楞古水电站坝基花岗伟晶岩脉力学参数研究

魏星灿，杨静熙，肖华波，王 刚

(中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

楞古水电站坝基花岗伟晶岩脉力学参数研究

魏星灿，杨静熙，肖华波，王 刚

(中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

坝基岩土体力学参数是水电工程大坝结构设计和稳定性计算的重要依据，楞古水电站坝基出露了大量花岗伟晶岩脉，因此，研究其力学参数具有重要的工程意义。通过圆形刚性承压板试验和平推直剪试验研究了岩脉的变形特征和强度特征，试验结果表明：岩脉承压板试验应力-变形关系曲线分为直线型(或准直线型)、上凹型2种，岩脉直剪试验τ-u关系曲线分为脆性、塑性和复合型3种。通过分析包络模量、割线模量的物理意义和水电工程的特点，以及最小二乘法、优定斜率法在强度试验数据统计分析中的代表性，确定了岩体力学参数标准值的取值原则。通过研究，最终提出了坝基花岗伟晶岩脉的力学参数。

伟晶岩脉；岩体力学参数；岩体变形；岩体强度; 楞古水电站

1 研究背景

在水电工程中，岩土体的物理力学参数选取一直是勘测设计工作中研究的重点和难点，对于基岩上建重力坝，需重点研究坝基岩体的变形模量、岩体抗剪(断)强度和混凝土与岩体接触面的抗剪(断)强度。

目前，岩体力学参数取值方法主要有：工程经验类比法、加权平均值法、位移反分析法、贝叶斯可靠估计法、敏感性综合分析法、最小二乘法、优定斜率法等[1]。水电工程中，坝基岩体力学参数常利用原位试验进行分析研究，但原位试验费用高、周期长、试验难度大，因此，利用少量原位试验研究岩体力学参数显得尤其重要。除了通过原位试验数据采用统计分析方法获取岩体力学参数外，刘春等[2]、寇雪莲[3]还总结出岩体分类法、数值模拟法和数学力学法。杨泽等[4]在计算岩体力学参数时，利用Hoek-Brown准则、 Georgi方法、费森科方法和室内试验相结合，采取折减处理法。汪亦显[5]利用岩石不同角度的剪切试验和三轴压缩试验，采用了随机-模糊回归分析法和最小二乘法进行参数研究。刘业科等[6]在运用Kalamaras法、Hoek-Brown法和Singh方法获取岩体力学参数时，考虑到岩块与岩体的差异，采取工程处理法得到了岩体力学参数。

楞古水电站为雅砻江中游第4级梯级电站，属于大Ⅰ型水电工程，拟建碾压混凝土重力坝，最大坝高167 m，电站装机容量2 595 MW。坝基岩体以变质砂岩为主，部分为花岗伟晶岩脉。在野外调查、工程地质测绘和勘探揭示的基础上，依据《水力发电工程地质勘察规范》[7]和《水电水利工程坝址工程地质勘察技术规程》[8]进行了坝基岩体质量初步分级。在坝基岩体质量分级和力学参数选取过程中，坝基岩脉常成为一个不利的影响因素[9-10]，鉴于目前国内水电工程中对花岗伟晶岩脉研究较少，为此专门针对楞古坝花岗伟晶基岩脉开展了力学参数研究。

2 坝基岩脉基本特征

2.1 岩脉产出特征

坝址区变质砂岩为三叠系侏倭组，产状N40°～60°E/NW∠40°～65°，中厚层-厚层状；花岗伟晶岩脉同位素年龄值为70.6～219.6 Ma，属燕山期产物，与砂岩总体呈“似层状”侵入(图1)。花岗伟晶岩脉在平面上呈NEE-SWW向展布，数量多、规模大，脉宽3～20 m，局部可达30 m，最窄仅数厘米，延伸数十米至数百米(图2)。

图1 坝址花岗伟晶岩脉出露示意图Fig.1 Layout of granite pegmatite dike at the dam site

图2 岩脉“似层状”产出延伸Fig.2 Photo of layered attitude of dike

2.2 岩脉矿物特征

岩脉呈浅灰白色-白色，伟晶结构，矿物粒径以5～6 cm为主，最大粒径达30 cm。磨片成果显示，长石以钠更长石为主，厚板状，含量60%～70%；石英以粒径1～2 cm的聚合粒团块状、斑块状或囊状为主，含量25%～35%之间；暗色矿物以黑云母为主，少量石榴石(图3)，黑云母片多呈片状，部分板状、书页状、桶状，黑云母无定向分布，含量约5%～10%。

