金沙江白鶴灘水電站巖體變形特性動靜對比研究

黃火林 李廣場 徐福斌

金沙江白鶴灘水電站巖體變形特性動靜對比研究

黃火林 李廣場 徐福斌

（浙江華東工程安全技術有限公司 浙江杭州 310014）

大型水電工程研究巖體變形特性的動靜對比關系具有重要的意義，其成果可為了解工程巖體特性、巖體質量分級、穩定性評價、變模分區、建基面施工驗收提供技術支撐。本文基于白鶴灘水電站可研階段的巖體動靜參數測試成果，分析測試成果的規律性，結合白鶴灘巖體的巖性多樣性、各向異性、非均質性等特征，選擇具有地質代表性的試驗點進行動靜對比關系式擬合，建立了地震波速度、聲波速度與巖體變形模量之間的關系，并通過分析論證，推薦使用聲波速度與巖體變形模量的動靜對比關系式。

白鶴灘水電站 動靜對比 變形特性 變形模量 波速

前言

金沙江白鶴灘水電站位于金沙江下游河段，壩址左岸屬四川省寧南縣跑馬鄉，右岸屬云南省巧家縣交界大寨鎮。白鶴灘水電站是我國繼三峽、溪洛渡之后又一座千萬千瓦級的水電站。

巖體變形特性的動靜對比關系式研究對大型水電工程具有重要的意義，其成果可為了解工程巖體特性、巖體質量分級、穩定性評價、變模分區、建基面施工驗收等提供技術支撐。國內各大中型水電站都開展了動靜對比研究工作，如三峽、溪洛渡、二灘、錦屏等。白鶴灘作為國內又一座大型水電站，開展動靜對比研究具有重要性和必要性。

國外在20世紀30年代開始了巖體動靜關系的研究工作，國內從20世紀80年代開始研究工作。李澤、錢世龍從彈性理論出發，提出動、靜彈模在本質上是一致的，兩者所存在的差異是由于動力法和靜力法本身技術條件（或手段）造成的，對比是有條件的，動靜彈模測試方法各有優勢。沙椿通過靜動對比，分別建立變形模量與聲波和地震波速度的相關規律，并將大量的彈性波測試成果轉換為變形模量，為壩基巖體質量分級、穩定性評價及變模分區、應力分析提供了實用指標。李維樹對三峽壩區巖體及烏江構皮灘水電站分別進行了動力法和靜力法的試驗數據研究，建立壩區變形特性的動靜對比相關式。全海通過對巖體變形模量與原位縱波波速的研究，結合工程實例，建立了該工程巖體變形模量與聲速的相關關系。胡國忠、王宏圖以川東北飛仙關組的儲層和致密層巖石為研究對象，建立不同巖性的巖石的動彈性模量和靜彈性模量的相關關系。李偉、田連義分別對小灣水電站壩址區巖體的動靜彈模進行對比分析研究，通過動靜對比關系將巖體彈性波測試的速度空間分布規律轉換為變形模量分區，也為工程設計及壩基巖體質量提供科學依據。

從國內動靜對比研究成果來看，各水電工程所采用的動靜對比關系式各異，這也體現了各水電站地質條件的差異性以及動靜對比研究的復雜性。本文基于白鶴灘水電站可研階段的巖體動靜參數測試成果，分析測試成果的規律性，結合白鶴灘巖體的巖性多樣性、各向異性、非均質性等特征，選擇具有地質代表性的試驗點進行動靜對比關系式擬合，建立了地震波速度、聲波速度與巖體變形模量之間的關系，并通過分析論證，推薦使用聲波速度與巖體變形模量的動靜對比關系式。

1 測試方法

1.1巖體變形試驗

巖體變形試驗采用剛性承壓板法，同時在試點周邊鉆取4～8個聲波孔，進行聲波測試。

巖體變形模量或者彈性模量按公式（1）計算，當以全變形W0代入式中計算時為變形模量E0；當以彈性變形We代入式中計算時為彈性模量Ee。

式中：W為巖體表面變形；P為按承壓面單位面積計算的壓力；D為承壓板直徑；μ泊松比。

1.2彈性波測試

針對變形試驗點巖體開展了聲波和地震波測試，測試方法和資料整理如下。

1.2.1 聲波測試

變形試驗點巖體聲波速度測試采用RS-ST01C智能型聲波儀。本次采用單孔聲波測試法，聲波速度的計算公式如下：

式中：t1，t2分別為同一激發信號的相同相位在兩個接收換能器的接收時間；Δt為二者時間差；L為兩個接收換能器的間距；Vp為聲波速度。

1.2.2 地震波測試

平洞洞壁巖體和變形試驗點巖體地震波測試使用美國公司制造的SE12型智能地震儀及其配套設備。

變形試驗點巖體地震波測試時，檢波器以變形試驗點為中心兩邊展開布置，對于平洞洞壁巖體檢波器沿洞壁呈直線布置。采用相遇觀測系統，以錘擊作震源，道間距為0.5～1m，地震波測試使用同一儀器和檢波器，每次測試時使用同一采集參數。

