劉 黎 楊學堂

(三峽大學土木與建筑學院,湖北宜昌 443002)

巖體具有各向異性、非連續(xù)性、非均勻性的特點,并且有顯著的尺寸效應(yīng)特點,力學參數(shù)不可能通過簡單的室內(nèi)外常規(guī)力學試驗完成,其確定是非常復(fù)雜和困難的.工程類比等經(jīng)驗估算巖體宏觀力學參數(shù)是工程中常采用的方法;近年來新理論和技術(shù)的滲透和深入,各種參數(shù)確定方法在不斷的發(fā)展,根據(jù)巖體彈性波速估算巖體的抗壓強度[1];文獻[2]采用Q指標、RMR指標和S指標提出了計算巖體單軸抗壓強度公式,文獻[3]提出了用RMR指標估算巖體的彈性模量公式,國內(nèi)將該方法廣泛應(yīng)用于各類工程巖體進行參數(shù)評價[4-6];根據(jù)巖體的結(jié)構(gòu)面的基本參數(shù)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進行反演分析[7],文獻[8-9]采用有限單元法模擬巖塊和巖體的力學參數(shù).由于巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,以經(jīng)驗為主的方法提出巖體的力學參數(shù),對巖體參數(shù)選取的隨機性很大,因此采用多種方法對比分析研究含裂隙巖體的力學參數(shù),具有重要現(xiàn)實意義.

本文根據(jù)某電站邊坡復(fù)雜的工程地質(zhì)條件,采用RMR分類方法,對邊坡巖體進行了分類系統(tǒng)的分析研究,并對分類巖體參數(shù)進行了參數(shù)評價.該水電站總庫容77.6×104m3,最大壩高305m,電站裝機容量3300MW.壩址處岸坡陡峻,河道狹窄,地質(zhì)復(fù)雜,已測得最大地應(yīng)力為40.4MPa.工程邊坡高度大,壩基開挖坡高250 m左右,進水塔前緣邊坡開挖高度105 m,邊坡巖體的參數(shù)成為工程勘測設(shè)計中非常重要的問題.

1 工程地質(zhì)條件

1.1 邊坡巖體分區(qū)

勘測設(shè)計時對邊坡各巖層做了大量的現(xiàn)場勘探和室內(nèi)外試驗工作及邊坡開挖后的邊坡工作狀況,按其巖石類別和節(jié)理分布等條件將邊坡巖體劃分8個區(qū)域,如圖1所示,各區(qū)域主要地質(zhì)力學特性參數(shù)見表1.

圖1 巖體區(qū)域分布圖

表1 各區(qū)域巖體地質(zhì)特性表

1.2 工程地形及地質(zhì)條件

某電站邊坡段河流流向約N25°E,為典型的深切“V”型谷.河道順直而狹窄.兩岸谷坡高千余米,基巖裸露,右岸1810m高程以下坡度70～90°,以上40°;左岸高程1900m以下坡度60～80°,以上坡度變緩至45°左右.枯期江水位1635.7m時,正常蓄水位1 880 m處,谷寬約410 m.河谷形狀系數(shù)反映壩址地層巖性較好.

分塊中的1～7區(qū)塊位于壩址區(qū)左岸,分類中8區(qū)塊出露于右岸.出露地層主要為中上三疊統(tǒng)雜谷腦第二段大理巖,厚800 m,按巖性組合細分為 8層, 1900～2300m高程之間為雜谷腦組第三段砂板巖,厚度約400m.

大理巖抗風化能力強,風化程度較輕微.板巖、綠片巖、斷層及層間擠壓錯動帶部位風化較強,兩岸巖體除左岸1900m高程以上的砂板巖體局部有強風化外,其它部位無強風化.兩岸巖體的弱風化深度一般小于20m,僅局部地段可達62 m,一般有右岸較淺,左岸較深的特點.弱風化巖體的透水性一般較大,其透水率可達q=60Lu/s.

壩址左岸巖體水平卸荷深度較大,右岸相對較淺.卸荷巖體中卸荷裂隙發(fā)育,其產(chǎn)狀各坡段有所不同.從卸荷裂隙的開度分析強弱(淺部)卸荷巖體亦有差別,卸荷裂隙主要分布在第7區(qū)塊中,強卸荷巖體的卸荷裂隙開度一般0.5～15cm,弱(淺部)卸荷巖體卸荷裂隙開度一般小于15cm.

據(jù)地表地質(zhì)調(diào)查和平硐勘探揭示,壩區(qū)規(guī)模較大的斷層有30條,按產(chǎn)狀可歸納為4組:(1)NEE向斷層,有12條;(2)NNE向斷層,有5條;(3)NW向斷層,有6條;(4)順層斷層,f2斷層,層間擠壓錯動帶主要發(fā)育在第二段第6層大理巖.分布于第1、4區(qū)塊中,在第6層大理巖中,層間擠壓錯動帶總體產(chǎn)狀N10～30°E/NW∠30～40°,線密度為0.25條/m,一般寬1～15 cm,最寬達30 cm左右,以片狀巖、糜棱巖、風化的綠片巖為主,局部軟化、泥化.

