某壩基巖體質(zhì)量分級(jí)與力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)研究

郭喜峰，晏鄂川，吳相超，劉傳中

（1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，武漢 430074；3.重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020）

1 工程條件與研究思路

1.1 工程條件

新建的某水庫工程位于重慶市，正常蓄水位517.0 m，總庫容101 7.8萬m3，最大壩高78.4 m，推薦壩型為混凝土雙曲拱壩，屬中型工程。壩址內(nèi)出露的地層主要為寒武系中統(tǒng)高臺(tái)組第二段（∈2g2），中上部（480 m高程以上）為中厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r、薄層狀泥質(zhì)白云巖互層，夾少量鈣質(zhì)泥巖，下部為薄至中厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，夾頁巖。巖層傾向285°～320°，傾角9°～20°，巖層傾向上游偏左岸。巖層傾角左岸一般12°～14°，右岸9°～12°。

該工程壩址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其特殊的是不同高程的巖體性狀差異很大。前期勘察階段在480 m高程（約1／2壩高）以上軟弱巖體中地質(zhì)鉆孔均未取得完整巖芯，多為巖粉或碎塊，難于根據(jù)鉆孔巖芯進(jìn)行巖性分層。右岸平洞揭露出來的強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖性狀極差，幾乎接近于土。試驗(yàn)平洞、地質(zhì)鉆孔、巖層分布及壩址區(qū)剖面示意圖見圖1。

1.2 研究思路

圖1 壩軸線地質(zhì)剖面與勘探布置圖Fig.1 Geological profile and survey arrangement at the dam axis

在拱壩建設(shè)中，合理而準(zhǔn)確的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)及力學(xué)參數(shù)選取，對(duì)可利用巖體的判別、建基面的選擇及工程優(yōu)化設(shè)計(jì)都具有重要的理論和經(jīng)濟(jì)意義［1-2］。拱壩對(duì)基巖的基本要求是均勻、堅(jiān)固完整、有足夠的強(qiáng)度和剛度、耐風(fēng)化、沒有大斷裂等，防止地基不均勻沉降對(duì)壩體應(yīng)力分布的不利影響。筑壩過程中，在保證大壩安全運(yùn)行的前提下，應(yīng)盡可能減少石方開挖和壩體混凝土回填。而且拱壩的基礎(chǔ)處理需要慎重對(duì)待，務(wù)必查明地質(zhì)條件的薄弱環(huán)節(jié)并采取合理的工程措施徹底解決［3-5］。

對(duì)于本工程，壩基壩肩變形、穩(wěn)定以及建基面的選擇是最主要的工程巖石力學(xué)問題，首先要解決的是了解建基巖體的力學(xué)特性，獲取準(zhǔn)確的力學(xué)參數(shù)。為此，本文首先根據(jù)鉆孔聲波測(cè)試及巖芯飽和單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)，然后選取具有地質(zhì)代表性的巖層，在3個(gè)試驗(yàn)平洞中對(duì)薄層灰?guī)r和強(qiáng)風(fēng)化的鈣質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)白云巖進(jìn)行原位巖體力學(xué)試驗(yàn)。

2 巖體質(zhì)量分級(jí)

對(duì)圖1中壩址區(qū)6個(gè)地質(zhì)鉆孔進(jìn)行了巖體聲波測(cè)試。聲波測(cè)試結(jié)果參照該工程地質(zhì)勘察報(bào)告。對(duì)鉆孔中獲取巖樣進(jìn)行了室內(nèi)巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，試驗(yàn)成果表明：兩壩肩下部薄—厚層灰?guī)r（地層）中夾少量深色泥質(zhì)條帶，飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為38.57 MPa，屬中硬巖；河床厚層灰?guī)r（地層）中夾較多深色泥質(zhì)條帶，飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為32.75 MPa，屬中硬巖；河床頁巖（地層）中夾較多灰?guī)r串珠體，飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為32.59 MPa，屬中硬巖；兩壩肩和河床薄層狀泥質(zhì)白云巖地層地層），飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為28.5 MPa，屬較軟巖。

根據(jù)巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度及巖體聲波測(cè)試成果求出的巖體完整性系數(shù)Kv值，按《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》［6］，對(duì)該水庫壩址工程巖體基本質(zhì)量分級(jí)見表1。從表1分級(jí)結(jié)果結(jié)合圖1巖層分布情況可以看出壩址以約480 m高程為界，下部巖體以中硬巖為主，巖體基本質(zhì)量為Ⅲ級(jí)；中上部巖體為較軟巖、軟巖及極軟巖，巖體基本質(zhì)量Ⅳ級(jí)乃至Ⅴ級(jí)。

