壩基巖體卸荷松弛與澆筑壓密效應研究

陳 冬 梅， 張 平， 易 毅

(1.中冶成都勘察研究總院有限公司，四川 成都 610023；2.四川省能投攀枝花水電開發有限公司，四川 攀枝花 617068； 3.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

在拱壩建設過程中，壩基巖體一般會經歷松弛及壓密兩個過程，壩基巖體松弛主要是受到開挖爆破及卸荷等因素的影響，巖體松弛過程中出現聲波速度降低、裂隙張開度增加及裂隙數量增加等效應；壩基巖體壓密主要是受到混凝土澆筑蓋重增加的影響，巖體壓密過程中表現出聲波速度升高、裂隙張開度減小等效應。

針對壩基巖體松弛及壓密效應常采用長觀孔進行觀測。壩基巖體松弛效應的觀測是在壩基開挖后至固結灌漿前，而壩基巖體壓密效應的觀測則是在固結灌漿至澆筑完成的一段時間內。壩基巖體松弛包括時間效應及空間效應，時間效應反映巖體波速及裂隙開度等隨時間的變化規律，而壓密效應則是反映巖體波速及裂隙開度隨混凝土蓋重增加的變化規律。

筆者利用某水電站壩基巖體在開挖階段獲得的長觀孔觀測數據研究了壩基巖體松弛[1-3]的時間及空間效應，利用該水電站壩基巖體在大壩澆筑期間獲得的長觀孔觀測數據研究了壩基巖體的壓密效應，研究內容見圖1。該水電站壩基巖性主要為澄江期灰白色及微紅色中粒黑云二長花崗巖，局部輝綠巖脈穿插發育。

2 壩基巖體松弛的時間及空間效應

壩基從開挖到混凝土澆筑一般持續時間較長，兩側壩肩高高程壩基巖體開挖到澆筑時間一般長達1～2 a，長時間的卸荷松弛導致巖體的波速及變形模量等各項力學性能指標大幅度降低，為此，某水電站對大壩壩基開挖后的巖體卸荷松弛情況進行了長期觀測，觀測時間最長達到了18個月，左右兩側壩肩巖體卸荷松弛觀測共布置了42個長觀孔，觀測頻率為1～3個月觀測一次。

壩基巖體松弛的時間效應系指巖體從開挖到混凝土澆筑期間巖體松弛隨觀測時間增加而表現出的聲波速度減小、波速衰減率增加、巖體裂隙數量及裂隙張開度增加等一系列效應。

圖1 壩基巖體松弛效應與壓密效應研究內容示意圖

2.1 壩基巖體松弛時間效應的巖體波速衰減率分析

壩基巖體松弛的時間效應主要是巖體波速衰減隨時間的變化規律。隨著時間的增加，波速衰減率呈逐漸增大的趨勢，它是表征巖體波速衰減程度的指標。根據壩基開挖后巖體長觀孔的觀測結果，筆者對42個長觀孔的巖體波速按不同的觀測時間及巖性進行了匯總統計，得到表1。表1為不同巖性不同觀測時間段(30～450 d)巖體波速平均衰減率表。

表1 壩基巖體波速平均衰減率隨觀測時間變化統計表

對表1進行分析得知壩基巖體松弛時間效應特征如下：

(1)隨著時間增加，花崗巖及輝綠巖的巖體波速衰減率均呈逐漸增大的趨勢，在360 d后，花崗巖的波速衰減率為11.11%，輝綠巖的波速衰減率為9.35%，表明花崗巖波速衰減的時間效應略強于輝綠巖。

(2)從巖體波速衰減的速率分析得知，花崗巖的波速衰減速率較為均勻，持續時間較長，1 a以后波速衰減率逐漸減弱；輝綠巖的波速衰減速率呈現出前高后低的趨勢，波速衰減在3個月以后逐漸減弱。

2.2 壩基巖體松弛時間效應的全景圖像分析

鉆孔全景圖像能夠直觀地反映孔內裂隙數量及張開度情況，隨著觀測時間的增加，孔內裂隙數量及張開度隨之增加，圖2～4為Ⅱ類花崗巖、Ⅴ1類花崗巖及Ⅲ1類輝綠巖在不同觀測時間裂隙數量及張開度變化情況的對比。

圖2 Ⅱ類花崗巖卸荷松弛時間效應鉆孔全景圖像特征圖(觀測30、180、360 d)

根據對圖2～4進行分析得知，隨著觀測時間的增加，Ⅱ類花崗巖裂隙的張開度明顯增加，裂隙的數量變化不大，Ⅴ1類花崗巖裂隙的張開度及數量增加不明顯。由此可見，Ⅱ類花崗巖具有較強的時間效應，Ⅴ1類花崗巖時間效應不明顯，可能與該類巖體處于較弱的地應力環境有關。

