某水电站边坡岩体现场压缩蠕变特性研究

时间：2024-07-28

戴祺云，费大军

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司监测及试验研究所，四川成都 610072)

某水电站边坡岩体现场压缩蠕变特性研究

戴祺云，费大军

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司监测及试验研究所，四川成都 610072)

刚性承压板变形试验是了解水电站坝区软弱岩体变形特性的重要手段。介绍了在某水电站坝区针对软弱岩体进行的大型刚性承压板变形试验方法，深入分析了坝区软弱岩体的变形规律。根据试验资料，识别出了坝区软弱岩体的压缩蠕变模型，计算出了其流变参数，为坝区工程的设计和施工提供了重要的依据。

刚性承压板；软弱岩体；变形模量；长期变形模量

1 问题的提出

高拱坝工程规模巨大，均要求建基于坚硬、较完整岩体上。但坝基往往存在一些地质缺陷，如断层、挤压错动带、软弱夹层、蚀变岩带等软弱岩带，对坝基稳定不利。同时，坝基岩体在开挖卸荷、坝体荷载及高渗透水压的长期作用下，将可能呈现出与时间有关的变形特性，主要表现为松弛、蠕变、弹性后效、时效强度和流变损伤断裂等，对高拱坝的施工安全及长期运行稳定产生不利影响。当认识不到位、处理不当时，施工、运行期的工程可能会出现事故或留下安全隐患。

某水电站坝基边坡虽然开挖支护施工已经完成，但综合地质分析、稳定性验算、变形监测结果等表明：边坡(整体)目前是基本稳定的，但边坡深部依然存在缓慢的变形。边坡变形对混凝土垫座乃至今后拱坝影响如何，不仅关系到边坡的安全评估，而且还可能影响大坝工程的安全。因此，要弄清上述问题，除对坝基边坡的边界条件进行复核外，还需针对边坡软弱岩体的流变力学参数进行现场试验研究，其研究成果不仅对该电站边坡设计具有直接的指导意义，而且对高拱坝施工开挖安全、运行长期稳定具有重大的工程意义和社会意义；同时将极大地丰富岩体流变力学特性研究的理论与实践，具有重大的理论意义。

2 研究思路

目前关于室内小尺寸岩石试件的室内压缩蠕变试验成果较多，但针对现场软弱岩体的大尺寸原位压缩蠕变试验的研究成果非常少。由于岩体尺寸效应的影响，室内小尺寸岩石试件的压缩蠕变试验研究成果并不能有效反映现场大尺寸岩体的压缩蠕变力学特性，因此，亟需开展现场岩体的大尺寸原位流变试验。由于现场原位流变试验条件复杂，需要大量的人力、物力、财力为代价，因此，现场原位流变试验成本高、难度大，国内只有少数单位开展过现场原位流变试验研究。为有效揭示某水电站高拱坝边坡软弱岩带的压缩蠕变力学特性，笔者在坝区现场对边坡软弱岩带开展了直径为505 mm的大尺寸原位压缩蠕变试验，提出了软弱岩体大尺寸原位压缩蠕变试验的加载、测试与分析方法，有效揭示出软弱岩带的压缩蠕变特征规律，为建立软弱岩带的非线性流变力学模型，对边坡岩体流变力学参数进行进一步的复核及深化研究具有重要的工程意义[1～8]。

3 试验研究成果

3.1 试验点的确定及试件加工

试验采用圆形刚性承压板法，承压板直径为505 mm，1台300 t千斤顶加载，逐级一次循环。试验位置由地质设代人员在现场根据地质情况选定，试验在天然状态下进行。在清除受爆破松动影响的岩体表面后加工试点，对粘贴承压板处的岩石表面进行了人工凿平，将岩面起伏差控制在5 mm内。将承压板以外影响带的岩体表面加工至大致平整并清除松动的岩块和碎石。加载及稳压系统见图1

3.2 试验方法与加载方式

载荷分8级施加，根据设计压力，确定试验的最大压力为10 MPa。

图1 压缩蠕变试验加载及稳压系统示意图

(1)软弱破碎岩体按0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa、3 MPa、4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa逐级一次循环加、卸载，试验以试件破坏作为试验终止条件。

