深部变形破裂岩体变形模量研究

邹路军，赵其华，满侨侨

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 四川 成都 610059；2.成都理工大学 环境与土木工程学院， 四川 成都 610059)

西南地区地质条件复杂多变，随着水电站的不断设计开发，深部变形等问题研究得到许多研究人员的关注。深部变形破裂可造成水困渗漏、滑坡涌浪等大规模的灾害，也是大型水利工程建设中边坡支护、硐室开挖等亟需解决的问题[1-3]。

变形模量是反映岩体抵抗压缩变形的能力，是岩体工程勘查设计时非常重要的参数之一。目前，已有测试变形模量主要分为两类，一是通过现场试验的方法，如膨胀试验、平板载荷试验、扁铲试验等[4-6]试验；二是通过一些参数的换算关系推导出变形模量，如VP[7-9]、RMR[10]、GSI[11]、Q[12]、RQD[13]等。在此基础上，许多研究者结合工程实际在变形模量计算方法、取值方面做出了相应研究，如周洪福等[14]认为玄武岩体波速与变形模量具有较好的相关性，宋彦辉等[15]以玛尔挡坝址建立了利用岩体纵波速度估算岩体变形模量的预测公式并表明估算公式与Barton等公式具有较好的一致性，李攀峰等[16]以溪洛渡水电站高拱坝为例提出了适用于高拱坝施工完成后坝基综合变形模量取值的思路与方法，还有对锦屏拱坝基础变形模量多目标非线性规划问题和基于云南石门坎水电站坝基岩体的变形模量与波速关系研究等[17-19]。

作为水电站的坝基深部变形破裂岩体，其变形模量对于工程施工尤为重要。目前，关于深部破裂岩体的变形模量研究较少，为了进一步扩大对变形模量取值研究及为类似工程提供思路，有必要对深部破裂岩体的变形模量进行深入研究。本文针对叶巴滩水电站深部变形破裂岩体，在现场进行波速试验、变形试验，通过动静试验结果分析，推导出波速与变形模量之间的关系，并据此评价各个不同类型破裂岩体的变形模量。

1 工程地质概况

叶巴滩水电站坝址区位于金沙江上游干流与左岸支流降曲河的汇合口下游约4.5 km的河段上，金沙江由北向南流经坝址区，河道顺直，河谷狭窄，山体雄厚，谷坡陡峻，左岸坡度45°～55°，右岸坡度40°～45°，缓坡平台不发育，为基本对称的深切“V”型峡谷，自然边坡相对高差大于1 000 m。

坝址区出露地层主要为华力西期花岗闪长岩，块状构造。岩体优势结构面有三组，分别为EW/S∠60°，NE50°/NW∠75°，NW50°/NE∠75°。根据实地测量资料，坝址区地应力场与区域应力场方向基本一致，为NE60°～70°，最大主应力为15 MPa～20 MPa，并与河流流向正交，结合坝址区钻孔饼芯发育特征，初步判断属中等地应力。

根据叶巴滩水电站坝址区宏观地质特征和KV、RQD等指标，将深部破裂岩体分为三类[20]：轻微松弛型、中等松弛型、强烈松弛型。3种类型的深部破裂岩体特征如下：

(1) 轻微松弛型：主要分布在左岸中高程，距岸坡90 m～130 m范围内，表现形式为单裂缝。破裂面零星发育，破裂面两侧岩体较完整、集中松弛，破裂面张开宽度多小于1 cm，优势方向为NW80°/SW∠60°、NE45°/NW∠80°，无充填或充填岩屑，岩石断口新鲜，仅表面可见锈染，风化程度为弱上风化，潮湿—滴水，Kv大于0.64，RQD大于75%，岩体轻微松弛。

(2) 中等松弛型：左岸集中分布在中高程，右岸则在高程上分布较为均匀，距岸坡80 m～140 m之间，表现为破裂面或破碎带。破裂带内可见砂糖状岩屑、泥质条带，岩体较完整—较破碎、部分松弛，破裂带宽度为5 cm～20 cm，优势方向为NE55°/NW∠80°、NW82°/SW∠56°，风化程度为弱下风化，干燥～潮湿，Kv为0.36～0.64，RQD为50%～75%，岩体中度松弛。

(3) 强烈松弛型：左岸分布在中高程，右岸绝大多数分布在高高程范围内，位于距岸坡80 m～120 m，沿原有结构面局部张开或整体松弛。破裂面无充填，发育区岩体较破碎—破碎、整体松弛，破裂面张开宽度为1 cm～10 cm，少数可大于10 cm，破裂带宽1 m～10 m，优势方向为NE25°/SE∠60°、SNE∠65°，风化程度为微风化，潮湿，Kv小于0.36，RQD小于50%，岩体强烈松弛。

2 试验方法

2.1 变形模量测试

变形实验采取的是刚性承压板法，圆形承压板直径40 cm。将最大压力分为5级并采用一级循环加压，加压后读数一次，此后每隔10 min再次读数，直到变形稳定后卸压，以此循环。当所有承压板上测表相邻两次读数之差Δλ与同级压力下第一读数与前一次压力最后一次变形读数λ之比，Δλ/λ<5%时认为变形稳定，并按布辛涅思克公式计算变形模量。

2.2 波速测试

测试采用跨孔法,在变形试点周围布置声波钻孔，声波孔倾角约10°，孔深2.0 m，孔间距置于2 m～5 m之间。测试时,在声波孔深1.0 m～2.0 m范围内,从孔底向孔口每间隔0.2 m采集一次数据,每孔测试5次,取平均值作为声波纵波波速值(Vp)。

