向家壩水電站壩基巖體鉆孔剪切試驗(yàn)研究

趙宇飛，王玉杰，曾祥喜，何傳永

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所，北京 100048；2.中國水電顧問集團(tuán) 中南勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410014）

1 前言

向家壩水電站是金沙江流域水利資源梯級(jí)開發(fā)的最后一級(jí)水電站。樞紐工程由混凝土重力壩、右岸地下廠房及左岸壩后廠房、通航建筑物和兩岸灌溉取水口組成。壩頂長度897m，最大壩高161m，裝機(jī)總?cè)萘繛?00萬kw，多年平均發(fā)電量為301.3億kw時(shí)，是我國目前在建的第三大水電站。樞紐的主體工程重力壩建在三迭系砂巖地層上，包括上統(tǒng)須家河組、中統(tǒng)雷口坡組（T21）。其中在壩址區(qū)出露的基巖主要為三迭系上統(tǒng)須家河組（T3xj）的砂巖夾泥質(zhì)巖石，系河湖、沼澤相沉積的砂巖、泥巖含煤地層。巖性巖相變化大，交錯(cuò)層理發(fā)育。作為壩址區(qū)工程地質(zhì)的一個(gè)主要特征，立煤灣膝狀撓曲從西北角的左岸立煤灣溝進(jìn)入壩址區(qū)，延伸到壩址東南角，斜貫壩址，長度約2km。這一撓曲構(gòu)造導(dǎo)致重力壩壩基巖體破碎，軟弱夾層發(fā)育，重力壩的深層抗滑穩(wěn)定問題受到普遍關(guān)注。其中作為抗滑分析中抗力體的壩基巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的合理確定對(duì)壩體穩(wěn)定是非常重要的。

美國愛荷華州立大學(xué)研制開發(fā)的巖石鉆孔剪切試驗(yàn)儀可在常規(guī)鉆孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同深度上原位巖體的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。該試驗(yàn)儀可用于測試軟巖-中等硬度的巖石，對(duì)巖體完整性也沒有特殊要求，可用于測試破碎巖體和強(qiáng)風(fēng)化巖體。在對(duì)壩基巖體進(jìn)行細(xì)致深入的研究時(shí)將美國愛荷華州立大學(xué)開發(fā)研制的鉆孔剪切儀引入了進(jìn)來，并利用鉆孔剪切儀在壩基巖體中JC2-5影響帶內(nèi)較軟巖體鉆孔中進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，得到了較好的應(yīng)用效果。

2 鉆孔剪切儀及試驗(yàn)方法簡介

2.1 鉆孔剪切儀原理巖石鉆孔剪切試驗(yàn)儀（RBST）主要部件為由兩塊剪切板組成的剪切頭和液壓裝置，由液壓千斤頂提供動(dòng)力，通過剪切板向鉆孔圍巖施加正應(yīng)力和剪應(yīng)力。在巖體鉆孔中進(jìn)行剪切試驗(yàn)，當(dāng)沒發(fā)生鉆孔巖體剪切破壞時(shí)，可以得到法向和剪切表中的壓力值，通過前期校準(zhǔn)，液壓表中的壓力值可以轉(zhuǎn)化為法向和剪切應(yīng)力。名義上的法向應(yīng)力等于擴(kuò)張力除以一個(gè)剪切板的面積；名義上的剪應(yīng)力等于測量到的剪切力除以兩塊剪切板的面積。保持剪切板上的正應(yīng)力不變，增加剪應(yīng)力直至鉆孔巖壁破壞，此時(shí)的剪應(yīng)力便是該正應(yīng)力水平下的剪切強(qiáng)度。通過液壓器使剪切頭恢復(fù)到原來的位置，然后拔出孔外。把剪切板上粘附的巖屑、碎石清理干凈，再將剪切頭放入鉆孔中進(jìn)行不同法向應(yīng)力的剪切實(shí)驗(yàn)。實(shí)際試驗(yàn)中，剪切板弧度要與鉆孔孔徑相一致，目前應(yīng)用較多的是適用于76mm直徑鉆孔的鉆孔剪切設(shè)備。

