壩基斷層巖體原位直剪與變形試驗(yàn)研究

李祥俊，穆萬(wàn)鵬，劉忠富，譚春（.華能瀾滄江水電股份有限公司托巴水電工程籌建處，云南 迪慶 674600；.桑河二級(jí)水電站有限公司，云南 昆明 6504；.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 006）

壩基斷層巖體原位直剪與變形試驗(yàn)研究

李祥俊1，穆萬(wàn)鵬2，劉忠富3，譚春3
（1.華能瀾滄江水電股份有限公司托巴水電工程籌建處，云南 迪慶 674600；2.桑河二級(jí)水電站有限公司，云南 昆明 650214；3.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130061）

由于壩基F67斷層破碎帶規(guī)模較大，性狀較差，對(duì)壩基變形、抗滑及滲透穩(wěn)定影響均較大，如何使提供的抗剪強(qiáng)度與變形模量參數(shù)既保證大壩安全又經(jīng)濟(jì)合理，是試驗(yàn)工作的關(guān)鍵。文中根據(jù)豐滿水電站壩基進(jìn)行的原位試驗(yàn)，介紹了這次試驗(yàn)內(nèi)容、方法及成果，提出了該工程F67斷層泥化帶、強(qiáng)烈擠壓破碎帶和擠壓破碎帶的巖體變形模量和抗剪強(qiáng)度參數(shù)，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

豐滿重建；壩基F67斷層；巖體變形與直剪；試驗(yàn)成果

1　概述

豐滿水電站始建于1937年偽滿時(shí)期，是我國(guó)最早建設(shè)的水電站，由于當(dāng)時(shí)的建設(shè)條件，大壩施工質(zhì)量差，滲漏嚴(yán)重，存在安全隱患。2009年9月，水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院審查并通過(guò)中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)的重建方案。

豐滿水電站為吉林省境內(nèi)第二松花江干流上修建的一座以發(fā)電為主，兼顧防洪、供水、灌溉等多方面綜合利用的大型水力發(fā)電工程，工程為一等工程，主要建筑物大壩、左岸泄洪兼導(dǎo)流洞、壩后式廠房和開(kāi)關(guān)站為1級(jí)建筑物。壩址布置在原壩址下游120 m處，為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程269.90 m，壩頂長(zhǎng)1 068.00 m，最大壩高94.50 m。

2　 F67斷層地質(zhì)條件

壩址區(qū)主要為二疊系下統(tǒng)一拉溪組地層和第四系地層（玄武巖和松散堆積物），侵入巖為華力西晚期花崗巖。其中F67斷層為壩址區(qū)發(fā)育規(guī)模最大、性狀最差的一條斷層破碎帶，在右岸階地部位順江通過(guò)壩址區(qū)，與壩軸線近于正交。該斷層破碎帶由F67-1、F67-2、F67-3、F67-4和F67-5等多條斷層組成，總體走向N15°～50°W，傾向SW，傾角60°～85°。由于F67斷層多期活動(dòng)，致使該破碎帶斷層條數(shù)較多，間距較近，加之風(fēng)化作用的影響，各斷層寬度不一，性狀亦有差異；但破碎帶寬度總體上自上而下逐漸變小，破碎程度隨深度的增加而逐漸減弱。整個(gè)破碎帶巖石破碎程度不均一，按其破碎情況大致可分?jǐn)鄬幽嗷瘞?、?qiáng)烈擠壓破碎帶和擠壓破碎帶三個(gè)部分。

泥化帶：約占斷層帶總寬度的2.3%，即F67-1、F67-2、F67-3斷層中心帶；F67-1斷層泥化帶寬度約0.5～0.7 m，局部可達(dá)2.5 m，由灰～灰黃色泥夾巖屑組成，濕時(shí)具塑性。F67-2、F67-3斷層泥化帶分別寬0.4～0.6 m和0.05～0.1 m，由泥夾巖屑組成。