圖3 Ⅴ1類花崗巖卸荷松弛時間效應鉆孔全景圖像特征圖(觀測30、180、450 d)

圖4 Ⅲ1類輝綠巖卸荷松弛時間效應鉆孔全景圖像特征圖(觀測30、120、210 d)

根據對圖2、4進行分析得知，隨著觀測時間的增加，Ⅲ1類輝綠巖裂隙數量大量增加，較多的隱微裂隙開始顯現，裂隙的寬度增加不是很明顯，可能與輝綠巖“硬、脆、碎”的特點有關。

3 壩基巖體澆筑壓密效應

拱壩混凝土澆筑持續時間較長，一般可達2～3 a甚至更長時間。隨著澆筑時間的延長，大壩混凝土蓋重逐漸增加，壩基巖體在重力作用下逐漸被壓密，該過程伴隨著壩基巖體聲波速度的提高、巖體裂隙張開度減小等效應。目前，國內高拱壩壩基巖體對澆筑壓密效應的系統觀測很少，某水電站因其較為特殊的地質條件，在大壩澆筑過程中對壩基巖體壓密效應進行了系統的長觀孔觀測，最長觀測期長達5 a，其中混凝土澆筑時間約為28個月，混凝土澆筑完成后的觀測時間約為32個月，觀測孔數為40個。

3.1 影響壩基巖體壓密效應的因素

通過對長觀孔取得的觀測數據進行統計與分析得知，巖體波速的提高主要與混凝土蓋重厚度及巖體初始波速大小等影響因素有關。

3.1.1 混凝土蓋重厚度

為了分析混凝土蓋重厚度對巖體波速提高率的影響，筆者對混凝土澆筑期間的長觀孔數據進行了分析，期間觀測的最長時間為2年4個月，筆者利用40個長觀孔的觀測數據、按不同蓋重厚度對巖體波速提高率進行了統計，統計成果見表3。根據表3繪制了長觀期間混凝土蓋重厚度與孔深0～5 m及孔深5 m以下波速提高率關系圖(圖5)。

根據對表2、圖5進行分析得知，在孔深0～5 m段，巖體波速的提高與蓋重厚度相關性很好，蓋重厚度越大，波速提高越高；在孔深5 m以下段，巖體波速提高率與蓋重增加厚度具有一定的相關性，隨著蓋重厚度的增加，波速逐步提高，但與孔深0～5 m段比較，蓋重厚度與波速提高率的相關性略差。由此可見，在大壩澆筑壓密過程中，混凝土蓋重厚度是影響巖體波速提高的核心因素。

圖5 0～5 m及5 m以下巖體平均波速提高率與平均蓋重增加厚度關系圖

3.1.2 巖體初始波速

巖體波速是反映巖體完整性的重要指標，巖體初始波速越高，巖體完整性越好，在混凝土蓋重厚度增加的過程中巖體不容易被壓縮，巖體波速提高較小；反之，巖體初始波速越低，巖體完整性越差，巖體越容易被壓縮，巖體波速提高越大。

表2 大壩混凝土蓋重厚度與波速提高率相關統計表

表3為巖體初始波速與波速提高率相關統計表。筆者對40個長觀孔按巖體初始波速大小分別進行了統計，得到巖體初始波速與波速提高率相關統計表。根據對該表進行分析得知，孔深0～5 m段巖體的初始波速由2 887 m/s增加到4 931 m/s，波速提高率由30.3%降低到7.49%；孔深5 m以下段巖體波速由3 744 m/s增加到4 810 m/s，波速提高率由18.7%降低到8.23%。

表3 巖體初始波速與波速提高率相關統計表

由表3可見，壩基巖體壓密過程中，巖體初始波速是影響波速提高的重要因素。巖體初始波速越高，波速提高率越小；巖體初始波速越低，波速提高率越大。

3.2 壩基巖體澆筑壓密的特性分析

3.2.1 巖體波速提高的滯后性

壩基巖體的壓密需要一個時間的積累才能在巖體波速上反映出來。根據長觀孔檢測成果，為了解巖體波速提高的滯后性，筆者選取了一個典型的長觀孔繪制了混凝土澆筑期間蓋重增加厚度與波速階段提高率的關系圖(圖6)。

圖6 大壩澆筑期間巖體波速階段提高率與混凝土蓋重增加關系圖

根據對圖6進行分析得知：觀測期1 a以內，在79 d、162 d、281 d及330 d四個時間段混凝土蓋重厚度增加達到較高值，而巖體波速提高達到較高值對應的時間則為128 d、233 d、300 d及362 d。由此可見：巖體波速提高較蓋重厚度增加具有一定的滯后性，一般滯后時間為1～3個月，在1 a時間以內，巖體波速的提高主要受大壩混凝土蓋重上升的影響。

