闫建玲, 于 为

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司 工程勘察院,新疆 石河子 832000)

对新疆某水电站西域砾岩变形特性的探讨

闫建玲, 于 为

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司 工程勘察院,新疆 石河子 832000)

第四系胶结岩(层)——西域砾岩作为大坝坝基、地下厂房、水工隧洞围岩至今还没有可行的分类评价标准,目前参照软岩进行土体(散体)工程地质评价,与实际的工程特性不符。通过液压枕径向加压测定法及刚性承压板间接计算测定法对该项目区西域砾岩的弹性抗力系数、变形特性进行对比分析,结合试验面下砾岩的颗粒级配、天然含水率、天然密度、渗水试验及相对密度等的各类原位试验结果,对变形特性分析可得:围压在0～3 MPa内,岩体变形模量为1.60～1.67 GPa、单位抗力系数为12.51～13.06 MPa/cm。通过试验所得结果与其实际特性不符，西域砾岩为半成岩，因此，现有的岩石试验规范的试验方法对西域砾岩的适用性尚待进一步研究论证。

西域砾岩;原位测试;变形特性

在新疆拟建的某水电站工程利用水头340.5 m,在全疆范围内属最高利用水头发电的水利水电工程。该工程位于天山中段北部,属北天山强震带,地质构造、地形地质条件复杂,可研阶段勘察设计成果已通过水利部评审,2016年将开展初步设计阶段的工作。项目区地层为第四系胶结岩,该电站压力管拟采用竖井深埋隧道置于西域砾岩中,西域砾岩属胶结半成岩,隧洞围岩地质评价和设计方案中缺少变形参数及理论判定依据,在疆内对西域砾岩的变形特性研究尚属首次,现有的岩石试验规范适用范围为已成岩的岩石、岩体,对于西域砾岩这样一个样品定名为卵石混合土,相对密度为1.02～1.37,渗透系数为1.25×10-4～9.90×10-3cm/s的特殊岩体,通过液压枕径向加压直接测定法和刚性承压板间接测定法的试验结果的对比、刚性承压板水平向和垂直向测定结果的对比,研究了西域砾岩的弹性抗力系数及变形特性,为地质评价和设计方案提供了依据。

1 试验方法

目前用于确定围岩弹性抗力系数的方法有:①试验方法;②计算方法;③经验数据方法[1]。

本项目由长江科学院岩基研究所于2015年8月—11月采用试验方法——液压枕径向加压测定法测定单位弹性抗力系数;为获取更为客观准确的弹性抗力系数的试验结果,对比试验方法与计算方法测定结果的差异,采用刚性承压板间接测量计算法进行了水平方向的弹性模量和变形模量的原位测试,收集并对比分析了前一勘察阶段用刚性承压板垂直方向测定的变形试验结果。

2 试验点的布置

该项目厂房部位在河谷右岸陡坡西域砾岩山体的不同高程开挖了3个平硐,编号分别为PD11高程1 006.5,长度83 m;PD12高程1 085,长度80 m;PD13高程1 116,长度82 m,隧洞液压枕径向加压法测定试验在PD11平硐内距洞口60～70 m处进行;为了解西域砾岩的变形特性,分别在PD11、PD12、PD13平硐内的39 m和79 m处尝试采用刚性承压板法做了水平向岩体原位变形试验,并在变形试验点相应位置做了颗粒分析、天然密度试验、天然含水率试验,原位渗水试验、相对密度试验。

3 试验结果

3.1 液压枕径向加压测定法测定弹性抗力系数

液压枕径向加压测定法测试结果显示:围压介于0～3 MPa,岩体变形模量1.60～1.67 GPa;岩体单位抗力系数在12.51～13.06 MPa/cm之间。

这种试验方法由于技术和设备复杂又昂贵,一般只在重大或复杂的水电工程中使用。此次试验结果通过从各断面测点的测表读数、光栅传感器自动采集数据、分布式光纤三种方式获取,并相互验证,通过为期近3个月的现场试验工作,取得了较为客观准确的试验结果。由于试验周期、试验费用等因素,只在PD11号平硐距洞口60～70 m位置处进行液压枕径向加压测定法试验[2]。

3.2 水平向原位变形试验(刚性承压板法)

一般采用刚性承压板法测定垂直方向变形参数,由于可研阶段已做过垂直方向的变形试验,所以尝试用刚性承压板法测定水平向变形试验,以了解该项目区西域砾岩在水平方向和垂直方向的变形结果的差异。

3.2.1 试验设计

按规范要求试验最大压力不宜小于工程设计压力的1.2倍,等分5级施加,但结合工程实际,试验最大压力值按4.5 MPa进行(工程设计压力3 MPa的1.5倍),等分为9级施加,加压方式采用逐级一次循环法。

3.2.2 试验过程

用堆载法安装承载板及传力系统,用编制袋装填砂卵砾石,堆载高度约70 cm,在其上部放置约5 cm厚的木板后,用毛刷清洁试点表面,铺垫一层水泥浆,放置刚性承压板并挤压出多余水泥浆,使承压板平行试点表面,水泥浆厚度小于承压板直径或变长的1%,连接千斤及传力系统,在承压板上依次安装千斤顶、钢垫板、传立柱,在6 cm厚钢垫板间填筑砂浆或安装反力装置。施加接触压力使整个系统接触紧密,整个系统应具有足够刚度和强度,所有部件中心应保持在同一轴线上,轴线应与加压方向一致。在承压板两侧前方挖20～30 cm深的坑,用于浇灌混凝土预埋槽钢,吸附磁力表座,浇灌混凝土预埋槽钢24 h以上以保证槽钢稳固,在承压板上对称布置4个测表,测量表架满足刚度要求。试验采用刚性承压板法,面积为2 002.96 cm2,加压前对测表进行初始稳定读数观测,每隔10 min同时测读各测表一次,连续三次读数不变后开始加压。加压方式采用逐级一次循环法。每级压力加压或退压后立即读数,以后每隔10 min读数一次,当所有测表相邻两次读数差与同级压力下第一次读数和前一次压力下最后一次读数差之比<5%时,即可施加或退至下一级压力。退压稳定标准与加压相同[3]。

