錦屏一級(jí)拱壩巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值研究

，，，

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610072；

2.國(guó)家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心 高混凝土壩分中心，成都 610072)

1 研究背景

巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的確定與工程的安全、經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)。通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者數(shù)10 a的工程實(shí)踐和研究探索[1]，目前工程巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的取得主要依據(jù)室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、工程類比、經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則、參數(shù)反演、可靠度分析、人工智能等方法取得。試驗(yàn)研究是確定巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的常用手段和直接方法，一般采用室內(nèi)直剪試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)取得試驗(yàn)參數(shù)，然后對(duì)取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸統(tǒng)計(jì)整理、綜合分析。目前，通過(guò)試驗(yàn)研究確定巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，國(guó)內(nèi)外對(duì)此無(wú)統(tǒng)一的通用方法，即使是國(guó)內(nèi)，各單位、各工程取值方法也不統(tǒng)一。本文通過(guò)錦屏一級(jí)拱壩壩肩巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)、試驗(yàn)特征點(diǎn)選取、參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法以及典型滑塊穩(wěn)定計(jì)算等多方面的分析，對(duì)巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的取值方法進(jìn)行深入研究。

圖1 樞紐區(qū)河谷地質(zhì)結(jié)構(gòu)橫剖面

壩址區(qū)發(fā)育的軟弱結(jié)構(gòu)面以斷層為主，產(chǎn)狀以走向NE—NNE、傾向SE為主。與工程有關(guān)且規(guī)模較大的有：左岸f5，f8，f2斷層和煌斑巖脈(X)；右岸f13，f14斷層及斜穿河床壩基的f18斷層及煌斑巖脈(X)等。

樞紐區(qū)左岸巖體受特定構(gòu)造和巖性影響，卸荷十分強(qiáng)烈，卸荷深度較大，谷坡中下部大理巖卸荷水平深度達(dá)150～200 m，中上部砂板巖卸荷水平深度達(dá)200～300 m，順河方向分布長(zhǎng)度達(dá)500 m。卸荷裂隙多沿巖體構(gòu)造節(jié)理面松弛張開(kāi)，裂隙開(kāi)度達(dá)10～20 cm。這種現(xiàn)象十分少見(jiàn)，被稱為深卸荷現(xiàn)象，也是構(gòu)成兩岸地質(zhì)條件嚴(yán)重不對(duì)稱的主要因素。表1為壩區(qū)巖體質(zhì)量分級(jí)及其物理力學(xué)參數(shù)。

表1 壩區(qū)巖體質(zhì)量分級(jí)及其物理力學(xué)參數(shù)

2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值方法

2.1 試驗(yàn)參數(shù)取值方法

我國(guó)GB50287—2006《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[2]規(guī)定，巖體呈脆性破壞時(shí)，壩基抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)采用概率分布的0.2分位值作為標(biāo)準(zhǔn)值，或采用峰值強(qiáng)度的小值平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，或采用優(yōu)定斜率法的下限值作為標(biāo)準(zhǔn)值；抗剪強(qiáng)度應(yīng)采用比例極限強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)值。巖體呈塑性破壞或彈塑性破壞，應(yīng)采用屈服強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)值。結(jié)構(gòu)面被剪斷破壞時(shí)，采用峰值強(qiáng)度的小值平均值作為抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值；呈摩擦破壞時(shí)，采用比例極限強(qiáng)度作為抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。GB50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[3]在抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)取值的規(guī)定上，與文獻(xiàn)[2]不一致，要求巖體抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)按峰值強(qiáng)度平均值取值；抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)于脆性破壞巖體按殘余強(qiáng)度與比例極限強(qiáng)度二者的小值作為標(biāo)準(zhǔn)值。同時(shí)，文獻(xiàn)[3]規(guī)定對(duì)硬性結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)按峰值強(qiáng)度平均值取值，抗剪強(qiáng)度參數(shù)按殘余強(qiáng)度平均值取值作為標(biāo)準(zhǔn)值；對(duì)軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)按峰值強(qiáng)度的小值平均值取值，抗剪強(qiáng)度參數(shù)按屈服強(qiáng)度平均值取值作為標(biāo)準(zhǔn)值。文獻(xiàn)[3]在抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)的取值規(guī)定上，基本沿用了GB50287—99《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[4]的規(guī)定。從以上所述可以看出，我國(guó)2本現(xiàn)行的工程地質(zhì)勘察規(guī)范對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值的規(guī)定上存在差異。

