西南地区坝基深部玄武岩工程地质特性研究

杜怡韩,聂德新,黄 博,张 墨

(1.安徽工程大学 建筑工程学院，安徽 芜湖 241000；2.成都理工大学 环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

在水利水电工程中，坝基岩体质量评价是整个项目工程地质评价中最为重要的一环，决定了建基面的选择、施工设计方案、坝基整体稳定性等关键问题。岩体评价指标主要为结构面发育程度、结构面间距、完整系数、强度参数等，理论上结构面间距越小，声波波速越低，岩体风化程度越高、结构越破碎、岩体质量越差。然而，由于勘察、施工条件的限制，坝基深部岩体的评价难度较大。作者近年来在西南玄武岩地区水电工程实践当中发现，对于浅部强风化～弱上风化带岩体，结构面间距和完整系数两种方法评价的岩体结构基本对应，但对于深部玄武岩，虽然结构面密度较大，其纵波波速值却较高，两个指标划分的岩体结构类型差异较大。因此，对于深部玄武岩简单按照结构面指标来评价岩体质量是不合适的。已有较多研究表明，岩体透水率、纵波波速等指标能较好反映岩体工程特性，且与岩体力学参数有较好的相关性，其测试方法相对简便，可用于深部岩体，借助透水率、纵波波速等指标评价深部玄武岩岩体是可行的。

针对西南地区深部玄武岩特性，提出“紧密镶嵌结构”玄武岩，以西南某水电站坝基玄武岩为例，通过钻孔岩芯、透水率、纵波波速等指标划分坝基岩体风化带、卸荷带、岩体结构，利用波速与变形模量相关关系、吕荣值与变形模量相关关系、室内MTS试验，确定深部岩体力学参数，划分岩体质量等级，为深部玄武岩工程特性研究提供依据。

1 深部玄武岩工程地质特性

我国西南地区地壳运动比较活跃，在内外动力作用下，形成了复杂的地质环境和岩(土)体结构。玄武岩强度高，刚度大，岩石内部储存了较高的弹性应变构造能，一旦受到强烈地质构造作用，将大量释放其储存的高能量，形成较多的结构面。处于原位状态的深部玄武岩，在未受扰动的前提下，其结构面处于紧密贴合状态，并不会降低纵波传播速度和渗透性，在几何表象上不完整，但在力学特性上表现出类似完整岩体的较高力学性质，其工程特性评价应综合考虑透水率、纵波波速、力学参数等指标。

1.1 深部玄武岩岩体结构、岩体风化、卸荷划分

在表部强～弱上风化段，岩体受到风化、卸荷的影响，结构面进一步发育，岩体完整性降低，纵波波速较低；而在深部弱下～微风化段，岩体基本处于原位状态，结构面紧密贴合，力学特性类似于完整岩体。深部玄武岩在几何表象上表现为镶嵌结构，而在力学性质上表现为完整性较差～较完整岩体，结合我国西南玄武岩水利水电工程实践经验，提出“紧密镶嵌结构”。岩体结构、风化卸荷划分主要参考指标不再局限于岩体几何尺寸，而主要参考纵波速度、渗透系数、力学参数等指标。

在用定量指标划分岩体风化带时，从各个工程实际应用来看，根据波速比对岩体风化程度进行划分，与现场实际情况较为吻合。在玄武岩中，构造形成的层内错动带、挤压破碎带在初始状态下具有较高的波速，后期河谷切割暴露后，压力解除、风化营力进入，碎裂岩体松弛，波速发生大幅降低，而临近的完整岩石具有较好的整体性，纵波波速值较高，声波孔测试结果会表现出较低波速与高波速交替的凹凸形状。因此，在利用波速比划分玄武岩风化带时，需要对波速～孔深柱式图凹凸变化规律进行分析，根据低波速——即凹槽出现的频率及波速值划分风化带。

水平孔声波以20 cm为间隔进行测试，对于玄武岩来说，若20 cm的测段内分布有拉张的卸荷裂隙，则纵波波速值锐减，波速值一般在2 000 m/s以下，而卸荷带内的测段若无拉张裂隙分布，则获得接近正常岩体的波速。因此依据测试结果绘制的波速-孔深柱式图出现跳跃式的变化，波速很低的凹槽地段为测段内出现卸荷拉张裂隙，可据此划分水平方向的卸荷带。

