某水电站钻孔变形模量测试成果分析
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摘要：钻孔变形模量测试是运用钻孔变模仪测取岩体变形特性参数的一种原位试验方法。本文通过采用加
拿大ROCTEST公司生产的PROBEX-1钻孔变模仪进行测试，并通过孔壁声波波速进行验证，分析论证了
经通过灌浆处理后岩体的变形模量值比灌浆试验前有较高的提高。
关键词：变形模量；岩体；声波波速；固结灌浆；效果分析
中图分类号：TV554文献标识码：A
1111
前言
某水电站位于金沙江下游，电站规模巨大，混凝土双曲拱坝高度达284m，泄洪流量大，
地震烈度高，拱坝承受各种基本荷载作用时，下游拱端最大压应力近10.0MPa，上游拱端最
大拉应力超过1.0MPa，总推力高达1400万t。大坝对坝基及两岸岩体质量要求很高，作为
支承拱坝结构的基础岩体，应当具有足够的承载能力和变形稳定性。
根据目前大坝设计技术要求，开挖后对坝基岩体的验收可归结为对岩体质量的要求，即
岩体应有较高的变形模量和较好的抗渗透性等。而目前岩体的变形模量主要是通过现场承压
板试验获得，因承压板试验比较费时费力，同时受表面松动影响，测值偏低；而钻孔法较灵
活，费用较低，可利用地质勘探孔进行测试，覆盖面较大，且测试深度较深，数据较多，测
试的深部岩体受爆破松动和开挖卸荷等扰动影响很小，测试方便快捷。为此，针对灌浆试验
区、灌前和灌后检查孔开展了钻孔变形测试工作。
2222
工程地质概况
某水电站坝基的主要岩性为峨眉山组玄武岩P2β3～P2β6流层段，以微晶、隐晶玄武岩为
主，斑状、杏仁状玄武岩次之，玄武质角砾熔岩及凝灰岩呈夹层状分布。拱坝建基面大部分
均置于微风化的Ⅱ类或Ⅲ1类（P2β3中部，分布于左岸高程670m～河床～右岸630m范围）
岩体，左岸高程700m以上和右岸高程780m以上局部建基面位于弱风化下段的Ⅲ1类岩体。
左岸PD133平硐主要出露二叠系上统峨眉山组玄武岩，出露岩层P2β31～P2β35。PD133全硐
出露峨眉山组玄武岩P2β33-2层，柱状节理发育。底板高程653.7m，底板以下40m范围内岩层为
P2β33-2，P2β33-1，P2β32-3，P2β32-2层。试验区地质构造主要有断层、层内错动带、裂隙和节理，构
造相对简单。断层出露F14断层，在PD133硐深110m，N55°W，NE∠85～90°，宽10cm，为
角砾、碎裂岩、局部见次生泥，方解石脉宽1～1.5cm，NW盘影响带宽1～3m，左、右行擦痕
均见，沿断层带地下水活跃。F14断层在灌浆大厅东壁、西壁、底板灌浆区东北角皆有出露。
3333
钻孔变形测试工作方法和技术
3.13.13.13.1
方法原理
孔内变形模量测试是运用钻孔变模仪测取岩体变形特性参数的一种原位试验方法。其原
理是：在选定的钻孔中，由地面高压油泵通过井下探头的膜体给孔壁施加一均匀的径向压力，
同时测得孔壁的径向变形，按变形力学平面应变问题的厚壁圆筒公式求得岩体的变形模量：
E0=2(1+VR)*(V0+Vm)*l/(ΔV/ΔPh-C)[1]⑴
此次测试采用加拿大ROCTEST公司生产的PROBEX-1钻孔变模仪，它是圆柱状径向
钻孔膨胀探测仪，主要用于确定现场岩石的短期变形性，在加载时通过测试探测膜总容积的
变化，可以计算出岩石的变形模量。
3.23.23.23.2
测试技术措施
下孔测试前，将井下探头置于ф78mm钢筒内对膨胀膜进行标定，求取膜的膨胀系数。
在测试过程中用钻机卷扬提升或下放井下探头到预定的测试位置，要求孔径在φ76～82mm
范围内，孔壁光滑。从零压力开始，按级差2.5MPa逐级增加压力，在每级压力稳定1分钟
