剛性鉆孔彈模計在白鶴灘電站壩基巖體變形參數測定中的應用

羅超文，李海波，馬 鵬

(1.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點試驗室，武漢 430071;2.中國電力顧問集團華東電力勘測設計研究院，杭州 310014)

1 工程概況

白鶴灘水電站位于云南省巧家縣大寨鄉與四川省寧南縣跑馬鄉之間的金沙江峽谷中，上距烏東德水電站壩址182 km，下距溪落渡水電站樞紐195 km，距西昌200 km，距昆明306 km。工程為混凝土雙曲拱壩，最大壩高277 m，初擬正常蓄水位820 m，相應庫容179.24億 m3，裝機容量12 600 MW，是我國繼三峽、溪洛渡之后又一座千萬kW級的水電站。

根據地質勘察揭示，工程區巖體主要為二迭系厚層玄武巖，其中第三層(P2β3)微晶隱晶玄武巖柱狀節理發育，且發育層間剪切錯動帶，巖體完整性較差，是影響拱座和壩基巖體變形的不利地質構造［1］。柱狀節理玄武巖柱體形成時受到種種環境條件的影響，特別是巖體內的非均質結構，因而在柱列斷面上，形成六邊形、四邊形以及七邊形等多種組合情況［2－4］，對柱狀節理玄武巖的變形特征分析也成為白鶴灘水電站主要工程問題之一。

剛性鉆孔彈模計雖已在工程中得到廣泛應用，但是在本次試驗之前，剛性鉆孔彈模計試驗數據從沒有與大型剛性承壓板做過對比性試驗。因此，為了驗證剛性鉆孔彈模計試驗數據的可靠性，在勘探平洞中各布置了一組現場對照性試驗。對照性試驗結果表明:剛性鉆孔彈模計試驗結果是可靠的。在此基礎上，對左、右岸平洞和岸坡鉆孔內的柱狀節理玄武巖做了250點的變形試驗，以此為基礎分析了柱狀節理玄武巖變形特征及其隨孔深的變化規律，討論了巖體的各向異性特征以及斷層、岸坡卸荷等對柱狀節理玄武巖試驗結果的影響。

2 剛性鉆孔彈模計試驗方法簡介

目前，國際上普遍采用的工程巖體彈性模量測試方法總體上可以歸納為動力法和靜力法2大類。

動力法主要是通過研究地震波或聲波在巖體中的傳播規律來建立運動參數與巖體彈性模量的關系［5］，但是，該方法給出的是巖體動態彈性模量值，高于巖體的實際靜態彈性模量值。

靜力法是通過量測巖體在靜荷載作用下的巖體變形，然后用彈性力學公式推算巖體的彈性模量變形指標，是工程設計中應用較多的方法。大致可分為承壓板法、水壓試洞法以及鉆孔試驗法3類。

承壓板法一般只能測量地表或洞壁附近處的巖體彈模值，若需了解深部巖體的彈模，則需開挖巷道至被測位置。試驗過程中，特別是在高應力地區，由于試驗區表層巖體的松動，試驗得到的彈性模量內均含有松動層的影響，其測試結果一般比巖體的真實彈性模量值低。水壓試洞法試驗過程比較復雜、費用高，在工程應用較少。

鉆孔試驗法按加壓板的剛度可分為柔性和剛性加壓法。柔性加壓法是通過量測膠囊的體積變化來確定巖體的變形，主要用于軟巖變形特性試驗。剛性鉆孔彈模計是利用千斤頂內的活塞通過承壓板對鉆孔壁施加一對徑向壓力，同時測量出相應的孔壁變形，并據此計算出巖體的彈性模量值。與柔性彈模計試驗方法相比，剛性彈模計具有壓力大、且能夠量測不同方向巖體模量特點，更廣泛地在水電、核電工程中得到應用［5］。

3 試驗儀器及試驗點布置

3.1 試驗儀器

試驗儀器為BJ－76A鉆孔彈模計，主要由二路加壓系統、位移量測系統及壓力量測系統組成。試驗時利用儀器內部的4個千斤頂活塞推動2塊剛性承壓板對鉆孔壁巖體施加一對稱的條帶載荷。在承壓板上裝有LVDT線性差動變壓器式位移傳感器用來量測鉆孔孔壁巖體在加載時的徑向變形，同時，用安裝在活塞上的測力計直接測定出力。

