某水電站巖體結構面抗剪強度預測及分析

李 偉 關學偉 戴培志

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650033)

1 概述

水電水利工程建設中的樞紐建筑物是主體工程，其中大壩是關鍵的水工建筑物，壩址區及高陡邊坡的巖體力學特性勢必會對工程評價及建設起重要作用，通過查閱巖體力學、變形性能的研究及壩址區相關流變、蠕變等文獻[1][2]成果可知，結構面及斷層等是影響建設大壩的主要因素。

巖體力學參數的測定，通常是靠借助于各種試驗，但巖體是非均質的，其變形和破壞規律極其復雜，一般室內試驗不能代表巖體的力學性質，而在現場進行大體積巖體試驗代價又昂貴；加之現場試驗的數量和范圍有限且隨機性較大，巖體的非均質性、各向異性易造成試驗成果的分散。如何從這些分散的試驗成果中找出具有代表巖體的力學參數，以及如何客觀的評價試驗獲得的巖體力學參數的代表性，是較為困難的，國內相關文獻均在這方面做了大量的論述[1-6]。因此，研究巖體力學參數的預測，對水利水電工程的設計、施工具有重要的現實意義。

2 巖體結構面現場特征及破壞形態

結構面是指巖體內的不連續面，如巖體中的層面、軟弱夾層、節理、裂隙、片理、斷層等。按結構面膠結(或充填)物質的性質，通常又分為硬性結構面和軟弱結構面，結構面性質的不同，其破壞機理是不同的。結構面的抗剪強度與結構面的性質、分布、組合及是否夾有充填物有密切關系。

硬性結構面為閉合節理，巖漿、巖脈充填的焊接狀節理，試件在破壞時均有一個逐漸發展的破壞過程。

2組巖體硬性結構面(τj2-1,τj4-1)，微風化，結構面產狀分別為EW，N∠30°～35°和N15°E，NW∠30°。剪斷面起伏、粗糙，起伏差在0.5 cm～2 cm，面上見有長英脈、石英脈等，局部有鈣膜，膠結緊密，無泥質和其他軟弱成分充填，剪斷面平整，一般呈波紋狀—小的鋸齒狀。

2組巖體軟弱結構面(τj213-1,τj213-2)其產狀、特性、填充物基本一致，且面平直、粗糙，由壓碎巖、糜棱巖及黃褐色泥等組成，起伏差稍大，在1.0 cm～3.0 cm，剪斷面較平整，呈波紋狀。

2組巖體硬性結構面(τj2-1,τj4-1)抗剪試驗，試件在剪切破壞后，應力下降的幅度較小，并快速趨于殘余穩定值，試件均沿結構面剪出。τj2-1剪斷時的剪切位移在2.970 mm～8.128 mm，平均剪切位移為5.037 mm，τj4-1剪斷時的剪切位移在3.618 mm～13.073 mm，平均剪切位移為6.950 mm。塑性破壞特征較明顯。

2組巖體軟弱結構面(τj213-1,τj213-2)抗剪試驗，為巖屑夾泥型結構面(軟弱結構面)。試件在剪切破壞后，應力下降的幅度較小，并快速趨于殘余穩定值，試件均沿結構面剪出。τj213-1剪斷時的剪切位移在2.493 mm～9.285 mm，平均為4.44 mm，τj213-2剪斷時的剪切位移在3.148 mm～11.4 mm，平均為5.482 mm，呈現出明顯的塑性破壞特征。

3 巖體結構面抗剪強度預測結果

Hoek-Brown認為巖體是由被結構面分割的、相互鑲嵌的堅硬脆性的大小巖塊所組成，結構面上可以有也可以沒有軟弱物質充填，巖體的強度取決于完整巖塊的強度及其可活動的自由度，而這種自由度又取決于結構面的數量、方位、間距及其抗剪強度。

