高地应力下水电站岩体原位变形和强度试验研究

夏广新，刘忠富，谭 春，许德鑫

（1.华能澜沧江水电股份有限公司托巴水电工程建设管理局，云南维西674600；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130061）

0 引言

岩体变形和强度参数是抽水蓄能电站整体工程设计中必不可少的设计参数，其数值大小对工程布置和结构参数影响较大，直接涉及到工程造价和工期，因此，如何科学合理地开展现场岩体原位试验至关重要。在水利工程建设过程中，现场岩体力学参数测试，一般根据DL/T 5368-2007《水电水利工程岩石试验规程》，试验压力为工程设计压力的1.2 倍，但是对于高地应力区，试验压力如何选择至关重要，通过在吉林蛟河抽水蓄能电站现场岩体变形和强度试验，初步探讨岩体试验压力的选择方法，为有关工程设计和试验提供参考。

1 工程概况

吉林蛟河抽水蓄能电站装机容量为1 200 MW，根据GB 50201-2014《防洪标准》和DL 5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》的规定，工程等别为Ⅰ等，工程规模为大（1）型。主要建筑物：上水库挡水建筑物、输水建筑物、地下厂房、主变洞、母线洞、通风兼出线洞、地面开关站、下水库挡水及泄水建筑物等。

工程地质条件为花岗闪长岩，呈麻灰白色，中细粒结构，块状构造，主要矿物分为长石、石英、黑云母及角闪石，岩质坚硬。顶拱零星分布的缓倾角节理与陡倾角结构面相互切割，局部可能构成不稳定的楔形体。上覆岩体厚278.6～340.0 m，发育有6 条，走向以N30°～5°OE 居多，倾向SE，以陡倾角为主。断层一般由碎裂岩、碎块岩、断层泥等组成。断层面多干燥，少量潮湿、有滴水。该段共发育有节理392 条，主要为陡倾角节理，产状为：①N50°～80°E，SE/NW∠75°～85°；②N5°～10°E，SE/NW ∠60°～85°；③N30°～60°W，SW ∠65°～85°，节理多微张，充填泥质、岩屑，性状较差。岩体以块状结构和次块状结构为主，围岩以Ⅱ类为主，约占92.6%，Ⅲ类约占7.4%。岩体纵波速为4.02～5.19 km/s。

2 现场试验压力的确定

2.1 有关资料的收集

蛟河电站上库最高和岔管段水位差500.0 m，考虑水锤压力为1.2 MPa，试验压力为6.2 MPa，考虑1.2 倍试验压力，计算试验压力为7.4 MPa。

国内有关抽水蓄能电站试验资料：桓仁抽水蓄能电站工程现场岩体变形试验压力为3.2 MPa，蒲石河抽水蓄能电站工程岩体变形试验压力为6.3 MPa；广州抽水蓄能试验岩体抗剪试验法向压力为3.6 MPa。

一般工程试验压力为3.2~6.3 MPa，由于该工程地应力数值为17 MPa，属于高地应力区，试验压力需要通过现场试验确定。

通过现场岩体变形试验，初步选择最高压力为16.0 MPa，分级差进行逐级一次循环法试验，在试验压力10.0 MPa 以内，各级压力下岩体变形基本属于弹性阶段，在压力10.0 MPa 以后，岩体变形出现较大的上下波动，分析在10.0 MPa 以后岩体塑性变形较大，造成岩体破坏变形，见图1 所示。

2.2 试验压力的选择

测试采用的最大压力确定原则：

1）考虑实测地应力数值大小的影响，岩体变形试验压力可以接近地应力最大值；

2）根据岩体压力与变形关系曲线，在弹性变形阶段的最大试验压力作为岩体抗剪强度的法向试验压力；

3）需要与设计、地质人员沟通协商后，借鉴国内其他工程经验，确定工程实际的试验压力。

通过现场试验，确定此次岩体变形试验最大压力为15.0 MPa，岩体强度试验压力为8.0 MPa。见图1 所示。

图1 现场岩体压力~变形关系曲线

3 试验原理和方法

3.1 变形试验原理

岩体变形试验原理为弹性理论方法，认为岩体是理想均匀各向同性的弹性体，按照弹性理论半空间无限体的布西涅斯克公式计算岩体的弹性模量和变形模量。刚性承压板法试验变形参数按下式计算：

