某水電站圍巖彈性抗力系數試驗研究

馬 鵬 盧 泳 陳文華 沈亞興

某水電站圍巖彈性抗力系數試驗研究

馬 鵬 盧 泳 陳文華 沈亞興

（浙江華東工程安全技術有限公司 浙江杭州 310014）

巖體彈性抗力系數試驗一般在可研階段進行，難度大、測試周期長、費用高。并需開挖試驗洞，在技施階段已難以進行。為了滿足設計要求，查閱相關文獻和資料后，在該工程高壓管道上、下平段洞內進行了“長條荷載板法”圍巖彈性抗力系數試驗研究。試驗結果表明該方法可靠實用，為有壓隧洞確定合理的k0提供了實用的方法。

單位彈性抗力系數k0長條載荷板法 變形模量

引言

某水電站在技施階段由于特殊原因，將更改高壓管道的襯砌型式。為選擇合理的襯砌厚度，設計迫切需要知道圍巖的彈性抗力系數。規范規定的水壓法或徑向液枕壓法測巖體彈性抗力系數一般在可研階段進行，試驗難度大、測試周期長、費用高。并需開挖試驗洞，在技施階段已難以進行。為了滿足設計要求，在該工程高壓管道上、平段洞內進行了“長條載荷板法”圍巖彈性抗力系數試驗研究。

1 試驗布置及試驗方法

1.1試驗布置

高壓管道洞高為8.70～8.10m，洞向N25° W，部分段為N58°W。在高壓管道下平段圍巖中布置9點，上平段圍巖中布置2點，共計11點。具體試驗位置由現場地質人員和試驗人員共同確定。

高壓管道上平段試驗點的巖性主要為三迭系上統監塘組的灰白色厚層粗晶大理巖（T2y5-2），巖層產狀為：N5～20°E，NW∠75～83°，微風化，巖體完整。

高壓管道下平段試驗點的巖性主要為三迭系上統監塘組的灰黑色中層～中厚層細晶大理巖（T2y5-1），巖層產狀為：SN～N25°E/NW∠85°～⊥。監塘組灰黑色細晶大理巖屬該電站廠房部位圍巖完整性較好巖層，巖性單一，大部呈微風化，沿節理和破碎帶見有弱風化。

1.2試驗方法

沿高壓管道軸線底板巖體上，人工開挖寬0.8m的水平條帶，并用砂輪磨平。采用5或6個尺寸性能相近的液壓枕沿支洞軸線底板長條排列，液壓鋼枕尺寸為40cm×40cm。用水泥漿將液壓枕貼于巖石面上，鋼枕之間間距7cm，并用高壓油管連通，鋼枕上面用千斤頂同時加載。該法是將加荷面積增大，使長寬比達到5以上，這樣就可當作彈性理論的平面變形問題來看待，因而與拉梅厚壁圓筒公式條件相近。

由于現場高壓管道洞高達8.70～8.10m，反力系統采用錨桿加鋼梁組成。

測量系統采用在每個鋼枕之間的巖體上安裝位移表，測量不同部位巖體的沉降變形；位移表采用大量程的千分表，用磁性表座固定在基準梁上，基準梁采用具有足夠剛度和長度的工字鋼。試驗方法及設備安裝如圖1所示。

試驗采用逐級一次循環法加壓，最大壓力4.5MPa（管道內水壓力的1.5倍），分5級施加。緩慢地進行加壓，當所有壓力表同時達到預定壓力后應立即讀數，以后每隔15min鐘讀數一次，當所有測表相鄰兩次讀數差與同級壓力下第一次變形讀數和前一級壓力下最后一次變形讀數差之比小于5%時，可認為變形穩定，并進行加壓或退壓。每次加壓或退壓穩定時間不宜少于1h。圍巖單位彈性抗力系數k0按拉梅厚壁圓筒公式計算，即：

式中：k0為單位彈性抗力系數，MPa/cm；R為高壓管道半徑，m；b為柔性枕寬，m；P為試驗壓力，MPa；△R為巖體表面變形，m。

2 試驗成果及分析

2.1巖體沉降變化規律

該工程不同壓力下典型的沉降變形曲線主要有2種曲線類型。第一種曲線類型對應于大致均勻的堅硬-半堅硬巖體，中間4個測點的沉降量基本接近，見圖2。第2種曲線對應于結構面發育，較破碎巖體，其沉降不均勻，且隨著荷載的增加，沉降不均勻性表現得更顯著，見圖3。

2.2巖體單位彈性抗力系數

各測點巖體單位彈性抗力系數取中間4～5個測點的平均沉降量，按式（1）進行計算，試驗成果見表1。

圖1 柔性條形載荷板法試驗安裝示意圖

圖2 柔性條形荷載板法試驗典型沉降曲線圖

圖3 柔性條形荷載板法試驗典型沉降曲線圖

2.3巖體單位彈性抗力系數與完整性的關系

從表1可以看出，巖體單位彈性抗力系數值的大小和巖體的巖性及完整程度有關。上平段2個試驗點巖性為厚層粗晶大理巖（T2y5-2），微風化，巖體完整；下平段9個試驗點巖性均為灰黑色中層-中厚層細晶大理巖（T2y5-1），微風化，巖體較完整-破碎，部分試驗面以下發育有緩傾角結構面。試驗面與巖層層面近垂直。

（1）SP6-1和SP6-2試驗點巖體完整，巖體單位彈性抗力系數值在487.6～581.9MPa/cm之間，平均值為539.9MPa/cm；

（2）XP2-1、XP2-2、XP2-3和XP5-1試驗點巖體較完整，巖體單位彈性抗力系數值在29.1～203.8MPa/cm之間，平均值為62.6MPa/cm；

（3）XP4-1、XP7-1和XP8-1試驗點巖體較破碎，巖體單位彈性抗力系數值在11.0～55.1 MPa/cm之間，平均值為23.7MPa/c；

（4）XP5-2和XP8-2試驗點巖體破碎，巖體單位彈性抗力系數值在3.5～6.1MPa/cm之間，平均值為4.6MPa/cm。

試驗成果表明：巖體的完整性越好，巖體單位彈性抗力系數值越高，反之，巖體的完整性越差，巖體單位彈性抗力系數值越低。

2.4與剛性承壓板試驗結果的對比

在可研階段，我們在該工程廠房探洞內采用剛性承壓板法進行了巖體變形試驗，探洞洞徑3m×3m，承壓板面積800cm2，試驗最大壓力為48MPa，分6、12、24、36、48MPa五級施加，部分相同巖層的試驗成果見表2。

表1 巖體抗力系數試驗成果匯總表

表2 剛性承壓板法巖體變形試驗成果表

圍巖單位彈性抗力系數可間接按下式計算：

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.023

TV221.2

B

1672-2469（2014）02-0081-03

馬鵬（1962年- ），男，教授級高級工程師。