露天表面巖體質(zhì)量現(xiàn)場原位測試設備研制及其應用

費大軍，戴祺云，夏驪娜

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院 科學研究所，四川 成都 610072)

1 前 言

傳統(tǒng)經(jīng)驗認為，高拱壩的建基面往往必須為新鮮完整巖體，然而工程施工實踐表明，新鮮完整巖體的建基面埋深大、地應力水平較高，開挖容易產(chǎn)生卸荷松弛，巖體質(zhì)量及完整性急劇降低，反而不能滿足建基面巖體質(zhì)量要求[1-2]。因此，建基面的選擇應充分考慮開挖卸荷松弛的影響，作好建基面巖體開挖卸荷松弛后的模量預測。

在錦屏一級水電站招標以前圍繞壩基巖體力學參數(shù)曾開展過大量的勘測試驗研究，獲得了一套較為合理可靠的壩基巖體力學參數(shù)。這套參數(shù)為壩區(qū)工程巖體力學參數(shù)的取值提供了重要基礎和依據(jù)。隨著建基面巖體開挖，所揭露的巖體工程地質(zhì)特征及性狀是較為復雜的，在建基面穩(wěn)定性分析及工程設計中，顯然不能直接套用這套參數(shù)。建基面巖體開挖后，雖然存在應力分異，但主要特征是卸載。已有研究表明，卸載使巖體松弛進而使其力學特性發(fā)生改變，而且卸載條件下巖體力學特性也迥異于加載條件下的巖體力學特性[3-9]。

為滿足錦屏一級水電站左、右岸壩基建基面巖體質(zhì)量分級分區(qū)和地質(zhì)缺陷的準確評價需要，以及合理評價混凝土墊座的建基面巖體質(zhì)量，在開挖建基面上開展露天現(xiàn)場承壓板變形試驗及配套聲波測試，建立E0～Vp關系，并及時反饋給設計，是非常必要的。

2 常用檢測方式簡介

承壓板法巖體變形試驗分為剛性承壓板法和柔性承壓板法。這是一種通過剛性或柔性承壓板施力于半無限空間巖體表面，測量巖體表面變形，并按均勻、連續(xù)、各向同性的半無限彈性體表面受局部載荷的布西涅斯克公式計算巖體變形性質(zhì)指標的方法。

在水電水利工程中多采用剛性承壓板法，常規(guī)方法是在專門的勘探平洞、工程灌漿平洞、排水平洞內(nèi)進行。在經(jīng)選擇具代表性的巖面上清除爆破松動巖石后加工試點，然后粘貼承壓板，待養(yǎng)護期滿后進行試驗。專門的勘探平洞、工程灌漿平洞、排水平洞必須有足夠的水平和垂直的承載巖體。每組試驗從試驗點位的布置、試驗支洞的開挖、試驗點的加工及粘貼養(yǎng)護，最后試驗完成需要近一個月的周期，而在在建工程的工期要求中是不可能的。

有的工程采用在巖體上鉆孔，在孔內(nèi)加螺紋鋼筋抗力拉桿，用高標號混凝土將螺紋鋼筋抗力拉桿澆注在巖體孔中，待混凝土固化增強(時間28～30天)后，再安裝試驗設備，施加載荷并測定巖體之變形。此方法試驗周期長，在在建工程的工期中，也不能滿足現(xiàn)場巖體質(zhì)量快速檢測之要求。

建基面承壓板試驗檢測是在開挖建基面上進行，與常規(guī)在專門的勘探平洞、工程灌漿平洞、排水平洞內(nèi)進行的試驗檢測原理和反力條件、使用設備、安裝工序、工作場地等均發(fā)生大的變化。因此，為滿

足現(xiàn)場生產(chǎn)檢測的技術和工期要求，改變其缺點，采用新的錨固方式，即在巖體上鉆孔形成錨拉孔，但不用澆混凝土從而縮短了試驗檢測周期。

3 試驗設備及試驗過程

3.1 設備研制

為滿足工程要求，采用新的錨固方式，研制出巖體變形快速檢測儀(YBKC-70)，以縮短試驗檢測周期，不影響整個工程施工進度。

巖體變形快速檢測儀主要根據(jù)膨脹螺栓原理設計，儀器設備主要包括承載工字鋼橫梁、錨拉桿、膨脹螺栓、螺母、錐套、錐體、支承套、承力板、過渡板等。其設計示意圖見圖1、2。

