軟弱夾層對大型水電站壩址砂巖工程力學(xué)性質(zhì)影響研究

古麗蘇瑪依·阿不都薩塔爾

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 昌吉 831100)

0 引 言

水電站壩址巖石邊坡的穩(wěn)定性是影響水電站長期安全的重要因素，而軟弱夾層會導(dǎo)致壩址巖體的力學(xué)性質(zhì)大幅降低，因此研究軟弱夾層對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響具有重要的意義[1-3]。

楊成龍等[4]對我國西藏某水電站壩址蝕變問題展開了深入研究，發(fā)現(xiàn)巖石蝕變特征受時空因素影響較大，且其能夠大幅降低巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。鄭達(dá)等[5]依托于金沙江某水電站建設(shè)工程，深入分析了各向異性對壩址區(qū)千枚巖力學(xué)性質(zhì)的影響，并指出巖石各向異性對其單軸抗壓強(qiáng)度的影響最為明顯。徐衛(wèi)亞等[6]室內(nèi)制備了含軟弱夾層的層狀巖體試樣，并對其展開了三軸流變試驗。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)軟弱夾層對巖體的蠕變力學(xué)性質(zhì)影響較大，巖石的蠕變壽命大幅縮短，蠕變變形量增大。韓飛等[7]采用室內(nèi)相似試驗，室內(nèi)制備了含軟弱夾層巖體的無錨試樣和加錨試樣，并對試樣展開了單軸壓縮試驗。研究發(fā)現(xiàn)，錨桿能夠大幅增大巖體的承載能力，且軟弱夾層越厚，巖體的單軸抗壓強(qiáng)度越小。

綜上所述，現(xiàn)有研究多是從軟弱夾層及其厚度對巖體的力學(xué)性質(zhì)角度展開[8-9]，而較少涉及到夾層傾角對巖體性質(zhì)的影響。本次研究室內(nèi)制備了含不同傾角軟弱夾層的紅砂巖巖體，并對其展開單軸壓縮試驗，深入分析夾層傾角對巖體的破壞形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)的影響。研究成果可為我國水電站壩址巖體加固提供一定的指導(dǎo)作用。

1 工程背景

本次試驗研究對象為我國西北地區(qū)某水電站壩址處邊坡，現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于水電站大壩地處高山峽谷，河流兩岸邊坡垂直落差巨大，邊坡坡度在30°～45°，邊坡具有較強(qiáng)的失穩(wěn)變形傾向。邊坡巖體結(jié)構(gòu)面多，大都風(fēng)化嚴(yán)重，同時帶有崩塌現(xiàn)象。又因為該地鄰近地震帶，地質(zhì)構(gòu)造活動對巖體帶來的影響大，大大增加了邊坡危巖體的不穩(wěn)定性。因此，研究軟弱夾層對壩址邊坡穩(wěn)定的影響對維護(hù)水電站大壩安全具有重要意義。見圖1。

圖1 擬研究水電站大壩示意圖

2 試驗設(shè)計

2.1 試樣制備

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，壩基及壩址邊坡主要為紅砂巖，且發(fā)育有薄層泥巖軟弱夾層，泥巖夾層厚度在2～3 cm之間，強(qiáng)度較低。對取自工程現(xiàn)場的紅砂巖巖塊鉆孔取芯并進(jìn)行切割，作為夾層巖體中的硬巖部分；利用石膏模擬夾層巖體中的軟弱夾層部分， 石膏層厚為20 mm。按照《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266-2013)將軟、硬部分組合制備φ50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)巖體[10]，且夾層傾角分別為0°、30°、45°和60°，制備完成的含夾層巖體見圖2，其物理參數(shù)見表1。

圖2 巖體試樣

表1 含軟弱夾層巖體物理參數(shù)

2.2 試驗設(shè)計

參照《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266-2013)進(jìn)行單軸壓縮試驗，試驗設(shè)備見圖3。峰前采用力控模式進(jìn)行加載，加載速率為30 kN/min；峰后采用位移控制模式進(jìn)行加載，位移加載速率為0.02 mm/min，以獲得較好的峰后應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖3 試驗設(shè)備

