國外某工程壩基巖體力學(xué)參數(shù)不同獲取方法的差異分析

摘" 要：在水電工程勘察中，壩基巖體/結(jié)構(gòu)面抗剪參數(shù)是設(shè)計專業(yè)計算壩基穩(wěn)定性所必不可少的。該文以國外某水電站為例，通過對復(fù)雜地質(zhì)條件下壩基巖體分類、力學(xué)參數(shù)提取等方面與國外公司進(jìn)行對比，深化水電工程壩基巖體抗剪/斷強(qiáng)度參數(shù)提取認(rèn)識，了解國外某些公司在這方面的工作思路，有利于拓展視野，更好地為工程服務(wù)。

關(guān)鍵詞：壩基巖體分類；結(jié)構(gòu)面；抗剪強(qiáng)度參數(shù)；獲取方法；差異分析

中圖分類號：TU452" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0102-04

Abstract： In hydropower engineering investigation， the shear parameters of dam foundation rock mass/structural surface are indispensable for design professionals to calculate dam foundation stability. Taking a foreign hydropower station as an example， this paper compares the classification and mechanical parameter extraction of dam foundation rock mass under complex geological conditions with foreign companies to deepen the understanding of the extraction of shear/fracture strength parameters of dam foundation rock mass of hydropower projects and understand the working ideas of some foreign companies in this regard， which is conducive to broadening their horizons and better serving the project.

Keywords： dam foundation rock mass classification; structural plane; shear strength parameters; acquisition method; difference analysis

國外某水電站攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高48.50 m，壩頂長度165.50 m，壩頂高程196.50 m，從左至右共劃分為9個壩段。項目前期僅壩址區(qū)布置2個鉆孔，無法滿足國內(nèi)相關(guān)勘察規(guī)范要求。EPC合同簽訂后，受各種條件制約，地質(zhì)補(bǔ)勘工作未能如期實施，開挖后發(fā)現(xiàn)壩基巖體類別與前期勘察推測有較大差異，巖體工程地質(zhì)分類及相關(guān)參數(shù)的確定是在符合相關(guān)規(guī)范的前提下，隨著揭露的地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整。同時委托澳大利亞Entura公司對壩基穩(wěn)定性開展分析，以期獲取不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及不同設(shè)計思路下巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并分析其差異性，為設(shè)計專業(yè)提供技術(shù)支撐。

1" 壩基巖體情況

1.1" 基本地質(zhì)條件

壩址區(qū)左岸1—3號壩段已完成開挖，其余壩段也完成了補(bǔ)充勘察工作，除地表淺薄坡積、洪積等覆蓋層以外，揭露的主要地層為火山角礫巖，局部夾黏土角礫火山角礫巖，巖質(zhì)較軟，黏粒含量高，指甲可劃動，壩址區(qū)多個鉆孔均有揭露，層厚0.60～4.72 m不等。

3—9號壩段底部分布多條巖質(zhì)軟弱帶及黏土質(zhì)凝灰?guī)r夾層，層厚0.7～5.45 m不等，綠泥石化，觸手滑膩，手捏易碎，失水易干裂、崩解呈碎粒狀。該層呈多層分布，由各鉆孔揭露深度推算出其傾角6～8°，整體傾向下游，距設(shè)計建基面下部最近約11 m。

壩址區(qū)最大斷層F1出露于左岸壩下游岸坡，斜穿3—5號壩段，左岸岸坡寬度3.7 m，3號壩段寬度6.3～7.3 m，4號壩段寬度8.5～15.3 m，岸坡上部組成物質(zhì)為灰黃、灰綠色碎裂巖，上盤側(cè)見3～6 cm厚斷層泥，下盤側(cè)見3～5 cm厚擠壓片巖。

