中外水電行業壩基抗剪強度參數差異對比研究

彭森良，王文遠，李 忠，王 凱

(1.水電水利規劃設計總院，北京 100020；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650001)

0 引 言

目前我國參與的水電工程勘測設計項目多集中于東南亞和非洲等地，外方投資的工程中普遍要求勘測設計企業的設計方案通過國際咨詢工程師審查后方能施工。而在實際工作過程中，國際咨詢工程師基于自己所接受的認知通常認為，中國學者的認識[1-10]及中國規范建議的壩基粘聚力值過于冒進很難接受，且中國規范給定的抗剪(斷)強度參數建議值針對壩高70 m以上的硬巖，當壩高低于70 m時只能作為參考，雖然同時規定了軟巖地基適當折減，但沒有具體標準，更無法說服咨詢方。因此，設計文件常常無法達到國際咨詢工程師的要求而得不到批復，進而影響工程施工進度，少則數月，多則持續1年以上，對中國承包商造成了較大的經濟損失且對中國水電技術標準“走出去”戰略產生了一定影響。

本文拋開文化、社會制度等差異影響，結合實際負責的數個國外水電工程，探索性分析國內外水電行業地質工程師在抗剪(斷)強度參數的普遍認知來源、試驗方法、試驗步驟、試驗取值方法的差異，并結合水工設計規范對比分析，以便查找造成這一困擾的技術原因，建立2種認知的對比分析關系，為同類問題提供一定借鑒。

1 認知來源分析

1.1 中國水電行業

至20世紀90年代初，我國開展了大量的巖基抗剪強度試驗，并于21世紀初組織汪小剛等[11]共收集到103個水電、水利工程的1 174組巖基抗剪強度試驗的詳細資料，包括混凝土與基巖接觸面(503組)、巖體(85組)、巖體中的軟弱夾層(軟質結構面，共478組)和巖體中的節理、裂隙等Ⅴ級結構面(硬質結構面或無充填結構面，共178組)4類，總結出每一類別所對應的原始試驗平均值和概率分布函數。中國的《水力發電工程地質勘察規范》[12]編制過程中，通過參數遴選和統計學折減，據此提出了針對壩基巖體分類的抗剪(斷)強度參數建議值。

21世紀初是中國水電開發的黃金時期，在此期間的大型水電工程勘測設計過程中，亦開展了大量現場原位直剪試驗，試驗成果與中國規范建議值是高度吻合的，且依據該套參數體系在近20年未見明顯的壩基抗滑穩定問題。雖然規范規定這套參數僅適用于規劃和預可研等最初設計階段，但受現場條件或工期進度等要求限制，對于絕大多數中、小型水電工程，尤其是國際工程，很少開展壩基原位抗剪強度試驗，多根據工程類比采用這套參數。

1.2 國外水電行業

20世紀60～70年代，西方發達國家的水電開發處于高峰期，同樣開展了大量的現場原位試驗和室內試驗，但相對系統的總結多源于室內巖體三軸試驗(中剪試驗)[13-14]。考慮到任何原位試驗都不能完全模擬壩基抗滑穩定問題[15]，且耗時費力，試驗成果依然不能直接利用，西方學者亦不再推崇現場原位試驗，而是傾向于通過現場的觀察、量測和描述，對巖體質量開展半定量評價后，依據經驗公式確定巖體抗剪強度參數。其中，對西方地質工程師影響較大的是N. Barton等提出的節理化巖體的抗剪強度取值方法以及E. Hoek等提出的Hoek-Brown準則，后者尤甚。

Hoek-Brown準則是通過對幾百組巖石三軸試驗資料和上百組室內及現場巖體試驗成果的統計分析提出的。2002年E.Hoek等提出了Hoek-Brown準則與摩爾-庫倫準則包絡線擬合后的抗剪強度參數換算公式[16]，即H-B/M-C反算法，具體為

c′=σc[(1+2a)s+(1-a)mbσ3n](s+mbσ3n)(a-1)/

(1)

(2)

