肖本職，何沛田

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶中心），重慶 400014）

亭子口電站水平層狀巖體變形特性試驗(yàn)研究

肖本職，何沛田

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶中心），重慶 400014）

通過(guò)對(duì)亭子口水利樞紐工程壩基下臥的黏土巖、粉砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖和巖屑砂巖等4種主要巖性的巖體變形試驗(yàn)曲線特征進(jìn)行分析，認(rèn)為：厚層巖屑砂巖的試驗(yàn)變形量主要來(lái)自于巖石晶格錯(cuò)動(dòng)變形，長(zhǎng)石石英砂巖的試驗(yàn)變形量主要為巖石內(nèi)孔隙和空隙變形以及巖石晶格錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的變形，而層理較發(fā)育的薄層黏土巖和粉砂巖的試驗(yàn)變形量主要由層間壓縮變形、巖石內(nèi)孔隙和空隙變形以及巖石晶格錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的變形共同組成。

亭子口電站；層狀巖體；變形試驗(yàn)；曲線特征

1 概 述

嘉陵江亭子口水利樞紐是嘉陵江干流梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的控制性梯級(jí)，主要建筑物有大壩、廠房、升船機(jī)及灌渠首部建筑物。設(shè)計(jì)擬采用混凝土重力壩，壩軸線長(zhǎng)1 108 m，最大壩高110 m。壩址區(qū)為白堊系下統(tǒng)紅層沉積巖體，出露主要地層為蒼溪組砂巖、粉砂巖、黏土巖，總厚度480 m，為軟硬相間不等厚的紅層巖體，相變頻繁。壩址處于九龍山背斜南東翼，巖層走向30°～60°，微傾下游偏左岸，傾角1°～5°，屬于近水平層狀巖體［1］。

由于紅層巖體的特性，該類巖體的孔隙和空隙較大，變形模量相對(duì)較低，模量比一般為低模比或中模比巖石。工程巖體的鉛垂向變形特性對(duì)重力壩的影響十分重要，是大壩變形穩(wěn)定分析的重要依據(jù)。為了解壩基各巖層的變形特性，針對(duì)揭露出的黏土巖、粉砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖和巖屑砂巖等4種主要巖性進(jìn)行了鉛垂向變形試驗(yàn)研究。

進(jìn)行試驗(yàn)的4種主要巖性中，位于最下部的K1c

2－1層巖屑砂巖為巨厚層巖體，層理不發(fā)育，其次是位于K1c2－1層之上的K1c2－3層長(zhǎng)石石英砂巖，巖層較厚，層理不明顯，而K1c2－3，K1c

3－1，K1c

3－3等層中的粉砂巖和黏土巖巖體厚度都相對(duì)較薄，巖層相互交錯(cuò)，相變突出，層理較發(fā)育。

對(duì)于層狀巖體的變形特性試驗(yàn)研究，一直以來(lái)都是巖石力學(xué)界非常關(guān)注的研究領(lǐng)域。無(wú)論是我國(guó)最早關(guān)于巖石力學(xué)試驗(yàn)的規(guī)程《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（DLJ 204－81，SLJ 2－81）及1992年的補(bǔ)充部分（DL 5006－92）、2001年的修訂版《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（SL264－2001），還是1999年頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工程巖石試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T500266－1999），以及國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的《巖石力學(xué)試驗(yàn)建議方法》，關(guān)于巖體變形試驗(yàn)，都是基于平面半無(wú)限均勻連續(xù)介質(zhì)巖體的假定，用建立在以半無(wú)限均質(zhì)體受集中力作用下的布辛涅斯克公式為基礎(chǔ)推導(dǎo)出的公式計(jì)算彈性模量和變形模量。