從地震波原始記錄上讀取縱、橫波旅行時，然后求取θ（x）曲線，利用下式計算波速：

式中：v為地震波速度；△s為θ(x)曲線的距離差。

2 測試成果

預可至可研階段白鶴灘壩區共完成162點玄武巖剛性承壓板試驗，其中134個變形試驗點進行了波速測試，并取得有效數據；試驗壓力為水平向試驗點計73點，壓力為鉛直向試驗點計61點。根據變形試驗成果對各巖性變模進行統計，結果見表1。

從統計成果可知：

（1）同巖性巖體，隨著巖體類別的提高，其變模和波速增高。

（2）對比同類別巖體的變模，隱晶質玄武巖、杏仁狀玄武巖和角礫熔巖間差異較小，將它們歸并為同一類巖體，統稱為非柱狀節理玄武巖。除Ⅲ2巖體外，大部分同類別柱狀節理玄武巖的變模與非柱狀節理玄武巖相當，但波速高于非柱狀節理玄武巖。

（3）對具有統計意義的巖體類別（至少有3點）而言，大部分同類巖體壓力水平向變模高于鉛直向，說明巖體具有各向異性特征。

3 動靜對比分析

從第2節的分析可知，柱狀節理玄武巖與非柱狀節理玄武巖動靜參數之間存在差異，因此在分析中將二者分別進行動靜參數關系擬合。考慮試驗點的地質代表性、匹配性、規律性等因素，剔除了部分試驗點數據。

3.1地震波速度與變模相關性

地震波只進行水平向測試，分別對柱狀節理玄武巖與非柱狀節理玄武巖體的地震波速度與變模之間進行動靜對比關系曲線擬合，關系式分別為E0=7.9366·Vp0.4709和E0=1.4399Vp1.6968，其相關系數分別為0.24和0.53。可見地震波速度與變形模量之間相關度低。

3.2聲波速度與變模相關性

對134個剛性承壓板變形試驗點的巖體測得了聲波速度，其中試驗壓力水平向試驗點為73點，壓力鉛直向試驗點為61點，根據上文所述，將其分為柱狀節理玄武巖巖體與非柱狀節理玄武巖巖體，并考慮水平向與鉛直向變形模量的差異，再分壓力方向進行聲波速度與變形模量的關系擬合。

表1 剛性承壓板變形試驗成果統計一覽表

3.2.1 柱狀節理玄武巖

柱狀節理玄武巖體聲波速度和變形模量關系擬合中，水平向采用了23組數據，鉛直向采用了14組數據，其擬合關系式分別為E0=0.0264e1.2232Vp和E0=0.1075e0.9337Vp，其相關系數分別為0.96和0.84。由此可知，柱狀節理玄武巖體的水平向變模和鉛直向變模與聲波速度相關度高。因此，考慮將其二者進行歸并擬合，擬合曲線關系式為E0=0.0344e1.1667Vp，柱狀節理玄武巖體水平向和鉛直向動靜參數進行歸并擬合后，相關度高，相關系數達到0.94。

3.2.2 非柱狀節理玄武巖

非柱狀節理玄武巖體聲波速度和變形模量關系擬合中，水平向采用了31組數據，鉛直向采用了23組數據，其擬合關系式分別為E0=0.0474e1.2191Vp和E0=0.6214e0.6928Vp，相關系數分別為0.90和0.54。

由以上分析可知，對非柱狀節理玄武巖體而言，水平向變模與聲波速度相關度高，相關系數為0.90，而鉛直向變模與聲波速度相關程度則要低，相關系數僅有0.54。

4 動靜對比關系式論證與推薦

前述章節建立了各巖性巖體地震波、聲波與模量的相關關系，各動靜對比關系式是否符合實際需要進一步分析和論證。動靜對比關系式擬從以下兩個方面進行評價：

（1）相關系數。相關系數表征兩個變量的相關程度，相關系數越大，表明兩變量的相關性越好，通常相關系數大于0.8時認為兩變量的相關性較好。由于白鶴灘壩區地質條件的復雜性，相關系數按表2的標準評價動靜對比關系式的相關程度。

