基于西藏果多水电站岩体环境构建下的物理力学分析探索

基于西藏果多水电站岩体环境构建下的物理力学分析探索
作者：王晓朋
来源：《科技创新与应用》2017年第33期
摘要：随着我国水力资源开发重点的西移，川西、藏东等高寒地区的水电建设逐渐拉开序幕，其特有的气候与地理环境，为水电建设提出了新的挑战。

在坝工设计上紧密相关的坝基沉降、边坡和洞室稳定性问题控制中，如何合理给定岩体的物理力学参数一直是一个比较棘手的问题。

在文章中，将就西藏果多水电站岩体环境构建下的物理力学进行一定的研究与分析。

关键词：西藏果多水电站；岩体环境；物理力学
中图分类号：TV741 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）33-0019-02
1 概述
随着我国水电开发力度的不断加大，我国水电站建设重点逐渐西移，尤其是西藏地区。

据全国水力资源复查结果显示，西藏自治区水力资源理论蕴藏量17640亿千瓦时，技术可开发装机容量1.1亿千瓦，位居全国第二位，仅次于四川省。

然而，目前西藏地区已建水电站总装机容量仅约50万千瓦，只占技术可开发量的5‰，开发利用率为全国最低。

西藏地区其独特的自然和人文地理环境为水电工程建设提出了新的问题和要求，区域构造稳地问题突出、高地应力问题突出、高寒环境对工程建设的影响等均制约着藏区水电工程建设的顺利开展。

而该地区水电站建设坝基岩体（尤其是软岩）力学参数的选取对工程建设的成功与否尤为关键，科学、合理的选择坝基岩体力学参数，将是工程建设者适应新环境、促进科技发展的关键内容。

2 坝址区岩体物理力学性质试验参数研究
为查明电站坝址区岩体物理力学特性，勘测阶段进行了大量室内物理力学试验以及现场试验，如：岩矿鉴定、三轴压缩试验、水质分析、化学分析及现场大剪、变形试验等，并利用钻孔及平硐进行岩体声波波速测试。

坝址区共在钻孔中取样51组进行了岩块室内物理力学试验、取其中3组进行了岩石声波室内试验，6组进行了岩石单轴压缩试验，15组进行了室内三轴压缩试验，对13个钻孔进行了钻孔声波测试和对5个钻孔进行了孔内录像，对10个平硐进行了地震波测试，原位大剪试验14组，原位变形试验13组等多种试验。

2.1 岩块室内试验
为了解下坝址岩体的物理力学特征，在钻孔中共取样51组进行了岩块室内物理力学试验、取其中3组进行了岩石声波室内试验，共取样6组紫红色泥岩、粉砂质泥岩进行了室内岩石单轴压缩试验，沿层面、裂隙面等结构面破坏的试验值在饱和抗压强度的统计过程中已舍去了，统计结果显示：
2.1.1 泥岩、粉砂质泥岩平均密度为2.71g/cm2，平均比重2.76g/cm2，平均吸水率为
1.46%。

自然状态下弱风化岩石饱和抗压强度平均值为1
2.1MPa，微新岩体饱和抗压强度平均值为16.8MPa。

2.1.2 粉砂岩平均密度为2.69g/cm2，平均比重2.73g/cm2，平均吸水率为1.03%。

自然状态下弱风化岩石饱和抗压强度平均值为56MPa，微新岩体饱和抗压强度平均值为6
3.3MPa。

2.1.3 砂岩平均密度为2.65g/cm2，平均比重2.72g/cm2，平均吸水率为0.55%。

自然状态下弱风化岩石饱和抗压强度平均值为91.5MPa，微新岩体饱和抗压强度平均值为10
3.6MPa。

2.2 室内三轴试验
为了解坝址区紫红色泥岩、粉砂质泥岩在三向应力条件下的强度，该电站共取样15组紫红色泥岩及粉砂质泥岩进行了室内三轴压缩试验。

2.2.1 试验准备
本次试验依据为：第一，中华人民共和国国家标准《工程岩体试验方法标准》
（GB/T50266-99）；第二，中华人民共和国行业标准《水利水电工程岩石试验规程》（SL264-2001）；第三，中华人民共和国电力行业标准《水电水利岩石力学试验规程》（DL/T 5368-2007）。