3 波速与变形模量关系研究

变形模量是岩体工程设计的重要参数之一，现以波速入手，探讨叶巴滩深部变形破裂岩体变形模量与波速的关系。

由波动方程：

(1)

由波动方程可知，动弹性模量与岩体密度、泊松比、波速呈正相关，而动弹性模量反应了岩体抵御压缩变形的能力，因此纵波波速也一定能反应岩体变形能力。而由岩体纵波波速获取的动弹性模量与由变形实验获得的静变形模量都是能够反应岩体抵御压缩变形能力的大小，从而可知动弹性模量和静变形模量也一定存在某种联系。所以，从纵波波速直接推算出变形模量在理论上是可行的。因此，根据现场仅有的变形试验和波速试验(见图1)，经过多次拟合后得到具有较高的精度的关系式(2)。

图1变形模量与波速相关曲线

lnEm=3.17lnVp-24．24

(2)

4 测试结果及分析

4.1 测试结果

为进一步得出不同类型的深部破裂岩体的变形模量的规律，笔者采取了具有代表性的32个样本，其中轻微松弛型8个，中等松弛型14个，强烈松弛型10个。借助现场建立的变形模量与波速关系式(2)，再运用这32个样本测试得到的综合波速，得到不同类型的深部变形破裂岩体的变形模量(见表1)，再根据表1绘制了图2。

表1 深部变形破裂岩体变形模量

4.2 结果分析

由表1可得，轻微松弛型变形模量12.03中等松弛型>强烈松弛型。岩体松弛程度越大，变形模量越小。

图2深部破裂岩体变形模量分布图

由图2可知，不同类型的深部变形破裂变形模量分布有明显的分布规律。绝大多数轻微松弛型岩体变形模量位于15 GPa以上，其置信度为87.5%；中等松弛型岩体变形模量大致位于9 GPa～16 GPa，置信度为85.7%强烈松弛型变形模量则大致位9 GPa之下，置信度为70%。三者之间具有一定的重合度，但总体分割较好。

(3)

可得：

轻微松弛型：22%<γ<57%；

中等松弛型：43%<γ<73%；

强烈松弛型：58%<γ<91%。

深部破裂不同类型的岩体变形模量损伤率不同，轻微松弛型岩体由于岩体差异性回弹所造成的损伤程度较小；强烈松弛型岩体则能量释放强烈，极易导致深部变形破裂在原有结构面的基础上扩张开来，损伤较大。

(4)

由式(2)可得：

(5)

可得：

轻微松弛型：43%<λ<78%；

中度松弛型：26%<λ<57%；

强烈松弛型：9%<λ<42%。

深部变形破裂轻微松弛型岩体变形模量弱化率较高，为新鲜完整岩体变形强度的43%～78%，岩体变形强度相对较好；中度松弛型岩体变形强度为新鲜岩体变形强度的26%～57%，变形强度中等；强烈松弛型岩体变形强度为新鲜岩体变形强度的9%～42%，岩体变形强度相对较弱。又由式(5)可知，深部变形破裂岩体变形模量弱化率与波速的幂次方成正比，而由波速大小可以用来判断卸荷带的强弱，经过分析，轻微松弛型岩体大致属于无卸荷带，中度松弛型岩体大致属于弱卸荷带，强烈松弛型岩体大致属于强卸荷带。

4.3 部分公式的变形模量比较

前人就波速与变形模量已经得出了一些经验公式。巴顿以Q值为中间参数，得出了变形模量和波速的关系式[12]。吴兴春等[7]在巴顿的基础上，推导出了变形模量与波速的关系式，并利用ROMEDA拟合花岗岩纵波波速与变形模量之间的关系。冯国栋[9]对姚河坝水电站的波速和静变形模量进行分析，得出了满足设计要求的经验公式。

图3不同经验公式变形模量对比图

由图3可以看出，不同的经验公式形态多呈曲线型，除了②为直线。①线较⑤线预测结果偏高，并且保持近似平行关系，巴顿预测结果较本文高4 GPa～5 GPa。②线显然只有Vp>3.5 km/s时,经验公式才有意义。而③线和⑤线在Vp<4.2 km/s时，结果很相近，VP>4.2 km/s时则相差较大。④线较⑤线预测结果偏低，尤其当Vp>4 km/s时，差值逐渐增大。

不同经验公式显然有各自的应用范围，应用于不同的工况条件下。这与不同岩体类型、岩体结构、地质环境有密切的关系，再者与采样样本的代表性也有一定关系。因此，在选取公式时，应综合考虑各要素，控制误差范围。

5 结 论

本文首先根据深部变形破裂宏观地质特征和KV、RQD指标把深部破裂岩体划分为三类，在此基础上结合变形模量进一步探讨深部破裂对各类破裂岩体在变形强度、强度劣化等方面的影响。主要得到以下结论：

(1) 建立起波速与变形模量的关系，得到了各类不同破裂岩体变形模量的平均值。其中轻微松弛型为17.22 GPa，中度松弛型为12.02 GPa，强烈松弛型为7.3 GPa。

(2) 通过变形模量损伤率γ分析可得，轻微松弛型岩体变形模量损伤大多不超过50%，中等松弛型变形模量损伤大约40%～70%之间，而强烈松弛型岩体变形模量损伤至少超过50%。

(3) 由变形模量弱化率λ分析可得，轻微松弛型岩体强度大多为原来的50%以上，中等松弛型岩体强度大约为原来的30%～60%之间，强烈松弛型岩体强度大约40%以下。

(4) 波速与岩体变形模量有很好的相关性，但对于不同的岩体有各自不同差异，本文所得到的公式适用于结构面发育的叶巴滩深部变形破裂岩体。