图3 花岗伟晶岩脉中暗色矿物特征Fig.3 Characteristics of dark minerals in pegmatite dike

2.3 岩脉物理力学特征

岩脉室内常规试验共计完成21组，其中，微风化岩块9组，弱风化样12组。试验成果显示：微新花岗伟晶岩脉的干密度为2.58～2.60 g/cm3，相对密度为2.62～2.64，天然吸水率为0.38%～0.42%，饱和吸水率为0.40%～0.49%，湿抗压强度为60 ～70 MPa，软化系数>0.75；弱风化花岗伟晶岩脉的干密度为2.53～2.60 g/cm3，相对密度为2.59～2.63，天然吸水率为0.44%～1.04%，饱和吸水率为0.56%～1.23%，湿抗压强度为40 ～60 MPa，属较坚硬岩。

3 岩脉变形特征及参数

岩脉的变形特征通过变形试验研究，试验采用《水电水利工程岩体试验规程》[11]中的圆形刚性承压板法进行。坝址区平硐(SPD01,SPD06,SPD14,SPD15)内共完成8组载荷试验，据载荷试验应力-变形曲线分析，坝基岩脉的变形特征可分为直线型(或准直线型)(图4 (a))和上凹型(图4 (b))2类。在直线型(或准直线型)中，岩体变形随压力增加成等比例或近似等比例增加，宏观上，岩体较均一、完整；在上凹型中，低压力段的变形量较大，变形增量随压力增加逐渐减少，关系曲线的包络线逐渐变陡，宏观上，岩体较破碎、完整性较差。

图4 载荷试验应力-变形关系曲线Fig.4 Pressure-deformation curves obtained from load test

图5 岩体变形模量特征值Fig.5 Characteristic values of deformation modulus of rock mass

岩体变形模量可选用包络线模量Eb或割线模量E0表示(图5)。包络线模量是在去除岩体松弛、裂隙岩体压密、岩体初始应力和岩桥等的影响后，而求得的一种趋于稳定、紧密状态下的变形模量，它符合水电大坝建成并达到设定荷载运行状态下的坝基变形特征，但是不能反映大坝施工期和初期低水头运行期的坝基变形特征。割线模量是在最高一级压力作用下，考虑全变形计算而得的变形模量，反映了岩体从初始受荷状态至设定载荷下的全过程变形特征。因此，水电工程大坝岩体采用割线模量作为岩体变形模量更符合工程实际。

经统计分析岩脉的变形试验数据，微风化岩脉的割线模量为17.8～32.3 GPa，平均值为25.0 GPa；弱风化岩脉的割线模量为10.6～11.7 GPa，平均值为11.2 GPa。

4 岩脉抗剪(断)强度

4.1 试验破坏特性

楞古坝基花岗伟晶岩脉为多种矿物成分构成的非均质体，岩体中存在尺寸不等的节理裂隙。岩体试验破坏机理十分复杂，采用数值方法难以真实模拟岩体破裂过程[12]，采用现场试验可以直接将岩石组成和节理裂隙特征对强度的影响反映出来[13]，为研究岩体试件在荷载作用下的破坏机理提供了一种有效途径。

岩脉抗剪(断)试验的破坏特性是其力学强度参数研究的重点，通过直剪试验的剪应力τ与剪位移u的关系曲线确定岩脉剪切破坏类型。坝基平硐内共完成10组岩脉直剪试验，据τ-u关系曲线特征，可将岩脉强度试验的破坏类型分为脆性、塑性和复合型3类(图6)。图6中uh,uv分别代表试验过程中水平方向和竖直方向的位移值。

图6 直剪试验τ-u关系曲线Fig.6 Curves of τ-u in direct shear test

脆性破坏的初始阶段，τ-u关系曲线近乎垂直向上延伸，其剪切位移量小，岩体具有弹性或准弹性特征；当曲线上升至出现拐点并呈非线性向上凸起时，试体开始扩容膨胀，细微裂隙不断扩展，其剪切位移量较大，岩体屈服；继续加载，试件裂缝扩展加剧，剪切位移快速增加，剪应力达到峰值后承载能力迅速下降，τ-u关系曲线呈先下降后趋于稳定状态。

塑性破坏的初始阶段，τ-u关系曲线仍是直线上升，只是上升段较短，岩体很快进入曲线呈非线性向上凸起的屈服阶段；继续加载至岩体屈服阶段，曲线总体呈平缓上延趋势，峰值强度后的曲线未出现明显下降特征，仅剪切位移量大于脆性破坏的位移量。

