馬 鵬 盧 泳 陳文華 沈亞興

某水電站圍巖彈性抗力系數(shù)試驗(yàn)研究

馬 鵬 盧 泳 陳文華 沈亞興

（浙江華東工程安全技術(shù)有限公司 浙江杭州 310014）

巖體彈性抗力系數(shù)試驗(yàn)一般在可研階段進(jìn)行，難度大、測試周期長、費(fèi)用高。并需開挖試驗(yàn)洞，在技施階段已難以進(jìn)行。為了滿足設(shè)計(jì)要求，查閱相關(guān)文獻(xiàn)和資料后，在該工程高壓管道上、下平段洞內(nèi)進(jìn)行了“長條荷載板法”圍巖彈性抗力系數(shù)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明該方法可靠實(shí)用，為有壓隧洞確定合理的k0提供了實(shí)用的方法。

單位彈性抗力系數(shù)k0長條載荷板法 變形模量

引言

某水電站在技施階段由于特殊原因，將更改高壓管道的襯砌型式。為選擇合理的襯砌厚度，設(shè)計(jì)迫切需要知道圍巖的彈性抗力系數(shù)。規(guī)范規(guī)定的水壓法或徑向液枕壓法測巖體彈性抗力系數(shù)一般在可研階段進(jìn)行，試驗(yàn)難度大、測試周期長、費(fèi)用高。并需開挖試驗(yàn)洞，在技施階段已難以進(jìn)行。為了滿足設(shè)計(jì)要求，在該工程高壓管道上、平段洞內(nèi)進(jìn)行了“長條載荷板法”圍巖彈性抗力系數(shù)試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)布置及試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)布置

高壓管道洞高為8.70～8.10m，洞向N25° W，部分段為N58°W。在高壓管道下平段圍巖中布置9點(diǎn)，上平段圍巖中布置2點(diǎn)，共計(jì)11點(diǎn)。具體試驗(yàn)位置由現(xiàn)場地質(zhì)人員和試驗(yàn)人員共同確定。

高壓管道上平段試驗(yàn)點(diǎn)的巖性主要為三迭系上統(tǒng)監(jiān)塘組的灰白色厚層粗晶大理巖（T2y5-2），巖層產(chǎn)狀為：N5～20°E，NW∠75～83°，微風(fēng)化，巖體完整。

高壓管道下平段試驗(yàn)點(diǎn)的巖性主要為三迭系上統(tǒng)監(jiān)塘組的灰黑色中層～中厚層細(xì)晶大理巖（T2y5-1），巖層產(chǎn)狀為：SN～N25°E/NW∠85°～⊥。監(jiān)塘組灰黑色細(xì)晶大理巖屬該電站廠房部位圍巖完整性較好巖層，巖性單一，大部呈微風(fēng)化，沿節(jié)理和破碎帶見有弱風(fēng)化。

1.2試驗(yàn)方法

沿高壓管道軸線底板巖體上，人工開挖寬0.8m的水平條帶，并用砂輪磨平。采用5或6個(gè)尺寸性能相近的液壓枕沿支洞軸線底板長條排列，液壓鋼枕尺寸為40cm×40cm。用水泥漿將液壓枕貼于巖石面上，鋼枕之間間距7cm，并用高壓油管連通，鋼枕上面用千斤頂同時(shí)加載。該法是將加荷面積增大，使長寬比達(dá)到5以上，這樣就可當(dāng)作彈性理論的平面變形問題來看待，因而與拉梅厚壁圓筒公式條件相近。

由于現(xiàn)場高壓管道洞高達(dá)8.70～8.10m，反力系統(tǒng)采用錨桿加鋼梁組成。

測量系統(tǒng)采用在每個(gè)鋼枕之間的巖體上安裝位移表，測量不同部位巖體的沉降變形；位移表采用大量程的千分表，用磁性表座固定在基準(zhǔn)梁上，基準(zhǔn)梁采用具有足夠剛度和長度的工字鋼。試驗(yàn)方法及設(shè)備安裝如圖1所示。