關(guān)于層狀巖體變形特性的研究，巖石力學(xué)工作者進(jìn)行了一些有益的探索。黃醒春等首先建立起了層狀巖體的橫觀各向同性本構(gòu)關(guān)系［2］，為層狀巖體的研究打下了一定理論基礎(chǔ)。謝和平等通過(guò)對(duì)層狀巖體進(jìn)行雙向壓縮試驗(yàn)及理論研究，提出了基于體積膨脹及體積畸變導(dǎo)致破壞的層狀巖體的能量型破壞準(zhǔn)則［3］。周火明等通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，研究了不同加載尺寸對(duì)層狀符合巖體變形參數(shù)的影響［4］。臺(tái)灣學(xué)者陳?季等通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)孔內(nèi)變形試驗(yàn)參數(shù)與室內(nèi)動(dòng)靜彈性試驗(yàn)參數(shù)建立對(duì)比關(guān)系，來(lái)估算臺(tái)灣地區(qū)沉積巖體的彈性模量［5］。上世紀(jì)80年代，李迪等通過(guò)對(duì)環(huán)形柔性板深部變形測(cè)量的分層彈模計(jì)算研究，提出了軟弱層帶巖體的地基概化模型和計(jì)算模型，并找到了利用承壓板下中心孔中多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)出的巖體深部變形分別計(jì)算出荷載影響范圍內(nèi)水平成層巖體各層模量的方法，提出了分層彈模計(jì)算方法的概念，后來(lái)逐步得到完善并開(kāi)始在工程中研究性地應(yīng)用［6－11］，該方法較好地解決了層狀巖體的變形特性試驗(yàn)研究問(wèn)題。但是，關(guān)于水平層狀巖體的變形試驗(yàn)問(wèn)題仍然處于研究階段，目前尚未納入規(guī)程規(guī)范。因此，本工程仍然只能采用現(xiàn)行規(guī)程中的圓形剛性承壓板法，擬通過(guò)對(duì)亭子口電站水平層狀巖體不同巖性及不同巖層厚度巖石介質(zhì)的變形曲線特征進(jìn)行分析，找出巖體變形的形成機(jī)理及其變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)方法、布置及成果

2.1 試驗(yàn)方法及布置

由于水平層狀巖體的變形試驗(yàn)問(wèn)題仍然處于研究階段，目前并未納入規(guī)程規(guī)范。因此，本工程仍然采用傳統(tǒng)的圓形剛性承壓板法進(jìn)行，最大試驗(yàn)荷載按工程應(yīng)力的1.2倍施加，實(shí)際施加最大試驗(yàn)荷載為3 MPa。

亭子口水利樞紐設(shè)計(jì)采用重力壩及左岸壩后式廠房，壩基巖體的垂直變形將是大壩變形穩(wěn)定的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，變形試驗(yàn)主要布置在壩軸線上，荷載均為垂直施加。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘探平洞，分為左右岸和上下3層進(jìn)行布置，根據(jù)勘探平洞內(nèi)揭露出的巖性情況及試驗(yàn)條件布置相應(yīng)巖層的變形試驗(yàn)。第一層布置在洪水位以上，壩頂高程以下勘探平洞內(nèi)（軟巖類）；第二層布置在枯水位以上河岸邊勘探平洞內(nèi)（軟巖類）；第三層布置在枯水位以下勘探豎井內(nèi)（長(zhǎng)石石英砂巖）。主要壩段持力層為K1c2－1巨厚層巖屑砂巖，由于該層巖體埋設(shè)較深，試驗(yàn)布置在壩軸線上游約500 m專用試驗(yàn)平洞內(nèi)的同層巖體中。

由于巖屑砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖為厚層巖體，巖性相對(duì)穩(wěn)定，層理不明顯，各布置1組試驗(yàn)。而粉砂巖、黏土巖為薄層巖體，且相互交錯(cuò)，巖層巖性不穩(wěn)定，相變突出，層理發(fā)育。為了更準(zhǔn)確全面地了解軟巖類巖體的變形特性，對(duì)粉砂巖、黏土巖這2種巖性各布置了3組變形試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)成果

4種主要巖性共計(jì)8組／22點(diǎn)變形試驗(yàn)的試驗(yàn)成果［12］見(jiàn)表1（有2點(diǎn)試驗(yàn)失敗，數(shù)據(jù)廢棄）。

影響巖體變形特性的因素較多，主要有巖性、完整程度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度和巖層層面等。砂巖類屬于較堅(jiān)硬巖～堅(jiān)硬巖，黏土巖類屬于軟巖～較軟巖。總體上講較硬質(zhì)巖的變形模量高于軟質(zhì)巖的變形模量，即砂巖類的變形模量高于黏土巖類的變形模量。其主要原因是巖性不同的巖體，致密程度不同，其抵抗變形的能力不同。而在砂巖類中，巖屑砂巖的變形模量又明顯高于長(zhǎng)石石英砂巖和粉砂巖的變形模量，這主要是由于巖屑砂巖的顆粒結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)石石英砂巖和粉砂巖更加致密。

