徽县宋家湾水库工程坝址区岩体变形特性试验研究

董志英

（甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000）

徽县宋家湾水库工程坝址区岩体变形特性试验研究

董志英

（甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000）

岩体变形试验研究的目是为水库大坝的工程地质条件评价提供依据，同时为工程设计提供力学参数。在徽县宋家湾水库坝轴线左右岸的勘探平硐中进行岩体变形试验，采用刚性承压板法施力于半无限空间岩体表面，测量岩体变形，并按均匀、连续、各向同性的半无限弹性体表面受局部荷载的布西涅斯克公式计算岩体变形特征值。结合工程地质条件对变形试验成果进行分析，按照左右岸岩体风化程度和完整性不同，得出岩体变形参数的标准值：左岸：ES=5.57～6.34 GPa，E0=3.51～3.73 GPa；右岸：ES=1.09～7.72 GPa，E0=0.55～5.17 GPa。

水库工程；岩体变形试验；变形模量；弹性模量

1 工程概况

甘肃省徽县宋家湾水库工程坝址位于永宁河中游河段上，工程主要任务为供水，取水口位于宋家湾水库右岸，出水口位于徽县县城北长峪河左岸，沿线布置两个分水口输水至徽县柳林镇和永宁镇，出水口经城乡管网输水至徽县所辖城区及部分乡镇。

工程由拦河枢纽及输水系统两部分组成，供水对象主要为徽县城关区、柳林镇、永宁镇。宋家湾水库设计总库容3510万m3，年供水量3222万m3，设计引水流量1.45 m3/s。为Ⅲ等中型工程，主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级；输水系统为Ⅳ等小(Ⅰ)型工程，主要建筑物为4级，次要及临时建筑为5级。

2 岩体变形试验

确定坝基岩体的变形特征，为地质评价和设计提供计算参数。依据《甘肃徽县宋家湾工程初步设计阶段》勘测的要求，现场岩体变形试验在水库坝址区的2个勘探平硐中进行，共布置岩体变形试验6组。

2.1 试验区基本地质条件与试点布置

在坝址区左、右坝轴线上各开挖一个平硐，进行现场岩体变形试验。

左岸平硐 PD1，硐长41.8 m，揭露的岩性为中泥盆统砂岩、砂质板岩夹灰岩：岩石呈青灰色、灰黑色，局部灰白色，以中硬岩为主，砂岩为变质细粒石英砂岩，砂质板岩常互变为砂岩，变质程度深浅不等，一般为中厚层状结构，局部薄层或互层状结构，灰岩呈夹层状或透镜状分布于变质砂岩、砂质板岩中，成层不稳定。岩体中发现次级小断层5条，破碎带宽1～20 cm，泥钙质胶结一般或中等，岩层产状 NW296°～325°SW∠30°～37°，层面轻度～中等发育，多闭合，部分充填方解石脉或钙质薄膜。强风化界限深度为4～6 m，弱风化界限深度为15～18 m。其中 31.5～40 m段揭露的岩性为灰岩，40.0～41.8 m段以板岩为主。按勘测试验委托书的要求，在弱风化段的6.9m和16.9 m处布置PD1B1、PD1B2两点变形试验，在微风化段31.2 m处布置PD1B3变形试验点；PD1B1、PD1B2两点的岩性为中厚层状的砂质板岩夹灰岩，岩体完整性较好；PD1B3点的岩性为中厚层状的砂质板岩夹灰岩，局部薄层或互层状结构，裂隙发育，岩体完整性差。

右岸平硐PD2，硐长58.0 m，硐口至17.0 m段揭露的岩性为第四系全新统崩坡积块石碎石土，呈土黄色，主要由碎石土和孤块石组成，颗粒组成极不均匀，粒径大小不一，部分地段孤块石集中分布，可见最大粒径3.2 m，有架空现象，其中0～10.0 m段含泥量较高，块碎石呈棱角状，成分主要为变质砂岩、砂质板岩，结构松散。17.0～20.0 m为强风化段，20.0～33.0 m为弱风化段，33.0～58 m为微风化段，揭露岩性为中泥盆统砂岩、砂质板岩夹灰岩，青灰色、灰黑色，局部灰白色，以中硬岩为主，砂岩为变质细粒石英砂岩，砂质板岩常互变为砂岩，变质程度深浅不等，一般为中厚层状结构，局部薄层或互层状结构，灰岩呈夹层状或透镜状分布于变质砂岩、砂质板岩中，成层不稳定。岩体中发现次级小断层四条，破碎带宽3～30 cm，泥钙质胶结一般或中等，岩层产状 NW305°～325°NE∠30°～37°，层面轻度～中等发育，多闭合，部分充填方解石脉或钙质薄膜。按照委托书的要求，在 PD2平硐中的 24.3 m、37.8 m、49.7 m处布置 PD2B1、PD2B2、PD2B3等 3组变形点，PD2B1点在弱风化段，PD2B2、PD2B3两点布置在微风化段，试点出的岩性均为砂质板岩夹灰岩，但前两点的岩体裂隙发育，完整性差，最后一点的岩体完整性相对较好。

