高混凝土重力坝坝基岩体变形模量回复力学研究模型构建

廖 彬， 韩素月

(1. 成都理工大学 环境与土木工程学院，四川 成都 610059；2. 四川省投资集团有限责任公司，四川 成都 610016；3. 成都理工大学 管理科学学院，四川 成都 610059)

高混凝土重力坝大多修建在坚硬岩石高山峡谷区，高重力坝坝基开挖对河谷岩体的影响与河流下切不断改变河谷形态、应力状态发生变化、岩体工程性状改变是大致相同的，不同的是坝基开挖是岩体迅速移走，引起坝基岩体卸荷、松弛、性状改变，而河谷下切(“自然开挖”)则是缓慢改变。从力学上分析，导致这些变化的主控因素是岩体应力的降低，从力学的观点、应力与应变、模量的关系来分析，应力的降低或增大会引起介质模量的降低或增大，将这一原理初步地用在处于地应力环境下岩体变形模量的变化上，应有一定的意义。

水电站所要求的微风化及新鲜岩石地基，由于岩石的自身弹性储能条件，大都有较高的地应力，自20世纪50年代，N.Hast等开展地应力测量[1-2]，在西北欧及北非进行的2万多个地应力测量资科表明，地壳岩体均为压应力。岩体的卸荷、风化，性状的改变、模量、强度参数的变化都与地应力状态的改变有着明显的关系。随着众多水电工程的不断进行，使得专家对爆破松弛带越来越重视，不少学者对其进行了大量的研究工作[3-5]，用多种测试方法进行评价[6-8]和划分松弛带[9]。小湾电站爆破松弛带的研究成果较多，吴数伟、周华等用数值模拟分析了小湾电站开挖松弛效应[10-11]。祁生文等从小湾电站开挖卸荷裂隙的方面进行了研究，得到了裂隙的分布特征和分布范围[12]。李朝政等从小湾电站开挖卸荷岩体的抗剪强度方面进行了研究，更细致深入的评价松弛岩体结构面的变形破坏机理及抗剪强度参数[13]。林锋等利用MTS815型程控伺服刚性试验机进行试验，从机理上分析了小湾电站开挖松弛[14]。

岩体围压增大后其力学性质将会发生改变。韩立军等在实验室里进行了环向有效约束条件下的破裂岩体承载变形试验，分析了破裂岩体承载过程中的变形特性[15]。赖勇通过试验分析，认为岩石的杨氏模量随围压的增大而提高，当围压大于岩石的压密点强度后，杨氏模量的增大呈减小趋势而趋于定值；提出了岩石杨氏模量与围压关系的表达式，反映了裂隙密度随围压的增加呈指数关系减小的特征[16]。王瑞红等通过对处于残余强度状态岩样的循环加卸载试验，研究不同围压下(30，20，10，5和1MPa)、不同卸荷量(90%，70%，30%)造成的岩样残余强度变化规律[17]。刘杰等在对加、卸载应力-应变曲线进行分区的基础上，定义卸载过程中的能量消耗率，探讨岩石损伤破坏过程中能量的转化，同时定量分析弹性模量，泊松比和残余应变等变形参数的变化规律[18]。上述的研究多为岩石样本的围压与变形特征的研究，而在实际工程中的变形特征不仅与岩石本身的有关，还与结构面、风化程度、卸荷程度等有关系，因此对于坝基岩体变形模量的压密回复研究涵盖了岩体风化、卸荷、岩体结构、力学参数以及据此确定的岩体质量类型。因此，本文以长期工作的雅砻江西南某水电站高混凝土重力坝作为研究载体，拟对高混凝土重力坝坝基岩体变形模量的压密回复开展较深入的研究。