節(jié)理裂隙壩址裂隙亦可歸納為4組:

(1)層面裂隙:N15～80°E,NW∠15～45°,分布于1、3、4、7區(qū)塊間層面裂隙較發(fā)育外,其它層一般不太發(fā)育,多膠結(jié)緊密.

(2)反傾向裂隙:N50～70°E,SE∠50～80°,較發(fā)育,主要分布于第4區(qū)塊間,一般間距0.3～1.0m,延伸中長～長,平直、光滑、多閉合,少量張開充填鈣膜或有銹染.

(3)反傾向裂隙:N20～40°E,SE∠60～85°,分布于第1～3區(qū)塊間,一般間距0.5～1.0m,局部密集成帶,帶內(nèi)間距0.05～0.5m,延伸長,面平直稍糙,多閉合,少量張開0.1～5cm,充填鈣膜或巖屑.

(4)橫張裂隙N50～70°W,NE或SW∠80～90°,分布于第8區(qū)塊,該組裂隙是壩區(qū)溶蝕導(dǎo)水裂隙.多成帶出現(xiàn),帶與帶間距一般大于10 m,單帶延伸長數(shù)十米.帶內(nèi)間距0.1～0.5m,面起伏粗糙、多閉合,局部張開0.5～3cm,充填巖屑及少量泥.

壩址分布的大理巖雖為可溶巖類,但該區(qū)中更新世晚期以來地殼上升速率較快,形成陡峻的深切狹谷,分水嶺至河谷高差達2500m以上,河谷地帶以侵蝕為主,溶蝕作用處于次要地位,加之巖石遭受區(qū)域變質(zhì),地下水溫度較低,致使河谷地區(qū)大理巖巖溶化程度微弱,巖溶不發(fā)育.大理巖體的含水性和滲透性主要受斷層、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、溶隙溶孔的發(fā)育程度以及綠片巖分布等條件控制.兩岸大理巖體由于上述條件的差異,其含水程度亦略有不同.由于4條壓扭性斷層的展布,右岸大理巖體含水性相對較豐.在相鄰兩條斷層帶之間形成了局部含水體(帶),并具有承壓性,沿NW向陡傾角裂隙普遍滲滴水、股狀流水.傾角裂隙出水點較多,實測總流量約60 Lu/s.左岸大理巖含水性相對較小,僅有局部含水體.

2 巖體RMR分類

2.1 Bieniawski工程巖體分類

Bieniawski工程巖體分類系統(tǒng)又可稱為 RMR分類系統(tǒng),是從大量工程巖體實踐過程中總結(jié)出來的一套工程巖體分類系統(tǒng),比尼威斯基關(guān)于節(jié)理巖體的地質(zhì)力學分類(RMR系統(tǒng))已廣泛用于地下工程圍巖的質(zhì)量評價.它有5個基本參數(shù),即巖石強度、巖芯質(zhì)量、節(jié)理間距、節(jié)理條件、地下水等.根據(jù)各區(qū)塊裂隙的走向和傾角情況,分析各區(qū)塊各組裂隙對邊坡穩(wěn)定是否有利,采用基礎(chǔ)工程條件給予RMR修正,考慮到節(jié)理方向與工程的相互位置提出了修正評分值,按節(jié)理走向和傾角方向修正評分值,非常有利0,有利-5,一般-25,不利-50,非常不利-60.

按RMR評分標準[2-3]和該邊坡地質(zhì)條件,各區(qū)域的RAM分類評分值見表2.按以上的總評分,可確定巖體的級別,按總評分確定巖體級別.

表2 各區(qū)塊RM R評分

2.2 SMR分類對RMR分類的修正

RMR分類系統(tǒng)所含的5個基本參數(shù)概括了影響巖體性質(zhì)的主要因素,對于邊坡工程,第6個因素對RMR的修正都給得很模糊,比氏雖然給出了結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的修正分值,但未見具體的評分方法.1985年西班牙的M.R.Romama等將RMR與邊坡巖體的節(jié)理產(chǎn)狀及邊坡的破壞模式結(jié)合起來,對RMR中的第6個參數(shù)進行了詳細的分析和補充,提出了適用邊坡的分類系統(tǒng)-模式下節(jié)理產(chǎn)狀的修正評分方法,同時還考慮了開挖施工方法對RM R的影響,提出了邊坡巖體的分類系統(tǒng)即SMR系統(tǒng).具體表達式如下:

式中,F1為節(jié)理與邊坡走向的關(guān)系,F1=(1-sinA)2;A為坡面與節(jié)理走向之間的夾角;F2為節(jié)理傾角(邊坡為平面破壞模式),F2=tan2βj;βj為節(jié)理傾角,對于傾倒破壞,F2=1.00;F3為對于邊坡坡角與節(jié)理傾向的關(guān)系;F4為開挖方法調(diào)整參數(shù).自然邊坡F4=+15;預(yù)裂炸破F4=+10;光面爆破F4= +8;正常炸破F4=0;非正常爆破(巖體損傷)F4= -8;機械開挖如鑿裂法F4=0.

