露天表面岩体质量现场原位测试设备研制及其应用

费大军，戴祺云，夏骊娜

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院 科学研究所，四川 成都 610072)

1 前 言

传统经验认为，高拱坝的建基面往往必须为新鲜完整岩体，然而工程施工实践表明，新鲜完整岩体的建基面埋深大、地应力水平较高，开挖容易产生卸荷松弛，岩体质量及完整性急剧降低，反而不能满足建基面岩体质量要求[1-2]。因此，建基面的选择应充分考虑开挖卸荷松弛的影响，作好建基面岩体开挖卸荷松弛后的模量预测。

在锦屏一级水电站招标以前围绕坝基岩体力学参数曾开展过大量的勘测试验研究，获得了一套较为合理可靠的坝基岩体力学参数。这套参数为坝区工程岩体力学参数的取值提供了重要基础和依据。随着建基面岩体开挖，所揭露的岩体工程地质特征及性状是较为复杂的，在建基面稳定性分析及工程设计中，显然不能直接套用这套参数。建基面岩体开挖后，虽然存在应力分异，但主要特征是卸载。已有研究表明，卸载使岩体松弛进而使其力学特性发生改变，而且卸载条件下岩体力学特性也迥异于加载条件下的岩体力学特性[3-9]。

为满足锦屏一级水电站左、右岸坝基建基面岩体质量分级分区和地质缺陷的准确评价需要，以及合理评价混凝土垫座的建基面岩体质量，在开挖建基面上开展露天现场承压板变形试验及配套声波测试，建立E0～Vp关系，并及时反馈给设计，是非常必要的。

2 常用检测方式简介

承压板法岩体变形试验分为刚性承压板法和柔性承压板法。这是一种通过刚性或柔性承压板施力于半无限空间岩体表面，测量岩体表面变形，并按均匀、连续、各向同性的半无限弹性体表面受局部载荷的布西涅斯克公式计算岩体变形性质指标的方法。

在水电水利工程中多采用刚性承压板法，常规方法是在专门的勘探平洞、工程灌浆平洞、排水平洞内进行。在经选择具代表性的岩面上清除爆破松动岩石后加工试点，然后粘贴承压板，待养护期满后进行试验。专门的勘探平洞、工程灌浆平洞、排水平洞必须有足够的水平和垂直的承载岩体。每组试验从试验点位的布置、试验支洞的开挖、试验点的加工及粘贴养护，最后试验完成需要近一个月的周期，而在在建工程的工期要求中是不可能的。

有的工程采用在岩体上钻孔，在孔内加螺纹钢筋抗力拉杆，用高标号混凝土将螺纹钢筋抗力拉杆浇注在岩体孔中，待混凝土固化增强(时间28～30天)后，再安装试验设备，施加载荷并测定岩体之变形。此方法试验周期长，在在建工程的工期中，也不能满足现场岩体质量快速检测之要求。

建基面承压板试验检测是在开挖建基面上进行，与常规在专门的勘探平洞、工程灌浆平洞、排水平洞内进行的试验检测原理和反力条件、使用设备、安装工序、工作场地等均发生大的变化。因此，为满

足现场生产检测的技术和工期要求，改变其缺点，采用新的锚固方式，即在岩体上钻孔形成锚拉孔，但不用浇混凝土从而缩短了试验检测周期。

3 试验设备及试验过程

3.1 设备研制

为满足工程要求，采用新的锚固方式，研制出岩体变形快速检测仪(YBKC-70)，以缩短试验检测周期，不影响整个工程施工进度。

岩体变形快速检测仪主要根据膨胀螺栓原理设计，仪器设备主要包括承载工字钢横梁、锚拉杆、膨胀螺栓、螺母、锥套、锥体、支承套、承力板、过渡板等。其设计示意图见图1、2。

试验前先在岩体上加工一个反力锚拉孔，加工完成后的锚拉孔直径为60～63mm。将螺杆、螺母、传力套、上锥体、锥套、下锥体按图2所示装配。将装配完成后的螺杆插入岩体锚拉孔中，转动螺母使螺杆上升，下锥体部压入锥套下端，使其扩张压紧岩体；同时传力套压下上锥体，锥套上端楔入岩体，使岩体与锥套在两个部位都被锚住。加力越大，锥套扩张越大，对岩体的锚固力也越大。若岩体较破碎时，可再加锥体和锥套，增加锚固点，从而增大锚固力。YBKC-70设备最大锚固承载力可达到70t。

图1 岩体应变快速检测仪(YBKC-70)