3 試驗結(jié)果分析

3.1 破壞形態(tài)分析

圖4為不同試驗條件下含軟弱夾層巖體單軸壓縮破壞形態(tài)特征。在單軸壓縮試驗條件及不同夾層傾角條件下，含軟弱夾層巖體均發(fā)生了破壞，試件的軸向壓縮變形明顯。其中，互層巖體的硬巖部分變形較小，而軟巖夾層部分的破壞更加劇烈。軟巖夾層的橫線變形較硬巖部分大，巖體不同部分間表現(xiàn)出明顯的非協(xié)調(diào)變形。不同軟弱夾層傾角條件下，巖體的破壞形式具有顯著差異。當(dāng)夾層傾角較小時(β=0°、30°)，巖體破壞后斷裂裂紋出現(xiàn)在軟弱夾層部位，且其與夾層傾角接近平行，而硬巖部分僅出現(xiàn)細(xì)小微裂紋；當(dāng)夾層傾角較大時(β=45°、60°)，巖體破裂面與夾層呈X形交叉狀，穿夾層滑移在硬巖部分與軟弱夾層均產(chǎn)生了明顯的大裂紋。

圖4 不同夾層傾角下含軟弱夾層巖體破壞形態(tài)

3.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5為含不同傾角軟弱夾層巖體的單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖5可知，不同巖體在軸向壓力下均表現(xiàn)出典型的巖石壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線特征。壓密階段泥質(zhì)含夾層巖體應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)非線性下凹趨勢，這是由于巖體內(nèi)部存在一定的空隙，在低水平應(yīng)力作用下，巖石內(nèi)部空隙閉合；隨著應(yīng)力水平的提高，應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入彈性階段，此階段巖石內(nèi)部空隙的產(chǎn)生與閉合處于平衡狀態(tài)；屈服階段巖石內(nèi)部微裂隙不斷產(chǎn)生并相互連接，直到破壞后形成宏觀大裂紋。此外，當(dāng)軸向荷載達(dá)到巖體的峰值強(qiáng)度后，巖體發(fā)生破壞，但破壞后的巖體仍具有一定的承載能力[11-13]。

圖5 含軟弱夾層巖體單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

3.3 夾層傾角影響

圖6為含軟弱夾層巖體的單軸抗壓強(qiáng)度及彈性模量隨夾層傾角變化關(guān)系。由圖6可知，隨著夾層傾角的逐漸增大，含軟弱夾層巖體的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均呈現(xiàn)出“減小-增大”的變化趨勢。當(dāng)夾層傾角為0°時，巖體的承載能力最強(qiáng)，此時其單軸抗壓強(qiáng)度為11.22 MPa、彈性模量為1.14 GPa；當(dāng)夾層傾角為45°時，巖體的承載能力最差，此時其單軸抗壓強(qiáng)度為5.08 MPa、彈性模量為0.62 GPa，相較含水平夾層巖體分別降低53.17%、42.72%。此外，當(dāng)夾層傾角為30°時，巖體的單軸抗壓強(qiáng)度分別為6.69 MPa、彈性模量為0.73 GPa；當(dāng)夾層傾角為60°時，巖體的單軸抗壓強(qiáng)度分別為8.21 MPa、彈性模量為0.85 GPa。綜上所述，水平軟弱夾層對巖體強(qiáng)度的影響最小，而當(dāng)水電站壩基巖層中夾層傾角在45°附近時，壩基的穩(wěn)定性最差，此時應(yīng)當(dāng)及時采取加固措施進(jìn)行處理。

圖6 巖體強(qiáng)度及彈性模量隨夾層傾角變化規(guī)律

進(jìn)一步分析含軟弱夾層巖體的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量與夾層傾角之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，巖體的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量與夾層傾角之間均符合二次函數(shù)關(guān)系，即單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨夾層傾角的增大而呈先減小后增大的變化趨勢，且在某一夾層傾角條件下能夠取得最小值。擬合效果均較良好，線性相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到R2=0.801 2和R2=0.875 2。

4 結(jié) 論

本文依托于我國西北地區(qū)某水電站工程，室內(nèi)展開了含不同傾角軟弱夾層巖體的單軸壓縮力學(xué)試驗，深入分析了軟弱夾層對巖體工程力學(xué)性質(zhì)的影響。主要研究結(jié)果如下：

1) 軟弱夾層傾角對巖體的破壞形態(tài)具有較大影響，夾層傾角越大，巖體的破壞特征越復(fù)雜。互層巖體的硬巖部分變形較小，而軟巖夾層部分的破壞更加劇烈。

2) 隨著軟弱夾層傾角的增大，巖體的單軸壓縮強(qiáng)度和彈性模量呈先減小后增大的變化趨勢。當(dāng)夾層傾角為45°時，含軟弱夾層巖體的承載能力最差。含軟弱夾層巖體的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量與夾層傾角之間符合二次函數(shù)關(guān)系。