DL/T 5346—2006《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]規(guī)定，采用剛體極限法進(jìn)行壩肩巖體抗滑穩(wěn)定分析時(shí)，抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)采用材料的峰值強(qiáng)度平均值。抗剪強(qiáng)度參數(shù)，對(duì)脆性破壞的材料，采用比例極限；對(duì)塑性或脆塑性破壞的材料，采用屈服強(qiáng)度；對(duì)已經(jīng)剪切錯(cuò)斷過(guò)的材料，采用殘余強(qiáng)度。文獻(xiàn)[5]為我國(guó)現(xiàn)行拱壩設(shè)計(jì)的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)取值的規(guī)定與文獻(xiàn)[2-4]的規(guī)定也存在一些差異。

國(guó)內(nèi)外對(duì)巖體剪切試驗(yàn)獲得的比例強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度3個(gè)特征點(diǎn)的取值方法和相關(guān)關(guān)系做了很多研究[6]，一般認(rèn)為：比例強(qiáng)度/峰值強(qiáng)度=0.5～0.6(平均比值0.55)；屈服強(qiáng)度/峰值強(qiáng)度=0.8～0.9(平均比值0.85)。

美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)編寫的《拱壩設(shè)計(jì)》[7]中指出，直剪試驗(yàn)應(yīng)在3種獨(dú)立條件下進(jìn)行：在未擾動(dòng)試樣上進(jìn)行，以提供抗剪強(qiáng)度參數(shù)數(shù)據(jù)的上限值；在鋸開(kāi)的表面上進(jìn)行，以提供抗剪強(qiáng)度下限值或殘余抗剪強(qiáng)度值；在自然斷裂上進(jìn)行，以提供抵抗沿這些斷裂面滑動(dòng)的剪力摩擦參數(shù)數(shù)據(jù)。必須考慮粗糙度對(duì)節(jié)理的抗剪強(qiáng)度的影響，在相對(duì)較低的正常荷載作用下，抗剪強(qiáng)度可按下式作保守估計(jì),即

S=Ntan(φr+i)。

(1)

式中：S為抗剪強(qiáng)度；N為作用在斷裂上的法向應(yīng)力；φr為殘余摩擦角；i為粗糙角。在該式中，假設(shè)在低法向應(yīng)力作用下，發(fā)生的破壞將導(dǎo)致楔形體凸出于粗糙面而不是剪穿它們，則黏聚力忽略不計(jì)。殘余摩擦角從鋸開(kāi)表面的直剪試驗(yàn)取得，并且應(yīng)取自試驗(yàn)值范圍內(nèi)的大約下1/3點(diǎn)處。粗糙角應(yīng)取自對(duì)地基內(nèi)有代表性的節(jié)理的實(shí)際量測(cè)。

文獻(xiàn)[7]的規(guī)定與我國(guó)規(guī)范的規(guī)定存在差異。

2.2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法

在我國(guó)水利水電工程中，根據(jù)試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析方法較多，一般方法有：圖解法、點(diǎn)群中心法、最小二乘法、優(yōu)定斜率法等。不同的試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)方法，可能導(dǎo)致即使采用同樣的試驗(yàn)樣本，選取的抗剪強(qiáng)度參數(shù)會(huì)存在一定差異，并直接影響抗滑穩(wěn)定分析成果。以上幾種統(tǒng)計(jì)方法得出的τ(抗剪力)-σ(法向荷載)相關(guān)關(guān)系均為直線，均屬于直線法。

美國(guó)墾務(wù)局編制的《拱壩設(shè)計(jì)》[8]一書(shū)中指出，在巖石內(nèi)有節(jié)理的情況下，抗剪強(qiáng)度基本上是由滑塊摩擦產(chǎn)生的，而且通常不與法向荷載成直線關(guān)系，在有限的法向荷載范圍內(nèi)，才能假定抗剪強(qiáng)度與法向荷載成直線關(guān)系，否則可能高估或低估巖體的抗剪強(qiáng)度。因此，應(yīng)當(dāng)用曲線來(lái)表示抗剪力與法向荷載的關(guān)系。文獻(xiàn)[8]的規(guī)定與我國(guó)目前通常采用的抗剪強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法有一定差異。