表1 試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of test results

3 典型曲線及變形特征分析

3.1 典型曲線及變形特征分析

巖體變形曲線的形態(tài)與試驗(yàn)巖層的巖性、加壓面以下地質(zhì)特征甚至承壓板的安裝情況都有密切的關(guān)系。常見(jiàn)的有直線型、上凹型、下凹型及長(zhǎng)尾型等曲線形態(tài)，在排除安裝質(zhì)量問(wèn)題的前提下，試驗(yàn)曲線能夠較好地反映試驗(yàn)巖體的性狀及地質(zhì)特征。該工程4種巖性巖體的典型應(yīng)力-變形試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖1。通過(guò)對(duì)這些典型曲線的曲線形態(tài)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)不同巖性巖體的基本變形特性。

圖1 4種巖性典型曲線Fig.1 Typical curves of 4 kinds of rockm asses

由于巖層傾角僅為1～5°，屬于近水平巖體，而變形試驗(yàn)荷載為鉛直向，即荷載基本與巖層面及層理垂直。試驗(yàn)加載過(guò)程中所產(chǎn)生的變形主要包括了3部分：一是層間壓縮變形；二是巖石內(nèi)部的孔隙和空隙變形；三是巖石晶格錯(cuò)動(dòng)變形。

圖1（a）、（b）兩條曲線代表了黏土巖和粉砂巖的應(yīng)力與變形關(guān)系曲線，該類曲線所反映的變形特性為：荷載初期，巖體的層間變形占主導(dǎo)地位，而巖石內(nèi)部孔隙變形和晶格錯(cuò)動(dòng)變形很少。此時(shí)的應(yīng)力-變形曲線呈現(xiàn)應(yīng)力小變形大的非破壞性壓密變形階段，其曲線形態(tài)為下凹型曲線。隨著荷載的增加，層間空隙被壓密，層間變形趨于穩(wěn)定，此時(shí)巖石內(nèi)部孔隙變形和晶格錯(cuò)動(dòng)變形占主導(dǎo)地位。此時(shí)的應(yīng)力-變形曲線基本近似于直線，而且每級(jí)荷載作用下，循環(huán)加載線不重合，開(kāi)度較寬。該變形曲線較好地反映了該類巖體在荷載作用下所反映出的層間壓縮變形；同時(shí)也反映出了巖石晶格錯(cuò)動(dòng)變形的巖體變形特性。而對(duì)于粉砂巖和粘土巖的比較，由于粉砂巖的孔隙率高于粘土巖，但其強(qiáng)度也高于粘土巖。因此，粉砂巖的初期壓密階段更為突出，但壓密階段后的曲線更近于直線。而粘土巖的壓密階段結(jié)束得并不是太明顯，而是緩慢完成的。

圖1（c）代表了長(zhǎng)石石英砂巖的應(yīng)力-變形曲線。該層巖體為較厚層巖體，層理不明顯，但質(zhì)地較疏松，礦物顆粒接觸不緊密，存在著孔隙和空隙，但巖體的強(qiáng)度較高，屬于較堅(jiān)硬巖石。因此，在較低壓力作用下，其變形相對(duì)較小，隨著壓力的增加，巖石內(nèi)部孔隙和空隙受到壓密，開(kāi)始產(chǎn)生晶格錯(cuò)動(dòng)變形，此時(shí)的變形隨著壓力增加而明顯增大，呈現(xiàn)上凸型應(yīng)力-變形曲線。從加卸載過(guò)程曲線來(lái)看，開(kāi)度較寬，每級(jí)循環(huán)圈明顯變大。這類曲線反映了該工程的較厚層、層理不明顯、強(qiáng)度較高，但顆粒疏松類巖體的變形特征。

圖1（d）代表了巖屑砂巖的應(yīng)力-變形曲線。該類巖體為巨厚層、層理不明顯、巖體致密，巖石內(nèi)部孔隙和空隙較小，強(qiáng)度高，為堅(jiān)硬巖石。在給定的壓力范圍內(nèi)，應(yīng)力與變形呈線性變化，基本為一直線，從加卸載過(guò)程曲線來(lái)看，開(kāi)度窄小，每級(jí)循環(huán)圈基本相似。這反映了該工程的巨厚層、層理不明顯，巖石顆粒結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度較高的堅(jiān)硬巖體的變形特征。