一 研究区概况

(一)区域地质概况

西南某水电站坝址区所在大地构造部位为康滇地轴与丽江台缘拗褶带的交界部位，康滇地轴为扬子地台的次级单元，而丽江台缘拗褶带为松潘甘孜地槽的次级单元，因此西南某电站坝址位于槽、台交界的部位(图1)。研究区主要位于雅砻江虎山滩至打罗向西凸出的河弯段，主体建筑区位于竹子坝沟上游至硐探队驻地，属高山峡谷地形，河谷呈基本对称的“V”型。雅砻江以S60°W方向流入虎山滩后逐渐偏转至S75°E方向流入坝区再渐转至E流出枢纽区，坝区河道略向S凸出。出露地层主要为二叠系上统玄武岩组(P2β)，第四纪覆盖层分布较为广泛。

图1 西南某电站坝址所在大地构造单元

(二)工程概况

西南某水电站是雅砻江卡拉至江口河段水电规划五级开发方式的第三个梯级电站。上游与锦屏二级电站尾水衔接，下游接二滩水电站。工程枢纽区位于四川省凉山彝族自治州西昌市与盐源县接壤地带，距西昌市直线距离约30km，有三级公路相连，对外交通较为方便(图2)。西南某水电站大坝为碾压混凝土重力坝，电站正常蓄水位1 330m，坝顶高程1 334m，最大坝高171m，坝顶长度516m。右岸地下厂房装总装机容量240×104kW，多年平均发电量117.76×108kW·h。

图2 西南某水电站位置交通图

二 岩体变形模量回复力学模型构建

(一)岩体力学参数配置

基本岩级的变形模量以研究团队在多个玄武岩坝址建立的声波纵波速度与变形模量的关系式：

Ln(E0)=3.2027×Ln(VP)-24.3283

(1)

式中：E0为变形模量(GPa);VP为声波纵波速度(m/s)。

由于从应力状态分析岩体模量的变化，涉及整个峡谷及其下切过程中岩体应力的变化。因此，在河谷下切前深部岩体均为新鲜岩体且有较高的应力，玄武岩体应为I级岩体，爆破松弛带岩体为VI级(接近III2级)岩体，坝基浅部岩体大多为III1—II级岩体，各类岩体及坝体的参数见表1。

表1 计算模型岩体及坝体参数

(二)基本模型的构建

研究坝基岩体变形模量的回复涉及河谷的形态、高度、岩性、地应力状态、岩体力学参数，坝基开挖、重力坝修建后岩体应力状态，这些资料的可信、正确，是保证分析模型、分析成果合理、可信的基础。

通过三维建模程序建立坝址大范围的三维地形模型，如图3所示，从图中可以的看出，选定坝线位于雅砻江转折较大的河段，两岸高处地形连续。

图3 坝址大范围三维地形模型

根据地形、岩性、岩体等各项数据资料，并结合上述模型岩体及坝体参数，构建基本模型如下图4所示。其基本单元为三角形单元，共34 323个单元，节点34 520个。

图4 基本模型

(三)开挖、坝体模型的构建

开挖线按实际开挖形状设置，河床表部原高程1 200m，建基面高程1 163m，开挖深度37m，两岸开挖高程至1 395m，水平开挖深度35～50m，构建坝基开挖模型，如图5所示。

图5 坝基开挖模型

坝顶高程1 334m，建基面1 163m，爆破松弛带按厚度2.1m设置，为获取同高程信息，每40m设置水平线，以保证单元的高程相同，河床设置纵线以便水平坐标相同，最终构建坝体及坝基模型(图6)。

图6 坝体及坝基模型

三 结论

本文通过已建成的西南某水电站为例，对坝基玄武岩在开挖和坝体浇筑后变形模量展开研究。主要采用数值分析方法，研究了西南某水电站河床坝基在建坝前后应力的变化，由于应力状态的变化，岩体将随应力的降低松弛回弹—模量降低，随重力坝重力的加载岩体又将被压密，变形模量发生回复，构建了高混凝土重力坝坝基岩体变形模量回复力学研究模型，为后续研究水电站坝基稳定的工程地质问题以及提高变形模量提供进一步的认知。但由于本文在采用力学分析方法研究坝基变形模量时，限于资料的精确性对有关岩体(结构面)作了均化处理。因此，高重力坝坝基岩体变形模量回复的研究成果，应当是初步的成果，有待今后进一步的深化研究。