浅析水利工程岩体变形试验

陈霓

（贵州省水利水电勘测设计研究院　贵州　贵阳　550001）

浅析水利工程岩体变形试验

陈霓

（贵州省水利水电勘测设计研究院贵州贵阳550001）

工程岩体如果变形过大就会导致上面的建筑物失稳危及安全，因此工程勘察期间必须获得可靠的变形参数，才能据此在施工时采取适当措施防止其对工程的影响，保证建筑物的安全。本文结合具体工程实例，重点就水利工程岩体变形试验进行了分析。

水利工程；岩体变形；试验分析

引言

拟建三岔河水库坝址位于贵州省开阳县龙岗镇格林村，水库所在三岔河为鱼梁河一支流，鱼梁河经清水河汇入乌江，地理位置东经107°00′～107°03′，北纬26°56′～27°00′。三岔河发源于龙岗镇二村羊比组，主河道全长14.3km。

1　工程概况

三岔河水库总库容1106.5万m3，正常蓄水位约1061m，拟建坝高约75.0m，水库规模为中型，主要建筑物有大坝、输水管线、提水泵站等，工程具有供水、灌溉等功能。坝址通有乡村公路，库区两侧有简易乡村路，坝址距龙岗镇7.0km，距贵阳86km。

2　地质背景

2.1地形地貌

坝址区河道较平直，河流流向近N，河床高程1005～1006m，平水期河水面宽5～11m，水深0.3～0.7m，河谷断面呈对称的“V”型河谷，左岸地形坡度46～55°；右岸地形坡度34～43°，正常高水位1061.0m时，河谷宽约134m，宽高比1.95。两岸山头高程1043～1083m。

2.2地层岩性

（1）第四系冲洪积物（Qal+pl）。第四系冲洪积物分布于河床，主要为砂卵砾石，粒径一般3～12cm，厚度1.5～5.4m。

（2）寒武系中上统娄山关群∈2-3ls2。坝址出露基岩地层为寒武系中上统娄山关群∈2-3ls2浅灰色、灰色中厚层细至中粒白云岩，厚>93m。

2.3地质构造及结构面

坝址位于长麻窝断层F3的SW盘（相距260m），由于坝址受断层的影响较小，坝址处岩层产状较稳定，总体为单斜构造，岩层倾上游，产状160～165°∠20～26°，河谷为横向谷。坝址地层为单斜构造，无较大型断层、褶皱等构造发育；据地表地质测绘及裂隙统计，主要发育三组裂隙，夹层：坝基出露地层主要为白云岩，岩体强风化带沿层面及裂隙面间局部夹泥。两岸平硐揭露主要有三层层间夹层，主要为次生夹泥，夹泥厚度1～5cm，进入弱风化带岩体夹层主要为灰白色白云岩。层面起伏，起伏差约为5～15cm，层面的起伏差大于夹层的厚度。

2.4物理地质现象

表1　混凝土-岩接触面和岩体抗剪断强度对比

覆盖层：坝址河床冲洪积砂卵砾石，层厚1.5～5.4m，两岸岸坡大部分为基岩裸露，在部分地形较缓地带有残坡积粘土夹碎石，堆积厚度不大。岩体风化：坝址分布地层主要为寒武系中上统娄山关群∈2-3ls2），岩性为浅灰色、灰色中厚层细至中粒白云岩，岩体风化以裂隙性风化为主要特征。风化主要沿裂隙面扩展，强风化带裂隙张开夹泥，局部裂隙面两侧有铁质浸染呈紫红色，钻孔声波纵波速平均值为3286m/s，弱风化带裂隙一般闭合，钻孔声波纵波速平均值为3816m/s。

3　岩体力学参数验证

3.1试验方法

所有原位试验均采用传统方法按相关规范进行。试验最大压力和施力方向均依据设计资料，尽量满足试验部位实际工程应力状态。直剪试验均采用平推法，剪切面积2000～2500cm2，剪切方向水平向下游，试验前混凝土强度等级达到设计要求（C25）。岩体变形试验采用圆形刚性承压板静力法，承压面积2000cm2，分5级逐级一次循环加压。

3.2岩体抗剪强度参数

在右岸PD2和PD3平洞对两种岩体都分别进行了岩体本身直剪试验和混凝土-岩接触面直剪试验，且试验位置基本一致。两种试验结果具有可比性，见表1。岩体直剪试验表明，微风化薄层灰岩抗剪强度参数高于钙质泥岩抗剪强度参数。灰岩摩擦系数较大，黏聚力很小，这主要是因为试验时大部分沿薄层层面破坏，破坏面平整光滑起伏差较小。