式中，c′為粘聚力；φ′為內摩擦角；σc為巖石單軸抗壓強度；σ3n為法向應力；a、mb及s均為霍克-布朗準則的強度參數。

2013年，E. Hoek等[17]對節理化巖體質量指數GSI現場打分標準進行了進一步量化說明，包括巖體完整性和結構面性狀2個部分。其中，巖體完整性可以用鉆孔巖芯質量評價指標RQD來表征，并定性地列出未擾動塊狀巖體、部分擾動明顯塊狀巖體、塊狀或擾動節理化巖體、完全擾動巖體4個典型等級。對于結構面性狀按照比列夫斯基定義的結構面性狀分級原理，考慮延伸長度、結構面寬度、蝕變程度、粗糙度和充填物質5個因素進行打分。最終的巖體打分指數GSI可按下式計算

GSI=1.5Jcond1989+RQD/2

(3)

式中，Jcond1989為比列夫斯基提出的結構面性狀分級公式得分。

2 中外壩基巖體試驗體系差異分析

2.1 試驗方法

中國規范中的數據樣本絕大多數為現場原位直剪試驗，以多點平推法或多點斜推法為主，輔以極少量的室內巖體直剪試驗。Hoek-Brown準則的數據樣本則是以室內三軸試驗為主，少量現場直剪試驗為輔，美國規范推薦采用單點法直剪試驗。中國規范的試驗方法與國際巖石力學協會(ISRM)的建議總體一致，后者還要求開展巖芯扭轉試驗，而國內在在公開發表的文獻中尚未查到。

2.2 試驗步驟

(1)試樣制備。中國規范規定，直剪試驗試樣需加工成方形試體，剪切面積不應小于2 500 cm2，最小邊長不應小于50 cm，各試樣的間距不宜小于推力方向的邊長，試樣的高度不宜小于最小邊長的1/2。美國材料試驗學會(ASTM)建議，試樣的剪切尺寸為70 cm×70 cm×35 cm，這與國際巖石力學協會的建議是一致的。

(2)加荷方式。文獻[18]對中美兩國標準的加荷方式差異做了詳細描述，中國為多點加荷，法向荷載施加采用時間控制法；美國標準及國際巖石力學協會推薦方法為單點加荷，法向荷載施加采用變形控制法。

2.3 試驗成果整理

2.3.1 混凝土與基巖接觸面

中國規范對抗剪斷強度的規定為：①當試件呈脆性破壞時，采用概率分布的0.2分位值或峰值強度的小值平均值或優定斜率法的下限作為標準值；②規劃、預可行性研究階段或當壩基巖體力學參數試驗資料不足時，可根據規范推薦的經驗值結合地質條件進行折減，選用地質建議值，但沒有給出具體的折減系數，實際執行中，多采用最小二乘法得到的強度參數概率分布的0.2分位值和峰值強度的小值平均值，很少選用優定斜率法。中國規范采用比例極限強度作為抗剪強度標準值。

美國陸軍工程兵團指南《巖石地基》[19]中規定，破壞面上的設計抗剪強度取值必須考慮破壞面上允許的最大位移，并且不會造成不能接受的應力集中。國外學者普遍認為，當巖體質量偏好時，巖體與混凝土之間的接觸面一般不是控制面，可以采用混凝土本身的指標，摩擦系數取1.0，粘聚力值取1/10混凝土抗壓強度。歐洲學術界[20]也認為，混凝土與基巖接觸面也不是主要的破壞面，巖體強度偏好時，混凝土的膠結強度是有效的，巖體強度偏差時，通常的破壞面是沿著軟弱基巖內的天然結構面而不是壩基面。因此，在筆者查閱的文獻中，近年來國外對壩基抗剪強度的研究多集中在巖體和結構面上，對混凝土與基巖接觸面的研究甚少，試驗成果也較難查到。

