唐軍峰,楊 軍,曾祥喜,熊建平,李學(xué)政

(中國水電顧問集團中南勘測設(shè)計研究院,湖南長沙 410014)

擠壓帶巖體特性及其對重力壩抗滑穩(wěn)定性的影響

唐軍峰,楊 軍,曾祥喜,熊建平,李學(xué)政

(中國水電顧問集團中南勘測設(shè)計研究院,湖南長沙 410014)

為分析壩基巖體擠壓破碎帶力學(xué)特性及其對重力壩抗滑穩(wěn)定的影響,根據(jù)巖體微觀測試、力學(xué)試驗成果,建立了有限元數(shù)值模型,采用強度折減法研究了正常蓄水位條件下的壩體力學(xué)特性。研究結(jié)果表明,擠壓帶巖體結(jié)構(gòu)松散,晶體結(jié)構(gòu)以黏土礦物為主,具有很強的親水性;飽和條件下,擠壓帶巖體抗剪強度大大低于非飽和條件下的強度;大壩蓄水后,壩基的潛在滑移模式表現(xiàn)為順擠壓帶巖體的深層滑動,極限條件下的折減系數(shù)為2.37,小于規(guī)范要求,采用剪摩法計算時取值3.0。根據(jù)以上分析,建議重點對壩基擠壓帶巖體進行部分開挖置換和固結(jié)灌漿處理,同時做好防滲帷幕,降低水對擠壓帶巖體的弱化作用。

擠壓帶;重力壩抗滑穩(wěn)定;巖體測試;強度折減法

0 引言

構(gòu)造作用形成的擠壓破碎帶(以下簡稱擠壓帶)是巖土工程中常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象。通常,擠壓帶巖體是作為一個強度低、透水性大、易變形的軟弱巖帶存在,其工程力學(xué)性質(zhì)與兩側(cè)巖體有顯著差異,因此,往往成為工程建設(shè)中的控制性因素[1]。建立在復(fù)雜構(gòu)造帶上的重力壩,擠壓帶的存在對大壩的抗滑穩(wěn)定性、壩體變形和應(yīng)力狀態(tài)的影響成為重要的研究問題[2]。目前,國內(nèi)外研究擠壓帶巖體特性及其對工程的影響主要采用試驗和數(shù)值計算,將這2種方法相結(jié)合能全面揭示其工程特性。采用X射線衍射分析和電鏡掃描可以分別確定巖礦中粘土礦物的成分及含量,了解巖礦受構(gòu)造作用的影響和損傷程度,室內(nèi)力學(xué)試驗通過循環(huán)加載獲得巖石力學(xué)強度[3-5]。本文基于以上的巖石試驗研究,采用數(shù)值計算和力學(xué)分析方法,對壩基擠壓破碎帶巖體的性狀進行科學(xué)評價,并研究了對壩體穩(wěn)定性的影響,提出了工程處理建議。

1 工程概況

某水電站大壩采用混凝土重力壩,壩基巖體發(fā)育有擠壓破碎帶、撓曲核部破碎帶以及多條軟弱夾層、小斷層和節(jié)理裂隙等不良結(jié)構(gòu)面,地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)奇特、復(fù)雜。其中,擠壓帶巖體貫穿左岸壩基,因受擠壓較強烈,層間錯動和節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體多破碎。破碎巖體總體傾角平緩,由灰白色密實狀砂土、疏松狀砂巖碎塊組成,含灰黑色的炭泥質(zhì)物條帶。由于規(guī)模大、范圍廣,厚度一般達到3～8 m,影響帶厚度5～10 m,完整性差,巖體質(zhì)量主要為Ⅳ-Ⅴ類。另外,由于擠壓帶巖體傾角較小,易構(gòu)成壩體滑移控制面,對大壩的抗滑穩(wěn)定非常不利,成為影響壩基穩(wěn)定的最主要工程問題(圖1)。

圖1 壩基開挖揭露的擠壓帶Fig.1 Fractured belt in the dam foundation

2 擠壓帶巖石測試

眾多工程實踐和理論研究均表明,工程巖體的宏觀破壞從內(nèi)部損傷開始,而微觀試驗是研究巖石損傷的有力工具。由于擠壓帶是水電站壩基存在的不利地質(zhì)體,為了研究擠壓帶特性及其對工程的影響,對其進行了一系列的巖石特性試驗,主要包括X射線衍射分析(XRD)、掃描電鏡(SE M)和三軸固結(jié)不排水剪切試驗。