根據式(1)可以計算試驗部位巖體的變形模量或彈性模量［5－13］E(GPa)值，

式中:A為三維問題的影響系數;H為壓力修正系數;D為鉆孔直徑(mm);ΔQ為壓力增量(MPa);ΔD為變形增量(mm);T*(ν，β)為與承壓板寬度(接觸孔壁時圓周角大小)和巖體泊松比有關的系數，T*(0.25，22.5°)=2.141。

一般計算鉆孔巖體的彈性模量時，式中的ΔQ，ΔD取壓力變形曲線高壓部分的線性段增量值。計算變形模量時，式中的ΔQ，ΔD取壓力變形曲線中的低壓部分變化量值。

3.2 試驗點布置

試驗在右岸PD37號平洞、左岸PD36號平洞和PD143平洞內各布置了1個試驗斷面(每個斷面3個測孔)，以及左岸岸坡ZK413孔。試驗布置見圖1。

3.2.1 對照組試驗布置

承壓板試驗與剛性鉆孔彈模試驗對照組布置在左岸 PD143平洞內 130～141 m處，平洞高程720.09 m，洞向270°。試驗點巖體為二疊系上統峨嵋山組第三段(P2β3)隱晶玄武巖－含杏仁隱晶玄武巖。

圖1 試驗布置示意圖Fig.1 Layout of test points

共布置3個鉆孔彈模試驗孔，試驗孔編號和試驗點數見表1。其中，PD143－1孔為鉛直孔，與斷層F14相距1.5 m;PD143－3孔為水平孔，與PD143平洞軸線夾角大約為40°，與斷層F14夾角大約為30°，相距0.7 m;PD143－4孔為水平孔，與斷層 F14平行，相距6 m。試驗布置見圖2。

圖2 PD143平洞試驗布置示意圖Fig.2 Sketch of test points in adit PD143

在左岸PD143平洞內130～141 m處，共布置6個現場承壓板試驗點，試驗點編號和具體位置見表2。

3.2.2 左岸其它試驗孔布置

為了研究左岸巖體變形特性，在左岸岸坡以及PD36平洞布置了4個鉆孔彈模試驗點。其中，ZK413試驗孔位于左岸岸坡，高程為679.71 m，最大試驗深度為84.65 m。試驗點巖體為二疊系上統峨嵋山組第三段(P2β3)灰黑色微晶－隱晶玄武巖，柱狀節理極發育。

左岸PD36平洞內布置3個鉆孔彈模試驗點，試驗斷面距洞口(岸坡)約50 m左右。試驗點巖體由外向內分別為二疊系上統峨嵋山組第三段(P2β3)柱狀節理玄武巖、角礫熔巖、含斑玄武巖、柱狀節理玄武巖。3個試驗點中，PD36－1試驗孔為鉛直孔，最大試驗深度為48.35 m;PD36－2試驗孔為水平孔，向上游垂直于平洞軸線方向，最大試驗深度為47.00 m;PD36－3試驗孔為水平孔，向下游垂直于平洞軸線方向，最大試驗深度為47.30 m。

3.2.3 右岸試驗孔布置

右岸試驗孔布置在PD37勘探平洞內，平洞高程621.18 m，洞向90°，巖體為二疊系上統峨嵋山組第三段(P2β3)灰黑色微晶－隱晶玄武巖，柱狀節理極發育，柱體截面直徑20 cm左右，巖層產狀35°～40°∠15°～20°。

在PD37平洞內布置3個試驗孔，試驗孔斷面距洞口(岸坡)30 m左右。其中，ZK121試驗孔為垂直孔，最大試驗深度為53.15 m;PD37－2孔為水平孔，向上游垂直于平洞軸線方向，最試驗大深度為49.30 m;PD37－3孔為水平孔，向下游垂直于平洞軸線方向，最大試驗深度為27.85 m。

4 試驗成果

左岸PD143平洞對照試驗巖層為二疊系上統峨嵋山組第三段(P2β3)隱晶玄武巖－含杏仁隱晶玄武巖。現場剛性鉆孔彈模變形試驗孔的試驗成果見表1，現場大型剛性承壓板變形試驗成果表2。