(2)加载、传力、量测系统安装完成并稳定1 d后加第一级载荷。

(3)每一级载荷均按加载稳定3 d，卸载到0，稳定2 d控制。

(4)卸载稳定时间可根据变形～时间关系曲线中弹性后效收敛情况适当增减。

(5)安装完成后即刻测记零读数，然后按10 min、20 min、40 min、1 h、1.5 h、2 h、3 h、4 h、6 h、8 h、12 h、16 h、24 h测读各测表位移，以后均按每间隔8 h定时测读各位移测表一次直至规定的稳定时间。

(6)每一级载荷加到时读数一次，逐级加载到预定载荷时即刻测记瞬时变形，然后按10 min、20 min、40 min、1 h、1.5 h、2 h、3 h、4 h、6 h、8 h、12 h、16 h、24 h测读各测表位移，以后均按每间隔8 h定时测读各位移测表一次直至规定的稳定时间。

(7)每一级载荷卸到时读数一次，逐级卸载到0时即刻测记瞬时变形，然后按10 min、20 min、40 min、1 h、1.5 h、2 h、3 h、4 h、6 h、8 h、12 h、16 h、24 h测读各测表位移，以后均按每间隔8 h定时测读各位移测表一次直至规定的稳定时间。

(8)每组试件总的试验时间为43～48 d。

3.3 试验成果

根据现场试验实测变形资料，绘制压力～变形关系曲线并分析岩体变形性质、特征，依据弹性理论，按半无限空间弹性体公式计算岩体变形(弹性)模量。试验成果见表1、图2～5。

表1 岩体压缩蠕变试验点地质特征及试验成果表

图2 E01岩体压缩蠕变试验变形～时间关系曲线图

图3 E02岩体压缩蠕变试验变形～时间关系曲线图

图4 E03岩体压缩蠕变试验变形～时间关系曲线图

图5 E04岩体压缩蠕变试验变形～时间关系曲线图

4 压缩蠕变特征及模型的识别

4.1 压缩蠕变特征分析

对各个试件每级荷载下的特征变形进行统计的情况见表2，从表2中可以看出：

(1)从卸载瞬间总变形构成看，主要为加载瞬间的瞬时变形(W01)，约占总变形的84%～92%，荷载持续期间的变形(W1t)仅占总变形的8%～16%。从卸载阶段量测结果看，总变形包含弹性变形(W02)、粘弹性变形(W2t)、残余变形(WR)三个部分。

(2)从加、卸载瞬间的瞬时变形比较看，卸载瞬间的回弹变形均小于加载瞬间的突变变形，说明加载瞬间的变形除弹性变形外，还包含塑性变形。

(3)卸载阶段的弹性后效(W2t)是一种粘弹性变形。

表3 试件岩体压缩变形构成分析表

综上所述：各个试件的压缩蠕变具有稳定蠕变特征，而且以加载瞬间变形为主；加载瞬间变形除包含弹性变形外，主要为塑性变形；荷载持续期间的变形主要为粘弹性变形。

4.2 模型识别

根据蠕变特征及模型组合特点，笔者选取的三参数模型(H-K模型)见图6。

4.3 岩体压缩蠕变参数反演结果

根据所选定的模型，对四个试件进行了参数反演分析，其成果见表4。

图6 三参数模型(H-K模型)

表4 H-K流变模型参数表

根据岩性类别进行统计的成果表明：

(1) E01模型蠕变参数为：弹性模量E0=7.33 GPa，粘弹性模量E1=41.3 GPa，粘性系数η1=125 475 MPa·h，长期模量E∞=6.07 GPa。软弱岩带长期变形模量与瞬时变形模量比值为 82.81%，长期变形模量的损失率为17.19%。

(2)对E02、E03、E04试件模型蠕变参数平均值再进行算术平均，其结果为：弹性模量E0=1.62 GPa，粘弹性模量E1=16.77 GPa，粘性系数η1=39 511.6 MPa·h，长期模量E∞=1.4 GPa。软弱岩带长期变形模量与瞬时变形模量比值为86.42%，长期变形模量的损失率为13.58%。