试验采用美国产MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统进行。

依据国标和规程规定，本次试验试件尺寸均为φ50mm×H100mm。

采用钻、切割与精磨进行试样制备。

精磨后精度，包括平行度、平整度和垂直度均满足国标和规程要求。

干燥试样的状态为自然风干状态；饱和状态试样采用抽气法进行饱和，饱和条件按国标与规程进行。

本次试验由岩石力学试验系统进行，计算机程序控制自动完成加载与测量，整个加载过程速率控制稳定、精确。

试验所施加荷载由力传感器测量，试件变形由引伸计测量，这些测量信息均由计算机自动进行数据采集、记录，完全消除了人为测量误差。

2.2.2 试验结果
根据室内MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统进行了单轴和三轴试验，通过试验数据绘制试验曲线，干燥状态和饱和状态下岩样典型应力-应变全过程曲线（单轴）。

通过试验曲线拟合计算得出岩石的变形参数和强度参数。

抗剪断强度（峰值）与抗剪强度（残余值）按最佳关系曲线和下包线两种方法整理，两者结果有所差别，最终结果可以参考相关规范、类比相关工程项目进行确定。

2.3 波速测试成果
主要利用钻孔、平硐进行声波波速测试，以了解不同岩性、完整程度、风化程度岩体的波速特征值。

钻孔声波测试成果：电站下坝址共对13个钻孔进行了钻孔声波测试，测试成果表明：
T3d2厚层灰色砂岩、粉砂岩夹泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩地层岩体，岩体波速为3000～5000m/s、平均波速为4500m/s左右、完整性系数多大于0.7，岩体较完整。

T3d2厚层灰色砂岩、粉砂岩夹泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩地层岩体中弱风化砂岩、粉砂岩段波速为3900～4800m/s、平均波速为4300m/s左右，完整性系数多大于0.7，岩体较完整；微新岩体砂岩、粉砂岩段波速为4000～5000m/s、平均波速为4600m/s左右，完整性系数多大于0.7，岩体较完整；该地层泥岩所占比例较少，仅在微新岩体中测得泥岩、泥质粉砂岩段波速为2500～3300m/s、平均波速为3000m/s左右，完整性系数在0.3左右，岩体较破碎，可能受断层影响所致。

平硐岩体地震波测试成果：电站下坝址共对10个平硐进行了地震波测试。

测试成果表明：T3d2厚层灰色砂岩、粉砂岩夹泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩地层岩体中，大部分岩体波速在3000～4800m/s之间，完整性系数在0.4～0.7之间，岩体较完整。

T3d2厚层灰色砂岩、粉砂岩夹泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩地层岩体中弱风化砂岩、粉砂岩段波速为3100～4200m/s之间，完整性系数在0.4～0.7之间，岩体较完整，局部受断层、夹层等影响，完整性较差；微新岩体中砂岩、粉砂岩段波速在4000～4800m/s之间，完整性系数多大于0.7，岩体较完整，局部受断层、夹层等影响，完整性较差。

于左岸PDk1、PDk7平硐中测的J1ch1～2紫红色泥岩夹砂岩地层，该地层弱风化岩体波速在3200m/s左右，完整性系数在0.4左右，岩体较破碎；微风化岩体波速在4100m/s左右，完整性系数在0.6左右，岩体较完整。

2.4 基于试验成果的建议值取值原则
第一，岩石密度、单轴抗压强度、抗拉强度等，有大量的统计资料，取值时岩芯均是较为新鲜完整的，对于微新岩体地质建议值可直接取用标准值，但作为风化岩体的取值需进行折减。

第二，变形参数，由于试验时的尺寸效应，大体积岩体的变形参数理论上比小尺寸岩体的值低，建议在标准值的基础上适当折减。

第三，岩体抗剪（断）强度参数。

岩体抗剪强度的试验值，除与岩石强度有关，还与试验块体剪断面所含的结构面所占的比例及性状有状。

通过对岩体剪切面的粗略统计，裂隙面平均所占比例为10～15%。

也就是说通过现场试验所取得的岩体抗剪强度值是包含了一定微小结构面比例的，这也是岩体与岩块的区别，但该比例低于与大体积节理岩体中节理对岩体强度的影响，地质取值宜小于标准值。

当需提供某特定方向上的岩体抗剪强度参数时，则需考虑岩体中的结构面连通率，即还需要一定的折减。

3 结束语
在上文中，我们对西藏果多水电站岩体环境构建下的物理力学情况进行了一定的研究，对水电站建设打下了良好的数据基础，具有较好的研究应用价值。

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