觀測期1 a以后，接縫灌漿完成后大壩成為一個整體，混凝土蓋重對壩基巖體的作用力相對分散，蓋重厚度的增加對波速的提高率作用減弱，巖體波速提高主要受大壩混凝土蓋重上升及時間效應的雙重影響。

3.2.2 巖體波速提高的波動性及收斂性

為了解壩基巖體波速提高的波動性及收斂性，需要對整個長觀過程進行分析，根據長觀孔檢測成果，筆者選取了一個典型的孔繪制了混凝土蓋重厚度增加與波速階段提高率的關系圖(圖7)，該長觀孔觀測時間為1 661 d。

如表9所示，在0.01的顯著性水平下，股票價格波動是投資者情緒波動的格蘭杰原因，而投資者情緒波動不是股票價格波動的格蘭杰原因，說明股票價格的變動能夠導致投資者情緒的變動。根據主流經濟學理論，影響企業股價形成和波動大致分為三個方面:其一為企業發展狀況及前景，其二為外部宏觀環境與沖擊，其三為市場情緒與心理。說明企業發展狀況與外部宏觀環境對股價的影響可能更大，這與我國目前股票市場的“政策市”、“消息市”等現狀是吻合的。

圖7 長觀期間巖體波速提高率的波動性及收斂性示意圖

根據對圖7進行分析得知，在大壩澆筑期間(圖中0～800 d)，巖體波速提高具有很強的波動性，波速階段提高率主要受澆筑期間混凝土蓋重上升快慢的影響，在大壩蓄水期間(圖7中850～950 d)，受大壩荷載調整影響，巖體波速階段提高率波動相對較大。大壩蓄水以后(圖7中950 d以后)，由于水位變動幅度較小，巖體波速提高率的波動性減弱，波速提高基本趨于收斂。

3.3 壩基巖體澆筑壓密效應鉆孔全景圖像特征

壩基巖體在固結灌漿完成后，巖體的裂隙大部分被水泥漿充填，裂隙的張開度較小，在混凝土澆筑壓密過程中，長觀孔裂隙的張開度大多存在逐漸減小的趨勢。

圖8為R931N長觀孔17～19 m段花崗巖在蓋重厚度分別為84 m、119 m、136 m時裂隙張開度情況，隨著蓋重厚度的增加，在18 m、18.2 m及18.8～19 m處裂隙張開度逐漸減小，細微裂隙甚至“消失”。

圖9為L979N長觀孔14～16 m段輝綠巖在蓋重厚度分別為1.5 m、156 m時的裂隙張開度情況，隨著蓋重厚度的增加，裂隙張開度逐漸減小，但輝綠巖的隱微裂隙隨時間增加逐漸顯現，裂隙數量逐漸增加。

圖9 壩基巖體(輝綠巖)壓密效應鉆孔全景圖像特征示意圖(蓋重厚度為1.5 m、156 m)

4 結 語

4.1 壩基巖體松弛的時間效應

隨著時間增加，花崗巖及輝綠巖的巖體波速衰減率均呈逐漸增大的趨勢，裂隙張開度逐漸增加，1 a后花崗巖的波速衰減率為11.11%，輝綠巖的波速衰減率為9.35%；花崗巖的波速衰減速率較為均勻，持續時間較長，1 a以后波速衰減率逐漸減弱，輝綠巖的波速衰減速率呈現出前高后低的趨勢，3個月以后波速衰減逐漸減弱，表明花崗巖波速衰減的時間效應略強于輝綠巖。

4.2 壩基巖體澆筑壓密效應

(1)壩基巖體在混凝土澆筑過程中具有較為明顯的壓密效應，巖體波速逐步提高，裂隙的張開

度逐漸變小。混凝土蓋重厚度及巖體的初始波速為巖體波速提高的主要影響因素，其中混凝土蓋重厚度增加為核心因素。

(2)混凝土澆筑壓密過程中，巖體波速的提高較混凝土蓋重厚度的增加具有一定的滯后性、波動性及收斂性。大壩澆筑期間，巖體波速的提高具有很強的波動性，波速階段提高率主要受澆筑期間混凝土蓋重上升快慢的影響，在大壩蓄水期間，受大壩荷載調整影響，巖體波速階段提高率波動相對較大，大壩蓄水以后，由于水位變動幅度較小，巖體波速提高率的波動性減弱，波速提高基本趨于收斂。

參考文獻：

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