1.2 深部玄武岩力学参数

岩体是由完整岩块和结构面构成，岩体的变形参数由岩块变形参数和结构面的变形参数共同决定，其大小与岩体结构类型有关。岩体结构面发育、延续性好、规模大、充填物性状差，其变形模量较低，反之较高。在声波测试技术中，岩块和结构面对声波的传播和吸收不同，在岩体结构越差的地段，声波波速越低，反之越高。较多的工程实践也证实，声波波速与变形模量具有较好的相关性。现场变形试验难以获得深部岩体变形模量，利用波速与模量的关系可推导坝基深部岩体的变形模量。

溪洛渡水电站和金安桥水电站坝基岩体均为玄武岩，且已投产运营数年，其力学参数具有较高的可靠性。对这两个水电站坝基岩体建基条件进行复核，并对坝基岩体变形模量与声波波速之间关系进行研究，将两个水电站变形试验成果及对应声波波速进行拟合，如图1所示。结果表明，对于玄武岩来说，声波波速与变形模量具有较好的相关关系，深部玄武岩变形模量可通过相关关系式由波速计算而得。

图1 溪洛渡、金安桥水电站变形模量与声波波速相关关系图

吕荣值通过钻孔压水试验获取，以吕荣为单位表征试段岩体的透水率，以及流体通过岩体的难易程度，反映了岩体的渗透性与岩体裂隙发育程度紧密相关，岩体结构越差，吕荣值越大，反之越小。而声波速度的高低同样可以表征岩体的紧密程度、风化程度以及岩体力学参数的高低，因此吕荣值与声波波速、变形模量也应具有较好的相关性。此外，通过MTS伺服试验仪可恢复小岩体在三向应力下的状态，以获取深部状态下岩体的抗剪切强度。

综上，可以对深部玄武岩进行声波测试和渗透试验，再利用波速、吕荣值与变形模量的相关关系，结合室内试验得出力学参数。

1.3 岩体质量等级划分

通常来说，岩体质量划分主要依据风化分带、岩体结构、力学参数等指标。倘若以风化程度作为建基岩体质量划分主要要求的话，则不同岩性岩体在同一风化带所表现出来的性质差异很大，如弱风化花岗岩变形模量可达到10～15 GPa，而黄河上第三系红层的弱下风化岩体其变形模量仅为1～2 GPa；根据已建溪洛渡、金安桥、二滩水电站的工程经验，坝基岩体风化分带划分均参照国标，岩体结构划分上玄武岩与其他岩体存在差异，这是因为深部玄武岩虽然隐微裂隙发育，但由于自身刚度大，处于原位应力下的岩体结构面镶嵌紧密，仍然具有很高的力学特性；而与同等风化和同等岩级下的不同岩性岩体相比较，玄武岩的力学参数更高。因此，对于玄武岩的岩体质量等级划分，可不再拘泥于岩体几何尺寸，而是更多地参考其原位状态下力学参数、透水率等指标。

2 工程实例

2.1 工程概况

该水电站位于云南省鹤庆县中江乡，是金沙江中游河段8个梯级电站的第6级电站。坝体类型为混凝土重力坝，最大坝高119 m，水库正常蓄水位1 298.0 m，总库容5.44 亿m，电站装机容量1 800 MW。坝址区全景及工程地质图如图2所示。坝址区金沙江总体流向自北向南。坝址区河谷宽阔，约700～800 m，左岸坡度20°～40°，局部存在陡崖，右岸地形平缓，坡度5°～20°，分布Ⅰ～Ⅳ级堆积阶地。坝址区地层岩性为二叠系上统玄武岩(Pβ)，位于倾伏背斜的尾翼，上覆黑泥哨组(Ph)砂岩、泥质砂岩。两岸坝肩坝段部位岩体为Pβ，其余坝段岩体为Pβ，属致密块状玄武岩，厚度大于800 m。

图2 坝址区全貌及工程地质剖面图

2.2 坝基玄武岩岩体结构特征

坝基岩体通常是根据裂隙发育程度及完整性系数来划分，通过对所有平洞和露头结构面精测，获得各个平洞不同区段的优势结构面间距，同时，根据各平洞内声波测试结果计算出不同区段岩体完整性系数，并进行对比。以平硐PD12为例，仅在洞深10～20 m范围，两种指标评价的岩体结构相同，均为碎裂结构。在深部地段，按照岩体结构面间距主要划分为碎裂结构和镶嵌结构，但声波波速值增加较快，按照完整性系数划分为次块状结构、块状结构，两个指标划分的岩体结构类型差异较大。