在不同正應(yīng)力條件下測得相應(yīng)巖體破壞時(shí)的剪應(yīng)力，可根據(jù)由此得到的正應(yīng)力與剪應(yīng)力通過最小二乘回歸分析得到抗剪強(qiáng)度曲線，獲得試驗(yàn)段巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)——內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。在同一鉆孔中的不同深度上進(jìn)行試驗(yàn)，可獲得該工程部位的不同深度上的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。鉆孔剪切設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1所示。

通過45°旋轉(zhuǎn)剪切頭的方式，可以在鉆孔同一深度做4次不同法向應(yīng)力的剪切實(shí)驗(yàn)。這4個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以繪制線性Mohr-Coulomb破壞包絡(luò)線，若需確定巖石的非線性包線和各向異性參數(shù)，則需要更多的試驗(yàn)點(diǎn)，可以在原先試驗(yàn)點(diǎn)的深度上下50mm間距外進(jìn)行鉆孔剪切實(shí)驗(yàn)加以解決。

2m以內(nèi)深度鉆孔中，可以很方便的進(jìn)行鉆孔剪切實(shí)驗(yàn)。對(duì)于更深的鉆孔，可以通過延伸連接桿的長度來加以實(shí)現(xiàn)。

2.2 RBST試驗(yàn)區(qū)域工程地質(zhì)簡述向家壩水電站廠房壩段基巖鉆孔剪切試驗(yàn)主要布置在廠房一壩段的JC2-5軟弱夾層影響帶內(nèi)的較軟巖體中，另外在泄三壩段附近的立煤灣膝狀撓曲擠壓帶核部的碎屑狀巖體也進(jìn)行了一組鉆孔剪切試驗(yàn)。

2.3 RBST試驗(yàn)布置所進(jìn)行的壩基巖體鉆孔剪切試驗(yàn)布置在廠房一壩段中JC2-5夾層的影響帶內(nèi)，共有3個(gè)鉆孔，進(jìn)行了5組鉆孔剪切試驗(yàn)。另外在泄三壩段中的立煤灣膝狀撓曲核部的碎屑狀巖體中鉆孔變形嚴(yán)重，孔壁完整性比較差，故在此壩段中布置一個(gè)試驗(yàn)鉆孔，在鉆孔孔壁較完整處進(jìn)行了一組鉆孔剪切試驗(yàn)。

根據(jù)《向家壩水電站二期工程建基面中間驗(yàn)收-建基面工程地質(zhì)條件報(bào)告》可知，在廠房一壩段中的鉆孔剪切試驗(yàn)位置巖體為Ⅲ2—Ⅳ類巖體，泄水壩段中鉆孔剪切試驗(yàn)位置巖體為V類巖體。

3 向家壩壩基巖體RBST試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)步驟簡述安裝鉆孔剪切儀，將“伸出”、“縮回”和“剪切”管線根據(jù)顏色進(jìn)行對(duì)應(yīng)連接，剪切頭上部與連桿通過螺紋連接；將剪切頭伸入鉆孔中預(yù)定位置處，連桿上部通過一個(gè)特殊的扳手固定在一個(gè)鉆孔外的簡易平臺(tái)上。在固定的過程中，要盡量保證連桿處于鉆孔中心位置，調(diào)平。然后，打開法向壓力閥關(guān)閉剪力閥，施加座壓，直到壓力表讀數(shù)達(dá)到設(shè)定值。等待5min，當(dāng)表中讀數(shù)穩(wěn)定后才能施加剪應(yīng)力；關(guān)閉法向壓力閥，打開油泵閥門和剪應(yīng)力閥，關(guān)閉油泵閥門，開始施加剪應(yīng)力，直至巖壁巖體剪斷，記錄此時(shí)剪應(yīng)力表讀數(shù)。讀數(shù)完成后，將手柄扳至“縮回”位置，進(jìn)行油泵卸壓，縮回剪切板。從鉆孔中取出剪切頭，記錄鉆孔巖壁破壞情況，然后剪切板上的巖屑，準(zhǔn)備下一次試驗(yàn)。

3.2 廠房壩段試驗(yàn)結(jié)果廠房壩段巖體主要為灰黑色條帶狀泥質(zhì)粉砂巖，由于受到試驗(yàn)點(diǎn)附近巖體屬于軟弱夾層JC2-5的影響帶內(nèi)，因此巖體較軟，遇水后巖體工程力學(xué)特性會(huì)有所劣化，抗剪強(qiáng)度降低。根據(jù)向家壩巖體質(zhì)量分級(jí)規(guī)定，該部位巖體應(yīng)屬于Ⅲ2類至Ⅳ類巖體。