強(qiáng)烈擠壓破碎帶：約占斷層帶總寬度的18.7%，沿F67-1、F67-2、F67-3斷層中心帶上盤(pán)分布，寬一般3～6 m，破碎帶內(nèi)與斷層方向一致的陡傾角節(jié)理密集分布，破碎帶內(nèi)巖石多被壓碎成數(shù)厘米至十厘米大小的較軟弱至中等堅(jiān)硬的巖塊（碎塊巖），部分地段見(jiàn)有碎裂巖及斷層角礫巖，并多被鈣質(zhì)及硅質(zhì)次生物重新膠結(jié)，局部有綠泥石化、高嶺土化現(xiàn)象。

擠壓破碎帶：約占斷層帶總寬度的79%，分布于F67-1、F67-2、F67-3強(qiáng)烈擠壓破碎帶兩側(cè)，寬度25～30 m；破碎帶內(nèi)見(jiàn)有多條傾角較陡的小斷層，巖石多破碎呈10～30 cm大小的中硬巖塊，局部強(qiáng)烈破碎、軟弱。其特點(diǎn)是壓碎巖塊多被鈣質(zhì)及硅質(zhì)次生物重膠結(jié)，整個(gè)擠壓破碎帶下盤(pán)破碎程度較上盤(pán)輕，下盤(pán)側(cè)擠壓破碎帶向外壓碎巖塊逐漸增大，巖石由中等堅(jiān)硬逐漸變?yōu)閳?jiān)硬。

3　試驗(yàn)內(nèi)容

這次試驗(yàn)是在大壩施工期間，由設(shè)計(jì)、地質(zhì)、試驗(yàn)、監(jiān)理、施工共同確定試驗(yàn)位置，在F67斷層壩段建基面斷層帶內(nèi)進(jìn)行，內(nèi)容包括原位變形試驗(yàn)和原位抗剪（斷）試驗(yàn)。原位變形試驗(yàn)：在F67斷層泥化帶、一般擠壓破碎帶、強(qiáng)烈擠壓破碎帶布置原位變形試驗(yàn)各1組，每組6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。試驗(yàn)采用剛性承壓板法，巖體變形試驗(yàn)加載方向?yàn)殂U直方向。

原位抗剪（斷）試驗(yàn)：在F67斷層一般擠壓破碎帶布置原位抗剪（斷）試驗(yàn)2組，每組6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)；F67斷層強(qiáng)烈擠壓破碎帶布置原位抗剪（斷）試驗(yàn)1組，每組6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)；F67斷層泥化帶布置原位抗剪（斷）試驗(yàn)1組，每組6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。試驗(yàn)采用平推法，其剪切加載方向與工程總體的水流推力方向一致，即剪力方向?yàn)镹23.4°W，法向加載方向與鉛直方向。

4　試驗(yàn)方法

4.1巖體直剪試驗(yàn)方法

在巖體直剪試驗(yàn)中，巖體剪切破壞遵循庫(kù)侖準(zhǔn)則，其表達(dá)式為：

τ=σtgφ+C

式中：τ——施加在剪切面上的剪應(yīng)力，MPa；σ——施加在剪切面上的法向應(yīng)力，MPa；φ——材料的內(nèi)摩擦角；C——材料的粘聚力，MPa。

巖體直剪試驗(yàn)采用平推法，在人工泡水條件下進(jìn)行，剪切荷載方向與工程水流推力方向一致。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，豐滿工程壩基應(yīng)力為2.0 MPa，分五級(jí)施加，級(jí)差為0.4 MPa，確定各級(jí)應(yīng)力為0.4，0.8，1.2，1.6，2.0 MPa。

對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行清理，加工變形、直剪試驗(yàn)試件，變形試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)類似。4.2巖體變形試驗(yàn)方法

巖體的變形試驗(yàn)原理為彈性理論方法，認(rèn)為巖體是理想均勻的各向同性的彈性體，按照彈性理論半空間無(wú)限體的布西涅斯克公式，計(jì)算巖體的彈性模量和變形模量。剛性承壓板法試驗(yàn)變形參數(shù)按下列公式計(jì)算：式中：E——變形模量或彈性模量，MPa；當(dāng)以全變形W0代入式中計(jì)算時(shí)為變形模量E0，當(dāng)以彈性變形We代入式中計(jì)算時(shí)則為彈性模量Ee；μ——巖體泊松比；p——按承壓面單位面積計(jì)算的壓力，MPa；D——承壓板直徑，cm；D——巖體表面變形，cm。