钻孔岩芯能很好地反映这个现象，钻孔ZK80部分深度岩芯如图3所示。图3a岩芯深度范围为25.90～35.10 m，岩芯完整程度较好，岩石质量指标RQD为52.1%，该段测得纵波速度平均值为3 817 m/s；钻孔深度52.95～63.45 m区段内，岩芯RQD值降为32%，但原位声波波速测试的纵波波速平均值为4 609 m/s，这表明深部岩芯结构面密度高于完整的浅部岩体。由于钻进取样过程对岩体的扰动，取出后深部岩体结构面进一步张开、破裂，RQD低于浅部岩体，但深部玄武岩在未受扰动情况下岩体保持原位状态，岩体结构面贴合紧密，具有良好的力学特性。因此，深部玄武岩的工程特性评价不应局限于岩体结构面间距，而应该重点考虑其渗透性以及力学特性。

图3 ZK80钻孔中部分岩芯照片

2.3 坝基岩体结构分类方案

由于结构面间距与完整性系数评价的岩体结构类型存在明显差异，对于深部岩体，结构面间距仅仅表现出岩石被结构面切割后的尺寸大小，声波波速和渗透系数则能更好地反映岩体结构面发育程度及力学特性，对于评价真实的岩体工程特性更具有代表性。结合已有工程经验，坝址区岩体结构分类方案主要参考指标为纵波速度、完整性系数和吕荣值，具体如表1所示。

表1 该水电站坝基岩体结构分类方案

注：D为裂隙间距。

以平洞PD12为例，对于通过结构面间距和岩体完整性系数划分结果不相同的深部玄武岩，根据坝基岩体结构分类方案，划分结果如表2所示。

表2 PD12岩体结构划分表

2.4 岩体风化、卸荷划分

钻孔纵波波速在玄武岩层内错动带处数值较低，正常岩体波速较高，在波速-孔深柱状图上表现为低、高波速的凹凸形状，因此，结合声波波速、现场勘察、国标划分方案，修正完整性系数，确定风化分带关键波速为3 800 m/s、4 200 m/s及5 000 m/s。根据声波柱状图凹槽处声波值大小及出现频率划分该坝址区岩体风化带：凹槽波速为3 800 m/s，出现频率较高，为弱上风化；凹槽波速为4 200 m/s，且相邻高波速大于等于5 000 m/s区段，为弱下风化；凹槽对应的波速为5 000 m/s左右及稍高波速值，相邻高波速大于等于5 500 m/s，为微新岩体。以PD16号平洞声波波速比柱状图为例，如图4所示。洞口6 m处存在一条较大的挤压破碎带，无法造孔，洞深8 m以后岩体声波值较高，12 m以后波速比基本大于0.67，划分为弱下风化岩体。22 m以后声波波速值均达到5 000 m/s以上，为微新岩体。

依据测试结果绘制的波速-孔深柱式图出现跳跃式的变化，波速很低的凹槽地段为测段内出现卸荷拉张裂隙，据此划分卸荷带，仍然以PD16为例，22 m处出现凹槽，洞深8～22 m波速比相对较低，为卸荷带；22 m以后波速比均大于0.8，为未卸荷。平硐PD16风化、卸荷带划分图如图4所示。

2.5 坝基深部玄武岩岩体参数

分别对两岸坝高较低地段、河边基岩露头等浅部岩体开展变形试验，获得坝址区浅部岩体变形参数。以11坝段处变形试验点BX11-1为例，试验数据如表3所示。应力-位移曲线如图5所示。由图5可知，第一级荷载卸载后残余变形最大，荷载越大，卸荷后恢复的弹性变形量越大，变形模量随着逐级循环压力的增大而增大，表明岩体在应力作用下微裂隙逐渐闭合，岩体抗变形能力增强。这也进一步说明深部玄武岩在初始应力状态下结构面闭合，强度更高。

图4 平硐PD16风化、卸荷带划分图

表3 变形测试点DT11应力-位移统计表

根据坝基岩体变形试验成果及相应的声波波速值，拟合声波波速及变形模量的相关关系曲线如图6所示，关系式如式(1)所示。

Ln

(E)=

0.890 1

*V

-1.577，

(1)

式中，

E

为变形模量(GPa

)

；

V

为声波纵波速(km/s)。可以看出，声波波速和变形模量相关系数大于0.9，具有较好的相关性。

图5 变形测试点DT11应力-位移曲线图6 坝址变形模量与纵波波速相关曲线

通过对坝区钻孔中吕容值与声波波速值进行统计，对大量统计数据进行分区，得到各个区段内吕容值与波速平均值，对两者进行相关关系分析，拟合曲线如图7所示，相关关系如式(2)所示。