（2）相關資料論證。以波速標準值驗算模量，將其與變模標準值進行對比，分析動靜對比關系式的合理性和適用性。

表2 動靜對比關系式相關程度評價表

4.1地震波速度與變形模量

各巖性巖體剛性承壓板模量和地震波速度的動靜對比關系式匯總見表3。

表3 動靜對比相關性一覽表

從表3中可知，巖體地震波速度與變形模量擬合關系式的相關系數均小于0.6，相關性差，不予采用該動靜對比關系式。

4.2聲波速度與變形模量

各巖性巖體剛性承壓板模量和聲波速度的動靜對比關系式匯總見表4。以下分別對柱狀節理玄武巖和非柱狀節理玄武巖的動靜對比關系式進行分析與評價。

4.2.1 柱狀節理玄武巖

從表4可知，柱狀節理玄武巖壓力水平向、鉛直向和綜合水平鉛直方向的動靜對比關系式均為指數函數，相關系數均大于0.8，相關性較好至好。

表4 動靜對比相關性一覽表

根據Vp～E0關系計算出各類柱狀節理玄武巖波速標準值所對應的變模，計算值與變模標準值對比見表5。

由表5可知：（1）根據水平向、鉛直向和綜合Vp～E0關系式計算的各類巖體變模相近；（2）依據Vp～E0關系式計算的各類巖體變模與水平向變模標準值相近，大于鉛直向標準值。

表5 柱狀節理玄武巖各類變模對比一覽表

變形模量標準值的水平向和鉛直向存在差異，這是由于層間、層內錯動帶影響以及巖體松弛程度不同所造成的，而從聲波速度測試成果來看，聲波并不具有各向異性特征，因此通過Vp～E0關系式所得的水平向與鉛直向變模相近，這也論證了成果的合理性。

4.2.2 非柱狀節理玄武巖

非柱狀節理玄武巖Vp～E0關系均為指數函數，壓力水平向的Vp～E0相關系數為0.9，相關性好。鉛直向和綜合向的Vp～E0相關系數范圍為0.54～0.76，相關性差到一般。

根據Vp～E0關系計算各類非柱狀節理玄武巖波速標準值所對應的變模，計算結果與變模標準值對比見表6。

表6 非柱狀節理玄武巖各類變模對比一覽表

從表6中可知：

（1）除Ⅳ類巖體外，根據水平向、鉛直向和綜合Vp～E0關系式計算的各類巖體變模相近；

（2）依據Vp～E0關系式計算的各類巖體變模與水平向變模標準值相近，鉛直向計算成果則大部分大于變模標準值。

4.3動靜對比關系式推薦

基于本文提出的兩個標準，上述分別對柱狀節理玄武巖與非柱狀節理玄武巖進行動靜對比關系式論證分析。從論證成果可知，柱狀節理玄武巖體水平向與鉛直向動靜對比關系式皆合理，且二者較為相近，因此推薦綜合Vp～E0關系式；對非柱狀節理玄武巖體而言，水平向Vp～E0關系式相關性好，且成果合理，而鉛直向Vp～E0關系式則相關性差，且與相應的變模標準值之間存在差異，因此推薦水平向Vp～E0關系式，考慮到波速無各向異性特征，水平向與鉛直向推薦同一個關系式。推薦的Vp～E0關系式見表7。

表7 推薦的動靜對比關系式匯總表

5 結論

（1）基于白鶴灘巖體彈性波和變形特性，將隱晶質玄武巖、杏仁狀玄武巖和角礫熔巖歸并為非柱狀節理玄武巖，動靜對比關系按柱狀節理玄武巖和非柱狀節理玄武巖分別建立。

（2）各巖性巖體地震波速度與變模、靜彈模的相關性差，無法建立相關性較高的動靜對比關系式，主要原因為變形試驗和地震波測試反映的巖體不一致。

（3）柱狀節理玄武巖剛性承壓板水平向、鉛直向、綜合水平鉛直向動靜對比關系式相近，均呈指數函數，相關程度較高，且與相應的變模標準值接近。推薦剛性承壓板綜合Vp～E0關系式作為動靜對比關系式。

（4）非柱狀節理玄武巖各模量和聲波速度呈指數相關，水平向的Vp～E0關系相關度高，鉛直向Vp～E0關系相關度低，故推薦剛性承壓板水平向Vp～E0關系式作為非柱狀節理玄武巖的動靜對比關系式。

（5）推薦的各動靜對比關系式依據可行性研究階段的測試資料，隨著工作的深入和資料的補充，動靜對比關系式需進一步驗證與完善。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.027

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1672-2469（2014）02-0098-05

黃火林（1982年- ），男，工程師。