复合型破坏的τ-u关系曲线介于前2种之间。

4.2 试验参数分析

统计分析岩体抗剪(断)试验数据的方法有优定斜率法、最小二乘法、图解法、点群中心法[14-15]等，其中，最小二乘法和优定斜率法是以岩体工程地质分类为基础，按岩类进行试验数据统计分析，在水电工程得到广泛运用。为此，坝基岩脉的强度参数采用最小二乘法和优定斜率法进行统计分析，岩体强度试验数据统计分析见图7，混凝土与岩脉接触面强度见图8，图中τ′为抗剪断试验的剪应力；上线、下线分别代表优定斜率法的上、下限值，中线代表最小二乘法回归线。

图7 岩体强度试验成果Fig.7 Test results of rock strength

图8 混凝土与岩脉接触面强度试验成果Fig.8 Test results of the strength of contact surface between concrete and dike

从试验结果看：楞古坝基花岗伟晶岩脉的强度试验值较高，试验值与岩体的风化程度呈正相关。微新岩体的抗剪断强度指标为f′=1.325,c′=1.475 MPa，与混凝土接触面的抗剪断强度指标为f′=1.109,c′=0.718 MPa；弱风化岩体的抗剪断强度指标为f′=1.180,c′=0.920 MPa，与混凝土接触面的抗剪断强度指标为f′=1.034,c′=0.730 MPa。其中f′为岩体内摩擦角的正切值，c′为岩体黏聚力。

5 岩脉力学参数选取

伟晶岩脉力学参数选取按照以下原则确定：

(1) 岩脉的变形模量采用割线模量来表征，并结合岩脉风化、卸荷、紧密程度和结构类型等特征进行综合确定。

(2) 岩体抗剪(断)试验的破坏类型有脆性破坏、塑性破坏和复合型破坏，对属于脆性破坏，抗剪断强度取峰值强度的优定斜率下限值作为标准值，抗剪强度取比例极限强度为标准值；对塑性或复合型破坏岩体，取屈服强度作为标准值[7]。

(3) 直剪试验均在勘探平硐内，试验段必受到开挖爆破和试件加工等因素影响，同时，试件尺寸为50 cm×50 cm×25 cm(长×宽×高)，试验值受尺寸效应影响[16]，难以准确代表原位岩体强度。试验成果应按岩体类别、工程地质单元、区段进行归类整理。

(4) 现场做的试验数量有限，而实际地质条件千变万化，因此，选取岩体强度参数时，以试验为基础、规范为参考，综合选取一个范围值。

基于上述4点，楞古水电站坝基花岗伟晶岩脉力学参数建议值见表1。

表1 花岗伟晶岩脉力学参数建议值Table 1 Recommended values of mechanical parameters of pegmatite dike

6 结 论

(1) 楞古水电站坝基“似层状”产出的花岗伟晶岩脉中黑云母含量较高，局部集中，微风化岩块强度高，属坚硬岩，弱风化岩块强度稍低，但属于较坚硬岩。

(2) 岩脉承压板试验的变形特征分为直线型(或准直线型)和上凹型2种，岩脉的变形模量高，抗变形能力强。

(3) 岩脉直剪试验的破坏类型分为脆性、塑性和复合型，通过采取数理统计方法整理试验数据，结合岩脉地质特征，最后提出了坝基岩脉的强度参数建议值。

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(编辑：占学军)

Mechanical Parameters of Granite Pegmatite Dike in DamFoundation of Lenggu Hydropower Station

WEI Xing-can,YANG Jing-xi, XIAO Hua-bo, WANG Gang

(Chengdu Engineering Corporation Limited, Power China, Chengdu 610072 ,China)

Mechanical parameters of rock and soil at dam foundation are important for the design and stability calculation of dam structure. A large number of granite pegmatite dikes occurs at the dam foundation of Lenggu hydropower station. In view of this, the characteristics of deformation and strength of the dikes were studied by circular rigid bearing plate test and straight shear test. Test results show that stress-deformation curves obtained from bearing plate test are in two shapes, namely straight linear type (or quasi straight linear type) and concave type. The curves ofτ-uobtained from direct shear test can be classified into three types: brittleness, plasticity and composite type. According to the physical meaning of envelope modulus and secant modulus and the hydraulic project’s characteristics, as well as the representativeness of least square method and optimal slope method in analyzing strength test data, the principle of determining the standard value of rock mass is presented. Finally, mechanical parameters of pegmatite dike at the dam foundation are proposed.

pegmatite dike; mechanical parameters of rock mass; rock deformation; rock mass strength; Lenggu hydropower station

2016-02-01；

2016-03-12

魏星灿(1979-)，男，四川平昌人，高级工程师，主要从事水电水利工程和岩土工程勘察设计研究工作, (电话) 028-87399118(电子信箱) weixc79@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160099

2017,34(4):66-70

TU45

A

1001-5485(2017)04-0066-05