2.3.2 巖體

中國規范對抗剪斷強度的規定為：①硬質巖體呈脆性破壞時，采用概率分布0.2分位值或峰值強度的小值平均值或優定斜率法下限作為標準值；②微裂隙巖體呈塑性破壞或彈塑性破壞時，采用屈服強度作為標準值，有時也采用比例極限強度作為抗剪強度標準值。實際執行時，大多采用最小二乘法擬合摩爾-庫倫準則包絡線。

國外一般要求開展9次以上巖體直剪試驗，采用優定斜率法取值，但優定斜率法對粘聚力的敏感度較內摩擦角偏高。從安全角度講，按剪應力與正應力關系散點圖，即τ-σ關系散點圖的下界限確定。如果是室內中剪試驗，還要考慮尺寸效應的影響。美國陸軍工程師團規范[19]認為，粘聚力值還需折減50%左右，巖體的內摩擦角取τ-σ關系散點圖的下界限傾角。Hoek教授也認為粘聚力在實際工況下的物理意義是不可靠的，并建議粘聚力取值折減至75%，同時將這一觀點引入至H-B/M-C反算法的經驗公式中。

2.3.3 結構面

中國規范規定：①結構面凸起或膠結充填物被剪斷時，采用峰值強度的小值平均值作為標準值；②結構面呈摩擦破壞時，采用比例極限強度作為標準值。

美國規范指出：①硬質結構面需考慮基本內摩擦角和一階表面微凸體有效傾斜角之和，但不能超過試驗得到的內摩擦角值。同時，由于數據的離散性，宜忽略粘聚力的影響。該參數體系可借助回彈儀開展現場簡易試驗，基于Barton-Bangdis理論得出抗剪斷強度參數。②軟質結構面需更保守，考慮填充物質的位移、應力歷史，有擦痕、斷層黏土、錯位的情況要考慮殘余強度，不能考慮粘聚力值；填充物質未發生位移時，可取峰值強度；正常固結粘性材料和所有無粘性材料組成的填充物質可采用峰值強度；低塑性超固結粘性材料組成的填充物質采用峰值強度或極限強度；極限強度、重塑填充物質峰值強度或殘余強度(取決于材料特性)適用于由中高度塑性超固結粘性物質。軟質結構面參數參照基于充填物質的室內試驗成果確定。

3 認知差異原因分析

3.1 壩基受力環境適用性

總之，Hoek-Brown準則反算的巖體抗剪強度參數主要來源于三軸試驗成果，與壩基巖體的受力環境差異較大，并不適用于分析壩基抗滑穩定問題。而中國規范、美國規范和國際巖石力學協會推薦的現場巖體原位直剪試驗與壩基巖體受力環境更為契合，其成果應用于分析壩基抗滑穩定問題是合理的。另一方面，中國規范推薦的壩基參數體系應用到邊坡和地下洞室問題分析中也是不可取的。

3.2 試樣制備及試驗步驟差異

雖然中外標準在試樣制備上的規定有差別，實際執行時的剪切面積各異，但總體上看，試樣制備的大小對兩套參數認知的影響是有限的。中外標準之間在試驗步驟上雖有差異，但具體影響主要體現在工作效率和對變形特征點的把握精度上，對抗剪強度指標分配的影響是相對隨機的，并不會系統地導致粘聚力及內摩擦角值偏高或偏低的情況。

表1 巖體結構面抗剪斷強度參數計算結果

3.3 壩基表層抗滑穩定破壞機理認識差異

關于壩基表層抗滑穩定的主要破壞機理的問題，中國規范認為發生在混凝土與基巖接觸面，并沒有明確具體破壞部位。對于Ⅲ類偏差及以下巖體來說，接觸面抗剪強度參數取值與巖體參數基本一致；當壩基巖體為Ⅲ類偏好及以上時，混凝土與基巖接觸面的抗剪強度參數小于巖體抗剪強度參數，這與國外的普遍認識總體一致。國外部分學者認為當壩基巖體質量偏好時，粘聚力值直接取1/10混凝上抗壓強度，根據大量試驗成果，這一點值得進一步探討，國際工程實踐中應特別注意這一問題。