表1 PD143平洞玄武巖變形剛性鉆孔彈模試驗結果Table 1 Results of deformation tests on basalt in adit PD143

左岸ZK413鉆孔及PD36平洞試驗斷面柱狀節理玄武巖鉆孔彈模變形試驗孔的試驗成果見表3。

右岸PD37平洞試驗斷面柱狀節理玄武巖鉆孔彈模變形試驗孔的試驗成果見表4。

4.1 PD143平洞對照組試驗成果及分析

4.1.1 PD143－1孔試驗成果及F14斷層對試驗成果的影響

PD143－1鉛直孔巖體變形模量在2.16～13.07 GPa之間，平均值為9.62 GPa，巖體彈性模量在3.83 ～22.69 GPa之間，平均值為16.34 GPa。

F14斷層為高傾角斷層，其傾角大約為85°。F14斷層越接近鉆孔，其巖體的模量值越低，從PD143－1孔巖體模量值與深度的關系圖(圖3)上可以明顯地看到這種趨勢。由于受F14的影響PD143－1鉛直孔的模量值總體上比PD143－4孔的模量值低。

表2 PD143平洞玄武巖變形剛性承壓板試驗結果Table 2 Results of deformation tests on basalt in adit PD143 by rigid plate test

表3 ZK413孔、PD36平洞柱狀節理玄武巖變形試驗結果Table 3 Results of deformation tests on columnar jointed basalt in borehole ZK143 and adit PD36

表4 PD37平洞柱狀節理玄武巖變形試驗結果Table 4 Results of deformation tests on columnar jointed basalt in adit PD37

圖3 PD143－1孔巖體模量值與孔深的關系圖Fig.3 Relationship between rock modulus and depth of borehole PD143－1

4.1.2 PD143－3孔試驗成果及 F14斷層、平洞對試驗成果的影響

PD143－3孔垂直加壓巖體變形模量在4.04～19.28 GPa之間，平均值為9.62 GPa，巖體彈性模量在4.43 ～ 28.23 GPa之間，平均值為13.24 GPa。水平加壓巖體變形模量在1.85～19.76 GPa之間，平均值為9.66 GPa，巖體彈性模量在4.58 ～32.68 GPa之間，平均值為15.00 GPa。

F14斷層及PD143平洞對PD143－3水平孔的巖體模量值影響較大，這是由于勘探平洞的開挖卸荷及F14斷層的卸荷雙重作用，PD143－3水平測試孔巖體受到了破壞，0～6 m巖體的模量值明顯偏小。孔深6 m以后的巖體模量值有一個明顯的上升過程(見圖4)，這表明巖體的模量越接近斷層及平洞卸荷區受影響越大。

圖4 PD143－3孔巖體模量值與孔深的關系圖Fig.4 Relationship between rock modulus and depth of borehole PD143－3

4.1.3 PD143 －4 孔試驗成果

PD143－4水平孔垂直加壓巖體變形模量在8.03 ～19.59 GPa之間，平均值為14.73 GPa，巖體彈性模量 在12.53 ～29.83 GPa之 間，平 均 值 為22.95 GPa。水平加壓變巖體形模量在8.10 ～22.29 GPa之間，平均值為14.54 GPa，巖體彈性模量在11.24 ～35.18 GPa之間，平均值為23.41 GPa，巖體水平向的變形模量和彈性模量平均值與垂直向變形模量及彈性模量平均值比值分別為:0.99，1.02，表明含杏仁狀玄武巖整體上無各向異性。PD143－4孔巖體模量值與深度的關系見圖5。

圖5 PD143－4孔巖體模量值與孔深的關系圖Fig.5 Relationship between rock modulus and depth of borehole PD143－4

從圖5 上可以看到0.5，16.15，18.10 m測點的巖體模量值明顯小于其它試驗點，這是由于0.5 m測點所在部位處于平洞開挖卸荷松弛區內、而16.15，18.10 m試驗點通過鉆孔電視發現有明顯的節理、裂隙。

4.1.4 PD143平洞剛性承壓板變形試驗與鉆孔彈模試驗結果的比較

PD143平洞剛性承壓板現場試驗結果見表2，3個水平向測點巖體變形模量和彈性模量值平均值分別為15.28，26.41 GPa，3 個垂直向測點巖體變形模量和彈性模量值平均值分別為15.33，24.59 GPa。