3 巖體力學(xué)參數(shù)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方法

所有原位試驗(yàn)均采用傳統(tǒng)方法按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行［7］。試驗(yàn)最大壓力和施力方向均依據(jù)設(shè)計(jì)資料，盡量滿足試驗(yàn)部位實(shí)際工程應(yīng)力狀態(tài)。

表1 壩址巖體基本質(zhì)量分級(jí)結(jié)果Table 1 Results of rock mass basic quality classification

直剪試驗(yàn)均采用平推法，剪切面積2 000～2 500 c m2，剪切方向水平向下游，試驗(yàn)前混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求（C25）。巖體變形試驗(yàn)采用圓形剛性承壓板靜力法，承壓面積2 000 c m2，分5級(jí)逐級(jí)一次循環(huán)加壓。

3.2 巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)

在右岸PD2和PD3平洞對(duì)2種巖體都分別進(jìn)行了巖體本身直剪試驗(yàn)和砼-巖接觸面直剪試驗(yàn)，且試驗(yàn)位置基本一致。2種試驗(yàn)結(jié)果具有可比性，見表2。巖體直剪試驗(yàn)表明，微風(fēng)化薄層灰?guī)r抗剪強(qiáng)度參數(shù)高于鈣質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)?；?guī)r摩擦系數(shù)較大，黏聚力很小，這主要是因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)大部分沿薄層層面破壞，破壞面平整光滑起伏差較小。

表2 砼－巖接觸面和巖體抗剪斷強(qiáng)度對(duì)比Table 2 Comparison of shear strength bet ween concrete-rock contact surf ace and rock mass

同類巖體抗剪強(qiáng)度與砼-巖體接觸面抗剪斷強(qiáng)度相比較，灰?guī)r摩擦系數(shù)f′＝1.16與砼-灰?guī)r體接觸面摩擦系數(shù)f′＝1.13大致相當(dāng)，后者略低。但是二者的黏聚力相差較大，巖體本身c′＝0.48 MPa，砼-灰?guī)r體接觸面c′＝0.81 MPa，這主要是由于砼-灰?guī)r接觸面直剪試驗(yàn)時(shí)基本沿二者接觸面破壞，且澆筑混凝土前接觸面人造起伏差5～10 mm，而灰?guī)r巖體本身直剪試驗(yàn)沿薄層之間的層面破壞，層面較之于砼／灰?guī)r接觸面屬弱面，導(dǎo)致其黏聚力降低。而對(duì)于抗剪強(qiáng)度，因進(jìn)行抗剪試驗(yàn)前巖體已經(jīng)剪斷，產(chǎn)生了起伏差，所以二者抗剪強(qiáng)度差異明顯減小。

從剪切破壞機(jī)理分析，對(duì)于薄層灰?guī)r，由于開挖和制樣導(dǎo)致表面薄層巖體受擾動(dòng)，松弛卸荷，強(qiáng)度低于混凝土強(qiáng)度；對(duì)于全—強(qiáng)風(fēng)化的鈣質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)白云巖，抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于混凝土強(qiáng)度，因此2組混凝土與巖體接觸面抗剪強(qiáng)度主要受巖體強(qiáng)度控制。薄層灰?guī)r強(qiáng)度高于鈣質(zhì)泥巖，導(dǎo)致前者抗剪強(qiáng)度明顯高于后者抗剪強(qiáng)度［8］。

3.3 巖體變形參數(shù)

巖體變形試驗(yàn)成果表明，E1組位于PD1平洞，鉛直加載方向巖體變形模量3.55～9.28 GPa，均值6.37 GPa；E1組水平加載方向巖體變形模量5.46～6.89 GPa，均值6.18 GPa。試驗(yàn)組數(shù)較少，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果離散性較大且各向異性不明顯。E2組位于PD2平洞，巖體變形模量2.19～3.92 GPa，均值3.13 GPa。E3組位于PD3平洞，巖體變形模量0.06～0.15GPa，均值0.12 GPa。

E1，E2組同為薄層灰?guī)r，但E2組巖體還含有一定數(shù)量的縱向裂隙，呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖性和風(fēng)化程度相同的情況下，右岸薄層灰?guī)r更破碎，完整性要差，所以E2組灰?guī)r變形參數(shù)比E1組灰?guī)r變形參數(shù)低［9］。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與巖體質(zhì)量的一致性討論