3 錦屏一級(jí)拱壩巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值

3.1 試驗(yàn)參數(shù)取值

錦屏一級(jí)水電站壩區(qū)共完成抗剪(斷)強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)54組，其中巖體28組，結(jié)構(gòu)面26組。從總體上看，試點(diǎn)基本覆蓋了壩區(qū)各類巖體和結(jié)構(gòu)面，為壩區(qū)巖體和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)的合理選取提供了依據(jù)。

3.1.1 壩區(qū)巖體抗剪(斷)強(qiáng)度特性

對(duì)壩址區(qū)54組巖體原位抗剪試驗(yàn)、共計(jì)270個(gè)試點(diǎn)的應(yīng)力-變形曲線分析后，壩區(qū)巖體抗剪破壞特性可歸為3類：脆性破壞和塑性破壞以及這2種破壞的復(fù)合型?，F(xiàn)分述如下。

(1) 脆性破壞型。這種類型大多數(shù)出現(xiàn)在Ⅱ，Ⅲ1級(jí)巖體中，其剪斷破壞型式多呈脆性破壞，峰值和殘余強(qiáng)度值特征點(diǎn)明顯。

(2) 塑性破壞型。這種類型在低強(qiáng)度巖體中如Ⅲ2，Ⅳ，Ⅴ級(jí)巖體出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)面破壞型式基本也是此種類型。

(3) 上述2種曲線的復(fù)合型，這類曲線在試驗(yàn)中為數(shù)不多，主要出現(xiàn)在Ⅳ2級(jí)巖體和起伏較大的剛性結(jié)構(gòu)面中，約占試驗(yàn)總數(shù)的5 %～10 %。

二次剪的破壞類型為塑性破壞型式。

3.1.2 強(qiáng)度特征點(diǎn)的確定

為探討錦屏一級(jí)水電站壩區(qū)巖體各強(qiáng)度特征點(diǎn)的相關(guān)性，對(duì)抗剪斷強(qiáng)度試驗(yàn)資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到如下關(guān)系:① 巖體，比例強(qiáng)度/峰值強(qiáng)度=0.50～0.70(平均0.66)，屈服強(qiáng)度/峰值強(qiáng)度=0.77～0.89(平均0.84)；②剛性結(jié)構(gòu)面，屈服強(qiáng)度/峰值強(qiáng)度=0.73～0.88(平均0.81)；③軟弱結(jié)構(gòu)面，屈服強(qiáng)度/峰值強(qiáng)度=0.76～0.89(平均0.86)。根據(jù)試驗(yàn)成果，錦屏一級(jí)拱壩壩基巖體及結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)的整理及標(biāo)準(zhǔn)值取值主要根據(jù)文獻(xiàn)[5]的規(guī)定，采用以下方法確定。

(1) 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)特征，抗剪斷指標(biāo)按峰值強(qiáng)度取整選取，抗剪指標(biāo)取比例極限，由于剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線上比例極限點(diǎn)不易確定，采用二次剪峰值強(qiáng)度的0.9折減，并考慮不同巖類的差異，綜合分析選取。

(2) 各類結(jié)構(gòu)面剪斷類型以塑性破壞為主，抗剪斷指標(biāo)按峰值強(qiáng)度取整作為建議值，抗剪指標(biāo)應(yīng)取屈服強(qiáng)度，由于剪應(yīng)力-剪切位移曲線上屈服極限點(diǎn)不易確定，采用一次剪殘余強(qiáng)度的0.89折減作為建議值。

3.2 參數(shù)統(tǒng)計(jì)整理方法

3.2.1 采用不同統(tǒng)計(jì)方法獲得抗剪強(qiáng)度參數(shù)

