戴祺云，傅 濤，費大軍，夏驪娜

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 問題的提出

錦屏一級水電站左岸壩肩邊坡目前開挖支護(hù)施工已經(jīng)完成，綜合地質(zhì)分析、穩(wěn)定性驗算、變形監(jiān)測等表明，邊坡(整體)目前是基本穩(wěn)定的，但邊坡深部依然存在緩慢的變形。邊坡變形對左岸混凝土墊座乃至今后拱壩的影響如何，不僅關(guān)系左岸邊坡的安全評估，而且還可能影響大壩工程的安全。因此，要弄清上述問題，除對左岸壩肩邊坡的邊界條件進(jìn)行復(fù)核外，一個重要的基礎(chǔ)工作，就是對邊坡巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的復(fù)核及深化研究[1～7]。

2 研究思路及技術(shù)路線

通過對左岸壩肩邊坡f42-9斷層的力學(xué)特性及其各向異性的原位試驗、室內(nèi)直剪和直剪蠕變試驗，獲得巖體結(jié)構(gòu)面的基本力學(xué)參數(shù)，分析研究f42-9斷層的瞬時抗剪強度和長期抗剪強度特性，最終為左岸邊坡巖體穩(wěn)定分析提供長期抗剪強度參數(shù)。

3 試驗研究成果

3.1 試驗點及加工

研究軟弱結(jié)構(gòu)面直剪蠕變最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力，以有效控制軟弱結(jié)構(gòu)面的直剪蠕變時效特征。首先進(jìn)行同類型軟弱結(jié)構(gòu)面的常規(guī)直剪試驗研究，根據(jù)最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力結(jié)果，再進(jìn)行直剪蠕變試驗研究。試樣采用邊采取、邊澆筑混凝土保護(hù)罩的方法，以達(dá)到保證試件免受擾動、保持其原狀性的要求。試驗中應(yīng)對實驗室采取保溫保濕措施，并定時觀測室內(nèi)溫度，溫度變化控制在±1℃以內(nèi)。試驗在YZ30-1型電動直剪儀上進(jìn)行。

3.2 試驗方法與加載方式

試驗采用逐級增量加載的方法。首先根據(jù)常規(guī)剪切試驗的結(jié)果估計試樣破壞的應(yīng)力值，然后再確定流變試驗每一級的荷載增量。剪切蠕變試驗流程如下：

(1)首先施加法向荷載，讀取變形數(shù)據(jù)。法向荷載垂直于剪切面施加，當(dāng)法向變形穩(wěn)定時開始施加剪切荷載。

(2)分級施加剪切荷載，當(dāng)施加剪切載荷引起的剪切位移明顯增大時，可適當(dāng)增加剪切載荷分級。

(3)每級剪切載荷施加后，立即測讀瞬時位移值，然后按10min、20min、40min、1h、2h、4h、8h、12h測讀，以后均按每間隔12h定時測讀一次。每級剪切荷載施加后，需保持剪應(yīng)力為常數(shù)。在整個剪切過程中，應(yīng)保持法向荷載為常數(shù)。每級剪切載荷的施加歷時為7d。根據(jù)軟弱結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)和工程的重要性，可延長每級歷時。

(4)后期施加剪切荷載出現(xiàn)定常蠕變、加速蠕變時，需加密測讀時間以反映最后的流變破壞階段。

(5)根據(jù)測取的剪切蠕變變形量，得出每一級法向位移、剪切位移、剪應(yīng)力和時間的關(guān)系。

3.3 試驗成果

巖體剪切蠕變試驗采用平推法，試體底部剪切面面積不小于400cm2，試體最小邊長不小于20cm，試體高度大于推力方向試體邊長的1/2，試件不得少于5個。試驗結(jié)果見表1、2，圖1～4。

表1 錦屏一級水電站左岸邊坡巖石直剪試驗成果

表2 錦屏一級水電站左岸邊坡巖石直剪蠕變試驗成果

圖1 多級剪切位移～時間關(guān)系典型曲線

圖2 多級法向位移～時間關(guān)系典型曲線

4 研究成果分析

4.1 剪切蠕變變形規(guī)律分析

利用Boltzmann[8]迭加原理對剪切蠕變試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到各試點巖體在每級剪應(yīng)力作用下剪切蠕變位移隨時間變化的關(guān)系曲線(見圖1、圖2)。由圖可知：(1)巖體具有瞬時變形，且與正應(yīng)力和剪應(yīng)力的水平密切相關(guān)。在正應(yīng)力恒定的情況下，瞬時變形量隨剪應(yīng)力的增大而增加；正應(yīng)力水平越高，剪切面沿切向達(dá)到某一相同蠕變量值所需的剪應(yīng)力也越大。(2)當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時，巖體從減速蠕變階段過渡到穩(wěn)態(tài)蠕變階段，低于此臨界值巖體能保持長期穩(wěn)定，高于此臨界值巖體將從穩(wěn)態(tài)蠕變階段逐步達(dá)到加速蠕變階段。此臨界值即為巖體的長期剪切蠕變強度。

