从而提高岩体变形模量。

目前，岩体变形模量取值一般通过以下途径:①原位试验［1］;②经验关系方法，如 RMR，Q［2－3］等;③通过地球物理方法计算(通常是纵波速度测试);④依据规范［4］取值。经过固结灌浆后的岩体变形模量，采用原位试验虽然可靠准确，但试验周期长、费用昂贵，且灌浆后的岩体均位于建筑物基础内，开挖大量的试验点既不经济也不实际，且由于岩体结构的差异及岩体变形试验的尺寸效应［5］，即使进行大规模的变形试验，也只能取得一些点上的资料，很难把握经固结灌浆后岩体各个部位的变形模量值。规范取值虽具有普遍指导意义，但当岩体变形模量为影响工程建设的重要参数时，特别是固结灌浆后的取值，尚不能满足设计复核要求。因此，需要结合影响变形模量的各项因素，在综合这些因素的基础上，寻找能够代表各因素基本特征，同时具备可实施又简便、快速的方法，作为固结灌浆后建基岩体变形特征的综合评价，并得出灌浆岩体的变形模量值。

2 高摩赞大坝枢纽工程概况

高摩赞大坝枢纽工程位于巴基斯坦南瓦兹里斯坦地区，坝址区主要建筑物包括133 m高碾压混凝土曲线型重力坝、发电引水系统和厂房等，大坝已于2011年建成蓄水。

坝址区岸坡陡立、河道狭窄，主要由侏罗系薄层灰岩夹砂质页岩组成，风化卸荷深度大、范围广，断层、裂隙、层间剪切带等构造发育，岩体破碎、岩体完整性差、模量低，天然状态下的岩体质量不能满足混凝土曲线重力坝的建设，其安全性取决于坝基岩体固结灌浆的质量。为检验固结灌浆效果，高摩赞工程采用了声波、地震波检测和现场试验多种手段。

3 现场变形试验

岩体现场变形试验方法有承压板法、狭缝法、单(双)轴压缩法、钻孔径向加压法、液压枕径向加压法及水压法，本实例采用了刚性承压板法和钻孔径向加压法中的钻孔千斤顶法，按弹性理论公式计算岩体变形参数。

刚性承压板法计算公式为

式中:E为变形模量(MPa);P为承压面单位面积上的压力(MPa);W为岩体表面变形(cm);D为承压板直径(cm);μ为岩体泊松比。

钻孔千斤顶法计算公式为

式中:k为与千斤顶相关的系数;p为试验压力与初始压力之差(MPa);d为钻孔直径(cm);Δd为钻孔岩体径向变形(cm)。

4 灌浆岩体变形模量估算

4.1 实测纵波速度估算

岩体的变形模量与岩体风化程度的变化有很好的相关性。国内外已有成果表明，纵波速度既可反映岩体的风化程度、完整性和应力状态，也可反映岩体的变性特征，与岩体变形模量具有较好相关关系［6］。

在对灌浆岩体进行现场变形试验的同时，利用声波和地震波测试，量测变形点的纵波速度，根据变形试验点试验值及对应的地震波纵波波速值(见表1)，通过统计分析建立二者之间的相关关系(见图1)。

表1 变形试验点地震波纵波速度与变形模量Table 1 Values of longitudinal velocity of seismic wave and deformation modulus at deformation test s pot

地震波纵波速度与灌浆岩体变形模量的相关关系式为

式中:Vps为地震波纵波速度(km/s);E0为灌浆岩体变形模量(GPa);r为相关系数。

声波纵波速度与地震波纵波速度采用实测数据建立相关关系，相关曲线如图2所示，其关系式为

式中Vpa为声波纵波速度(km/s)。

图1 地震波纵波速度与变形模量关系曲线Fig.1 Relation between longitudinal velocity of seismic wave and deformation modulus

图2 声波与地震波纵波速度关系曲线Fig.2 Relation between velocity of sound wave and longitudinal velocity of seismic wave

4.2 规范经验估算

根据规范［4］附录E和V的经验数据，得出回归声波纵波速度与变形模量的相关关系如图3所示，其拟合公式为

图3 声波纵波速度与变形模量相关曲线Fig.3 Relation between sound wave velocity and deformation modulus

