坝基岩体卸荷松弛与浇筑压密效应研究

陈 冬 梅， 张 平， 易 毅

(1.中冶成都勘察研究总院有限公司，四川 成都 610023；2.四川省能投攀枝花水电开发有限公司，四川 攀枝花 617068； 3.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

在拱坝建设过程中，坝基岩体一般会经历松弛及压密两个过程，坝基岩体松弛主要是受到开挖爆破及卸荷等因素的影响，岩体松弛过程中出现声波速度降低、裂隙张开度增加及裂隙数量增加等效应；坝基岩体压密主要是受到混凝土浇筑盖重增加的影响，岩体压密过程中表现出声波速度升高、裂隙张开度减小等效应。

针对坝基岩体松弛及压密效应常采用长观孔进行观测。坝基岩体松弛效应的观测是在坝基开挖后至固结灌浆前，而坝基岩体压密效应的观测则是在固结灌浆至浇筑完成的一段时间内。坝基岩体松弛包括时间效应及空间效应，时间效应反映岩体波速及裂隙开度等随时间的变化规律，而压密效应则是反映岩体波速及裂隙开度随混凝土盖重增加的变化规律。

笔者利用某水电站坝基岩体在开挖阶段获得的长观孔观测数据研究了坝基岩体松弛[1-3]的时间及空间效应，利用该水电站坝基岩体在大坝浇筑期间获得的长观孔观测数据研究了坝基岩体的压密效应，研究内容见图1。该水电站坝基岩性主要为澄江期灰白色及微红色中粒黑云二长花岗岩，局部辉绿岩脉穿插发育。

2 坝基岩体松弛的时间及空间效应

坝基从开挖到混凝土浇筑一般持续时间较长，两侧坝肩高高程坝基岩体开挖到浇筑时间一般长达1～2 a，长时间的卸荷松弛导致岩体的波速及变形模量等各项力学性能指标大幅度降低，为此，某水电站对大坝坝基开挖后的岩体卸荷松弛情况进行了长期观测，观测时间最长达到了18个月，左右两侧坝肩岩体卸荷松弛观测共布置了42个长观孔，观测频率为1～3个月观测一次。

坝基岩体松弛的时间效应系指岩体从开挖到混凝土浇筑期间岩体松弛随观测时间增加而表现出的声波速度减小、波速衰减率增加、岩体裂隙数量及裂隙张开度增加等一系列效应。

图1 坝基岩体松弛效应与压密效应研究内容示意图

2.1 坝基岩体松弛时间效应的岩体波速衰减率分析

坝基岩体松弛的时间效应主要是岩体波速衰减随时间的变化规律。随着时间的增加，波速衰减率呈逐渐增大的趋势，它是表征岩体波速衰减程度的指标。根据坝基开挖后岩体长观孔的观测结果，笔者对42个长观孔的岩体波速按不同的观测时间及岩性进行了汇总统计，得到表1。表1为不同岩性不同观测时间段(30～450 d)岩体波速平均衰减率表。

表1 坝基岩体波速平均衰减率随观测时间变化统计表

对表1进行分析得知坝基岩体松弛时间效应特征如下：

(1)随着时间增加，花岗岩及辉绿岩的岩体波速衰减率均呈逐渐增大的趋势，在360 d后，花岗岩的波速衰减率为11.11%，辉绿岩的波速衰减率为9.35%，表明花岗岩波速衰减的时间效应略强于辉绿岩。

(2)从岩体波速衰减的速率分析得知，花岗岩的波速衰减速率较为均匀，持续时间较长，1 a以后波速衰减率逐渐减弱；辉绿岩的波速衰减速率呈现出前高后低的趋势，波速衰减在3个月以后逐渐减弱。

2.2 坝基岩体松弛时间效应的全景图像分析

钻孔全景图像能够直观地反映孔内裂隙数量及张开度情况，随着观测时间的增加，孔内裂隙数量及张开度随之增加，图2～4为Ⅱ类花岗岩、Ⅴ1类花岗岩及Ⅲ1类辉绿岩在不同观测时间裂隙数量及张开度变化情况的对比。

图2 Ⅱ类花岗岩卸荷松弛时间效应钻孔全景图像特征图(观测30、180、360 d)

根据对图2～4进行分析得知，随着观测时间的增加，Ⅱ类花岗岩裂隙的张开度明显增加，裂隙的数量变化不大，Ⅴ1类花岗岩裂隙的张开度及数量增加不明显。由此可见，Ⅱ类花岗岩具有较强的时间效应，Ⅴ1类花岗岩时间效应不明显，可能与该类岩体处于较弱的地应力环境有关。