圖3 多級剪切應(yīng)力～剪切位移關(guān)系典型曲線

圖4 最后一級剪切位移～時間關(guān)系典型曲線

4.2 剪切蠕變速率特性分析

由剪切蠕變試驗曲線各時刻所對應(yīng)的斜率(蠕變速率)，可得巖體剪切蠕變速率隨時間變化的關(guān)系曲線(見圖1、3)。在低剪應(yīng)力作用下，巖體剪切蠕變速率表現(xiàn)為兩個階段：(1)減速蠕變階段。剪切蠕變速率在開始時最大，然后逐漸減小，最后蠕變速率變?yōu)榱恪?2)穩(wěn)態(tài)蠕變階段。剪切蠕變速率在開始時最大，隨著時間的增長，剪切蠕變速率減小到一定值后基本保持不變，對應(yīng)的剪切蠕變速率為穩(wěn)態(tài)流變速率。當(dāng)剪應(yīng)力接近屈服強度時，巖體剪切蠕變速率表現(xiàn)出了第3個階段即加速蠕變階段。該階段隨著時間的增長，剪切蠕變速率迅速增大，巖體變形迅速發(fā)展，并最終發(fā)生破壞。

4.3 加速蠕變特性分析

在低剪應(yīng)力作用下，壩區(qū)巖體剪切蠕變特性主要表現(xiàn)為減速蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變；而在高剪應(yīng)力作用下，壩區(qū)巖體除呈現(xiàn)減速蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變外，還表現(xiàn)出加速蠕變特性。圖4為各試點巖體在最后一級剪應(yīng)力作用下的蠕變曲線與蠕變速率時間關(guān)系曲線?？蓪⑵鋭澐譃锳、B、C三種破壞類型。

(1)A型曲線無明顯的減速蠕變和等速蠕變，表現(xiàn)為直接進(jìn)入加速蠕變至破壞。本次研究有六個試件屬于這種類型，占60%。

(2)B型曲線具有短暫的減速蠕變和加速蠕變兩個階段，即經(jīng)歷短暫的減速蠕變后進(jìn)入加速蠕變至破壞。本次研究有三個試件屬于這種類型，占30%。

(3)C型曲線具有短暫的等速蠕變和加速蠕變兩個階段，即經(jīng)歷短暫的等速蠕變后進(jìn)入加速蠕變至破壞。本次研究有一個試件屬于這種類型，占10%。

通過對試點巖體蠕變曲線與蠕變速率曲線進(jìn)行分析可知：(1)巖體只在最后一級破壞應(yīng)力水平下才表現(xiàn)出完整的三階段蠕變特性，即減速蠕變、等速蠕變和加速蠕變。而在低應(yīng)力分級加載的過程中，只能觀察到減速蠕變和等速蠕變。(2)當(dāng)蠕變進(jìn)入加速階段之后，蠕變應(yīng)變率由漸變增長轉(zhuǎn)為突變增長，跳躍幅度不斷增大。這個階段巖體內(nèi)部的細(xì)小裂隙隨時間增加不斷擴(kuò)展，最后導(dǎo)致應(yīng)變率發(fā)生突變，試點巖體產(chǎn)生蠕變破壞。

4.4 長期抗剪斷強度

根據(jù)試驗資料繪制各法向應(yīng)力及其對應(yīng)的抗剪破壞值關(guān)系曲線，按莫爾-庫倫表達(dá)式確定長期抗剪斷強度參數(shù)[9、10]。試驗成果見表3～5。

表3 Zτf42-9-1相應(yīng)法向應(yīng)力σ下蠕變剪應(yīng)力與瞬時剪應(yīng)力τ′比較

表4 Zτf42-9-2相應(yīng)法向應(yīng)力σ下蠕變剪應(yīng)力與瞬時剪應(yīng)力τ′比較

表5 錦屏一級水電站左岸邊坡長期抗剪斷強度與瞬時抗剪斷強度比較

5 結(jié) 論

通過對錦屏一級水電站左岸壩肩邊坡f42-9斷層剪切蠕變試驗曲線的分析，獲得如下研究結(jié)論：

(1)錦屏一級水電站左岸壩肩邊坡f42-9斷層對拱壩壩肩和邊坡穩(wěn)定起著控制作用。剪切蠕變是壩肩邊坡穩(wěn)定重要的力學(xué)特性，因此采用直剪蠕變試驗方法研究軟弱巖帶的剪切蠕變變形特性尤為重要。

(2)壩肩邊坡巖體具有瞬時變形，且與正應(yīng)力和剪應(yīng)力的水平密切相關(guān)。在剪應(yīng)力較小時，巖體剪切蠕變僅表現(xiàn)為減速蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變，而當(dāng)剪應(yīng)力接近屈服強度時，巖體剪切蠕變速率呈現(xiàn)出加速蠕變特性。

(3)當(dāng)正應(yīng)力恒定、剪應(yīng)力較小時，巖體減速蠕變階段歷時較短，一般在50～70h后應(yīng)變速率即達(dá)到恒定值；剪應(yīng)力越大，巖體減速蠕變階段的應(yīng)變速率衰減就越慢，一般100h后應(yīng)變速率才趨于穩(wěn)定。

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