原位巖體力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，2種巖性巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)存在明顯差異，微風(fēng)化薄層灰?guī)r抗剪強(qiáng)度參數(shù)高于全—強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)。E1，E2組試驗(yàn)對(duì)象為微—弱風(fēng)化的薄層灰?guī)r，E3組試驗(yàn)對(duì)象為全—強(qiáng)風(fēng)化的鈣質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)白云巖，2種不同巖性巖體變形模量相差很大（幾十倍）。此外，根據(jù)探槽、平洞及鉆孔勘察，左右兩岸巖體的弱風(fēng)化（較破碎）巖體的厚度差異較大，其中右岸的微風(fēng)化（較完整）埋深大于左岸。

由此說明，巖體質(zhì)量分級(jí)結(jié)果與巖體原位力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果具有一致性。同時(shí)也與地質(zhì)條件的復(fù)雜性相吻合，即不同高程處巖體性狀差異很大，下硬上軟，左右岸地質(zhì)條件極不對(duì)稱。

從巖體級(jí)別、力學(xué)參數(shù)等多種角度對(duì)比巖體質(zhì)量，見表3。

4 工程建議

由于巖層傾角平緩，薄層灰?guī)r直剪試驗(yàn)顯示試件多沿層面破壞，所以壩基存在沿層面發(fā)生淺層滑動(dòng)的邊界條件。建議設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)復(fù)核大壩沿層面淺層滑動(dòng)和沿大壩與基巖接觸面滑動(dòng)的抗滑穩(wěn)定性［10］。

兩岸壩肩1／2壩高以下巖體為薄層—中厚層狀灰?guī)r，屬中硬巖，巖體質(zhì)量分級(jí)為Ⅲ級(jí)。而1／2壩高以上巖體為泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖及鈣質(zhì)泥巖互層，巖體質(zhì)量分級(jí)為Ⅳ—Ⅴ級(jí)。尤其是上部鈣質(zhì)泥巖及泥質(zhì)白云巖，屬軟巖或極軟巖，巖體工程性能與其自身成巖較差，微裂隙極發(fā)育。上下部巖體變形模量差異最大達(dá)幾十倍，對(duì)拱壩壩肩而言，屬嚴(yán)重的地質(zhì)缺陷。上部巖體即使通過固結(jié)灌漿也難以滿足壩肩的應(yīng)變要求。建議一方面在兩壩肩設(shè)置大型重力墩，墩基置于下伏灰?guī)r之上，彌補(bǔ)地形地質(zhì)不足，承擔(dān)拱端推力，將其傳到后面山體。另一方面以弱風(fēng)化中下部或微、新巖體作為壩基持力層，盡量增強(qiáng)下部壩體的整體剛度、擴(kuò)大軟弱巖體段的基礎(chǔ)寬度，在加強(qiáng)基礎(chǔ)剛度的同時(shí)合理減小上部壩體的結(jié)構(gòu)剛度，避免壩體變形對(duì)大壩的不利影響。

由于兩岸壩基巖體地質(zhì)不對(duì)稱性，建議對(duì)大壩體型進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，確保兩岸應(yīng)力對(duì)稱。壩基淺層巖體裂隙相對(duì)較發(fā)育、完整性較差，建議進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。

5 結(jié) 論

根據(jù)鉆孔聲波測(cè)試及巖芯飽和單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行巖體質(zhì)量分級(jí)，選取具有地質(zhì)代表性的巖層進(jìn)行原位巖體力學(xué)試驗(yàn)，主要得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)和聲速測(cè)試結(jié)果對(duì)主要建基巖體進(jìn)行巖體質(zhì)量分類，河床及兩岸壩肩中下部為Ⅲ級(jí)巖體，兩岸壩肩中上部為Ⅳ—Ⅴ級(jí)巖體。

（2）對(duì)代表性巖層薄層灰?guī)r（Ⅲ級(jí)）和鈣質(zhì)泥巖夾泥質(zhì)白云巖（Ⅴ級(jí)）進(jìn)行巖體直剪試驗(yàn)和變形試驗(yàn)，后者抗剪強(qiáng)度參數(shù)比前者明顯偏低，變形模量相差幾十倍。

表3 巖體質(zhì)量與力學(xué)參數(shù)匯總表Table 3 Su mmary of r ock mass quality and mechanical parameters

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