式中：E——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代入式中计算时则为弹性模量Ee；μ——岩体泊松比；p——按承压面单位面积计算的压力，MPa；D——承压板直径，cm；W——岩体表面变形，cm。

3.2 抗剪强度试验原理

岩体抗剪强度试验分为混凝土抗剪和岩体抗剪，两种试验原理相同，在抗剪试验中，剪切破坏遵循库仑准则，其表达式：

式中：τ，σ——施加在剪切面上的剪应力、法向应力，MPa；φ——材料的内摩擦角；C——材料的粘聚力，MPa。

3.3 变形试验方法

岩体变形试验采用刚性承压板法、岩体变形试验加载方向为水平方向和垂直方向，试验状态为人工泡水饱和状态，加载方式采用逐级一次循环法，试验压力荷载分5 级进行，各级应力分别为3.0 ，6.0 ，9.0 ，12.0 ，15.0 MPa。

3.4 抗剪试验方法

混凝土抗剪试验采用平推法，试验状态为人工泡水饱和状态，法向应力由设计、地质确定，试验压力为8.0 MPa，等分6 级，各级应力分别为1.4，2.8，4.2，5.6，7.0，8.0 MPa。

4 试验成果分析

4.1 岩体变形试验结果

总体上看，各测段和测点的变形规律较好，与被测岩体的实际情况基本吻合，其变形特性指标在总体量级上是合理的。考虑试验点地质条件和试验条件，从围岩类别和方向进行分析，具体试验成果见表1 和图2。

图2 现场某点岩体压力~变形关系曲线

表1 岩体变形试验成果表

经分析得出：

1）Ⅱ类围岩水平方向变形模量为36.03~45.27 GPa，平均值为42.14 GPa，弹性模量为55.35~63.79 GPa，平均值为59.92 GPa。

2）Ⅱ类围岩垂直方向变形模量为26.25~33.89 GPa，平均值为30.89 GPa，弹性模量为41.54 ~50.63 GPa，平均值为46.64 GPa。

3）Ⅲ类围岩水平方向变形模量为24.63~28.48 GPa，平均值为26.57 GPa，弹性模量为43.32~48.28 GPa，平均值为45.79 GPa。

4）Ⅲ类围岩垂直方向变形模量为11.68~16.82 GPa，平均值为14.40 GPa，弹性模量为22.04~27.25 GPa，平均值为24.22 GPa。

4.2 岩体抗剪强度试验结果

试验数据经各自表达式的曲线拟合后，岩体抗剪试验相关系数在0.98以上，岩体与混凝土接触面的抗剪试验相关系数在0.97以上，相关关系均比较显著。试验数据离散性小，同一区岩体性质均一，曲线拟合精度较好，给出的试验数据表达式能够代表实际岩体结构面破坏时的摩尔-库仑表达式，试验数据准确可靠，具体结果见表2和图3。

图3 某点岩体~混凝土抗剪应力曲线

表2 岩体抗剪强度试验成果表

4.3 岩体-混凝土接触面试验成果

1）混凝土与岩体接触面抗剪断试验具体结果：抗剪断试验结果tgφ′为1.158~1.287，平均值为1.222，C′为 1.444~1.543，平均值为 1.504；抗剪试验结果 tgφ为 0.848~0.886，平均值为 0.863，C为0.666~0.779，平均值为0.736。

2）岩体抗剪试验具体结果：抗剪断试验结果tgφ′为 1.571~1.912，平均值为 1.740，C′为 2.029~2.701，平均值为2.353；抗剪试验结果 tgφ为0.910~1.124，平均值为1.023，C为1.269~1.492，平均值为1.398。

5 结语

此次试验是国内抽水蓄能电站首次采用高压力下进行的试验，测试结果经正态统计分析，误差较小，其试验成果是准确可靠的。试验成果表明，高压力下岩体变形规律比较好，对实测成果进行正态统计分析，统计分析岩体的变形模量与实测值相差0.57~1.21 GPa，统计分析岩体的弹性模量与实测值相差0.71~1.21 GPa，总体来看相差较小，进一步说明高压力下实测成果是准确可靠的。对于高地应力抽水蓄能电站现场岩体力学试验，岩体抗剪强度试验在弹性变形范围内最大压力下进行，岩体变形试验在地应力最大值范围内进行，技术上可行的，可以充分了解现场岩体变形和强度参数，为设计提供更多、更可靠的试验成果。