如前所述，根據(jù)測(cè)試成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理確定巖體強(qiáng)度參數(shù)的方法很多，常用方法有：點(diǎn)群中心法、最小二乘法、優(yōu)定斜率法等。通過(guò)對(duì)幾種方法的比較，錦屏一級(jí)水電站強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法以優(yōu)定斜率法為主，同時(shí)也進(jìn)行了最小二乘法取值整理。優(yōu)定斜率法的具體做法是將同一巖級(jí)的成果點(diǎn)繪制在τ-σ關(guān)系圖上，根據(jù)圖上散點(diǎn)的總體趨勢(shì)，并參考現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范、國(guó)內(nèi)外有關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)，以及室內(nèi)抗壓、抗拉成果所確定的摩爾圓切線斜率，比較論證后優(yōu)定出各類巖體和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的斜率f；同時(shí)，根據(jù)點(diǎn)群范圍，在τ-σ曲線圖上找出其上限、下限值，從而取定黏聚力c值范圍，由此得出巖體和結(jié)構(gòu)面試驗(yàn)成果整理值。

表2為根據(jù)試驗(yàn)成果，采用不同統(tǒng)計(jì)方法得到的錦屏一級(jí)拱壩壩區(qū)各級(jí)巖體及斷層抗剪強(qiáng)度參數(shù)值及地質(zhì)建議的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值。其中，試驗(yàn)平均值為算術(shù)平均值；地質(zhì)建議值為采用優(yōu)定斜率法成果整理值作為試驗(yàn)成果標(biāo)準(zhǔn)值和建議參數(shù)選取的基本依據(jù)，綜合考慮了試驗(yàn)及壩區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件后確定。

表2 壩區(qū)巖體及斷層抗剪參數(shù)

3.2.2 拱壩壩肩典型滑塊穩(wěn)定分析

3.2.2.1 分析方法及控制指標(biāo)

錦屏一級(jí)拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定分析主要根據(jù)文獻(xiàn)[5]的規(guī)定，采用剛體極限平衡法進(jìn)行計(jì)算分析。

文獻(xiàn)[5]采用分項(xiàng)系數(shù)形式分析剪摩穩(wěn)定時(shí)，抗力特性分為2項(xiàng)處理，主要考慮f和c是不同的抗力，其不確定性有較大差異，f值不確定性小一些，c值不確定性大一些[9]。因此，用分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的穩(wěn)定安全度，隨黏聚力與摩擦力所占權(quán)重不同而變化，當(dāng)黏聚力權(quán)重增加時(shí)，由于其變異性大于摩擦力，分項(xiàng)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果所要求的安全度要高一些；反之，要求的安全系數(shù)會(huì)適當(dāng)下降，即隨黏聚力及摩擦力所占權(quán)重不同，所要求的安全系數(shù)不是一個(gè)恒定值，而是在一個(gè)范圍內(nèi)變化。為方便對(duì)典型滑塊的穩(wěn)定計(jì)算情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，將文獻(xiàn)[5]中的分項(xiàng)系數(shù)轉(zhuǎn)化為單一安全系數(shù)(見(jiàn)表3)，由于f，c變異性的差異，所要求的安全系數(shù)在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，下限為黏聚力權(quán)重為0時(shí)所要求的安全系數(shù)，上限為摩擦力所占權(quán)重為0時(shí)的安全系數(shù)。錦屏一級(jí)拱壩安全級(jí)別為Ⅰ級(jí)，故采用安全級(jí)別為Ⅰ級(jí)的控制指標(biāo)。

表3 文獻(xiàn)[5]剛體極限平衡法壩肩穩(wěn)定計(jì)算換算成單一安全系數(shù)后的控制指標(biāo)

3.2.2.2 典型滑塊穩(wěn)定分析

錦屏一級(jí)拱壩壩區(qū)左岸f5，f8斷層、煌斑巖脈、深部裂縫、f2斷層和順層擠壓帶是影響左岸壩肩穩(wěn)定的主要工程地質(zhì)問(wèn)題，根據(jù)組合分析，上述眾多結(jié)構(gòu)面可能構(gòu)成影響左岸壩肩抗滑穩(wěn)定的多個(gè)可能滑塊，因篇幅所限，以其中的2個(gè)典型滑塊為例進(jìn)行穩(wěn)定分析?；瑝K1以f5斷層(產(chǎn)狀N35～55°E/SE∠65～80°)為側(cè)滑面，底滑面為第6層大理巖內(nèi)剪斷巖體(沿順層擠壓帶，產(chǎn)狀N25°E/SE∠5°)形成的一陡一緩滑動(dòng)塊體；滑塊2以f5斷層為側(cè)滑面，f2斷層(N25～40°E/NW∠30～50°)為底滑面。

