扎拉水電站傾倒變形巖體的工程性質研究

張丙先

(長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

扎拉水電站所在河谷岸坡主要由板巖組成，普遍發生傾倒變形，變形特征具有典型性。傾倒后的巖體(以下簡稱“傾倒變形巖體”)屬于一種特殊的節理化巖體。傾倒變形巖體的抗剪斷強度是分析邊坡穩定性的關鍵指標。相關學者對節理化巖體力學特性的研究主要有以下幾個方面：含多組平行節理的巖體[1]，考慮卸荷損傷的柱狀節理巖體[2]，節理巖體卸荷各向異性力學特性[3]，循環凍融條件下節理巖體[4]等。與上述節理化巖體不同，傾倒變形巖體在傾倒變形過程中發生破裂，新生的破裂面疊加在板理面及前期的節理裂隙上，其形成機制及工程性質具有特殊性。關于傾倒變形的研究多集中在變形特征[5]、形成機理[6]和穩定性評價與處理[7- 8]等方面。為了獲得傾倒變形巖體的抗剪強度，現場進行了原位測試。考慮到原位抗剪試驗試體的尺寸偏小，而基于Hoek-Brown強度準則在估算巖體強度方面適用性較強[9]，因而采用Hoek-Brown經驗公式對傾倒變形巖體強度進行了計算，并與原位試驗成果進行對比分析，綜合確定抗剪斷強度指標取值。

1 傾倒變形巖體基本特征

1.1 邊坡巖體傾倒變形特征

研究區位于青藏高原東南部怒江一級支流玉曲河下游河段。河谷屬高山峽谷，谷底寬度僅為20～50m，兩岸山體分水嶺高程達3 000～5 000m，相對河床高差為500～2 000m，兩岸總體坡度為30°～50°。河谷邊坡大部分由板巖組成，巖層走向與河谷走向基本一致，兩岸邊坡為層狀同向結構或層狀反向結構。巖層正常板理面傾角為70°～85°，單層厚度一般小于10cm，呈薄層板狀結構。

兩岸板巖普遍發生傾倒變形，傾倒變形巖體水平深度為60～85m，厚40～50m，與正常產狀巖體界面大致平行。傾倒變形巖體巖層層序保持較好，板理面傾角為15°～45°，與正常產狀巖體板理面傾角相差30°～55°。傾倒變形巖體與正常產狀巖體界面呈類似褶皺軸面的彎曲變形，如圖1(a)所示。巖體在傾倒過程中發生不同程度的破壞，自坡內向坡外其性狀逐漸變差，依次可分為3個區：①弱傾倒變形區，坡內基本保持原始巖體的薄層結構，板理連續，斷續分布傾坡外的拉張裂隙，如圖1(b)所示；②強傾倒變形區，向坡外逐漸呈碎裂結構，板理基本連續，傾坡外的拉張裂隙較發育，裂隙多充填巖屑，如圖1(c)所示；③極強傾倒變形區，主要分布于坡表，巖體呈散體結構，板理不連續，巖塊間具架空現象，或充填碎石、巖屑，如圖1(d)所示。傾倒變形巖體是陡傾的薄層板狀巖層在自重載荷的長期作用下發生的彎曲變形，本質上屬于蠕變，形成機制類似褶皺但形成環境不同，具有塑性變形的特征，形成過程中產生層間錯動，垂直板理面發生不同程度的破裂，在薄層結構的基礎上疊加了破裂作用，屬于一種特殊的節理化巖體。

圖1 巖體傾倒變形現象

1.2 傾倒變形巖體的結構面特征

傾倒變形巖體中的結構面主要為板理及裂隙。板巖呈薄層板狀結構，在傾倒過程中，陡傾的板狀巖層沿板理面發生剪切蠕滑錯動，垂直板理面出現層內拉張—切層的張剪破裂[圖1(c)]，這些結構面疊加在構造節理、卸荷裂隙及風化裂隙上，使得傾倒變形巖體中結構面較發育。傾倒變形巖體中節理裂隙主要有3組：①走向近北，傾西或東，中傾角，該組裂隙走向與板理面走向近平行，裂隙面平直粗糙；②走向近東，傾南或北，陡傾角，該組裂隙走向與板理走向近垂直，裂隙寬為0.2～0.5cm，裂隙面起伏粗糙，多充填巖屑；③走向北西，傾北東或南西，中傾角—陡傾角，裂隙面平直粗糙。