2.1 X射線衍射分析(XRD)

X射線衍射是分析礦物物相,特別是分析粘土礦物的有效手段,也是巖石(土)礦物成分半定量分析方法。圖2分別給出了典型的擠壓帶巖石全巖XRD和粘粒成分XRD的測試結(jié)果。

圖2 擠壓帶XRD衍射圖譜Fig.2 X-ray diffraction pattern of fractured belt

(1)由圖2-a可知,除泥巖和鈣質(zhì)砂巖外,其余巖屑石英砂巖石英含量一般為50%～80%;長石含量占10%～25%,以斜長石為主,鉀長石為次;粘土含量占6.7%～23.6%。

(2)粘粒成分XRD測試結(jié)果(圖2-a)顯示,粘粒部分基本由伊利石、蒙脫石混層和綠泥石組成,部分試樣中含有極少量高嶺石。伊/蒙混層礦物混層比一般<5%,基本可歸之于廣義的伊利石類。從衍射圖譜上看,經(jīng)乙二醇飽和后的衍射峰僅有稍微的偏移,表明混層內(nèi)蒙脫石含量少。粘粒成分中伊利石和綠泥石主要來自膠結(jié)物,少量來自于長石風(fēng)化。個別試樣由于綠泥石含量較高,導(dǎo)致巖石外觀呈灰綠色。

為進一步了解巖石的微觀結(jié)構(gòu),對擠壓帶巖體進行掃描電鏡分析。

2.2 掃描電鏡(SEM)分析

借助掃描電鏡,可以分析巖石的微觀結(jié)構(gòu),并測試其特定對象的化學(xué)成分。試驗采用德國LEO1450VP掃描電子顯微鏡。

圖3給出了電鏡掃描獲得的擠壓帶巖石微觀結(jié)構(gòu)圖,由圖可知:

(1)由于經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)作用,擠壓帶巖體微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出顆粒松散,形成了以黏土礦物為主的晶體結(jié)構(gòu),主要以聚積體的形式存在,多分布于未風(fēng)化的晶體表面。由于結(jié)構(gòu)松散,水分子易進入黏土礦物顆粒之間,在其間形成極化的水分子層。

圖3 擠壓帶巖體巖石微觀構(gòu)造SEM像Fig.3 SEM images ofmicro-fracture of rocks in fractured belt

(2)黏土礦物以蒙脫石、伊利石和綠泥石為主,由于黏土礦物顆粒較小,具有很強的親水性,因此,以蒙脫石、伊利石等為主的黏土膠結(jié)作用水穩(wěn)性較差,水分子易進入黏土礦物晶胞層間,形成礦物內(nèi)部層間水層,有利于巖石的膨脹、軟化和崩解的發(fā)展。

(3)溶蝕孔和溶蝕坑的出現(xiàn)表明,擠壓帶巖石經(jīng)歷了不同程度的溶蝕作用。碎屑顆粒多數(shù)有一定的溶蝕現(xiàn)象,膠結(jié)物也有部分溶蝕,并因潛蝕作用導(dǎo)致巖石膠結(jié)物被帶走形成孔洞和孔隙,致使巖石結(jié)構(gòu)趨于松散。

2.3 三軸不固結(jié)不排水剪切試驗(CU)

鑒于壩基巖體抗滑穩(wěn)定性的要求,對擠壓帶巖體進行了多組非飽和及飽和狀態(tài)下的三軸剪切試驗。試驗尺寸均為100×200,試驗設(shè)備為應(yīng)變式三軸儀,采用不固結(jié)不排水剪(UU)。其中,非飽和狀態(tài)試驗圍壓按照400 kPa、900 kPa、1 200 kPa、1 600 kPa四級施加,飽和狀態(tài)下的試驗圍壓按照300 kPa、600 kPa、900 kPa三級施加。試驗得到兩種典型的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線,見圖4所示。

圖4 主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖Fig.4 Curves of principal stress difference with axial strain