表4為滑塊1側(cè)滑面及底滑面的抗剪參數(shù)，f5斷層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)直接采用表2中參數(shù)，第6層大理巖剪斷巖體則按底滑面不同組成的巖級(jí)，根據(jù)表2中參數(shù)，按面積加權(quán)平均計(jì)算得出。表5為滑塊1、滑塊2安全系數(shù)計(jì)算值?；瑝K2強(qiáng)度參數(shù)直接采用表1中斷層參數(shù)。

表4 滑塊1的抗剪參數(shù)

表5 滑塊1和滑塊2穩(wěn)定安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出：

(1) 試驗(yàn)平均值及最小二乘法試驗(yàn)成果整理值，抗剪參數(shù)大于優(yōu)定斜率法試驗(yàn)整理值；地質(zhì)建議值在優(yōu)定斜率法基礎(chǔ)上取值，考慮了試驗(yàn)及壩區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件，某些參數(shù)低于優(yōu)定斜率法取值。

(2) 2個(gè)典型滑塊穩(wěn)定安全滿足規(guī)范要求。

(3) 由于不同參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法的差異，采用各方法所得參數(shù)進(jìn)行拱壩抗滑穩(wěn)定分析，對(duì)同一滑塊，計(jì)算出的穩(wěn)定安全系數(shù)有一定差異。

3.2.2.3 錦屏一級(jí)拱壩巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計(jì)整理方法

錦屏一級(jí)拱壩巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)整理采用了點(diǎn)群中心法、最小二乘法和優(yōu)定斜率法3種方法，經(jīng)對(duì)比分析，最終采用優(yōu)定斜率法整理、選取強(qiáng)度參數(shù)。在優(yōu)定斜率法試驗(yàn)成果整理值的基礎(chǔ)上，根據(jù)水電工程規(guī)范，結(jié)合各代表類型的工程地質(zhì)條件，確定出地質(zhì)建議值。地質(zhì)建議值摩擦因數(shù)f以整理成果為準(zhǔn)，黏聚力取優(yōu)定斜率法c值的下限，以確保將巖體的抗剪強(qiáng)度水平限制在組成巖體的大多數(shù)基本單元所能承擔(dān)的范圍內(nèi)，避免因某些薄弱單元的破壞而危及巖體的整體安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)對(duì)壩基抗剪強(qiáng)度參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的取值，我國(guó)不同規(guī)范的規(guī)定有一定差異。錦屏一級(jí)拱壩工程壩基抗剪強(qiáng)度參數(shù)的獲取，采用試驗(yàn)成果，按DL/T5346—2006《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]相對(duì)應(yīng)的要求取得。由于試驗(yàn)曲線上的某些特征點(diǎn)不易定出，根據(jù)相關(guān)分析，采用易于確定的特征點(diǎn)經(jīng)換算后得出。

(2)我國(guó)規(guī)范對(duì)抗剪參數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法沒(méi)有做出強(qiáng)制性規(guī)定，國(guó)內(nèi)各單位又有一套自己的做法，可能導(dǎo)致即使針對(duì)同一工程，得出的抗剪參數(shù)采用值會(huì)有一定差別，由于抗滑穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)一致，可能對(duì)同一工程的壩肩抗滑穩(wěn)定會(huì)做出不一樣的評(píng)價(jià)。錦屏一級(jí)拱壩采用的抗剪強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法為在優(yōu)定斜率法取值的基礎(chǔ)上，考慮了試驗(yàn)及壩區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件后，進(jìn)行調(diào)整后的地質(zhì)建議值。

(3)錦屏一級(jí)拱壩工程規(guī)模巨大，地質(zhì)條件復(fù)雜，為取得具有代表性的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，進(jìn)行了大量原位大剪試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了試驗(yàn)成果特征點(diǎn)取值、統(tǒng)計(jì)整理方法的深入研究，其成果可供類似工程參考。

參考文獻(xiàn)：

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