3.2 討 論

綜上所述，粘土巖和粉砂巖等層理較發(fā)育薄層軟巖和較軟巖，在較低應(yīng)力作用下產(chǎn)生較大變形，該變形為層間壓縮變形、巖石內(nèi)孔隙和空隙變形以及巖石晶格錯(cuò)動(dòng)變形共同組成的綜合變形量。長(zhǎng)石石英砂巖屬于層理不明顯，但顆粒較疏松，巖石內(nèi)部孔隙和空隙較大，在給定的應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的變形主要為巖石內(nèi)孔隙和空隙變形以及巖石晶格錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的變形。而巖屑砂巖屬于層理不明顯、顆粒結(jié)構(gòu)致密、孔隙和空隙較小。在給定的應(yīng)力作用下只產(chǎn)生了較小的變形，該變形主要為巖石晶格錯(cuò)動(dòng)變形。由此可見(jiàn)，同樣的試驗(yàn)方法，對(duì)于不同巖性或不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的巖體，其試驗(yàn)成果的物理意義卻大不相同。

傳統(tǒng)的剛性承壓板法變形試驗(yàn)對(duì)于連續(xù)介質(zhì)巖體是合適的，也得到了很好的應(yīng)用并已形成規(guī)范多年。然而，對(duì)于層狀巖體，受壓面以下為層狀非均質(zhì)各向異性巖體，用該方法得到的巖體變形及其模量，它反應(yīng)的是受壓面以下巖體的綜合變形及其模量，而并不能反映加壓層巖體本身的變形特性。因此，對(duì)于類似本工程的成層狀巖體以及含有裂隙、斷層破碎帶、軟弱夾層等非均勻、復(fù)雜介質(zhì)組成巖體，需在傳統(tǒng)的承壓板法變形試驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展一種新的層狀巖體變形試驗(yàn)方法。這種試驗(yàn)方法能夠測(cè)試不同深度的變形，與分層彈模計(jì)算方法相匹配，方可解決工程實(shí)際問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)嘉陵江亭子口水利樞紐壩址區(qū)黏土巖、粉砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖和巖屑砂巖的變形試驗(yàn)成果進(jìn)行分析，長(zhǎng)石石英砂巖和巖屑砂巖的變形試驗(yàn)成果基本反映了這2類巖石的變形特性，而黏土巖、粉砂巖的變形試驗(yàn)成果反映的是試驗(yàn)加壓點(diǎn)以下巖體的綜合模量和變形特性。

（1）結(jié)構(gòu)致密的厚層巖屑砂巖的試驗(yàn)變形量很小，主要來(lái)自于巖石晶格錯(cuò)動(dòng)變形。厚層長(zhǎng)石石英砂巖的試驗(yàn)變形量主要為巖石內(nèi)孔隙和空隙變形以及巖石晶格錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的變形。而層理較發(fā)育的薄層黏土巖和粉砂巖，其試驗(yàn)變形量較大，主要由層間壓縮變形、巖石內(nèi)孔隙和空隙變形以及巖石晶格錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的變形3大部分組成。

（2）對(duì)于厚層均質(zhì)巖體，圓形剛性承壓板法變形試驗(yàn)成果能夠較好地反映試驗(yàn)巖體的變形特性。

（3）對(duì)于成層狀巖體以及含有裂隙、斷層破碎帶、軟弱夾層等非均勻、復(fù)雜介質(zhì)組成的巖體，傳統(tǒng)的圓形剛性承壓板法變形試驗(yàn)成果所反映的是試驗(yàn)加壓點(diǎn)以下巖體的綜合變形特性，而非加壓巖體本身的變形特性。對(duì)于該類巖體，須在傳統(tǒng)的承壓板法變形試驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展一種新的與分層彈模計(jì)算方法相匹配的層狀巖體變形試驗(yàn)方法，以便更好地解決工程實(shí)際中需要的各層巖體或軟弱層帶的變形模量的問(wèn)題。

［1］ 長(zhǎng)江水利委員會(huì).嘉陵江亭子口水利樞紐可行性研究報(bào)告－工程地質(zhì)［R］.武漢：長(zhǎng)江水利委員會(huì)，1995.（ChangjiangWater Resource Commission.Report of fea-sibility research for Jialingjiang Tingzikou Hydraulic Pro-ject－Engineering Geological［R］.Wuhan：Changjiang Water Resource Commission，1995.（in Chinese））

［2］ 黃醒春，陶連金，曹文貴.巖石力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2005.（HUANG Xing-chun，TAO Lian-jin，CAO Wen-gui.Rock Mechanics［M］.Beijing：Higher Education Press，2005.（in Chinese））

［3］ 謝和平，鞠 楊，黎立云，等.巖體變形破壞過(guò)程的能量機(jī)制［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（9）：1729～1740.（XIEHe-ping，JU Yang，LILi-yun，etal.En-ergymechanism of deformation and failure of rock masses［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineer-ing，2008，27（9）：1729～1740.（in Chinese））