2.2 试验成果

通过刚性承压板施力于半无限空间岩体表面，测量岩体变形，并按均匀、连续、各向同性的半无限弹性体表面受局部荷载的布西涅斯克公式计算岩体变形特征指标。

（1）刚性承压板法试验采用板上4个测表的变形平均值作为岩体变形值，当其中一个测表失效时，可采用另外三个测表（变形均匀时）或另一对称的两个测表（变形不均匀时）的平均值作为变形值。

（2）绘制压力与变形之间的关系曲线，根据曲线类型确定变形值，计算岩体变形参数。

（3）刚性承压板法试验变形参数按下列公式（布西涅斯克公式）计算：

式中，E为变形模量或弹性模量，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（依据室内岩石试验成果，变质砂岩与砂质板岩互层取0.25，较破碎裂隙发育岩体取0.33）；p为按承压板单位面积计算的压力，MPa；D为承压板直径（56.6cm），cm；W为岩体变形，cm。

2.3 压力（P）～变形（W0）关系曲线分析

变形试验中所获得的压力（P）～变形（W0）关系曲线反映了岩体在外荷载作用下的变形特性。

经对压力～变形关系曲线的分析，PD1B2和PD1B3两点均为变质砂岩与砂质板岩互层，表层微裂隙发育，深层岩体均质性较好，压力（P）～变形（W0）关系曲线方程为 P=f(w)=kw，=k（k为常数），=0呈线形关系，见图1和图2。

图1 PD1B2变形试验压力—变形关系曲线

图2 PD1B3变形试验压力—变形关系曲线

PD1B1、PD2B1、PD2B2和PD2B3四点岩性均为变质砂岩与砂质板岩互层，但层理裂隙发育，为软硬岩互层的得结构，压力（P）～变形（W0）关系曲线方程为P=（fw），递增，＞0，它反映出随压力增高，结构面有逐渐被压密，模量逐渐增大的趋势，线形呈上凹型，见图3～图6。

图3 PD1B1变形试验压力—变形关系曲线

图4 PD2B1变形试验压力—变形关系曲线

图5 PD2B2变形试验压力—变形关系曲线

图6 PD2B3变形试验压力—变形关系曲线

2.4 岩体变形试验成果

每个变形试验点按照曲线类型不同分别进行计算，Ⅰ类曲线取直线段计算，Ⅱ类曲线可逐级分别计算。试验参数成果见表2。

表2 岩体变形试验参数成果表

依据试点描述可以看出，左岸PD1B3点在微风化段，岩性为砂质板岩夹灰岩，填充方解石脉、裂隙面有锈染，裂隙发育，岩体完整性差。而PD1B1和PD1B2两点虽然处于弱风化段，但岩体完整性好，岩性均一，为砂岩与砂质板岩互层，裂隙面闭合，层间结合紧密，充填石英岩脉或钙质薄膜，因此变形模量和弹性模量大于PD1B3点；右岸PD2B1和PD2B2点岩性均为砂岩与砂质板岩互层，试点裂隙较发育，且部分裂隙面有锈染，岩体完整性差；试点PD2B3岩体完整性好，表现在变形模量和弹性模量较PD2B1、PD2B2两点大。总体看来，左岸平洞的岩体变形试验参数大于右岸平洞，这与左右岸的岩体地质特征一致。

3 岩体变形试验参数的标准值

变形试验共做6组，左岸PD1和右岸PD2各3组，岩性均为变质砂岩和砂质板岩互层。左岸PD1平洞中变形试点B1、B2处于弱风化带，但试点处的岩体为中厚层结构，没有大的裂隙通过，微裂隙也不发育，岩体完整性好，表现在变形参数较微风化带的B3点的值高，经与地质人员沟通，认为弱风带整体上完整性比微风化带的差，因此试点B1、B2试验参数不能完全反映弱风化带的变形参数，经与地质人员共同确定，提出左岸岩体的变形参数的标准值；对右岸平洞的变形试验参数，较好的反映了岩体的特征，弱风化带和微风化带的变形参数按试验值提出标准值。

（1）左岸，弱风化，砂岩与砂质板岩互层，微小裂隙较发育：

ES=5.57 GPa E0=3.73 GPa

（2）左岸，微风化，砂质板岩夹灰岩，微小裂隙较发育，岩体完整性差：

ES=6.34 GPa E0=3.51 GPa

（3）右岸，弱风化，砂岩与砂质板岩互层，微小裂隙较发育，岩体完整性差：

ES=1.09 GPa E0=0.55 GPa

（4）右岸，微风化，砂岩与砂质板岩互层，微小裂隙发育，岩体完整性好：

ES=7.72 GPa E0=5.17 GPa

4 结论

经现场岩体变形试验，采用比设计要求的压力大0.7 MPa所获得的压力（P）～变形（W0）关系曲线反映了坝址区岩体在外荷载作用下的变形特性，为地质评价和设计提供了可靠的计算依据。

TV68

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1673-9000（2017）05-0101-03

2017-04-25

董志英（1981-），女，藏族，甘肃兰州人，助理工程师，主要从事岩土检测工作。