試驗前先在巖體上加工一個反力錨拉孔，加工完成后的錨拉孔直徑為60～63mm。將螺桿、螺母、傳力套、上錐體、錐套、下錐體按圖2所示裝配。將裝配完成后的螺桿插入巖體錨拉孔中，轉動螺母使螺桿上升，下錐體部壓入錐套下端，使其擴張壓緊巖體；同時傳力套壓下上錐體，錐套上端楔入巖體，使巖體與錐套在兩個部位都被錨住。加力越大，錐套擴張越大，對巖體的錨固力也越大。若巖體較破碎時，可再加錐體和錐套，增加錨固點，從而增大錨固力。YBKC-70設備最大錨固承載力可達到70t。

圖1 巖體應變快速檢測儀(YBKC-70)

圖2 快速錨緊局部示意

3.2 設備安裝

在試點中心點兩側0.8m處各造一個φ60mm反力錨拉孔，兩孔與試點中心線成一直線。試點中心至兩側錨拉孔間距離，應大于承壓板直徑的2.0倍。

在試驗點，施力方向應垂直于建基面。反力裝置安裝非常艱難，必須搭建通道，用人力把試驗設備(反力錨固頭、錨固壓緊鋼套、錨固反力錨拉鋼螺桿、反力橫梁、反力壓緊螺栓及專門的安裝調(diào)試對中承重架等)運輸至試驗檢測點位(試驗平臺)。首先將反力錨固頭上端安裝在錨固反力錨拉鋼螺桿上，再將錨固壓緊鋼套裝入，然后用反力錨固頭下端將其固定在錨固反力錨拉鋼螺桿上；其次將附有反力錨固頭上、下端及其錨固壓緊鋼套的錨固反力錨拉鋼螺桿放入位于試驗點位的中心左右1m的兩個對稱反力孔內(nèi)，再將專門的安裝調(diào)試對中承重架放其末端對其起支撐作用，將反力橫梁兩端分別套入錨固反力錨拉鋼螺桿上；最后利用反力壓緊螺栓分別將反力橫梁的左右兩端壓緊、調(diào)平并將其固定。采用膨脹螺栓原理，轉動主錨桿上螺母通過支承套將錐體(二件)壓入錐套之中，使錐套膨脹，壓緊巖體孔壁(錐套端也可能切入巖體)。錐體壓入錐套距離越長，錐套與巖體之結合力也越大。試驗裝置見圖3。

3.3 試驗步驟

試驗按DL/T5368-2007《水電水利工程巖石試驗規(guī)程》進行。

(1)按現(xiàn)行規(guī)程要求進行試點加工，加工時應控制邊界條件、試點面平整度及爆破松動影響巖體的清除深度，試點加工完畢，實施技術驗收和地質(zhì)素描。

圖3 大壩建基面承壓板法試驗照片

(2)施加載荷的加壓、傳力系統(tǒng)安裝不偏心，受力中心線通過試點中心；試驗步驟、時間控制按規(guī)程規(guī)定進行，并實行中間檢查。

(3)加壓。按設計壓力的1.2倍確定最大試驗壓力。根據(jù)千斤頂?shù)穆识ㄇ€及承壓板面積計算出施加壓力與壓力表讀數(shù)關系的加壓歷程表。測讀各測表的初始讀數(shù)，加壓前每10min讀數(shù)一次，連續(xù)三次讀數(shù)不變，即可開始試驗。將確定的最大壓力分為5級并分級施加壓力；加壓方式采用逐級一次循環(huán)加壓法，必要時可采用逐級多次循環(huán)法。

(5)記錄。在試驗過程中，應認真填寫試驗記錄表格并觀察試點變形破壞情況，最好是邊讀數(shù)、邊記錄、邊點繪承壓板上代表性測表的壓力～變形關系曲線，發(fā)現(xiàn)問題及時糾正處理。