1.3 傾倒變形邊坡的破壞模式

鮑杰等[6]將岸坡巖體傾倒破裂的形成與演變歸納為4個階段，依次為：①卸荷回彈—傾倒蠕變發展階段；②層內拉張、切層張剪破裂發展階段；③彎曲—折斷變形破裂發展階段；④底部滑移—后緣深部折斷面貫通破壞階段等。從研究區內岸坡的變形特征來看，傾倒變形巖體與正常產狀巖體界面主要為彎曲變形，僅斷續折斷，處于第三階段的彎曲變形期。岸坡傾倒變形是隨著河流的不斷下切、巖層在長期的自重作用下所發生的蠕變或流變，是地質歷史過程中的產物。通常傾倒變形巖體厚度較大，具有延性彎曲的特點，底部界面表現為“折而不斷”，短期內產生沿底部滑移—后緣深部折斷面失穩的可能性不大，主要考慮傾倒變形體內部的穩定性。因此，傾倒變形巖體的抗剪斷強度是分析邊坡穩定性的關鍵指標。

2 傾倒變形巖體的抗剪斷強度分析

2.1 傾倒變形巖體強度特征

研究區板巖類巖石主要包括砂質板巖和鈣質板巖，其中砂質板巖巖石飽和單軸抗壓強度平均值為35.4 MPa，屬中硬巖；鈣質板巖巖石飽和單軸抗壓強度平均值為14.7 MPa，屬軟巖。傾倒變形巖體三個分區的巖體特征描述見表1。

表1 傾倒變形巖體三個分區的巖體特征描述表

2.2 基于Hoek-Brown經驗公式的傾倒變形巖體強度計算

采用建立在GSI基礎上的Hoek和Carranza-Torres及Corkum改進的Hoek-Brown經驗公式[10]計算傾倒變形巖體抗剪斷強度參數。計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，σ1、σ3—巖石破裂時的最大主應力和最小主應力；σc—巖樣的單軸抗壓強度；s、mb、mi—材料常數；a—表征節理巖體的常數；GSI—地質強度指標；D—擾動系數；φ—內摩擦角；c—黏聚力；σ3n—正應力。

計算參數取值及結果見表2。傾倒變形巖體相應分區中，砂質板巖(中硬巖)與鈣質板巖(軟巖)的抗剪斷強度參數差別主要在黏聚力，砂質板巖的黏聚力是鈣質板巖的1.4～2.4倍，摩擦系數則相差不大。

表2 傾倒變形巖體抗剪斷強度計算成果表

2.3 傾倒變形巖體原位抗剪試驗成果

傾倒變形巖體原位剪切試驗在勘探平洞內進行，在平洞洞壁人工擴挖形成凹槽，凹槽內制備試體。試驗采用平推法，剪切面垂直層面，尺寸約為50cm×50cm，最大正壓力為1.5MPa。剪切破壞面部分沿裂隙面，部分沿巖體破壞。

由于極強傾倒變形區巖體極度破碎，難以制備試樣，原位剪切試驗在強傾倒變形區和弱傾倒變形區進行，試驗成果見表3。

表3 傾倒變形巖體抗剪斷強度驗成果表

2.4 Hoek-Brown經驗公式計算結果與原位試驗成果對比

建立在GSI基礎上的Hoek-Brown經驗公式計算結果與原位試驗成果比較見表4。其中砂質板巖(中硬巖)的黏聚力c1與c2的比值為1.9～2.0，摩擦系數f1與f2的比值均為0.6；鈣質板巖(軟巖)黏聚力c1與c2的比值為0.7～1.0，摩擦系數f1與f2的比值均為0.6。