巖體變形試驗(yàn)采用剛性承壓板法，在人工泡水條件下進(jìn)行，巖體變形試驗(yàn)加載方向?yàn)殂U直方向，加載方式采用逐級(jí)一次循環(huán)法，試驗(yàn)壓力荷載分5級(jí)進(jìn)行。工程設(shè)計(jì)最大荷載為2.0 MPa，分五級(jí)施加，級(jí)差為0.4 MPa。

5　試驗(yàn)結(jié)果

5.1抗剪試驗(yàn)結(jié)果

這次巖體直剪試驗(yàn)在F67斷層共進(jìn)行4組24個(gè)巖體直剪試驗(yàn)，F(xiàn)67直剪試驗(yàn)為泥化帶剪切、強(qiáng)烈擠壓破碎帶剪切和擠壓破碎帶剪切。其中泥化帶抗剪斷（或抗剪）應(yīng)力曲線和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3和表1所示。

總體上看，各組規(guī)律較好，試驗(yàn)成果如下：泥化帶峰值強(qiáng)度：tgφ′=1.191，C′=0.534；tgφ=0.909，C=0.524MPa；強(qiáng)烈擠壓破碎帶峰值強(qiáng)度：tgφ′= 0.72，C′=1.616；tgφ=0.701，C=1.072 MPa；擠壓破碎帶峰值強(qiáng)度：tgφ′=1.261，C′=1.235；tgφ′=1.061，C=1.124 MPa；綜合值tgφ′=1.343，C′=1.071；tgφ= 1.030，C=1.035MPa。

5.2變形試驗(yàn)結(jié)果

這次巖體變形試驗(yàn)在F67斷層分別進(jìn)行了3組（18點(diǎn)）巖體變形試驗(yàn)，總體上看，各測(cè)段和測(cè)點(diǎn)的變形規(guī)律較好，與被測(cè)巖體的實(shí)際情況基本吻合，其變形特性指標(biāo)在總體量級(jí)上是合理的。其中泥化帶變形試驗(yàn)成果和變形模量關(guān)系曲線見(jiàn)表2和圖4所示。

試驗(yàn)基本結(jié)果如下：泥化帶變形模量為0.08～0.24 GPa，平均為0.17 GPa，彈性模量為0.18～0.38 GPa，平均為0.32 GPa；強(qiáng)烈擠壓破碎帶變形模量為0.30 GPa～0.56GPa，平均為0.40GPa，彈性模量為0.26～0.76 GPa，平均為0.61 GPa；擠壓破碎帶變形模量為0.70～1.07 GPa，平均為0.86 GPa，彈性模量為0.91～1.43 GPa，平均為1.13 GPa。

表1　泥化帶抗剪斷（抗剪）試驗(yàn)成果

圖2　泥化帶抗剪斷正應(yīng)力-剪應(yīng)力曲線

圖3　泥化帶抗剪正應(yīng)力-剪應(yīng)力曲線

表2　泥化帶變形試驗(yàn)成果匯總表

6　結(jié)論

壩基F67斷層為壩址區(qū)發(fā)育規(guī)模最大、性狀最差的一條斷層破碎帶，是工程地質(zhì)研究的重點(diǎn)對(duì)象，其強(qiáng)度參數(shù)尤其重要，受巖性、成因及賦存環(huán)境等復(fù)雜因素影響。因此，在建壩地區(qū)的勘測(cè)中，均把斷層的試驗(yàn)、勘察放在首要位置。目前，斷層破碎帶的巖體變形與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的選定主要有兩種方法：其一是工程類比法，一般用于中小型工程或大型工程的規(guī)劃、可行性研究階段試驗(yàn)資料不足的情況下。其二是現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)法，主要用于大型工程，在地質(zhì)勘探洞內(nèi)或壩基建基面上進(jìn)行。通過(guò)國(guó)內(nèi)有關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，比如錦屏一級(jí)水電站、黑龍江大頂子山航電樞紐等工程，采取在壩基建基面上進(jìn)行巖體變形與直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)方法是可行的，試驗(yàn)成果科學(xué)合理，符合工程實(shí)際，使提供的抗剪強(qiáng)度與變形模量參數(shù)既保證大壩安全，又經(jīng)濟(jì)合理。

圖4 F67斷層泥化帶變形模量關(guān)系曲線

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