5 灌浆岩体变形模量对比

高摩赞工程针对灌浆后的建基岩体进行了大量的检测工作，包括现场承压板法、钻孔千斤顶法变形试验和孔内声波、孔内声波对穿、试验洞地震波及试验洞间地震波对穿测试，获得了大量的实测数据，尤其是孔内声波测试数据。依据实测数据，采用前文所叙方法确定的固结灌浆后岩体变形模量如表2。

表2 各种方法确定的固结灌浆后建基岩体变形模量Table 2 Values of deformation modulus of dam foundation rock mass determined by different methods after consolidation grouting

本实例工程在固结灌浆后，进行了大量的钻孔千斤顶法变形试验和单孔声波测试，从表2对比看，依据单孔声波测试数据估算的变形模量与有限的现场大型变形试验成果更接近，也较符合本工程实例岩体质量的分布趋势;规范经验公式估算的变形模量也接近大型试验成果。而钻孔千斤顶法变形试验，尽管具有简便和易于实施等特点，但其受岩体完整程度、钻孔孔壁光滑度和试验设备的差异等影响较大，适宜性还值得商榷。

依据单孔声波测试数据估算成果，经综合分析，固结灌浆后坝基岩体变形模量地质建议值如表3，经设计复核可以满足大坝变形稳定要求，目前大坝运行和监测基本正常。

表3 固结灌浆后坝基岩体变形模量地质建议值Table 3 Proposed values of deformation modulus of dam foundation rock mass after consolidation grouting

通过比较分析可看出，采用纵波速度与变形模量的相关性，依靠单孔声波测试数据可以用来估算岩体的变形模量，其快速、简便，便于实施，更适合估算固结灌浆后建基岩体的变形模量。在有测试资料时，依据规范经验估算也可取得较好的效果。

6 结语

随着水电工程的发展，对于各种地质条件复杂，建基岩体质量较差的工程，尤其需要关注固结灌浆后岩体的变形模量。而影响岩体变形模量的因素较多，也较复杂，对于已完工的工程，如何快速、简便地确定灌浆岩体的变形模量尤为重要。笔者以高摩赞大坝枢纽工程为例，探讨确定固结灌浆后岩体变形模量的几种途径，采用纵波速度估算灌浆岩体变形模量，确定地质建议值，为工程设计复核提供依据，类似工程可以借鉴。

［1］SL264—2001，水利水电岩石试验规程［S］.(SL264—2001，Specifications for Rock Tests in Water Conservancy and Hydroelectric Engineering［S］.(in Chinese))

［2］CHUN B S，LEE Y J，SEO D D，et al.Correlation of Deformation Modulus by PMT with RMR and Rock Mass Condition［J］.Tunneling and Underground Space Technology，2006，(21):231－232.

［3］BARTON N，LOSET F，LIEN R，et al.Application of Q-system in Design Decisions Concerning Dimensions and Appropriate Support for Underground Installations［C］∥International Society for Rock Mechanics.Proceedings of the International Conference of Subsurface Space，Rockstore.Stockholm，Sweden.June 23－27，1980:553 －561.

［4］GB 50487—2008，水利水电工程地质勘察规范［S］.(GB 50487—2008，Code for Engineering Geological Investigation of Water Resources and Hydropower［S］.(in Chinese))

［5］张占荣，盛 谦，杨艳霜，等.基于现场试验的岩体变形模量尺寸效应研究［J］.岩土力学，2010，31(9):2875 －2881.(ZHANG Zhan-rong，SHENG Qian，YANG Yan-shuang，et al.Study of Size Effect of Rock Mass Deformation Modulus Based on In-situ Test［J］.Rock and Soil Mechanics，2010，31(9):2875 － 2881.(in Chinese))

［6］宋彦辉，巨广宏，孙 苗.岩体波速与坝基岩体变形模量关系［J］.岩土力学，2011，32(5):1507 －1512.(SONG Yan-hui，JU Guang-hong，SUN Miao.Relationship between Wave Velocity and Deformation Modulus of Rock Masses［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32(5):1507 －1512.(in Chinese))