基于Hoek-Brown準(zhǔn)則和Sarma法的海外水電工程邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

柳 旻,夏玉云,門(mén)青波,王 冉,劉云昌,楊曉鵬

(1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710043;2.陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710043)

近年來(lái),隨著“一帶一路”建設(shè)的持續(xù)推進(jìn),中資企業(yè)在海外工程總承包發(fā)展迅猛,承攬多項(xiàng)大型水利水電、公路、鐵路、港口碼頭等項(xiàng)目。其中大型的水利水電項(xiàng)目多位于貧困落后國(guó)家,經(jīng)濟(jì)與技術(shù)發(fā)展與發(fā)達(dá)國(guó)家相比相對(duì)落后。針對(duì)建設(shè)過(guò)程中遇到的技術(shù)難題,當(dāng)需要開(kāi)展大型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或復(fù)雜的室內(nèi)試驗(yàn)時(shí),因高精儀器設(shè)備匱乏或成本過(guò)高等因素限制往往難以實(shí)現(xiàn)[1-2];此外,海外大型水利水電工程多采用FIDIC合同或歐美合同,基于歐美規(guī)范,與中國(guó)規(guī)范相對(duì)應(yīng),在技術(shù)理念和設(shè)計(jì)方法等多方面差異性突出。由于中國(guó)規(guī)范大部分采用前蘇聯(lián)模式,海外普適性不足,按中國(guó)規(guī)范中依據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲取的巖體力學(xué)參數(shù)往往難以得到歐美咨詢公司的認(rèn)可,導(dǎo)致中資企業(yè)在國(guó)外開(kāi)展勘察設(shè)計(jì)時(shí)阻力重重。綜合分析,在勘察設(shè)計(jì)過(guò)程中,尋找一種國(guó)內(nèi)外廣泛認(rèn)可的方法對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行合理取值,在國(guó)內(nèi)外工程界,是一個(gè)突出的難題[3-4]。

在這種情況下,尋找合適的替代方案尤為重要。目前,國(guó)際上有多種巖體參數(shù)估算方法,其中采用基于GSI法的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則被廣泛應(yīng)用[5-8],尤其適用于巖體開(kāi)挖后,現(xiàn)場(chǎng)具備很好的量測(cè)條件時(shí)[8],采用基于GSI法的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則確定巖體力學(xué)參數(shù)顯得較為合適,根據(jù)此方法獲取的參數(shù)國(guó)外咨詢工程師認(rèn)可度較高。

本文通過(guò)介紹基于GSI法的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則巖體參數(shù)估算方法及在壩基邊坡實(shí)際應(yīng)用,探討中外規(guī)范差異性,采用Samma法對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析,最后對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估,在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的支護(hù)措施。

1 Hoek-Brown準(zhǔn)則

Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則(以下簡(jiǎn)稱H-B準(zhǔn)則)是用于預(yù)測(cè)巖體強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式,由Hoek和Brown通過(guò)對(duì)大量室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)巖石力學(xué)試驗(yàn)成果和巖體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析整理于1980年提出[9]。之后對(duì)該公式進(jìn)行了拓展,提出了廣義H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則,公式為:

(1)

式中:σ1、σ3分別為巖體破壞時(shí)的最大和最小主應(yīng)力,MPa;σc為巖塊強(qiáng)度,可通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲得,MPa;mb、s屬于經(jīng)驗(yàn)參數(shù);a為常數(shù),與巖體結(jié)構(gòu)特征有相關(guān)關(guān)系。

式(1)中含有4個(gè)獨(dú)立參數(shù)σc、mb、s、a,GSI下和擾動(dòng)程度D相關(guān)聯(lián)的參數(shù)為mb、s、a,可分別通過(guò)式(2)—式(4)計(jì)算確定:

(2)

(3)

(4)

式中:GSI為巖體的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo);mi為完整巖塊的Hoek-Brown強(qiáng)度參數(shù),可通過(guò)查表獲得;D為巖體擾動(dòng)系數(shù)[10],反映開(kāi)挖方式對(duì)巖體的擾動(dòng)程度,常見(jiàn)的D值取值見(jiàn)表1。

