李剛，王珣，伏坤，劉勇

(中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

1 前言

葉巴灘水電站位于四川省和西藏自治區(qū)界河金沙江上游干流上，與左岸一級(jí)支流降曲河的匯合口下游約4.5 km處，總裝機(jī)容量2 285 MW，以發(fā)電為主，同時(shí)具有環(huán)境保護(hù)、旅游等方面的綜合效益。

巖體質(zhì)量的分級(jí)主要包括圍巖、邊坡和壩基巖體工程質(zhì)量分級(jí)。國(guó)內(nèi)外對(duì)巖體質(zhì)量分級(jí)最初應(yīng)用與地下工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)，經(jīng)歷半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展和完善，逐漸應(yīng)用到邊坡和壩基工程中。巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)在一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展過(guò)程歷史中，各個(gè)時(shí)期出現(xiàn)具有代表性的分級(jí)方法。20世紀(jì)70年代以前，巖體質(zhì)量分級(jí)多為單一指標(biāo)的定性或定量劃分，代表性的方法有Terzaghi 分類(1946)、Deere的RQD分級(jí)(1964)等。70年代以后，巖體質(zhì)量得到了很大程度的完善和發(fā)展，分級(jí)由定性向定量，由單一指標(biāo)向多因素指標(biāo)發(fā)展，代表性的方法有美國(guó)的Wickham巖石結(jié)構(gòu)(RSR)分類(1974，1978)、南非Bieniawski 的RMR 分類[1,2](1974，1976)、挪威Barton的Q分類[3](1974，1980)，日本菊地宏吉的壩基巖體分類(1982)，西班牙Romana的邊坡巖體SMR分類[4,5](1985，1988，1991)等。

我國(guó)對(duì)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)相對(duì)較晚，主要有中國(guó)學(xué)者谷德振等提出的巖體質(zhì)量系數(shù)(Z)分類[6](1979)、工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(GB50218-94)的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)法、水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB50287-2006)壩基巖體工程地質(zhì)分類法等。80年代后，隨著我國(guó)二灘、李家峽、三峽、拉西瓦、小灣、溪洛渡、錦屏等水電站的建設(shè)，結(jié)合各自的地質(zhì)特質(zhì)和工程要求，在規(guī)范或國(guó)標(biāo)的基礎(chǔ)上提出適應(yīng)自己的巖體質(zhì)量分類方案。

深部破裂作為一種不良地質(zhì)現(xiàn)象存在于壩址區(qū)岸坡微新巖體內(nèi)部，使得巖體結(jié)構(gòu)變差，降低巖體質(zhì)量、劣化巖體強(qiáng)度，由于其充填、風(fēng)化等基本特征較常規(guī)卸荷帶存在較大的差異。以葉巴灘水電站壩址區(qū)深部破裂為例，采用現(xiàn)場(chǎng)平硐調(diào)查和聲波測(cè)試等手段，揭示深部破裂的空間發(fā)育特征、破壞特征；基于深部破裂空間分布特征、變形破壞特征、賦存地應(yīng)力環(huán)境及其與構(gòu)造空間關(guān)系，提出深部破裂分類與變形模式?；谏畈科屏烟卣鳎虢Y(jié)構(gòu)面(破裂面)間距、縱波波速值、結(jié)構(gòu)面(破裂面)性狀，建立深部破裂新的巖體結(jié)構(gòu)類型及劃分方案?；赗MR巖體質(zhì)量分級(jí)方法，引入破裂巖體的“巖體體積破裂數(shù)K”，建立適用于深部破裂巖體修正RMR分級(jí)方法；依深部破裂巖體的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、修正RMR值及縱波速值為基礎(chǔ)，采用霍克布朗破壞準(zhǔn)則獲得包含各類型深部破裂巖體的強(qiáng)度參數(shù)。

2 深部破裂巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)研究

2.1 概況

圖1 壩址區(qū)深部破裂發(fā)育深度空間展示

2.2 深部破裂巖體評(píng)價(jià)存在的問(wèn)題

比尼奧斯基(Bieniawski)的地質(zhì)力學(xué)分類主要對(duì)巖體的6個(gè)基本指標(biāo)作為評(píng)價(jià)參數(shù)，其綜合考慮了巖體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和所處的環(huán)境特征，并考慮了張開(kāi)條件，適于節(jié)理巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)。從指標(biāo)上可以看出，該分類考慮的主要因素是結(jié)構(gòu)面間距及性狀，巖體完整性和地下水，這與其他分類方法考慮的因素是一致的，由于深部破裂是發(fā)育在微新巖體內(nèi)，因此分類中弱化了巖體的風(fēng)化程度。

