浅变质岩浆岩岩块断口变色程度与单轴抗压强度关系研究

吴 松，彭森良

（1.中国水电建设集团十五工程局有限公司，陕西 西安 710068；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051）

1 前言

东萨宏水电站位于老挝与柬埔寨交界处，为引水式电站，装机260 MW，其混凝土重力坝最大坝高33 m，长约6.8 km（由1#堤坝、2#堤坝、3#堤坝组成），水库（压力前池）容量约0.3 亿m3。该工程为国际EPC 总承包项目，业主方属马来西亚，设计咨询方为某国际知名咨询公司。

该电站绝大部分坝段高度在10 m～20 m 之间，坝基发育英安岩夹熔结凝灰岩，均属坚硬岩。根据设计方计算，将坝基置于强风化岩体上具备条件，但需要给出强风化岩体的岩块强度才能说服国际咨询方同意强风化岩体为大坝建基面，如何获得强风化岩体的岩块强度成为一大技术难题。

经充分调研和沟通，国际咨询方认可采用不规则岩块的点荷载试验成果作为岩块强度的获取手段。国内外学者对点荷载试验已有研究工作涵盖了点荷载试验的工作原理[1～2]、点荷载试验结果的影响因素[3]、煤层抗拉强度[4]及风化花岗岩单轴抗压强度[5～6]与点荷载试验结果的关系、变质沉积岩单轴抗压强度与点荷载试验成果之间的关系[7]以及点荷载试验成果对岩体或岩石地基强度参数的影响[8～11]等。本文在大量试验数据基础上对浅变质岩浆岩的岩块断口变色程度（即风化程度）与岩石单轴抗压强度之间的关系进行了相应研究。

本工程共343 个坝段（每个坝段长约20 m），其中强风化岩块约占90%，弱风化岩块约占8%，全风化岩块约占2%。每个坝段需开展2 组不规则岩块点荷载试验，共完成点荷载试验847组，其中，自然含水状态下的不规则岩块点荷载试验78 组，饱和状态下不规则岩块点荷载试验769 组。本文通过整理上述试验成果，与前期地勘岩芯单轴压缩试验成果进行了对比分析。

2 基本地质条件

2.1 地形地貌

工程区属湄公河侵蚀平原，两岸的河心岛屿均为湄公河侵蚀堆积阶地，拔河高度5 m～15 m，总体地势平缓，仅在2#堤坝与3#堤坝之间发育有山顶高程约104 m 的熔岩残丘（0#山包）,冲沟以纹沟及细沟为主，少量切沟，延伸不超过350 m，大部分位于堤坝围挡范围以内。电站所在河道形成槽型河漫滩河谷，岸边地势较陡，局部坡度超过30°。

2.2 地层岩性

工程区大部分为第四系冲、残积层（Qal+el）所覆盖，仅在河边及两岸部分冲沟沟底可见基岩零星出露，在河边局部还有少量第四系冲积层分布，详述如下：

基岩为深海相喷发沉积的次块状～块状英安岩夹熔结凝灰岩地层，英安岩主要成分为蚀变基性斜长石、石英、蚀变辉石、安山岩、安山质玄武质、霏细碎片及钙质岩脉，熔结凝灰岩主要成分为辉石、斜长石、磷灰石、蚀变安山岩及酸碱性交替出现的玻璃质（绢云母、绿帘石、钠长石、绿泥石），在两岸河槽壁及河床大面积出露，揭露喷发沉积厚度大于100 m。

2.3 地质构造

堤坝区地质构造简单，断裂与褶皱均不发育，属稳定的火山间歇性喷发再沉积形成的单斜构造区，单斜构造总体呈近东西向，倾向南，倾角60°左右，单斜体厚度超过5000 m。