图2 快速锚紧局部示意

3.2 设备安装

在试点中心点两侧0.8m处各造一个φ60mm反力锚拉孔，两孔与试点中心线成一直线。试点中心至两侧锚拉孔间距离，应大于承压板直径的2.0倍。

在试验点，施力方向应垂直于建基面。反力装置安装非常艰难，必须搭建通道，用人力把试验设备(反力锚固头、锚固压紧钢套、锚固反力锚拉钢螺杆、反力横梁、反力压紧螺栓及专门的安装调试对中承重架等)运输至试验检测点位(试验平台)。首先将反力锚固头上端安装在锚固反力锚拉钢螺杆上，再将锚固压紧钢套装入，然后用反力锚固头下端将其固定在锚固反力锚拉钢螺杆上；其次将附有反力锚固头上、下端及其锚固压紧钢套的锚固反力锚拉钢螺杆放入位于试验点位的中心左右1m的两个对称反力孔内，再将专门的安装调试对中承重架放其末端对其起支撑作用，将反力横梁两端分别套入锚固反力锚拉钢螺杆上；最后利用反力压紧螺栓分别将反力横梁的左右两端压紧、调平并将其固定。采用膨胀螺栓原理，转动主锚杆上螺母通过支承套将锥体(二件)压入锥套之中，使锥套膨胀，压紧岩体孔壁(锥套端也可能切入岩体)。锥体压入锥套距离越长，锥套与岩体之结合力也越大。试验装置见图3。

3.3 试验步骤

试验按DL/T5368-2007《水电水利工程岩石试验规程》进行。

(1)按现行规程要求进行试点加工，加工时应控制边界条件、试点面平整度及爆破松动影响岩体的清除深度，试点加工完毕，实施技术验收和地质素描。

图3 大坝建基面承压板法试验照片

(2)施加载荷的加压、传力系统安装不偏心，受力中心线通过试点中心；试验步骤、时间控制按规程规定进行，并实行中间检查。

(3)加压。按设计压力的1.2倍确定最大试验压力。根据千斤顶的率定曲线及承压板面积计算出施加压力与压力表读数关系的加压历程表。测读各测表的初始读数，加压前每10min读数一次，连续三次读数不变，即可开始试验。将确定的最大压力分为5级并分级施加压力；加压方式采用逐级一次循环加压法，必要时可采用逐级多次循环法。

(5)记录。在试验过程中，应认真填写试验记录表格并观察试点变形破坏情况，最好是边读数、边记录、边点绘承压板上代表性测表的压力～变形关系曲线，发现问题及时纠正处理。

(6)试验设备拆卸。试验完毕后，应及时拆除试验装置，其步骤与安装步骤相反。

采用新研制的YBKC-70岩体应变快速检测仪，从试验点的布置、加工、钻孔及试验结束，仅需要6天左右的时间，试验检测周期缩短，也不影响整个工程施工进度，从而达到了快速检测的目的。

4 工程应用成果及分析

为了实现对坝基岩体质量的定量评价，在锦屏一级大坝建基面系统地布置了声波测试及承载板试验，试验随梯段开挖同步进行，承载板规格为φ40cm圆形板。在承载板试验点还配套布置了声波测试，以便复核Vcp～E0对应关系。

根据现场试验实测的变形资料，绘制压力～变形关系曲线，并分析岩体变形性质、特征，依据弹性理论，按半无限空间弹性体公式计算岩体变形(弹性)模量。建立的Vcp～E0对应关系见图4、5。

4.1 对比分析

4.1.1 承载板变模(E050)与对穿声波(Vcp)的关系

在锦屏一级水电站勘测阶段，共完成97点岩体变形试验(φ50cm)，对经过分析筛选出的84点建立了如下E050～Vcp关系(可研关系)：

(相关系数r=0.91)

在施工详图阶段，为了验证上述关系，又利用灌排洞布置并实施了承压板试验(φ50cm)12点，其中，有Vcp数据的有8点。利用地质编录、照片，对每一测试数据逐一复核，共筛选出7个数据对。将这7个数据对与可研的84个数据对绘制在一起得到图5。

可以看出，施工详图阶段数据点基本落于可研数据点所形成的带状区域。一并进行回归得到如下关系式(详图关系)：

(相关系数为r=0.906)

利用详图关系进行变模预测并与可研关系相比，偏差一般在5%以内(见表1)。

表1 详图关系与可研关系对比

4.1.2 承压板变模(E040)与对穿声波(Vcp)关系

在施工详图阶段完成的77点坝面承载板试验(E040)中，成功获取Vcp数据的有49个。经过逐一核对，并舍去离散性大的数据点，共获得38个数据对(见图4)。对E040～Vcp采用下式进行回归：

图4 可研+施工详图阶段E050～Vcp关系

图5 坝面E040～Vcp散点图(施工详图阶段)

(相关系数为r=0.79)

与可研的E050～Vcp曲线相比有一定的偏差。虽然岩体松弛可能使变模、声波均降低，但松弛不会改变岩体变模～声波相关关系的趋势。

4.1.3 承压板变模的预测

根据上述E040～Vcp关系，结合可研E050～Vcp关系，进行模量预测和两者关系的比较(见表2)。

即

E050/E040=1.25～1.40

表2 E050(平洞内)～E040(建基面)关系

5 结 论

(1)建基面开挖导致岩体松弛，岩体变模、声波均有所降低，降低幅度为25%～40%，但松弛改变不了岩体变模～声波相关关系的趋势，其规律性较好。

(2)利用岩体变模～声波的关系，可以预测建基面岩体开挖后变形模量，从而指导设计、施工。

(3)通过岩石应变快速检测仪(YBKC-70)的研制和成功应用，说明其完全可推广用于其它工程的建基面(已在大岗山、官地电站建基面成功应用)、边坡的施工开挖质量检测中，同时也可以应用于露天低应力下的强度剪切试验中。

参考文献：

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