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［5］ 陳?季，蔡瑞興，李瑞琳.實(shí)驗(yàn)方法推估臺(tái)灣地區(qū)巖石變形模量研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2004，36（3）：9－13.（CHEN Shu-ji，CAIRui-xing，LI Rui-lin.Using experimentalmethod for elementary evalu-ation of rock deformation modulus in taiwan area［J］.Journal of Sichuan University（Engineering Science Edi-tion），2004，36（3）：9－13.（in Chinese））

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［7］ 李 迪，王昌明.剛性承壓板法變形試驗(yàn)的分層彈模計(jì)算［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2003，20（2）：23－25.（LI Di，WANG Chang-ming.Calculation of elastic moduli of divided layers from rock deformation test for rigid bearing plate deformation［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003，20（2）：23－25.（in Chinese））

［8］ 張 漫，王志旺，李 迪.巖體變形試驗(yàn)分層彈模計(jì)算的工程應(yīng)用［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2003，20（6）：41－43.（ZHANGMan，WANG Zhi-wang，LIDi.Calculation of elastic moduli of divided layers from rock deformation test and its application to geotechnical engineering［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003，20（6）：41－43.（in Chinese））

［9］ 李 迪，張 漫，王志旺，等.柔性承壓板法變形試驗(yàn)分層彈模的聯(lián)合計(jì)算［J］.固體力學(xué)學(xué)報(bào)（計(jì)算力學(xué)專輯），2003，24：204－208.（LIDi，ZHANGMan，WANG Zhi-wang，et al.Combined calculation of elastic moduli of divided layers for flexible bearing plate deformation test［J］.Acta Mechanica Solida Sinica，2003，24：204－208.（in Chinese））

［10］李 迪，張保軍，張 漫，等.巖體變形試驗(yàn)與分層彈模計(jì)算［M］.武漢：湖北科技出版社，2005.（LI Di，ZHANG Bao-jun，ZHANGg Man，et al.Rock Deforma-tion Testand Elastic ModuliCalculation of Divided Layers［M］.Wuhan：Hubei Science and Technology Press，2005.（in Chinese））

［11］李 迪，張 漫，王志旺，等.關(guān)于層狀巖體試驗(yàn)的建議方法［J］.巖土力學(xué)（增刊2），2006，27：1156－1160.（LI Di，ZHANG Man，WANG Zhi-wang.Suggested method for deformability test of layered rock masses［J］.Journal of Rock and Soil Mechanics，2006，27（supp.2）：1156～1160.（in Chinese））

［12］何沛田，肖本職，吳相超.嘉陵江亭子口水利樞紐巖石力學(xué)試驗(yàn)研究綜合報(bào)告［R］.武漢：長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，2007.（HE Pei-tian，Xiao Ben-zhi，Wu Xiangchao.Compositive research report of rock mechan-ics tests for Jialingjiang Tingzikou Hydraulic Project［R］.Wuhan：Changjiang Water Resource Commission Yangtze River Scientific Research Institute，2007.（in Chinese））

（編輯：曾小漢）

Test Research on Deformation Characteristics of Horizontally layered Rockmass in Tingzikou Power Station

XIAO Ben-zhi，HE Pei-tian
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources（Chongqing Center），Yangtze River Scientific Research Institute，Chongqing 400014，China）

Through the analysis of characteristics in curve of deformation tests on the four kinds of rockmasses such as claystone，siltstone，feldspar-quartz sandstone and lithic sandstone underlain the dam foundation of Tingzikou Hydropower Station，it is thought that：the test deformation of thick lithic sandstone ismainly caused by slippage deformation of rock crystal lattice；the test deformation of feldspar-quartz sandstone ismainly from small crevices in rock，compressive deformation of rock small holes and slippage deformation of rock crystal lattice；and the test de-formation of thin layer claystone in which horizontal layer is developed and siltstone ismainly from compression de-formation in interlayer，small crevices in rock，compression deformation of rock small holes and slippage deforma-tion of rock crystal lattice.

Tingzikou Power Station；layer rockmass；deformation test；curve characteristic

TV223.1

A

1001－5485（2010）03－0046－04

2009-04-14；

2009-05-26

水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（G07－17）

肖本職（1966-），男，重慶墊江人，高級(jí)工程師，主要從事巖石物理力學(xué)試驗(yàn)、檢測(cè)及地應(yīng)力測(cè)量等方面的工作，（電話）023-63600884（電子信箱）benzhi＿xiao＠163.com。