同类岩体抗剪强度与混凝土-岩体接触面抗剪断强度相比较，灰岩摩擦系数f′=1.16与混凝土-灰岩体接触面摩擦系数f′= 1.13大致相当，后者略低。但是二者的黏聚力相差较大，岩体本身c′=0.48MPa，混凝土-灰岩体接触面c′=0.81MPa，这主要是由于混凝土-灰岩接触面直剪试验时基本沿二者接触面破坏，且浇筑混凝土前接触面人造起伏差5～10mm，而灰岩岩体本身直剪试验沿薄层之间的层面破坏，层面较之于混凝土/灰岩接触面属弱面，导致其黏聚力降低。而对于抗剪强度，因进行抗剪试验前岩体已经剪断，产生了起伏差，所以二者抗剪强度差异明显减小。从剪切破坏机理分析，对于薄层灰岩，由于开挖和制样导致表面薄层岩体受扰动，松弛卸荷，强度低于混凝土强度；对于全-强风化的钙质泥岩夹泥质白云岩，抗压强度远低于混凝土强度，因此两组混凝土与岩体接触面抗剪强度主要受岩体强度控制。薄层灰岩强度高于钙质泥岩，导致前者抗剪强度明显高于后者抗剪强度。

3.3岩体变形参数

岩体变形试验成果表明，E1组位于PD1平洞，铅直加载方向岩体变形模量3.55～9.28GPa，均值6.37GPa；E1组水平加载方向岩体变形模量5.46～6.89GPa，均值6.18GPa。试验组数较少，导致试验结果离散性较大且各向异性不明显。E2组位于PD2平洞，岩体变形模量2.19～3.92GPa，均值3.13GPa。E3组位于PD3平洞，岩体变形模量0.06～0.15GPa，均值0.12GPa。E1，E2组同为薄层灰岩，但E2组岩体还含有一定数量的纵向裂隙，呈碎裂结构，岩性和风化程度相同的情况下，右岸薄层灰岩更破碎，完整性要差，所以E2组灰岩变形参数比E1组灰岩变形参数低。

3.4试验结果讨论

原位岩体力学试验结果表明，两种岩性岩体抗剪强度参数存在明显差异，微风化薄层灰岩抗剪强度参数高于全-强风化钙质泥岩抗剪强度参数。E1、E2组试验对象为微-弱风化的薄层灰岩，E3组试验对象为全-强风化的钙质泥岩夹泥质白云岩，两种不同岩性岩体变形模量相差很大（几十倍）。此外，根据探槽、平洞及钻孔勘察，左右两岸岩体的弱风化（较破碎）岩体的厚度差异较大，其中右岸的微风化（较完整）埋深大于左岸。

4　工程建议

由于岩层倾角平缓，薄层灰岩直剪试验显示试件多沿层面破坏，所以坝基存在沿层面发生浅层滑动的边界条件。建议设计计算时复核大坝沿层面浅层滑动和沿大坝与基岩接触面滑动的抗滑稳定性。两岸坝肩1/2坝高以下岩体为薄层-中厚层状灰岩，属中硬岩，岩体质量分级为Ⅲ级。而1/2坝高以上岩体为泥质灰岩、泥质白云岩及钙质泥岩互层，岩体质量分级为Ⅳ～Ⅴ级。尤其是上部钙质泥岩及泥质白云岩，属软岩或极软岩，岩体工程性能与其自身成岩较差，微裂隙极发育。上下部岩体变形模量差异最大达几十倍，对拱坝坝肩而言，属严重的地质缺陷。上部岩体即使通过固结灌浆也难以满足坝肩的应变要求。建议一方面在两坝肩设置大型重力墩，墩基置于下伏灰岩之上，弥补地形地质不足，承担拱端推力，将其传到后面山体。另一方面以弱风化中下部或微、新岩体作为坝基持力层，尽量增强下部坝体的整体刚度、扩大软弱岩体段的基础宽度，在加强基础刚度的同时合理减小上部坝体的结构刚度，避免坝体变形对大坝的不利影响。

由于两岸坝基岩体地质不对称性，建议对大坝体型进行适当的调整，确保两岸应力对称。坝基浅层岩体裂隙相对较发育、完整性较差，建议进行固结灌浆处理。

5　结束语

综上所述，岩石的变形特性虽然很复杂，但在实际工程中，建筑物作用于岩石的应力远低于单轴极限抗压强度，岩石所处变形多为弹性变形状态，因此可在一定程度上将岩石看作准弹性体，用弹性模量来表示其变形特征，一般只需测定抗压强度50%处的弹性模量和泊松比就可以了。另外在弹性极限压力之内单轴压缩变形和三轴压缩变形试验结果参数值基本接近，而单轴压缩试验更简单易行，故一般采用单轴压缩试验来测定岩石的变形指标。

[1]边智华，张利洁.软岩基本质量评价及强度特性试验方法研究[J].长江科学院院报，2008，25（5）：37～42.

[2]《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-2013）[S].

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2015-7-21