2 GSI法

GSI方法可以反映巖體強(qiáng)度特征,對(duì)均質(zhì)巖體具有良好的適用性,隨著經(jīng)驗(yàn)積累,風(fēng)化巖體和非均質(zhì)巖體也可采用GSI法進(jìn)行分析。當(dāng)具備完整的鉆孔統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí),Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中參數(shù)GSI可采用式(5)進(jìn)行取值[11]。

(5)

式中:RQD通過(guò)鉆探統(tǒng)計(jì)資料獲取;JCond89可采用巖體RMR分類法,評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2—表3。

表2 不連續(xù)結(jié)構(gòu)面特征評(píng)分

Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則中GSI的取值范圍及描述如圖1所示。

圖1 GSI 取值范圍圖

3 基于GSI和Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的巖體力學(xué)參數(shù)估計(jì)

2006年,Hoek和Diederichs[10]考慮了巖體開(kāi)挖過(guò)程的擾動(dòng)參數(shù)D,綜合考慮爆破等挖掘方式對(duì)巖體的影響,給出了估算巖體變形模量的公式:

(6)

式中:Ei為完整巖石的變形模量,MPa。

當(dāng)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量值Ei不可用時(shí),Hoek和Diederichs推薦使用如下公式進(jìn)行估算:

(7)

Hoek等將H-B強(qiáng)度準(zhǔn)則與Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行了等效轉(zhuǎn)換[11-12],得出Mohr-Coulomb準(zhǔn)則下估計(jì)的等效內(nèi)摩擦角和等效黏聚力,見(jiàn)下式:

(8)

(9)

σ3n=σ3nmax/σ3ci

(10)

式中:σ3max為等效條件下最小主應(yīng)力的上限值。

4 工程應(yīng)用

4.1 場(chǎng)地基本地質(zhì)條件

老撾南俄4水電站總庫(kù)容為1.074×108m3,電站裝機(jī)容量為240 MW。根據(jù)《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》(DL 5180—2003)的相關(guān)規(guī)定,樞紐工程等別為二等,工程規(guī)模屬大(2)型。該工程最大壩高74 m,壩長(zhǎng)228 m。

南俄4水電站大壩右岸壩肩永久邊坡高64 m,10#壩段位于大壩右岸上半部。10#壩段自壩頂高程EL.1046.00 m開(kāi)始,順開(kāi)挖邊坡(坡比1∶0.75)至高程EL.1010 m平臺(tái),EL.1010 m平臺(tái)寬8.75 m,長(zhǎng)34.15 m。

10#壩段開(kāi)挖揭露壩基地層巖性主要為泥盆系下統(tǒng)(D1)砂礫巖類夾少量泥質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖等,巖層層面產(chǎn)狀N35°～75°E,NW∠55°～65°。

壩基強(qiáng)風(fēng)化巖體主要分布于EL.1010 m以上的F22斷層帶上盤(pán)內(nèi),斷層帶內(nèi)礫巖透鏡體及泥質(zhì)板巖條帶亦多呈強(qiáng)風(fēng)化狀,巖體較破碎—破碎,多呈現(xiàn)碎裂結(jié)構(gòu),其中泥質(zhì)板巖遇水易軟化,工程性能較差;弱風(fēng)化巖體則主要分布于F22斷層帶下盤(pán)及EL.1010 m,巖層多呈中厚層—厚層狀結(jié)構(gòu),該層巖體層厚較大,卸荷不明顯。詳見(jiàn)圖2。

圖2 大壩右岸10#壩段開(kāi)挖地質(zhì)展示圖

壩址區(qū)10#壩段壩基主要發(fā)育較大規(guī)模的F22斷層帶,以及寬度多為0.1 m～1.0 m的Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面F106等(集中發(fā)育于EL.1010～EL.1025高程,為F22斷層帶的旁側(cè)構(gòu)造),其余以Ⅳ、Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面為主,詳見(jiàn)圖2。