由于受F14斷層、平洞開挖卸荷等因素影響，PD143－1、PD143－3孔鉆孔彈模試驗的巖體模量值明顯偏小，鉆孔彈模測試結果與平洞內大型剛性承壓板試驗結果比較時，不采用 PD143－1，PD143－3孔巖體模量值試驗成果，僅采用PD143－4孔巖體模量值試驗成果。

根據表1，PD143－4孔試驗孔16個測點巖體水平向變形模量和彈性模量值平均值分別為14.54，23.41 GPa，巖體垂直向變形模量和彈性模量值平均值分別為14.73，22.95 GPa。0.50，16.15，18.10 m孔深處3個試驗點的模量值明顯偏小，若將這3個試驗點不統計，巖體水平向變形模量和彈性模量平均值分別為15.79，24.77 GPa;垂直向變形模量和彈性模量15.90，25.84 GPa。

PD143－4孔16個測點巖體水平向、垂直向變形模量和彈性模量平均值與平洞內剛性承壓板變形試驗獲得的水平向、垂直向變形模量和彈性模量平均值的比值分別為0.951，0.886，0.961，0.933;如果去掉PD143－4孔3個偏小值后，13個鉆孔彈模試驗點巖體水平向、垂直向變形模量和彈性模量平均值與平洞內剛性承壓板變形試驗獲得的水平向變形模量和彈性模量平均值的比值分別為1.041，0.978;垂直向變形模量和彈性模量平均值的比值分別為1.030，1.007。

對照試驗成果表明，鉆孔彈模試驗成果與剛性承壓板變形試驗成果具有良好的一致性，表明了鉆孔彈模試驗結果是可靠的。

4.2 左岸ZK413孔試驗成果及分析

ZK413 孔變形模量在4.85 ～17.15 GPa之間，平均值為11.30 GPa，彈性模量在6.53 ～ 29.76 GPa之間，平均值為18.68 GPa(見表3)，沿孔深的分布情況見圖6。

圖6 ZK413孔巖體模量值與孔深的關系圖Fig.6 Relationship between rock modulus and depth of borehole ZK413

在34個測點中變形模量值小于10GPa測點數為9點，其它測點的變形模量值均大于10 GPa。

根據ZK413孔的鉆孔數字電視揭露的試驗部位的巖性來看，巖體的變形模量及彈性模量值的大小與巖體結構本身有直接關系，例如:孔深45.65，82.70，84.65 m測點處巖體有破碎帶，裂隙密集程度及柱狀玄武巖塊狀的大小直接影響巖體的變形模量及彈性模量值。

4.3 左岸PD36平洞試驗成果及分析

PD36平洞試驗斷面試驗成果見表3，根據表3 PD36平洞試驗斷面鉆孔彈模試驗水平向巖體的變形模量及彈性模量平均值為11.05，17.66 GPa;垂直向巖體變形模量及彈性模量平均值為8.21，14.37 GPa。水平向的變形模量和彈性模量平均值與垂直向變形模量及彈性模量平均值比值為1.35，1.23。

分析結果表明:PD36平洞試驗斷面柱狀節理玄武巖存在各向異性，其水平向變形模量及彈性模量值比垂直向變形模量及彈性模量值大。

4.4 右岸PD37平洞試驗成果及分析

PD37平洞試驗斷面試驗成果見表4，根據表4 PD37平洞試驗斷面鉆孔彈模試驗水平向巖體的變形模量及彈性模量平均值為13.415，20.50 GPa;垂直向變形模量及彈性模量平均值為11.95，19.05 GPa。水平向的變形模量和彈性模量平均值與垂直向變形模量及彈性模量平均值比值分別為1.12，1.08。

以上分析表明:PD37平洞試驗斷面巖層存在各向異性，其水平向變形模量及彈性模量平均值比垂直向變形模量及彈性模量平均值大。

4.5 左、右岸柱狀節理玄武巖試驗成果的比較及分析

左岸PD36平洞試驗斷面鉆孔彈模試驗水平向巖體的變形模量及彈性模量平均值為11.05，17.66 GPa;垂直向巖體變形模量及彈性模量平均值為8.21，14.37 GPa。