3.2.3 试验资料整理

根据现场试验原始记录绘制压力p与变形W之间的关系曲线,根据曲线类型确定变形值,计算岩体各变形参数值(变形模量及弹性模量值)。

(1)刚性承压板法试验变形参数按下列公式计算:

式中:E为变形模量,MPa;当以全变形W0代入式中计算时为变形模量E0;当以弹性变形We代入式中计算时为弹性模量Ee;μ为岩体泊松比,取值为0.27;p为按承压面单位面积计算的压力(MPa);D为承压板直径(cm);W为岩体表面变形(cm)。

(2) 平硐单位弹性抗力系数k值与岩石变形模量E按下列公式计算:

式中:E为变形模量,MPa;当以全变形W0代入式中计算时为变形模量E0;当以弹性变形We代入式中计算时为弹性模量Ee;μ为岩体泊松比,取值为0.27;r为隧洞的半径(cm)。

4 试验结果

(1) 通过水平向刚性承压板法测定的三条不同高程平硐变形试验距洞口39 m处变形模量均<79 m处变形模量,39 m处单位弹性抗力系数均<79 m处单位弹性抗力系数(试验结果对照见图1);水平向原位变形试验获取的PD11试验点79 m处(与液压枕径向加压法试验点位置接近),压力值在0.5～4.5 MPa时,变形模量在0.645 35～1.102 03 GPa之间;单位弹性抗力系数在6.78～11.57 MPa/cm之间。

(2) 水平方向的变形模量和弹性模量均大于垂直方向的变形模量和弹性模量;对比见表1、表2。

(3) 通过试验方法和计算方法对PD11平硐相同位置的单位弹性抗力系数试验结果对比,液压枕径向加压法测得的单位弹性抗力系数大于刚性承压板法所得试验结果。

图1 3条平硐中79 m、39 m处变形模量与应力、弹性抗力系数关系图Fig.1 Relational diagram of deformation modulus,stress and elastic resistance coefficient at 79 m and 39 m

原因分析:液压枕径向加压法在有围压情况下圆形隧洞空间的各个面整体各向受力,能更客观、全面地获得岩体的变形、弹性特征,而刚性承压板法仅水平试验点单点受力,试验点下试样的颗粒组成、密度、含水率等对试验结果会产生影响,难免以点带面。两种方法所得试验结果虽有差异,但得到的单位弹性抗力系数在一个量级,为洞室围岩勘察评价、客观地确定围岩岩体的基本质量级别提供了参考依据。

5 结语

西域砾岩是尚未成岩的第四系地质体,通过不同方法试验反映其力学特性比较稳定,围压在0～3 MPa内,岩体变形模量为1.60～1.67 GPa,单位抗力系数为12.51～13.06 MPa/cm。若套用现有的分类标准来评判西域砾岩的质量等级,会与实际不符;另外,由于西域砾岩是半胶结体,现有的岩石试验规范的试验方法对西域砾岩的适用性尚待进一步研究论证。

表1 3条平硐80 m处(垂直、水平方向)全变形模量成果统计表

表2 3条平硐40 m处(垂直、水平方向)全变形模量成果统计表

[1] 徐志英.岩石力学[M].第三版.北京:水利电力出版社,1993.

[2] 陆兆溱.工程地质学[M].第二版.北京:中国水利水电出版社,1998.

[3] 水利部长江水利委员会长江科学院.水利水电工程岩石试验规程:SL264—2001[S].北京:中国水利水电出版社,2001.

(责任编辑：于继红)

Discussion on Deformation Characteristics of Western Conglomeratein a Hydropower Station,Xinjiang Province

YAN Jianling, YU Wei

(Planning,DesignandResearchInstituteofXinjiangProductionandConstructionCorps,Urumuqi,Xinjiang832000)

There is no feasible classification evaluation standard for western conglomerate when it used to be dam foundation,underground powerhouse,the surrounding rock of hydraulic tunnel so far,the reference to engineering geological evaluation of soft rock soil does not match the actual engineering characteristics at present.By comparative analysis on elastic resistance coefficient and deformation characteristics of western conglomerate in the project area with hydraulic pillow radial pressure assay and rigid bearing plate indirect calculation,combined with the particle size distribution,natural moisture content,natural density,seepage test and many kinds of situ test results of conglomerate under test surface,the paper analyzes the deformation characteristics,explores and discusses the feasibility of existing test specifications for western conglomerate detection.

western conglomerate; in-situ test; deformation characteristics; discussion

2016-04-22;改回日期:2016-05-11

闫建玲(1969-),女,工程师,水利水电工程专业,从事水利水电、岩土、公路工程检测工作。E-mail:626207942@qq.com

TU459; TU454

A

1671-1211(2016)03-0361-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.027

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.026.html 数字出版日期:2016-05-05 15:31