左岸1—3號壩基區(qū)共揭露29條破碎帶，傾角以5～15°為主，寬度一般5～15 cm，組成物質(zhì)為碎塊（片）巖、巖屑及次生泥，面多起伏粗糙；4—6號壩段壩基發(fā)育4條破碎帶，組成物質(zhì)為碎塊巖、巖屑，局部夾泥，面起伏變化較大；右岸邊坡發(fā)育一條產(chǎn)狀為N50°E近⊥破碎帶，寬10～20 cm，局部1～5 cm，組成物質(zhì)為碎塊巖、巖屑，局部夾少量泥質(zhì)。斷層F1沿壩軸線分布情況如圖1所示。

1.2" 壩基巖體分類

壩基巖體主要為火山角礫巖，為較軟巖，抗風(fēng)化能力一般，具典型的垂直風(fēng)化特征。鉆孔揭露及室內(nèi)試驗統(tǒng)計得出，弱風(fēng)化下限埋深一般為2.20～28.80 m，質(zhì)量指標(biāo)RQD平均值為41%～78%，飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為23.82 MPa；微風(fēng)化巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD平均值為57%～87%，飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為26.55 MPa。鉆孔揭露壩基還有凝灰?guī)r、黏土質(zhì)凝灰?guī)r及較軟的火山角礫巖膠層，其中3—7號壩段建基面下部2～9 m分布有層厚3～4 m的較軟火山角礫巖夾層。

根據(jù)1—2號壩基開挖面揭露情況，巖體以弱風(fēng)化為主，局部強(qiáng)風(fēng)化，巖體質(zhì)量分級以Ⅳ1C、Ⅳ2C為主，局部Ⅴ類；3號壩段巖體以弱風(fēng)化—微風(fēng)化為主，巖體質(zhì)量分級以Ⅲ1B、ⅢC為主，局部為Ⅳ1C、Ⅳ2C類。

2" 壩基工程地質(zhì)問題

該項目前期提供的資料中雖已提及可能存在的相關(guān)工程地質(zhì)問題，但補(bǔ)充勘察結(jié)果及1—3號壩段開挖揭露的地質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)以下問題變得更加突出。

壩基穩(wěn)定：壩基巖體中存在多個傾向下游的緩傾角軟弱夾層，且順河向陡傾角節(jié)理較發(fā)育，存在深層抗滑穩(wěn)定問題。

壩基滲漏：壩基巖體風(fēng)化作用強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育且長大裂隙貫通性較好，存在壩基滲漏問題；且河床順河向分布F1斷層存在滲透破壞的隱患。

1—2號壩段壩基巖體質(zhì)量分級以Ⅳ1C、Ⅳ2C類為主，局部Ⅴ類；3號壩段壩基巖體質(zhì)量分級以Ⅲ1B、Ⅲ2B、Ⅳ1B、Ⅳ2B類為主，破碎帶為Ⅴ類巖體（如F1斷層帶）；Ⅴ類巖體不宜直接作為壩基，需采取處理措施。

這幾類工程地質(zhì)問題中，壩基穩(wěn)定尤其是深層抗滑穩(wěn)定因前期資料不足，處理費用高，成為項目當(dāng)前迫切需要解決的問題。

3" 巖體及結(jié)構(gòu)面抗剪參數(shù)提取

利用原有壩基巖體及結(jié)構(gòu)面參數(shù)進(jìn)行計算，結(jié)果表明，壩基深層抗滑穩(wěn)定受黏土質(zhì)凝灰?guī)r層控制，平面剛體極限平衡法正常蓄水位工況下計算，安全系數(shù)僅1.23，不符合美國墾務(wù)局規(guī)范規(guī)定4.0的要求，也不能滿足國內(nèi)規(guī)范要求。三維離散元法分析壩基深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.88，也不能滿足要求，壩基深層抗滑穩(wěn)定問題突出。左岸壩基由于存在緩傾角裂隙，且壩下存在F1斷層臨空面，結(jié)構(gòu)面組合抗滑穩(wěn)定也不能滿足美國重力壩規(guī)范要求。