由圖4可知,對于非飽和UU剪,不同的圍壓得到的試驗曲線均可見明顯的峰值,峰值后的巖體仍有一定的抗剪強度;由飽和UU剪試驗強度參數(shù)可知,擠壓帶經(jīng)水飽和后,強度參數(shù)急劇下降,說明水對擠壓帶巖體的強度指標(biāo)影響較大,因此,在重力壩工程建設(shè)中,需特別注意壩基巖體,特別是擠壓帶巖體的防排水。

3 擠壓帶對重力壩抗滑穩(wěn)定影響的數(shù)值分析

3.1 有限元強度折減法

抗剪強度折減法的概念于上世紀70年代首先由Zienkiewicz提出,其所含義是在外荷載保持不變的情況下,邊坡內(nèi)土體所發(fā)揮的最大抗剪強度與外荷載在邊坡內(nèi)所產(chǎn)生的實際剪應(yīng)力之比[6]。由此所確定的強度儲備安全系數(shù)與Bishop法得到的安全系數(shù)在概念上一致。其要點是利用折減系數(shù)Ft不斷調(diào)整巖土體的強度指標(biāo)c、φ值,分別進行有限元計算,直至達到臨界破壞,此時得到的折減系數(shù)即為安全系數(shù)Fs。公式表示為:

經(jīng)過30多年的發(fā)展,有限元強度折減法得到了日益廣泛的應(yīng)用,其中,應(yīng)用領(lǐng)域最多的是邊坡工程,而應(yīng)用于水利水電工程壩基抗滑穩(wěn)定分析的實例不多[7-14]。為了解擠壓帶巖體對重力壩抗滑穩(wěn)定性的影響,以下采用有限元強度折減法進行分析計算。

3.2 巖土介質(zhì)的理想彈塑性模型

Mohr-Coulomb準則是目前巖土工程中應(yīng)用最為廣泛的破壞準則,其表達式為:

式中:I1和J2為應(yīng)力張量第1不變量和應(yīng)力偏量第2不變量;θ0為應(yīng)力羅德角;c和φ分別為凝聚力和內(nèi)摩擦角。

3.3 計算模型的建立

根據(jù)工程現(xiàn)場勘察和開挖地質(zhì)資料,在建立有限元計算模型時,考慮了不良地質(zhì)體,包括立煤灣膝狀撓曲和擠壓構(gòu)造形成的擠壓帶、多條軟弱夾(泥)層以及軟弱巖層的影響。按照在壩體上下游方向取壩高2倍的距離作為左右邊界,壩基距離模型底部以2倍壩高作為基本原則進行建模,建立的計算模型水平方向長960 m,垂直方向長530 m。典型的有限元計算剖面見圖5所示。生成節(jié)點8 336個,單元數(shù)14 402個。

圖5 計算模型Fig.5 Model for calculation

參考工程區(qū)豐富的巖體力學(xué)試驗資料,計算時所采用的參數(shù)見表1所示。

表1 壩基材料巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mass parameter of the dam foundation

表2 結(jié)構(gòu)面參數(shù)Table 2 Parameter of structural plane

3.4 計算結(jié)果分析

在正常蓄水工況下,通過不同強度儲備系數(shù)下的靜力計算,最終得到壩基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.37(圖6)。根據(jù)規(guī)范,當(dāng)采用剪摩法計算時,正常蓄水位荷載下的壩基深層抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)取值3.0,因此,計算值不能滿足規(guī)范要求[15]。圖6是巖體強度折減系數(shù)為2.38時的壩基巖體塑性區(qū)分布。

圖6 壩基巖體塑性區(qū)分布Fig.6 Plastic zone of the dam foundation

根據(jù)多個折減計算成果發(fā)現(xiàn),折減系數(shù)從1逐步增大至2.38的過程,也是壩基巖體塑性區(qū)的發(fā)展過程。塑性區(qū)主要從壩踵附近的擠壓帶巖體開始,順擠壓帶分布由淺至深發(fā)展,同時,壩趾部位也出現(xiàn)塑性區(qū),垂直壩基偏下游側(cè)發(fā)展。當(dāng)巖體強度折減至2.38時,擠壓帶部位的塑性區(qū)與壩趾產(chǎn)生的塑性區(qū)貫通(圖6)。圖中還顯示,壩踵附近的軟弱巖層也出現(xiàn)了一定程度的塑性區(qū),但沒有擠壓帶巖體明顯,因此,與擠壓帶一起,是在施工過程中需要重點處理的部位。