图3 Ⅴ1类花岗岩卸荷松弛时间效应钻孔全景图像特征图(观测30、180、450 d)

图4 Ⅲ1类辉绿岩卸荷松弛时间效应钻孔全景图像特征图(观测30、120、210 d)

根据对图2、4进行分析得知，随着观测时间的增加，Ⅲ1类辉绿岩裂隙数量大量增加，较多的隐微裂隙开始显现，裂隙的宽度增加不是很明显，可能与辉绿岩“硬、脆、碎”的特点有关。

3 坝基岩体浇筑压密效应

拱坝混凝土浇筑持续时间较长，一般可达2～3 a甚至更长时间。随着浇筑时间的延长，大坝混凝土盖重逐渐增加，坝基岩体在重力作用下逐渐被压密，该过程伴随着坝基岩体声波速度的提高、岩体裂隙张开度减小等效应。目前，国内高拱坝坝基岩体对浇筑压密效应的系统观测很少，某水电站因其较为特殊的地质条件，在大坝浇筑过程中对坝基岩体压密效应进行了系统的长观孔观测，最长观测期长达5 a，其中混凝土浇筑时间约为28个月，混凝土浇筑完成后的观测时间约为32个月，观测孔数为40个。

3.1 影响坝基岩体压密效应的因素

通过对长观孔取得的观测数据进行统计与分析得知，岩体波速的提高主要与混凝土盖重厚度及岩体初始波速大小等影响因素有关。

3.1.1 混凝土盖重厚度

为了分析混凝土盖重厚度对岩体波速提高率的影响，笔者对混凝土浇筑期间的长观孔数据进行了分析，期间观测的最长时间为2年4个月，笔者利用40个长观孔的观测数据、按不同盖重厚度对岩体波速提高率进行了统计，统计成果见表3。根据表3绘制了长观期间混凝土盖重厚度与孔深0～5 m及孔深5 m以下波速提高率关系图(图5)。

根据对表2、图5进行分析得知，在孔深0～5 m段，岩体波速的提高与盖重厚度相关性很好，盖重厚度越大，波速提高越高；在孔深5 m以下段，岩体波速提高率与盖重增加厚度具有一定的相关性，随着盖重厚度的增加，波速逐步提高，但与孔深0～5 m段比较，盖重厚度与波速提高率的相关性略差。由此可见，在大坝浇筑压密过程中，混凝土盖重厚度是影响岩体波速提高的核心因素。

图5 0～5 m及5 m以下岩体平均波速提高率与平均盖重增加厚度关系图

3.1.2 岩体初始波速

岩体波速是反映岩体完整性的重要指标，岩体初始波速越高，岩体完整性越好，在混凝土盖重厚度增加的过程中岩体不容易被压缩，岩体波速提高较小；反之，岩体初始波速越低，岩体完整性越差，岩体越容易被压缩，岩体波速提高越大。

表2 大坝混凝土盖重厚度与波速提高率相关统计表

表3为岩体初始波速与波速提高率相关统计表。笔者对40个长观孔按岩体初始波速大小分别进行了统计，得到岩体初始波速与波速提高率相关统计表。根据对该表进行分析得知，孔深0～5 m段岩体的初始波速由2 887 m/s增加到4 931 m/s，波速提高率由30.3%降低到7.49%；孔深5 m以下段岩体波速由3 744 m/s增加到4 810 m/s，波速提高率由18.7%降低到8.23%。

表3 岩体初始波速与波速提高率相关统计表

由表3可见，坝基岩体压密过程中，岩体初始波速是影响波速提高的重要因素。岩体初始波速越高，波速提高率越小；岩体初始波速越低，波速提高率越大。

3.2 坝基岩体浇筑压密的特性分析

3.2.1 岩体波速提高的滞后性

坝基岩体的压密需要一个时间的积累才能在岩体波速上反映出来。根据长观孔检测成果，为了解岩体波速提高的滞后性，笔者选取了一个典型的长观孔绘制了混凝土浇筑期间盖重增加厚度与波速阶段提高率的关系图(图6)。