后，记录压力及对应的膨胀体积，根据膜的体积变化情况确定测点可施加的最大压力值。为
了保证优良的测试效果，本次测试普遍加压到20MPa。每一点测试完毕，立即释放压力，
退压至膜的初始体积后，再移动探头到下一个测点。
为确保测试设备的安全，防止孔内掉块卡孔事故时有发生，在井下设备下孔之前，详细
向钻探人员了解孔内安全情况，并用模拟井下设备进行探孔，同时用钻机的卷扬带动钢丝绳
下放或提升井下探头进行测量。
为保证数据采集质量，在正式测试之前，将井下探头置于标定钢筒中，采用逐级加压对膜实
施标定，记录施加压力和体积。每次井下测试结束后，再将探头置于标定钢筒中按测试前的
方法进行标定。
3.33.33.33.3
测试钻孔布置
按照现场地质人员的要求，在右岸PD37平硐内JK121钻孔进行了变形模量测试。在灌
浆试验区（左岸PD133平硐深100～112m的洞内），灌前检测孔J1、J2、J4和灌后检查孔
J5、J6、J7做了变形模量测试。
4444
资料处理工作是将现场采集的钻孔变形模量测试原始数据输入计算机，采用专用的处理
软件进行处理，计算得出各试验点的变形模量值。
4.14.14.14.1PD37PD37PD37PD37
平硐内
JK121JK121JK121JK121
钻孔变形模量成果分析
JK121钻孔位于坝址右岸PD37平硐内，该孔孔深为52m，实际测试8～52m孔段。从
变形模量值来看有两段相对较低，分别为14～30m段，平均变形模量值6.10GPa；42～48m
段，平均变形模量值7.50GPa，该孔的平均变形模量值为10.36GPa。
4.24.24.24.2
灌浆试验区检测孔变形模量成果分析
为检查灌浆效果，在坝址区左岸PD133平硐内灌浆试验区灌前检测孔J1、J2、J4和灌
后检查孔J5、J6、J7进行了变形模量检测，设计检测钻孔孔深均为40m，实际检测孔段为2～
40m。
4.2.14.2.14.2.14.2.1
灌浆前检测孔变形模量成果分析
J1检测孔在14m处有一变形模量值较低的孤变点，其值为0.82GPa，28～34m段变形
模量值相对较低，平均值为3.85GPa，该孔的平均变形模量值为10.30GPa。
J2检测孔从变形模量值来看有两段相对较低，分别为10m以上段，平均变形模量值
4.37GPa；27～28m段，平均变形模量值5.32GPa，该孔的平均变形模量值为11.44GPa。
J4检测孔有三段变形模量相对较低，分别为6m以上段，平均变形模量值4.58GPa，28～
34m段，平均均变形模量值4.17GPa，38～40m段，平均均变形模量值2.65GPa，该孔的平
均变形模量值为8.91GPa。
4.2.24.2.24.2.24.2.2
灌浆后检测孔变形模量成果分析
J5检测孔在约31～35m段有一变形模量相对较低段，该段平均值为4.18GPa，该孔的
平均变形模量值为14.85Gpa。
J6检测孔20m处有一变形模量值较低的孤变点，其值为1.87GPa，29～32m段变形模
量值相对较低，平均值为4.94GPa，该孔的平均变形模量值为12.30GPa。
J7检测孔除8m以上变形模量值较低，该段平均变形模量值为5.30GPa，该孔的平均变
形模量值为13.65GPa。
4.2.34.2.34.2.34.2.3
灌前灌后综合分析
灌后和灌前检测孔并不在同一个位置,相距约1.5～3m不等,这使灌浆前后单孔无法进行
对比。现将灌浆试验区进行灌浆前后分析，灌前J1、J2和J4孔变形模量的总平均值为10.24
GPa，灌后J5、J6和J7孔变形模量的总平均值为13.60GPa，灌后与灌前相比变形模量的提
高率为32.94％。详见表1。
表
1111PD133PD133PD133PD133