在正常蓄水位工況下,最大位移出現(xiàn)在靠近壩址附近位置,圖7給出了壩體最大位移與強度折減系數(shù)的關(guān)系。由圖,當(dāng)折減系數(shù)不超過2.37時,壩體的最大位移少于6 cm;當(dāng)系數(shù)達到2.38時,壩體最大位移突增至24.49 cm,說明壩體順擠壓帶至壩趾的貫穿性塑性區(qū)發(fā)生了較大的變形,可視為壩體失穩(wěn)。

圖7 壩體最大位移與折減系數(shù)關(guān)系曲線Fig.7 Curves ofmax displacementwith FOS

圖8為正常水位條件下的壩體底部最大主應(yīng)力分布。由圖可知,最大拉應(yīng)力0.1 MPa,出現(xiàn)在壩鍾部位,最大壓應(yīng)力4.2 MPa,出現(xiàn)于壩址,中部沿軟弱夾層部位出現(xiàn)壓應(yīng)力突變現(xiàn)象,因此,需注意軟弱層巖體的施工處理。

圖8 壩體底部最大主應(yīng)力分布Fig.8 The max principal distribution at bottom of the dam

4 壩基擠壓帶巖體處理建議

(1)擠壓帶巖體結(jié)構(gòu)松散,晶體結(jié)構(gòu)以黏土礦物為主,具有很強的親水性;在飽和條件下的抗剪強度參數(shù)大幅降低。因此,需做好壩基部位的施工防排水以及大壩建成后的防排水工作,在大壩上下游側(cè)均設(shè)置帷幕,同時保證穿過較破碎部位防水帷幕的施工質(zhì)量。

(2)擠壓帶巖體破碎,巖體質(zhì)量Ⅳ-Ⅴ類,抗剪強度相對較低,易形成重力壩深層滑移面;與上下層質(zhì)量較好的Ⅱ-Ⅲ類巖體共存,對建成后的大壩易產(chǎn)生不均勻沉降。為改善壩基巖體質(zhì)量,提高大壩抗滑穩(wěn)定性,建議對壩鍾部位埋藏相對較淺的破碎巖體進行挖除處理,并置換混凝土。

(3)為提高壩基巖體的抗?jié)B透破壞能力,并改善其完整性和均勻性,建議對壩基巖體進行固結(jié)灌漿處理,重點對擠壓帶、軟弱巖帶以及軟弱夾層進行固灌處理。

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(責(zé)任編輯:于繼紅)

Characteristics of Fractured Belt in Concrete Gravity Dam Foundation and It’s Influence on the Stability against Sliding

TANG Junfeng,YANG Jun,ZENG Xiangxi,X IONG Jianping,LIXuezheng
(M id-South Design and Research Institute for Hydroelectric Projects,Changsha,Hunan410014)

In order to analyze the mechanical characteristics of fractured belt and its influence on the stability against concrete gravity dam sliding,micro structural testwith mechanical experience was carried out,and the FEM model,based on strength reduction method was built to analyze the mechanical behavior of the dam while impounded.The results indicate that the fractured belt rock mass has loose structure,composed with clay mineral,and has strong hydrophilic nature.While in situation with saturation,the shear strength decreased rapidly compared with the non-saturation condition.After impounded,the analysis of anti-sliding stability in deep foundation was carried out,and the potential slipping plane along the fractured beltwas found with factor of safety 2.37,less than the code required value,i.e.,3.0.Based on the analysis above,some advices were put forward,including excavate and represent with concrete for the fractured belt,consolidation grouting and anti-seepage curtain were also needed to reduce the effect of water to the fractured belt rock mass.

fractured belt;anti-sliding stability of concrete gravity dam;rock mass test;strength reduction method

TV223;TV642.3

A

1671-1211(2010)05-0441-05

2010-07-01

唐軍峰(1977-),男,博士,工程師,工程力學(xué)專業(yè),從事巖土力學(xué)方面的設(shè)計與研究工作。E-mail:junfengtang@126.com