图6 大坝浇筑期间岩体波速阶段提高率与混凝土盖重增加关系图

根据对图6进行分析得知：观测期1 a以内，在79 d、162 d、281 d及330 d四个时间段混凝土盖重厚度增加达到较高值，而岩体波速提高达到较高值对应的时间则为128 d、233 d、300 d及362 d。由此可见：岩体波速提高较盖重厚度增加具有一定的滞后性，一般滞后时间为1～3个月，在1 a时间以内，岩体波速的提高主要受大坝混凝土盖重上升的影响。

观测期1 a以后，接缝灌浆完成后大坝成为一个整体，混凝土盖重对坝基岩体的作用力相对分散，盖重厚度的增加对波速的提高率作用减弱，岩体波速提高主要受大坝混凝土盖重上升及时间效应的双重影响。

3.2.2 岩体波速提高的波动性及收敛性

为了解坝基岩体波速提高的波动性及收敛性，需要对整个长观过程进行分析，根据长观孔检测成果，笔者选取了一个典型的孔绘制了混凝土盖重厚度增加与波速阶段提高率的关系图(图7)，该长观孔观测时间为1 661 d。

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图7 长观期间岩体波速提高率的波动性及收敛性示意图

根据对图7进行分析得知，在大坝浇筑期间(图中0～800 d)，岩体波速提高具有很强的波动性，波速阶段提高率主要受浇筑期间混凝土盖重上升快慢的影响，在大坝蓄水期间(图7中850～950 d)，受大坝荷载调整影响，岩体波速阶段提高率波动相对较大。大坝蓄水以后(图7中950 d以后)，由于水位变动幅度较小，岩体波速提高率的波动性减弱，波速提高基本趋于收敛。

3.3 坝基岩体浇筑压密效应钻孔全景图像特征

坝基岩体在固结灌浆完成后，岩体的裂隙大部分被水泥浆充填，裂隙的张开度较小，在混凝土浇筑压密过程中，长观孔裂隙的张开度大多存在逐渐减小的趋势。

图8为R931N长观孔17～19 m段花岗岩在盖重厚度分别为84 m、119 m、136 m时裂隙张开度情况，随着盖重厚度的增加，在18 m、18.2 m及18.8～19 m处裂隙张开度逐渐减小，细微裂隙甚至“消失”。

图9为L979N长观孔14～16 m段辉绿岩在盖重厚度分别为1.5 m、156 m时的裂隙张开度情况，随着盖重厚度的增加，裂隙张开度逐渐减小，但辉绿岩的隐微裂隙随时间增加逐渐显现，裂隙数量逐渐增加。

图9 坝基岩体(辉绿岩)压密效应钻孔全景图像特征示意图(盖重厚度为1.5 m、156 m)

4 结 语

4.1 坝基岩体松弛的时间效应

随着时间增加，花岗岩及辉绿岩的岩体波速衰减率均呈逐渐增大的趋势，裂隙张开度逐渐增加，1 a后花岗岩的波速衰减率为11.11%，辉绿岩的波速衰减率为9.35%；花岗岩的波速衰减速率较为均匀，持续时间较长，1 a以后波速衰减率逐渐减弱，辉绿岩的波速衰减速率呈现出前高后低的趋势，3个月以后波速衰减逐渐减弱，表明花岗岩波速衰减的时间效应略强于辉绿岩。

4.2 坝基岩体浇筑压密效应

(1)坝基岩体在混凝土浇筑过程中具有较为明显的压密效应，岩体波速逐步提高，裂隙的张开

度逐渐变小。混凝土盖重厚度及岩体的初始波速为岩体波速提高的主要影响因素，其中混凝土盖重厚度增加为核心因素。

(2)混凝土浇筑压密过程中，岩体波速的提高较混凝土盖重厚度的增加具有一定的滞后性、波动性及收敛性。大坝浇筑期间，岩体波速的提高具有很强的波动性，波速阶段提高率主要受浇筑期间混凝土盖重上升快慢的影响，在大坝蓄水期间，受大坝荷载调整影响，岩体波速阶段提高率波动相对较大，大坝蓄水以后，由于水位变动幅度较小，岩体波速提高率的波动性减弱，波速提高基本趋于收敛。

参考文献：

[1] 张春安，易 毅，汤子坚，等.某水电站坝基长观孔测试分析研究[J].人民长江，2011,51(14):56-58.

[2] 周 华，王国进，傅少君，等.小湾拱坝坝基开挖卸荷松弛效应的有限元分析[J].岩土力学，2009,30(4)：1 175-1 180.

[3] 易 毅，何 刚，汤子坚，等.高拱坝坝基岩体松弛时间及空间效应研究[J].水利规划与设计，2014，27(2)：89-93.