試驗(yàn)采用逐級(jí)一次循環(huán)法加壓，最大壓力4.5MPa（管道內(nèi)水壓力的1.5倍），分5級(jí)施加。緩慢地進(jìn)行加壓，當(dāng)所有壓力表同時(shí)達(dá)到預(yù)定壓力后應(yīng)立即讀數(shù)，以后每隔15min鐘讀數(shù)一次，當(dāng)所有測表相鄰兩次讀數(shù)差與同級(jí)壓力下第一次變形讀數(shù)和前一級(jí)壓力下最后一次變形讀數(shù)差之比小于5%時(shí)，可認(rèn)為變形穩(wěn)定，并進(jìn)行加壓或退壓。每次加壓或退壓穩(wěn)定時(shí)間不宜少于1h。圍巖單位彈性抗力系數(shù)k0按拉梅厚壁圓筒公式計(jì)算，即：

式中：k0為單位彈性抗力系數(shù)，MPa/cm；R為高壓管道半徑，m；b為柔性枕寬，m；P為試驗(yàn)壓力，MPa；△R為巖體表面變形，m。

2 試驗(yàn)成果及分析

2.1巖體沉降變化規(guī)律

該工程不同壓力下典型的沉降變形曲線主要有2種曲線類型。第一種曲線類型對(duì)應(yīng)于大致均勻的堅(jiān)硬-半堅(jiān)硬巖體，中間4個(gè)測點(diǎn)的沉降量基本接近，見圖2。第2種曲線對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)面發(fā)育，較破碎巖體，其沉降不均勻，且隨著荷載的增加，沉降不均勻性表現(xiàn)得更顯著，見圖3。

2.2巖體單位彈性抗力系數(shù)

各測點(diǎn)巖體單位彈性抗力系數(shù)取中間4～5個(gè)測點(diǎn)的平均沉降量，按式（1）進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)成果見表1。

圖1 柔性條形載荷板法試驗(yàn)安裝示意圖

圖2 柔性條形荷載板法試驗(yàn)典型沉降曲線圖

圖3 柔性條形荷載板法試驗(yàn)典型沉降曲線圖

2.3巖體單位彈性抗力系數(shù)與完整性的關(guān)系

從表1可以看出，巖體單位彈性抗力系數(shù)值的大小和巖體的巖性及完整程度有關(guān)。上平段2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)巖性為厚層粗晶大理巖（T2y5-2），微風(fēng)化，巖體完整；下平段9個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)巖性均為灰黑色中層-中厚層細(xì)晶大理巖（T2y5-1），微風(fēng)化，巖體較完整-破碎，部分試驗(yàn)面以下發(fā)育有緩傾角結(jié)構(gòu)面。試驗(yàn)面與巖層層面近垂直。

（1）SP6-1和SP6-2試驗(yàn)點(diǎn)巖體完整，巖體單位彈性抗力系數(shù)值在487.6～581.9MPa/cm之間，平均值為539.9MPa/cm；

（2）XP2-1、XP2-2、XP2-3和XP5-1試驗(yàn)點(diǎn)巖體較完整，巖體單位彈性抗力系數(shù)值在29.1～203.8MPa/cm之間，平均值為62.6MPa/cm；

（3）XP4-1、XP7-1和XP8-1試驗(yàn)點(diǎn)巖體較破碎，巖體單位彈性抗力系數(shù)值在11.0～55.1 MPa/cm之間，平均值為23.7MPa/c；

（4）XP5-2和XP8-2試驗(yàn)點(diǎn)巖體破碎，巖體單位彈性抗力系數(shù)值在3.5～6.1MPa/cm之間，平均值為4.6MPa/cm。

試驗(yàn)成果表明：巖體的完整性越好，巖體單位彈性抗力系數(shù)值越高，反之，巖體的完整性越差，巖體單位彈性抗力系數(shù)值越低。

2.4與剛性承壓板試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

在可研階段，我們?cè)谠摴こ虖S房探洞內(nèi)采用剛性承壓板法進(jìn)行了巖體變形試驗(yàn)，探洞洞徑3m×3m，承壓板面積800cm2，試驗(yàn)最大壓力為48MPa，分6、12、24、36、48MPa五級(jí)施加，部分相同巖層的試驗(yàn)成果見表2。

表1 巖體抗力系數(shù)試驗(yàn)成果匯總表

表2 剛性承壓板法巖體變形試驗(yàn)成果表

圍巖單位彈性抗力系數(shù)可間接按下式計(jì)算：

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.023

TV221.2

B

1672-2469（2014）02-0081-03

馬鵬（1962年- ），男，教授級(jí)高級(jí)工程師。