3.4 試驗成果參數整理差異

國外學者一般采用優定斜率法的下限截距作為粘聚力值，對于室內試驗的成果，還需對粘聚力值折減50%左右，取下限斜率作為摩擦系數取值。而大量試驗成果表明，τ-σ關系散點圖的上、下限斜率差別不大，也就是說優定斜率法對摩擦系數折減很小。與中國規范最常用的現場直剪試驗采用最小二乘法擬合后的峰值強度小值平均值相比，粘聚力取值明顯過于保守，摩擦系數則偏高。由此形成數十年的認知習慣積累以后，一定程度上造成了國內外學者對粘聚力和摩擦系數的理解出現較大偏差。中外標準抗剪強度參數取值對比見圖1。圖1中，ci和φi分別為H-B/M-C反算法得到的粘聚力和內摩擦角值，c′和φ′分別為GB 50287—2016得到的粘聚力值和內摩擦角值。

圖1 抗剪斷強度參數取值對比

在此基礎上，國外學者仍考慮對粘聚力值的折減，霍克教授建議折減度為75%，美國標準的折減度為50%。此外，美國墾務局標準對結構面抗剪強度的粘聚力值提倡忽略不計，而中國標準則根據結構面的充填物質給出了一系列的經驗參數，對粘聚力和摩擦系數的折減力度是相同的。

結合老撾南部某水電站開展的硬質結構面回彈儀現場測試成果，基于Barton-Bangdis理論[21]得出抗剪斷強度參數(見表1)，與中國規范推薦的工程類比參數相比，粘聚力值比較接近，但內摩擦角值偏高，總體偏差相較于巖體參數略小。其他工程上可能存在不同的情況，因此，實踐中建議選用2種方法相互驗證，取低值推薦參數。

3.5 與下序專業的銜接差異

以筆者曾負責的老撾南部某水電站的鞍壩為例，其壩高為5～30 m，壩基巖性為英安巖，屬硬巖。壩址區地勢平緩，絕大多數壩段無緩傾結構面，需深挖基坑至1/3壩高左右，與三軸試驗應力環境類似，適用Hoek-Brown準則。當壩高小于22 m時，基于未折減的中國規范得到的抗剪強度明顯高于Hoek-Brown準則反算的抗剪強度參數，壩基巖體抗剪強度參數計算成見表2。

表2 壩基巖體抗剪強度參數計算成果

需要說明的是，NB/T 35026—2014采用分項系數法，其對粘聚力的綜合折減分項系數約為3.0，而對內摩擦系數的綜合折減分項系數約為1.7，說明中國規范對于粘聚力取值的折減是在水工結構專業的設計計算時考慮的，而非由地質專業提供建議參數時考慮。因此，國內外工程人員對粘聚力和內摩擦角的取值分配思路總體上并不矛盾。

4 解決方案

本文針對中外工程地質人員對壩基巖體參數認知差異較大的問題，結合本人多個國外中小型工程的實踐經驗，提出以下建議及解決思路：

(1)積極契合“一帶一路”戰略，乘著國家水電技術標準“走出去”的東風，在中國規范英文版編制過程中，對中國規范關于壩基與混凝土接觸面、壩基巖體及結構面抗剪(斷)強度參數的來源、試驗方法、試驗步驟、試驗成果整理、參數取值等作出詳細的說明，同時摒棄一些含糊的規定，適當擴大成果應用范圍或提出具體的折減標準。

(2)積極參與一些國際學術會議，爭取發表一些具有實踐意義的論文，對中國規范的實用性進行必要的解釋，同時指出國外標準一些值得探討之處，讓中國標準逐步融入甚至主導國際水電工程咨詢行業。

(3)由于專業配置的不一致性，在與咨詢工程師溝通前，各上下序專業需達成一致。

(4)國內規范推薦的參數體系在適用范圍內是行之有效的，但切忌將此類試驗成果直接類比到地下洞室問題和邊坡穩定問題分析中，這種情況下參照室內巖體三軸試驗成果更為合理，且在地質條件適用的情況下可利用Hoek-Brown準則推導。