在廠房壩段，利用3個(gè)壩基聲波檢測鉆孔共進(jìn)行了5組鉆孔剪切試驗(yàn)，其中A鉆孔進(jìn)行了不同深度的3組鉆孔剪切試驗(yàn)，由于B孔與C孔深度較淺，深度僅0.5m左右，利用B、C兩孔，僅進(jìn)行了2組鉆孔剪切試驗(yàn)。5組鉆孔剪切試驗(yàn)所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖如圖2，并通過最小二乘回歸法對(duì)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，得到了5組該壩段灰黑色條帶狀泥質(zhì)粉砂巖抗剪強(qiáng)度值，以及相應(yīng)的各組數(shù)據(jù)擬合優(yōu)度值，見表1所示。

通過表1可見，除A鉆孔中第3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較為離散以外，其他幾組試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有非常好的線性關(guān)系，通過最小二乘回歸分析可知，其利用直線進(jìn)行擬合研究所得到的擬合優(yōu)度值非常高，可達(dá)0.95以上，其中第一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可達(dá)0.98，由此可見，利用鉆孔剪切儀較軟巖體壩基進(jìn)行剪切試驗(yàn)，可以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較高的線性關(guān)系。

通過分析可知，通過鉆孔剪切試驗(yàn)得到廠房壩段該部位巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)平均值為：內(nèi)摩擦系數(shù)為0.54，內(nèi)聚力為1.15MPa，R平方值統(tǒng)計(jì)均值為0.90。

由于這一階段所進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)目較少，總體來說，鉆孔剪切試驗(yàn)所得巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)要比常規(guī)試驗(yàn)（室內(nèi)、室外常規(guī)直剪試驗(yàn)）所得較小。通過美國和日本積累的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，鉆孔剪切試驗(yàn)得到的c、?小于傳統(tǒng)三軸和直剪試驗(yàn)成果，但鉆孔剪切試驗(yàn)的?值在?＜40°的范圍內(nèi)略低于傳統(tǒng)三軸和直剪試驗(yàn)成果，而鉆孔剪切試驗(yàn)的c值較傳統(tǒng)三軸和直剪試驗(yàn)的c值降低較多，一般為25%～50%。但它們之間相對(duì)準(zhǔn)確的關(guān)系還需進(jìn)一步的研究。

3.3 泄水壩段試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)《向家壩水電站二期工程建基面中間驗(yàn)收的建基面工程地質(zhì)條件報(bào)告》中可知，該處巖體位于向家壩立煤灣膝狀撓曲核部，主要為擠壓破壞后又經(jīng)過蝕變作用形成的碎屑狀巖體。巖體強(qiáng)度很低，且?guī)r性較軟。由于該處巖體性狀很差，利用快速鉆孔法所得到的鉆孔孔壁變形很大，并有孔壁掉塊現(xiàn)象。在該處的鉆孔剪切試驗(yàn)僅僅在距孔口較淺且鉆孔孔壁相對(duì)完整處進(jìn)行了一組鉆孔剪切試驗(yàn)。鉆孔其余部位由于孔壁變形較大以及塌鉆無法進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)位置大致為孔口以下0.3m處。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所得到的回歸線見圖3。其中表2中編號(hào)為2的數(shù)據(jù)為試驗(yàn)粗差，在回歸分析中舍棄。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)很少，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果精度較差。通過得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行最小二乘回歸分析得到該處碎屑狀巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，其中內(nèi)摩擦系數(shù)為0.27，黏聚力為0.263MPa。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析通過以上6組向家壩水電站壩基巖體鉆孔剪切試驗(yàn)，得到了廠房一壩段中JC2-5軟弱夾層影響帶內(nèi)巖體以及泄水壩段中立煤灣膝狀撓曲核部碎屑狀巖體的抗剪強(qiáng)度值。

廠房壩段中鉆孔剪切試驗(yàn)處巖體應(yīng)屬于Ⅲ2—Ⅳ類巖體。通過鉆孔剪切試驗(yàn)可知，在廠房壩段中，每組巖體鉆孔剪切試驗(yàn)得到的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)與向家壩水電站二期工程中原位抗剪斷試驗(yàn)得到的同類巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)相比偏低，在廠房一壩段得到的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的平均值中，摩擦系數(shù)為0.54，黏聚力為1.15MPa。