霍克及布萊研究了大量巖體的拋物線型破壞包絡線，得出了巖體破壞的經驗判據：

將現場巖體結構抗剪試驗測試的2組夾泥型巖體結構面成果見表1。

表1 巖體結構面抗剪強度試驗成果

2組巖屑夾泥型巖體結構面，采用上述抗剪強度預測及分析的Hoek-Brown經驗公式的基本理論與方法，對其進行預測分析與整理。

將2組巖屑夾泥型巖體結構面τj213-1,τj213-2抗剪強度試驗的所有試點視為Hoek-Brown的研究對象，取點群中心法峰值強度平均值C′=0.08 MPa、殘余強度平均值C=0.05 MPa，并由試驗時的τ,σ值求出峰值強度下的a=-0.055 4,b=5.847 9及殘余強度下的a=-0.427 9,b=5.038。由于σC在計算中影響較小，根據資料及經驗，取σC=30 MPa，預測結果如表2，表3所示。

表2 巖屑夾泥型巖體結構面抗剪試驗峰值強度預測結果(Hoek-Brown法)

表3 巖屑夾泥型巖體結構面抗剪試驗殘余強度預測結果(Hoek-Brown法)

因此，巖屑夾泥型巖體結構面的剪切破壞準則可用如下莫爾包絡線方程表示。

峰值：

殘余：

由于硬性結構面抗剪強度的預測方法與上述方法一致，其預測結果也較相同，因此不再贅述。預測匯總結果見表4。

表4 巖體結構面抗剪試驗強度預測結果(Hoek-Brown法)

從表4可知，Hoek-Brown法預測結果與點群中心法的峰值強度平均值、殘余強度平均值較為相近。其中，峰值強度、殘余強度預測結果φ(f)值偏小，C值偏大。可能與其預測的試驗數據(試驗點數)偏少有關。

4 巖體結構面抗剪試驗成果擬合分析

把兩組為微風化、塊狀結構火山角礫巖(T3xd8)(硬性結構面)，兩組為弱風化、次塊狀結構火山角礫巖(T3xd8)(軟弱結構面)采用線性、多項式等方式進行擬合如圖1，圖2所示，采用相關系數最大的公式做為同類型結構面強度計算參考公式。

微風化、塊狀結構火山角礫巖(T3xd8)：

τ′=-0.295 2σ′2+1.070 4σ′，R2=0.926 5；

τ=-0.309σ2+0.946 8σ，R2=0.887 2。

弱風化、次塊狀結構火山角礫巖(T3xd8)：

τ′=0.022 6σ′2+0.19σ′，R2=0.874 7；

τ′=0.029 2σ2+0.136 5σ，R2=0.841 1。

結構面的強度可以根據現場結構面的厚度、面粗糙度、充填物質等因素，對比本次進行的4組結構面抗剪強度，并采用一定的數學計算方法(如插值)結合擬合圖形及計算公式進行參數預測。即在一定的正應力條件下，結構面的抗剪強度不是直線型發展的，在結構面試驗中一定要注意曲線所代表的參數選值和界定范圍及環境。

一般情況下，結構面受到的垂直壓力越大，導致結構面間的硬性顆粒摩擦及面與面之間的摩擦越強烈，因此結構面的強度可能會有適當的比例提高。

5 結語

本文通過對某水電站巖體結構面的試驗結果的分析研究得出以下結論。

1)Hoek-Brown法預測結果與點群中心法的峰值強度平均值、殘余強度平均值較為相近。其中，峰值強度、殘余強度預測結果φ值偏小，C值偏大。可能與其預測的試驗數據(試驗點數)偏少有關。但Hoek-Brown法可作為試驗數據較分散的結構面力學性能的一種預測方法。

2)采用擬合的方式分析結構面抗剪性能，即在一定的正應力條件下，結構面的抗剪強度不是直線型發展的，在結構面試驗中一定要注意曲線所代表的參數選值和界定范圍及環境。

3)結構面強度主要受結構面充填物質、結構面形態等因素的影響，通常情況下結構面的破壞是經過了蠕滑后，加速度逐漸加大導致的結果，因此在結構抗剪試驗中應開展結構面的蠕變(流變)試驗，蠕變(流變)試驗破壞的起始閾值是工程建設結構面安全評定、評價的重要參數。

4)本文介紹的兩種方法可為同類工程結構面抗剪力學性能提供參考和借鑒。