堤坝建基面除顺流层结构面发育外，还有一组近垂直结构面稍发育，均非缓倾节理，其余方向结构面不甚发育。在部分坝段零星揭露缓倾节理，其延伸一般不超过3 m，节理面多闭合或微张，充填物以铁质为主，泥质充填极少见，因此，堤坝沿线坝基抗滑稳定主要受控于坝基岩体与混凝土接触面，无深层抗滑稳定问题。

2.4 物理地质现象

堤坝区无可溶岩地层，滑坡、崩塌、泥石流及岩体卸荷等不发育，物理地质现象主要为岩体风化。将工程区岩体按风化程度划分为全风化、强风化、弱风化、微风化～新鲜四级。其中强风化、弱风化分别划分为2 个亚类，即强风化上带、强风化下带、弱风化上带及弱风化下带。

堤坝区全风化底界埋深一般为1 m～3 m，强风化上带底界埋深一般为2 m～5 m，强风化下带底界埋深一般为4 m～8 m，弱风化上带底界埋深一般为8 m～9 m，弱风化下带底界埋深一般为9 m～12 m，向下为微风化～新鲜岩体。

2.5 水文地质条件

堤坝区分布深海相喷出岩地层，地下水主要为基岩裂隙水，地下水均补给河水。雨季两岸地下水位较高较陡，地下水埋深一般为3 m～4 m；旱季两岸地下水位低平，地下水埋深一般为6 m～7 m。

钻孔压水试验及注水试验成果揭示，强风化上带以上岩体具有中等透水～强透水性（1.0×10-2cm/s≤K＜1 cm/s）；强风化下带及弱风化上部岩体具有中等透水性（1.0×10-4cm/s≤K＜1.0×10-2cm/s）；弱风化下部岩体具有弱透水性（1 Lu≤q＜10 Lu）；微风化～新鲜岩体具有微～弱透水性。

3 不规则岩块点荷载强度试验

3.1 试样要求

试验遵循中国水电行业规范《水电水利工程岩石试验规程》（DL/T 5368-2007），本工程对试样要求如下：

（1）不规则岩块尺寸限定为(50±35)mm；

（2）两加载点间距与加载处平均宽度之比宜为0.3～1.0；

（3）试样分为天然含水状态和饱和状态两种，其中饱和状态将试样在水中浸泡不低于48 h；

（4）每组试验取不规则岩块40 组以上，以确保有效试验岩块数量不低于20 块。其中，全风化岩块由于浸水后极易软化，仅考虑了天然含水状态下的点荷载试验强度。

3.2 试验仪器要求

主要试验仪器为数显点荷载仪和游标卡尺，主要参数如下：

（1）最大工作压力60 MPa；

（2）最大压力50 kN；

（3）活塞直径35 mm，行程160 mm；

（4）活塞面积9.62 cm2；

（5）读数精度0.01 kN；

（6）游标卡尺量程200 mm，最小分度值0.02 mm。

3.3 试验步骤

（1）选择试件最小尺寸方向为加载方向。将试件放入球端圆锥之间，使上下锥端位于试件中心处并与试件紧密接触。用游标卡尺量测加载点间距及通过两加载点最小截面的宽度或平均宽度。加载点距试件自由端的距离不应小于加载点间距的0.5。

（2）稳定地施加载荷，使试件在10 s～60 s 内破坏，记录破坏荷载。

（3）试验结束后，描述试件的破坏形态，拍照留存记录，选取破坏面贯穿整个试件并通过两加载点为有效试验。

3.4 试验成果整理

（1）按照下列公式计算点荷载强度:

式中：Is为未经修正的不规则岩块点荷载强度，MPa；P 为破坏荷载，N；De为等价岩芯直径，mm。

（2）根据试验结果，绘制等价岩芯直径De与破坏载荷P 的关系曲线，并在曲线上查找为2500 mm2时对应的破坏荷载P 值（P50），按下式计算点荷载试验强度指数（Is（50））:

（3）计算值取3 位有效数字。

（4）岩石单轴抗压强度（UCS，单位为MPa）与点荷载试验强度指数（Is（50），单位为MPa）按下式计算:

4 试验成果分析

4.1 前期地勘弱风化及微新岩石单轴抗压强度

前期地勘共取样完成有效岩石饱和单轴抗压强度试验89组，其中弱风化岩石23 组，微新岩石66 组，英安岩与熔结凝灰岩强度区别不大，总体上，弱风化岩石饱和单轴抗压强度为62.45 MPa～98.64 MPa，平均值为73.16 MPa；微新岩石饱和单轴抗压强度为68.55 MPa～123.93 MPa，平均值为93.11 MPa。

4.2 岩石点荷载试验强度值及似软化系数

对847 组合计约20000 块有效试验岩块的风化程度分别按照全风化、强风化上带、强风化下带、弱风化上带、弱风化下带及微风化～新鲜进行了分类，并根据破坏截面的变色程度5%分位值进行详细划分，得到统计结果，见表1。

表1 不规则岩块样点荷载试验成果统计

由表1 可知：

（1）不规则岩块点荷载试验成果与前期地勘单轴压缩试验成果一致，说明不规则岩块点荷载试验的成果是可靠的。

（2）岩块单轴抗压强度值与变色程度、风化程度密切相关，岩块破坏面变色越多，风化越深，相应的岩块UCS 值越低，反之亦然。

（3）总体上看，坚硬的英安岩和熔结凝灰岩全风化岩块已绝大部分成土，遇水极易软化，已无法获得饱和状态下的UCS 值，天然含水状态下UCS 值为0.62 MPa～8.17 MPa，总体判断属极软岩；饱和强风化上带岩块UCS 值一般为5 MPa～15 MPa，属软岩；饱和强风化下带岩块UCS 值为10 MPa～30 MPa，绝大多数属较软岩；饱和弱风化上带岩块UCS 值为52 MPa～77 MPa，总体上属中硬岩顶部和硬岩下部；饱和弱风化下带岩块和微新岩块UCS 值普遍大于70 MPa，属坚硬岩。

（4）在强风化下带底部和弱风化上带顶部之间，饱和岩块UCS 值变化明显，由30 MPa 左右迅速提升为50 MPa 以上，这对岩体力学强度提升贡献明显，具有重要工程意义。

（5）随着风化程度和变色程度的加深，岩块“似软化系数”减小，反之亦然，至弱风化下带岩块和微新岩块，“似软化系数”已达到0.98 左右，且不随着风化程度和变色程度的减小而变化。可据此推断，强风化上带岩体软化系数最小，小于0.65；强风化下带岩体软化系数小于0.75；弱风化上带岩体软化系数小于0.90；弱风化下带和微新岩块软化系数小于0.98。

5 经验公式的建立

依据统计结果，通过EXCEL 软件处理拟合，分别得到强风化岩块、弱风化～微新岩块破坏断口变色程度与饱和岩块UCS 值的二次多项式关系式，其可靠度达到0.98 以上，见图1 及图2。可参考应用于老挝南部广泛发育的同类地层岩块UCS 值的估算，也可借鉴应用于其它坚硬岩分布区域的岩块UCS 值的估算。

图1 强风化岩块变色程度与UCS 值关系经验公式

图2 弱风化～微新岩块变色程度与UCS 值关系经验公式

6 结语

本文通过分析东萨宏水电站847 组坝基岩体不规则岩块点荷载试验成果和前期地勘岩芯样单轴压缩试验成果，认为不规则岩块点荷载试验成果较为可靠，且岩块破坏断面变色程度与UCS 值密切相关，并得出相应经验公式。当岩体破碎无法取得满足单轴压缩试验的岩芯时，采用不规则岩块点荷载试验是可靠的，尤其对于强风化地基岩体强度的估算，是一种较为重要的手段，且对普遍分布于老挝南部的同一类地层的其它工程地基岩块UCS 取值具有重要参考意义，对同类工程坚硬岩地基则具有一定参考意义。