表1 鉆孔剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及處理結(jié)果

在泄水壩段中，根據(jù)向家壩水電站相關(guān)地質(zhì)資料，該試驗(yàn)部位巖體屬于V類巖體。由于鉆孔完整性較差，僅僅在孔壁相對(duì)完整處進(jìn)行了一組鉆孔剪切試驗(yàn)，得到的立煤灣撓曲核部的碎屑狀巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)中，摩擦系數(shù)為0.27，黏聚力為0.26MPa。

表2 鉆孔剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過向家壩水電站壩基巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，總體來說，鉆孔剪切試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)具有很高的線性相關(guān)關(guān)系，均值為0.90，最高可達(dá)0.98。巖體鉆孔剪切試驗(yàn)得到巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)較現(xiàn)場巖體剪切試驗(yàn)得到的參數(shù)要低，可能有以下幾個(gè)原因：（1）試驗(yàn)中所利用的巖體聲波檢測孔較淺，而且鉆孔方法為風(fēng)鉆快速鉆進(jìn)，所得到的鉆孔孔壁完整性較差，在一定程度上影響了試驗(yàn)結(jié)果；（2）在巖體鉆孔過程中，由于鉆孔設(shè)備振動(dòng)較大，對(duì)巖體擾動(dòng)較大，加之鉆孔剪切儀剪切頭尺寸較小，因此，鉆孔剪切試驗(yàn)所得巖體強(qiáng)度參數(shù)要偏小。

另外，通過試驗(yàn)也可看出，鉆孔剪切試驗(yàn)與傳統(tǒng)的巖體現(xiàn)場剪切試驗(yàn)相比，具有方便快捷、效率高的特點(diǎn)；但也存在以下缺點(diǎn)，如剪切頭尺寸較小、試驗(yàn)結(jié)果對(duì)鉆孔孔壁完整性要求較高等。需要通過進(jìn)一步的理論與試驗(yàn)研究進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)論

通過在向家壩水電站壩基巖體中進(jìn)行的鉆孔剪切試驗(yàn)，得到了廠房一壩段中JC2-5軟弱夾層影響帶內(nèi)灰黑色條帶狀砂巖的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（摩擦系數(shù)為0.54，黏聚力為1.15MPa），以及泄水壩段中立煤灣撓曲核部碎屑狀巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（摩擦系數(shù)為0.27，黏聚力為0.26MPa），與向家壩水電站相關(guān)地質(zhì)資料中所列的相同類別巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)相比較低，并做了分析。

通過試驗(yàn)也可知，鉆孔剪切試驗(yàn)與傳統(tǒng)的巖體現(xiàn)場剪切試驗(yàn)相比，具有方便快捷、效率高的特點(diǎn)；但是其也存在有待改進(jìn)的不足，需在下一階段的工作中，對(duì)鉆孔剪切設(shè)備進(jìn)行合理改造，以便能在巖土工程中得到更大的推廣使用。

從以上幾組鉆孔抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中可知，利用鉆孔剪切儀可以方便便捷地利用工程前期地質(zhì)勘探鉆孔進(jìn)行鉆孔剪切試驗(yàn)，較為客觀地得到重要的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，為巖體力學(xué)特征的現(xiàn)場檢測提供了一種新的途徑，同時(shí)也為工程建設(shè)重要決策提供重要的技術(shù)支持。

［1］Drennon C B，Handy R L.Stick-slip of Lightly loaded limestone［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Science，1972，9：603-615.

［2］田中達(dá)吉，船戶明雄，曾根好德.鉆孔孔內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)的原位置巖盤強(qiáng)度評(píng)價(jià)［C］//第六屆巖石力學(xué)國內(nèi)論壇演講論文集，日本京都，1984.

［3］Richard L，Handy.Direct measurement of soil properties in-situ AC-WinterBuild 2000［C］//Cairo International Conference Center，Egypt，2000，9，20-22.

［4］向家壩水電站二期工程建基面中間驗(yàn)收建基面工程地質(zhì)條件報(bào)告［R］.中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院，2009.