為了較準(zhǔn)確提出巖體與結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)，利用加權(quán)平均的方法單獨給出規(guī)模較大結(jié)構(gòu)面參數(shù)。受限于美標(biāo)中參數(shù)較少，該工程也無大型直剪試驗條件的前提，基礎(chǔ)參數(shù)仍采用GB 50287—2006《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附表中的經(jīng)驗參數(shù)，其中巖體參數(shù)通過劃分壩基巖體類別后類比確定。結(jié)構(gòu)面通過對破碎帶進(jìn)行分段、分類，仔細(xì)測量每段長度，再依據(jù)破碎帶性質(zhì)提出單段力學(xué)參數(shù)，最終以加權(quán)平均的方法求得整體抗剪參數(shù)。

為進(jìn)一步客觀評估壩基巖體及結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，委托澳大利亞Entura公司對壩基巖體進(jìn)行了評價，由于黏土質(zhì)凝灰?guī)r夾層、較軟的火山角礫巖是壩基穩(wěn)定控制性地層，Entura公司利用Hoek-Brown準(zhǔn)則估算這2種巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并利用等效摩爾-庫倫準(zhǔn)則計算出等效抗剪強(qiáng)度參數(shù)。采用Barton-Bandis非線性準(zhǔn)則估算出破碎帶以及軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。參數(shù)對比見表1。

從表中可以看出，Entura公司給出的較軟火山角礫巖的抗剪強(qiáng)度參數(shù)中，有根據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則估算的參數(shù)，同時也有針對具體壩段采用Barton-Bandis 非線性準(zhǔn)則結(jié)合建筑物具體長度估算出的參數(shù)，兩者相差很大，后者黏聚力幾乎可以忽略不計，Entura公司建議采用針對具體壩段的計算值。我國規(guī)范中根據(jù)壩基巖體質(zhì)量進(jìn)行取值，未考慮建筑物等附加條件對巖體參數(shù)影響，取值一致。

與我國規(guī)范取值相比較，Entura公司所給出的巖體/破碎帶黏聚力C值均明顯偏低，內(nèi)摩擦角取值普遍偏高，可能存在認(rèn)識上的較大差異，亦存在巖石材料對Hoek-Brown準(zhǔn)則適用性存在較大偏差可能。

4" 本項目規(guī)范取值與國外計算值差異分析

4.1" 規(guī)范取值

在GB 50287—2016《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中，對于混凝土與巖體、巖體、結(jié)構(gòu)面，以及軟弱層、斷層等抗剪/斷強(qiáng)度參數(shù)均有相關(guān)規(guī)定：

依據(jù)原位測試、室內(nèi)試驗等結(jié)果，對于脆性破壞試件，抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)中采用概率分布0.2分位值作為標(biāo)準(zhǔn)值或采用峰值強(qiáng)度小值平均值作為平均值，或采用優(yōu)定斜率法的下限作為標(biāo)準(zhǔn)值；抗剪強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)采用比例極限強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)值。對于塑性破壞或彈塑性破壞的巖體抗剪/斷強(qiáng)度參數(shù)，應(yīng)采用屈服強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)值。地質(zhì)建議值的提取主要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行相應(yīng)的折減獲得。

在實際應(yīng)用中，對于小型水利水電工程，主要根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場測試等，對壩基巖體進(jìn)行初步分類，然后通過規(guī)范、經(jīng)驗類比等方法提出抗剪/抗剪斷參數(shù)地質(zhì)建議值；對于中大型水電工程，則通過布置原位測試，包括抗剪/斷和變形試驗等，根據(jù)試驗結(jié)果打折，并根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，采用工程經(jīng)驗類比的方法綜合確定地質(zhì)建議值，同時參考規(guī)范中的表格進(jìn)行取值。

4.2" 國外計算值

本項目中，Entura公司采用Hoek-Brown準(zhǔn)則計算巖體抗剪（斷）強(qiáng)度參數(shù)，計算過程中需要輸入的參數(shù)主要如下：

1）Sigci為完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；

2）GSI為野外地質(zhì)測繪獲得的有關(guān)破壞準(zhǔn)則的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI=+RQD/2）；