V

=

0.638Ln

(q)

+4.922 5，

(2)

在建立了波速与变形模量、吕荣值与波速相关关系后，以波速作为中间变量，建立吕荣值与变形模量相关关系如式(3)所示。

Ln

(E)=

0.568Ln

(q)

+2.805，

(3)

本项目中开展原位渗透试验的区域，根据岩体吕荣值计算获得深部玄武岩变形参数。由于现场不便于开展深部玄武岩原位直剪试验，利用MTS试验(见图8)研究岩体在三轴应力状态下强度特性。以钻孔ZK75中44.71～44.89 m试样为例，该岩样不同围压下轴向应力与位移量的关系曲线如图9所示。试验数据如表4所示。根据

σ

与

σ

计算抗剪强度参数。

图7 钻孔吕容值与声波波速相关关系曲线及关系式 图8 MTS伺服控制刚性试验机

表4 钻孔ZK75深度44.71～44.89 m试样轴向应力和侧向应力

通过计算，试样粘聚力为32.1 MPa，摩擦系数为2.47。由于尺寸效应影响，试验值较高，因此，将同一风化带各个试件试验数据汇总，以弱下风化带为例，如图10所示。按照下包络线轴压与围压关系，并根据工程经验，乘以修正系数0.8，给定岩体抗剪断强度：粘聚力14.2 MPa，摩擦系数1.17。

图9 钻孔ZK75深度44.71～44.89 m试样压力-位移曲线 图10 剪切试验σ1～σ3结果汇总图

根据上述对各个定量指标的选取，确定该水电站坝基深部紧密镶嵌玄武岩岩体质量分级如表5所示。

表5 该水电站坝基玄武岩岩体质量分级表

根据该标准，通过钻孔、平硐对坝基岩体质量进行划分，获得各级岩体界限点，将同级界限点连接成界面如图11所示。由图11可知，深部玄武岩岩体质量较好，右岸由于埋藏河谷的存在，同高程岩体质量级别相对左岸较低，现代河床及埋藏河谷选择Ⅱ～Ⅲ级岩体为建基面，两岸坝高较低地段选择Ⅲ级岩体为建基面。该水电站2012年底开始蓄水，2014年初全部机组投产发电，已正常运行7年，坝体变形、沉降均在安全范围内，表明对于坝基玄武岩的工程特性评价具有较高的可靠性。

图11 坝轴线岩体质量分级图

3 结论

西南地区玄武岩深部岩体在高地应力作用下形成较多的结构面，未受扰动时岩体依然具有高的力学性能，存在几何指标和力学指标的不匹配问题，原位测试也因作业条件的限制难于展开，给其工程地质特性评价带来困难。这是大型工程尤其是水利水电工程亟需解决的关键问题之一。以西南某水电站为工程背景，结合深部玄武岩声波测试、吕荣值、波速与变形参数相关关系、室内力学试验，得出以下结论：

(1)根据深部弱下风化至微新玄武岩体，在尺寸效应上为镶嵌结构，而力学性质上达到完整性差～较完整标准的特点，结合西南玄武岩地区水利水电工程实践经验，提出“紧密镶嵌结构”。

(2)具有初始密度的层内破碎带将有较高的波速，河谷切割暴露后岩体松弛，波速降低，而临近完整岩石依然具有高的波速，声波柱式图表现为低高波速的凹凸形状，根据波速凹槽出现的频率及数值判断风化带。测段内分布有拉张的卸荷裂隙，纵波波速值锐减，无拉张裂隙，波速值接近正常岩体，因此波速柱式图很低的凹槽地段为卸荷拉张裂隙，据此划分卸荷带。

(3)根据已有工程经验，玄武岩变形模量与声波波速有较好的相关性。利用深部岩体声波波速，借助波速与模量的拟合关系式、波速与吕荣值关系式，获得吕荣值与变形模量相关关系，推算深部岩体的变形模量。

(4)以西南某水电站坝基岩体纵波波速、吕荣值等指标，获得坝基岩体结构、风化、卸荷分带，结合原位试验、室内试验，借助波速渗透系数与变形模量相关关系式得到深部岩体力学参数，得到坝基岩体质量等级划分标准，并完成坝基岩体质量等级划分，为建基面的选择提供依据。