(6)試驗設備拆卸。試驗完畢后，應及時拆除試驗裝置，其步驟與安裝步驟相反。

采用新研制的YBKC-70巖體應變快速檢測儀，從試驗點的布置、加工、鉆孔及試驗結束，僅需要6天左右的時間，試驗檢測周期縮短，也不影響整個工程施工進度，從而達到了快速檢測的目的。

4 工程應用成果及分析

為了實現(xiàn)對壩基巖體質(zhì)量的定量評價，在錦屏一級大壩建基面系統(tǒng)地布置了聲波測試及承載板試驗，試驗隨梯段開挖同步進行，承載板規(guī)格為φ40cm圓形板。在承載板試驗點還配套布置了聲波測試，以便復核Vcp～E0對應關系。

根據(jù)現(xiàn)場試驗實測的變形資料，繪制壓力～變形關系曲線，并分析巖體變形性質(zhì)、特征，依據(jù)彈性理論，按半無限空間彈性體公式計算巖體變形(彈性)模量。建立的Vcp～E0對應關系見圖4、5。

4.1 對比分析

4.1.1 承載板變模(E050)與對穿聲波(Vcp)的關系

在錦屏一級水電站勘測階段，共完成97點巖體變形試驗(φ50cm)，對經(jīng)過分析篩選出的84點建立了如下E050～Vcp關系(可研關系)：

(相關系數(shù)r=0.91)

在施工詳圖階段，為了驗證上述關系，又利用灌排洞布置并實施了承壓板試驗(φ50cm)12點，其中，有Vcp數(shù)據(jù)的有8點。利用地質(zhì)編錄、照片，對每一測試數(shù)據(jù)逐一復核，共篩選出7個數(shù)據(jù)對。將這7個數(shù)據(jù)對與可研的84個數(shù)據(jù)對繪制在一起得到圖5。

可以看出，施工詳圖階段數(shù)據(jù)點基本落于可研數(shù)據(jù)點所形成的帶狀區(qū)域。一并進行回歸得到如下關系式(詳圖關系)：

(相關系數(shù)為r=0.906)

利用詳圖關系進行變模預測并與可研關系相比，偏差一般在5%以內(nèi)(見表1)。

表1 詳圖關系與可研關系對比

4.1.2 承壓板變模(E040)與對穿聲波(Vcp)關系

在施工詳圖階段完成的77點壩面承載板試驗(E040)中，成功獲取Vcp數(shù)據(jù)的有49個。經(jīng)過逐一核對，并舍去離散性大的數(shù)據(jù)點，共獲得38個數(shù)據(jù)對(見圖4)。對E040～Vcp采用下式進行回歸：

圖4 可研+施工詳圖階段E050～Vcp關系

圖5 壩面E040～Vcp散點圖(施工詳圖階段)

(相關系數(shù)為r=0.79)

與可研的E050～Vcp曲線相比有一定的偏差。雖然巖體松弛可能使變模、聲波均降低，但松弛不會改變巖體變模～聲波相關關系的趨勢。

4.1.3 承壓板變模的預測

根據(jù)上述E040～Vcp關系，結合可研E050～Vcp關系，進行模量預測和兩者關系的比較(見表2)。

即

E050/E040=1.25～1.40

表2 E050(平洞內(nèi))～E040(建基面)關系

5 結 論

(1)建基面開挖導致巖體松弛，巖體變模、聲波均有所降低，降低幅度為25%～40%，但松弛改變不了巖體變模～聲波相關關系的趨勢，其規(guī)律性較好。

(2)利用巖體變模～聲波的關系，可以預測建基面巖體開挖后變形模量，從而指導設計、施工。

(3)通過巖石應變快速檢測儀(YBKC-70)的研制和成功應用，說明其完全可推廣用于其它工程的建基面(已在大崗山、官地電站建基面成功應用)、邊坡的施工開挖質(zhì)量檢測中，同時也可以應用于露天低應力下的強度剪切試驗中。

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