SMR分類系統(tǒng)是 RMR分類系統(tǒng)的發(fā)展和補充,SMR綜合考慮了節(jié)理走向和邊坡走向、節(jié)理傾角與坡面傾角、節(jié)理傾角與坡面傾角的相互關(guān)系,以及開挖方法的影響,在強度和變形參數(shù)的估計中,將SM R代替RMR值,更能反映邊坡巖體的實際情況.

根據(jù)河流流向走向及邊坡的傾角,該工程邊坡與各區(qū)塊裂隙走向和傾角關(guān)系見表3,通過計算該工程邊坡各區(qū)塊的RM R修正后的SM R值,見表3.

表3 各區(qū)塊SM R修正后的RM R值

3 Hoek-Brown準則及其參數(shù)估算

3.1 強度參數(shù)估計式[2]

Hoek-Brown根據(jù)自己在巖石性態(tài)方面的理論與實踐經(jīng)驗,用試錯法導(dǎo)出了巖體破壞時的主應(yīng)力之間的關(guān)系式:

式中,σ1為破壞時的最大主應(yīng)力σ3為最小主應(yīng)力σc為完整巖石試件的單軸拉壓強度;m,s為巖石材料參數(shù).當σ3=0,得到巖體的單軸抗壓強度為

當σ1=0,得到巖體的單軸抗拉強度

為確定式(4)中m,s值,Hoek和Brown把現(xiàn)場測試和觀測結(jié)果同準則聯(lián)系起來,提出了巖體分類指數(shù)來估算巖石材料參數(shù)m,s值,估算如式(5)～(8).

對于擾動巖:

對于未擾動巖體:

式中,mi為完整巖體m值,可由三軸試驗的結(jié)果決定.當無試驗數(shù)據(jù)時,mi可由表4估計.

表4 不同巖石類型m近似值

在巖體穩(wěn)定分析中,需要知道Molar-Coulomb準則中c,φ值,許多學者為此做出了許多研究,并推導(dǎo)出一系列關(guān)系式,由m,s值來確定Molar-Coulomb準則中的c,φ值,把c,φ值與RMR值聯(lián)系起來.

通常的做法是首先估計邊坡滑動面上的主應(yīng)力σn,再根據(jù)Molar-Coulomb準則定義的主應(yīng)力圓的包絡(luò)線來確定c,φ值,計算表達式如式(9)～(10).

3.2 變形參數(shù)估算[3]

許多學者建立了RMR與巖體變形模量之間的關(guān)系式,并用此估計巖體的變形模量.

Serafim和Pereira總結(jié)了許多工程實踐經(jīng)驗,在分析過去的學者建立的RMR評價值與變形模量的關(guān)系的基礎(chǔ)上,又補充了許多新的數(shù)據(jù),其關(guān)系式表達如下:

上述計算公式中RMR變量采用SMR修正值計算,由表3中修正的SM R值,代入式(5)～(8)中確定m、s值,將求得的m、s值和各區(qū)塊垂直滑動面上的應(yīng)力σn值代入式(3)、(4)中求得巖體的抗壓和抗拉強度,代入式(9)、(10)中可求得巖體c,φ值,代入式(13)中估算原巖的強度參數(shù)和巖體的變形模量,計算結(jié)果一同列于表5.

表5 RMR估計巖體力學參數(shù)

4 結(jié) 論

根據(jù)計算成果分析可得出以下結(jié)論:

(1)基于RMR方法估算巖體的抗壓強度比勘測設(shè)計采用的工程類比法所認為的抗壓強度要低很多.

(2)當評估的RMR值較低時,所估算的巖體參數(shù)偏低.

(3)左岸第八區(qū)塊有大量的裂隙水存在,其RMR值評分相對同類巖體較低,因此估算值要低于數(shù)值模擬[8]與工程勘測采用工程類比法所評估的巖體力學參數(shù)值.

(4)擾動后的巖體參數(shù)估算過于籠統(tǒng),所估算的擾動巖體參數(shù)僅作為參考,實際上不同程度擾動后巖體的參數(shù)隨巖體的卸荷程度不同巖體參數(shù)變化較大[6].

(5)對巖體參數(shù)的確定不僅要工程類比法與RMR公式估算,同時也要結(jié)合數(shù)值模擬[8]等方法進行研究,通過幾方面的綜合分析來才能確定較為合理的巖體的力學參數(shù).

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