3）mi為完整巖石的材料常數(shù)；

4）MR模數(shù)比（用于計算完整的模量Ei=MR×Sigci）；

5）D為干擾系數(shù)。

采用Barton-Bandis 非線性準(zhǔn)則估算出破碎帶以及軟弱夾層抗剪（斷）強(qiáng)度參數(shù)，抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力的關(guān)系方程式為

τ=σntan[Φr+JCR×log10（）] ，

式中：Φr為破裂面的殘余摩擦角；JRC為節(jié)理粗糙度系數(shù)；JCS為節(jié)理周圍抗壓強(qiáng)度；σn為作用在不連續(xù)面的正應(yīng)力。在實際計算過程中，還需要輸入建筑物長度、結(jié)構(gòu)面長度等值。

4.3" 取值差異分析

國內(nèi)的規(guī)范對于壩基巖體力學(xué)參數(shù)提取有詳細(xì)參考值，這些取值是在長期、大量的工程實踐中經(jīng)過試驗分析、對比、統(tǒng)計等綜合取得的，經(jīng)得住考驗，在受各種條件限制無法進(jìn)行原位測試的中小型水電工程中，有效解決了力學(xué)參數(shù)取值問題。美標(biāo)在參數(shù)取值方面更多的依賴于工程師的經(jīng)驗以及較為成熟的理論進(jìn)行推導(dǎo)、計算，計算過程中更多地考慮了建筑物、結(jié)構(gòu)面的長度等特征，其力學(xué)參數(shù)取值在單體工程中具有較大的差異，與實際結(jié)合更加緊密。

無論是國內(nèi)規(guī)范還是美標(biāo)，都推薦采用試驗的方法獲得巖體及結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)。Hoek-Brown準(zhǔn)則、Barton-Bandis準(zhǔn)則在計算抗剪強(qiáng)度參數(shù)的過程中，仍需要現(xiàn)場測繪及室內(nèi)試驗獲得一些基本的參數(shù)，并對部分條件進(jìn)行假定，地質(zhì)人員對現(xiàn)場的認(rèn)識是不可或缺的重要組成部分。

5" 結(jié)論

1）在缺少相關(guān)試驗的情況下，國內(nèi)規(guī)范有更加詳細(xì)的巖體/結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)建議值，國外的公司則更傾向于通過較為成熟的理論公式進(jìn)行計算，但是在基本參數(shù)的提取上也是依據(jù)經(jīng)驗判斷。

2）國內(nèi)規(guī)范對于壩基同類巖體抗剪/斷參數(shù)取值限制在某一范圍內(nèi)，可靠度高，但在不同工程中差異性區(qū)分不明顯。國外的公司更傾向于采用成熟的理論計算抗剪強(qiáng)度參數(shù)，與工程實際結(jié)合度更高，不同工程C、f值差異大。

3）本工程中，Entura公司給出的巖體/結(jié)構(gòu)面抗剪斷參數(shù)與國內(nèi)規(guī)范對比可知，其黏聚力C值均明顯偏低，內(nèi)摩擦角f值均較高，表明國內(nèi)外在該方面的認(rèn)識可能存在一定差異，需要進(jìn)一步分析、認(rèn)證。

4）在基礎(chǔ)資料不足的情況下，Entura公司抗剪強(qiáng)度參數(shù)計算過程中，某些基本參數(shù)仍依據(jù)地質(zhì)工程師經(jīng)驗獲得，個人經(jīng)驗影響較大。

5）隨著國外工程市場的開拓，與國外相關(guān)工程公司合作、交流的機(jī)會也隨之增多，國內(nèi)從業(yè)人員理論計算及規(guī)范中參數(shù)提取的來源、含義等理解方面稍顯不足。只有自身知識儲備豐富才能從不同的參數(shù)計算中找到相關(guān)規(guī)律，開闊眼界的同時，更好的服務(wù)于國際工程。

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