表4 Hoek-Brown經驗公式計算結果和原位試驗成果比較表

2.5 傾倒變形巖體的抗剪斷強度指標取值分析

黏聚力c和摩擦系數f是表征巖體抗剪斷強度的兩個指標，相對于土體，黏聚力尤其固化黏聚力在巖石的抗剪斷強度中占比較大。巖石的黏聚力c值，除了反映顆粒間聯結力的大小外，還反映了巖石中微結構面的發育情況；而巖石的摩擦系數f值，則主要反映了巖石中閉合的微裂隙面的摩擦系數及微裂隙面的發育情況[11]。傾倒過程中巖體發生破裂，傾倒變形巖體完整程度降低，黏聚力降低幅度較大。其中砂質板巖屬中硬巖，脆性破裂程度較大，而鈣質板巖屬軟巖，以延性破壞為主[12]，因而傾倒變形巖體中砂質板巖的破裂程度要高于鈣質板巖。

傾倒變形巖體屬于一種特殊的節理化巖體，結構面對巖體強度影響較大，而原位抗剪試驗試體的尺寸僅為50cm×50cm，相對偏小。與原位試驗成果比較，Hoek-Brown經驗公式計算得到的黏聚力c值偏大，而摩擦系數f值偏小，符合黏聚力在巖石的抗剪斷強度中占比較大的規律。Hoek-Brown經驗公式計算得到的摩擦系數f值可理解為節理和巖橋提供的摩擦力按面積加權平均后的結果[13]，因而摩擦系數f值較小，但可能更符合實際情況。傾倒變形巖體的抗剪斷強度指標的取值應在考慮巖體性狀和原位試驗成果的基礎上，合理選用Hoek-Brown經驗公式的計算參數，以獲得較為可靠的計算指標。

3 典型傾倒變形邊坡穩定性分析

采用有限差分法分析邊坡在天然和暴雨條件下的應力場和變形破壞特征，得出以下結論：邊坡在天然和暴雨工況下處于穩定狀態，最大和最小主應力分布于坡體淺表層和坡腳堆積體，在傾倒變形巖體極強傾倒區下部出現量值較小的剪應力增量，如圖2(a)所示。邊坡位移變形主要集中在坡體淺表層和坡腳堆積體，如圖2(b)所示，受重力和暴雨影響較小，局部會產生崩落。坡腳堆積體有利于邊坡的穩定性，開挖坡腳堆積體會使得極強傾倒區前緣臨空，將加劇坡體變形并向后緣發展。

圖2 邊坡最大剪應力增量和水平方向位移分布特征

邊坡整體處于穩定狀態，傾倒變形巖體自坡內向坡外逐漸變差，淺表層巖體的破壞會加劇邊坡的傾倒變形，當前部失去“支撐”后，會導致由前部向后部逐級后退式破壞。因此，工程建設應避免開挖傾倒變形邊坡，盡量減少施工擾動，否則應采取防護措施。

4 結論

(1)傾倒變形巖體是陡傾的薄層板狀巖層在自重載荷的長期作用下發生的彎曲變形，形成機制類似褶皺，但形成過程中產生層間錯動，垂直板理面發生不同程度的破裂，在薄層結構的基礎上疊加了破裂作用，屬于一種特殊的節理化巖體。

(2)傾倒變形破壞了巖體的完整性，結構面對傾倒變形巖體強度影響較大。原位抗剪試驗試體的尺寸偏小。與原位試驗成果比較，Hoek-Brown經驗公式計算得到的黏聚力偏大，而摩擦系數f值偏小，符合黏聚力在巖石抗剪斷強度中占比較大的規律。Hoek-Brown經驗公式計算得到的摩擦系數f值可理解為節理和巖橋提供的摩擦力按面積加權平均后的結果，可能更符合實際情況。

(3)傾倒變形巖體的抗剪斷強度指標的取值應在考慮巖體性狀和原位試驗成果的基礎上，合理選用Hoek-Brown經驗公式的計算參數，以獲得較為可靠的抗剪斷強度指標。