平硐灌浆试验区变形模量统计表
类型 平均值(GPa） 大值平均(GPa） 小值平均(GPa） 离差 最大值(GPa） 最小值(GPa） 段长(组) 提高幅度
灌前 10.24 15.45 5.19 6.74 30.24 0.78 63.00 32.94%
灌后 13.60 20.04 7.57 7.65 29.38 1.87 60.00
从变形模量值分布来看，灌前小于2GPa的组数占4.76％，灌后变为0GPa，12～20GPa
区间由灌前的20.63%提高为31.67％，20～50GPa区间由灌前的9.52%提高为23.33％。灌
浆前后变形模量分布详见表2和图1。
表
2222PD133PD133PD133PD133
平硐灌浆试验区变形模量统计表
类型 变形模量分布（GPa） 0～1 1～1.5 1.5～2 2～3 3～5 5～8 8～12 12～20 20～50
灌前 0.00 3.17 1.59 6.35 12.70 17.46 28.57 20.63 9.52
灌后 0.00 0.00 0.00 3.33 11.67 13.33 16.67 31.67 23.33
灌后
灌前
占总
量百
分比
变形模量（
图
1111PD133PD133PD133PD133
平硐灌浆试验区灌浆前后检测变形模量对比统计直方图
4.2.44.2.44.2.44.2.4
钻孔波速与变形模量的关系
变形模量E0和声波速度Vpm都是衡量岩体质量的重要力学指标，均可在钻孔中进行原
位测试，它们之间既有联系又有区别，为了建立钻孔变形模量与声波速度间的相关关系，以
同一深度的声波速度Vpm为横坐标，变形模量E0为纵坐标作散点图，经过回归计算得出方
程[2-4]：
E0=a*Vpmb⑵
式中：E0为变形模量(GPa)，Vpm为声波速度(m/s)。根据上述回归方程绘制出了PD133
灌浆平硐E0～Vpm关系曲线(图2)。相关计算中钻孔变形模量与波速对应点灌前J1、J2、J4
和灌后J5、J6、J7总计6个孔90个点。
图
2222
某水电站
PD133PD133PD133PD133
平硐灌浆试验
EEEE0000
～
VpmVpmVpmVpm
关系曲线
声波速度与变形模量的关系如图2，相关计算中，相关曲线系数为a=1.553659×10-15，
b=4.234259，r=0.73796。从相关曲线上看，变形模量与声波的相关性一般，对应点较离散。
声波波速与变模的对应的数据见表3。
表
VpmVpmVpmVpm
取值对应表
5555
结论
通过对坝址区钻孔变形模量测试与检测，获得了大量的钻孔变形模量测试资料，经处理
计算、统计、分析得出如下结论：
（1）测试结果表明，坝线右岸PD37平硐JK121钻孔平均变形模量值为10.36GPa，左岸PD133
平硐灌前3个检测钻孔的平均变形模量值为10.24GPa，三个区域变形模量的平均值都在10～
11GPa之间，表明这三个区域的岩性较好。
（2）PD133平硐灌浆试验区灌前J1、J2和J4检测孔变形模量的总平均值为10.24GPa，灌
后J5、J6和J7检测孔变形模量的总平均值提高到13.60GPa，灌后比灌前变形模量提高幅
度为32.94％。
（3）综上所述，利用钻孔变形模量测试技术进行岩体变形模量测试是一种可行的研究手段。
其测试过程具有其他测试方法所不能取代的优点。作为一种检测手段，很好的对工程灌浆质
量效果进行了论证，定量给出固结灌浆后变形模量指标，为坝基灌浆处理提供了设计参数。
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作者简介：郭剑锋（1983-），男，浙江东阳人，工程师，主要从水电岩体力学试验与工程应用方面的研究.