斷層F22,建基面揭露產(chǎn)狀為 N70°～80°W,SW∠35°～40°,深部產(chǎn)狀較陡,為N70°W,SW∠55°～70°,寬度約10 m～12 m,由塑性擠入的泥質(zhì)板巖條帶、礫巖透鏡體、構(gòu)造角礫巖、碎粉巖、斷層泥等組成,其中泥質(zhì)板巖條帶厚度一般0.5 m～2.0 m,波狀起伏,局部有分叉現(xiàn)象,帶內(nèi)塑性擠壓現(xiàn)象較明顯,多呈強(qiáng)風(fēng)化薄片狀,遇水極易軟化泥化,開(kāi)挖后有崩解現(xiàn)象;構(gòu)造角礫巖、碎粉巖和斷層泥多較疏松、潮濕,呈破碎質(zhì)、軟化狀態(tài),總體膠結(jié)較差。開(kāi)挖揭露該斷層主要由10#壩段壩基向下游側(cè)展布,在EL.995～EL.1010高程被F11斷層帶終止(見(jiàn)圖3)。

圖3 右岸F11和F22斷層帶構(gòu)造出露情況

4.2 Hoek -Brown準(zhǔn)則估算巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)式(6)—式(10),利用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則可以估計(jì)出巖體的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ,變形模量E。為方便工程應(yīng)用,目前多采用RocData軟件計(jì)算上述參數(shù),如圖4所示。

圖4 Rock Data軟件界面

(1) UCS取值

根據(jù)10#壩段內(nèi)所有開(kāi)挖揭露面的地質(zhì)編錄工作,并分別對(duì)F22斷層上盤(pán)巖體(EL.1029 m～EL.1046 m)、F22斷層下盤(pán)巖體(EL.1021 m～EL.1010 m)典型巖性泥質(zhì)板巖、粉砂質(zhì)板巖、礫巖、砂巖等,取巖塊試樣開(kāi)展了點(diǎn)荷載試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

(2)D值

由于巖體節(jié)理發(fā)育,結(jié)構(gòu)較差,風(fēng)化底界淺,采用人工開(kāi)挖,對(duì)巖體擾動(dòng)程度較小,參考表1相關(guān)規(guī)定,D按0.3取值。

(3)mi取值

mi為常數(shù),采取完整巖塊后,在室內(nèi)采用單軸、三軸壓縮試驗(yàn),可以獲取該參數(shù),海外現(xiàn)場(chǎng)無(wú)試驗(yàn)設(shè)備情況下,可以通過(guò)查詢相關(guān)資料[13]得到該參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值,10#壩段不同巖性mi取值見(jiàn)表5。

(4)σ3max取值

根據(jù)文獻(xiàn)[14]等效內(nèi)摩擦角φ和等效黏聚力c計(jì)算方法σ3max。

(11)

由式(11),邊坡高度取130 m,巖體加權(quán)重度22 kN/m3,計(jì)算得到σ3max=1026.25 kPa。

(5) GSI值計(jì)算

開(kāi)挖后,在10#壩段(見(jiàn)圖5)開(kāi)展了詳細(xì)的GSI評(píng)分,統(tǒng)計(jì)成果見(jiàn)表6。

表6 10#壩段各類巖石GSI計(jì)算值

4.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)參數(shù)取值,通過(guò)RockData 軟件計(jì)算,得到各類巖體力學(xué)參數(shù)如表7所示。

表7 各類巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算值

5 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

5.1 計(jì)算理論

主算程序采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院編制的“邊坡穩(wěn)定分析程序EMU”,采用極限平衡Sarma法進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算分析。

Sarma法計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6所示。相關(guān)計(jì)算公式見(jiàn)式(12)—式(24),假定條塊的底面和側(cè)面均達(dá)到極限平衡,則可通過(guò)靜力平衡條件獲得臨界加速度。

圖6 Sarma法計(jì)算簡(jiǎn)圖

Kc=

(12)

其中:

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

5.2 計(jì)算荷載

在邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí),荷載主要為基本荷載、特殊荷載,具體如下:

(1) 基本荷載:根據(jù)本工程實(shí)際情況,主要包括自重、水壓力和外荷載。

①自重:邊坡巖體不存在外水壓力時(shí),浸潤(rùn)線以上應(yīng)采用天然重度和天然強(qiáng)度,浸潤(rùn)線以下則采用飽和重度和飽和強(qiáng)度。

②孔隙水壓力:h=γ(重度)×H(土條高度)×η(孔壓系數(shù)),在正常和地震兩種工況下,根據(jù)鉆探過(guò)程確定的地下水位,確定邊坡上孔隙水壓力及孔壓系數(shù)。

③作用在邊坡表面的外荷載:主要包括支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的阻滑力、錨固力等外力。

(2) 特殊荷載:主要為地震荷載、強(qiáng)降雨后邊坡孔隙水壓力增大等荷載。

①地震荷載:邊坡穩(wěn)定分析中采用擬靜力法,基巖水平向地震加速度可按0.15g考慮。

②暴雨對(duì)孔隙水壓力的影響:考慮瞬時(shí)集中暴雨滯留下滲效應(yīng),假定滑面條分塊體下部的1/3作為飽水狀態(tài)計(jì)算。

5.3 計(jì)算工況

實(shí)際計(jì)算時(shí),考慮三種工況,分別為持久工況(正常運(yùn)行工況+天然地下水位);短暫工況(暴雨或水位驟降,孔壓系數(shù)取0.05);偶然工況(地震作用)。

5.4 計(jì)算條件及參數(shù)

根據(jù)GSI計(jì)算成果,對(duì)比中國(guó)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值[15],發(fā)現(xiàn)基于GSI的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則估算的c值相差不大,摩擦系數(shù)f和變形模量Em均偏低。綜合分析后,給出巖土體物理力學(xué)參數(shù)建議值如表8所示。

表8 綜合巖土物理力學(xué)參數(shù)建議值

5.5 計(jì)算剖面

選取壩軸線附近順坡向A-A剖面及順河向B-B剖面作為計(jì)算剖面,剖面位置如圖7。

圖7 計(jì)算剖面位置圖

5.6 結(jié)果分析

根據(jù)前述計(jì)算方法和地質(zhì)參數(shù),由地質(zhì)編錄資料可知,根據(jù)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與臨空面產(chǎn)狀之間的關(guān)系,并未發(fā)現(xiàn)不利的結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面組合。計(jì)算A-A剖面在上部滑動(dòng)、下部滑動(dòng)、整體滑動(dòng)以及局部滑動(dòng)情況的穩(wěn)定性最小安全系數(shù)。計(jì)算B-B剖面在沿上部斷層帶滑動(dòng)和沿下部斷層帶滑動(dòng)情況下的最小安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果

根據(jù)南俄4水電站大壩右岸邊坡地質(zhì)條件的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)時(shí)按持久工況1.20、短暫工況1.10、偶然工況1.05進(jìn)行控制。計(jì)算結(jié)果表明:在正常運(yùn)行工況、水位驟降、暴雨及地震工況下,邊坡穩(wěn)定均滿足規(guī)范[16]要求。

6 結(jié) 論

(1) 海外工程建設(shè)中,針對(duì)巖體參數(shù)的取值,中國(guó)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值認(rèn)可度低,在當(dāng)?shù)丶夹g(shù)條件差,無(wú)法開(kāi)展大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),利用基于GSI法的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則估算巖體力學(xué)參數(shù),是一種可行的方法。

(2) 根據(jù)GSI計(jì)算成果,對(duì)比中國(guó)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值,采用基于GSI法的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則估算的巖體力學(xué)參數(shù),估算得到的黏聚力c值和中國(guó)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值相差不大,摩擦系數(shù)f和變形模量Em均偏低。

(3) 通過(guò)GSI法的Hoek-Brown 強(qiáng)度準(zhǔn)則獲取的巖體力學(xué)參數(shù),結(jié)合國(guó)內(nèi)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)參數(shù),綜合提出邊坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù),對(duì)工程壩基邊坡在不同工況下代表性剖面的穩(wěn)定性進(jìn)行定量計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明:在正常運(yùn)行工況、水位驟降、暴雨及地震工況下,邊坡穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。