右岸PD37平洞試驗斷面鉆孔彈模試驗水平向巖體的變形模量及彈性模量平均值為13.415，20.50 GPa;垂直向變形模量及彈性模量平均值為11.95，19.05 GPa。

左、右岸柱狀節理玄武巖水平向巖體的變形模量及彈性模量的比值分別為0.82，0.86;垂直向巖體的變形模量及彈性模量的比值分別為0.69，0.75。

表明右岸柱狀節理玄武巖質量整體性比左岸柱狀節理玄武巖質量整體性好。

左、右岸巖體水平向的變形模量和彈性模量平均值與垂直向變形模量及彈性模量平均值比值分別為:1.35，1.23和1.12，1.08。左岸的比值明顯比右岸的值大，這表明左岸柱狀節理玄武巖各向異性比右岸柱狀節理玄武巖各向異性明顯。

4.6 地應力對巖體變形模量試驗結果的影響

根據文獻［1］在壩址區兩岸采用水壓致裂法和應力解除法進行了地應力測量，左岸第一主應力平均值為15.6 MPa，右岸第一主應力平均值為21.8 MPa，方向均為NEE為主，傾角近水平。左右岸第一主應力的比值為0.716。

左岸PD36平洞和右岸PD37平洞水平孔水平向的變形模量加載方向接近地應力第一主應力的方向，為排除爆破等因素的影響，對水平向鉆孔深度超過4m的測點的變形模量值進行統計，左岸PD36平洞滿足條件水平向變形模量值有14個測點，平均值為8.02 GPa，右岸PD37平洞滿足條件水平向變形模量值有15個測點，平均值為11.23 GPa，左右岸變形模量的比值為0.714。

左右岸第一主應力的比值及左右岸巖體的水平向變形模量的比值較為接近，這表明了地應力的大小，對白鶴灘電站柱狀節理玄武巖變形模量量值大小有直接的影響。

4.7 巖體卸荷對巖體變形模量試驗結果的影響

ZK413試驗孔布置在左岸岸坡，PD36－1試驗孔布置在左岸距岸坡約50m，ZK121試驗孔布置在右岸距岸坡約30 m。3個鉛直試驗孔的所處位置均處在岸坡卸荷帶內。為了真實反映柱狀節理玄武巖的變形模量值，剔除因層間錯動帶等地質因素的影響明顯偏小的變形模量值，對3個鉆孔的變形模量值進行統計，各試驗鉆孔變形模量值的統計個數分別為27，21，24個，變形模量值的平均值分別為12.45，16.40，15.91 GPa。巖體變形模量值隨距岸坡距離的增加，其變形模量值是增加的。

5 結論

根據白鶴灘水電站鉆孔彈模試驗成果的分析，可以得出以下結論:

(1)PD143平洞對照組試驗結果表明，鉆孔彈模的試驗結果與現場剛性承壓板試驗結果具有較好的一致性，鉆孔彈模試驗結果是可靠的;

(2)白鶴灘水電站壩址區柱狀節理玄武巖水平向變形模量明顯大于鉛直向變形模量，表現出變形性能明顯的各向異性。

(3)兩岸柱狀節理玄武巖的變形模量除了受地質因素影響外，還受地應力因素的影響。

(4)柱狀節理玄武巖的變形模量值也受岸坡卸荷的影響，距岸坡越近的測試孔，其變形模量值越小，反之越大。

(5)左岸PD36，ZK143弱下柱狀節理玄武巖水平向加載變形模量和彈性模量平均值為11.16，18.07 GPa;鉛直向加載變形模量和彈性模量平均值8.21，14.37 GPa。弱下柱狀節理玄武巖水平向變形模量值和彈性模量值與垂直向變形模量值和彈性模量值的比值分別1.36，1.26，巖體有各向異性，水平向模量值大于垂直向模量值。

(6)右岸PD37弱下巖體水平加載變形模量和彈性模量平均值為13.41，20.50 GPa，鉛直加載變形模量和彈性模量平均值11.95，19.05 GPa。弱下巖體水平向變形模量值和彈性模量值與垂直向變形模量值和彈性模量值的比值分別為1.12，1.08，巖體有各向異性，但不明顯，水平向模量值略大于垂直向模量值。

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