深部破裂與正常卸荷帶卸荷裂隙在風(fēng)化程度、張開(kāi)條件、充填物特征等存在差異。因此，在采用CSIR巖體分類方法對(duì)深部破裂巖體進(jìn)行評(píng)價(jià)過(guò)程中評(píng)價(jià)指標(biāo)間存在相互矛盾的問(wèn)題，分類體系中雖然考慮結(jié)構(gòu)面的充填特征及張開(kāi)度，但對(duì)于深部破裂該兩項(xiàng)指標(biāo)存在相違背情況，如深部破裂張開(kāi)寬度>5 mm，無(wú)充填，該兩項(xiàng)分值之和為6，較充填軟、硬物質(zhì)的得分高，顯然存在矛盾。

2.3 “單位體積深部破裂數(shù)K”的提出及巖體質(zhì)量修正

深部破裂的發(fā)育密度及張開(kāi)度存在較大的差異，因此深部破裂巖體的劣化程度不同，如長(zhǎng)10 m的深部破裂帶發(fā)育10條深部破裂，張開(kāi)寬度都為毫米級(jí)，與長(zhǎng)1 m的深部破裂帶發(fā)育1條張開(kāi)寬度為10 cm的深部破裂對(duì)巖體的劣化程度存在較大的差異。因此對(duì)深部破裂巖體，不同類型深部破裂對(duì)巖體質(zhì)量的影響程度不同，而各分級(jí)方法對(duì)此考慮有所偏差，需對(duì)常規(guī)分級(jí)方法進(jìn)行修正使其更適用于該水電站的深部破裂巖體。

為了更直觀的表現(xiàn)深部破裂對(duì)巖體質(zhì)量的劣化程度，引入巖體體積破裂數(shù)K。首先制定一個(gè)以2 m巖體為一個(gè)測(cè)網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，分4個(gè)等級(jí)，排除其他因素干擾，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)中包括深部破裂的發(fā)育數(shù)量、累計(jì)寬度兩個(gè)指標(biāo)，以此量化反映深部破裂對(duì)巖體質(zhì)量的劣化程度(表1)。

表1 單位體積深部破裂數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

巖體體積破裂數(shù)K按下列公式計(jì)算：

(1)

M=X1+X2+X3+X4

式中,Xn為每段深部破裂巖體符合第n等級(jí)的測(cè)網(wǎng)數(shù)；M為測(cè)網(wǎng)總數(shù)。

RMR法中深部破裂對(duì)巖體質(zhì)量的影響通過(guò)巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD、巖石強(qiáng)度Rc來(lái)體現(xiàn)。RMR法中各類型深部破裂對(duì)巖體質(zhì)量的影響有所不同，輕微松弛型段強(qiáng)化了深部破裂對(duì)巖體質(zhì)量的影響，而強(qiáng)烈松弛型段深部破裂對(duì)巖體質(zhì)量的影響考慮不足。結(jié)合深部破裂實(shí)際情況，將深部破裂作為一修正系數(shù)KRMR引入巖體質(zhì)量分級(jí)中，KRMR根據(jù)前文巖體體積破裂數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查情況綜合取值(表2)。

表2 深部破裂巖體修正系數(shù)

修正系數(shù)為一個(gè)區(qū)間范圍值，當(dāng)深部破裂巖體段巖體體積裂化數(shù)K值偏小，而RQD與回彈值都偏低時(shí)，修正系數(shù)KRMR適當(dāng)取區(qū)間中的上限值，以此原則取值。根據(jù)上述修正方案，深部破裂巖體按下列公式計(jì)算RMR值：

RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6+KRMR

(2)

3 深部破裂巖體力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)

3.1 變形參數(shù)取值研究

3.1.1 由巖體分類指標(biāo)RMR獲取深部破裂變形參數(shù)

20世紀(jì)70年代以來(lái)，許多學(xué)者通過(guò)研究原位變形模量值(Em)與巖體分類指標(biāo)RMR值之間的關(guān)系，建立了相關(guān)的關(guān)系式。1983年，Serafin和Pereira結(jié)合實(shí)際的工程補(bǔ)充新的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在分析過(guò)去學(xué)者的建立的關(guān)系式的基礎(chǔ)上，建立了RMR與變形模量(Em)的近似關(guān)系式，關(guān)系式如下[7]：

(3)

3.1.2 由深部破裂巖體對(duì)穿縱波速Vp獲取變形參數(shù)

采用波速同向、同步測(cè)試方法，獲得的巖體波速與巖體變形模量，并對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)擬合(如圖2)，得到變形模量Em與對(duì)穿縱波速Vp的關(guān)系式，擬合曲線公式如下：

圖2 變形模量與對(duì)應(yīng)波速相關(guān)曲線

(4)

該關(guān)系式相關(guān)系數(shù)為0.92，可以用作分析巖體縱波波速對(duì)應(yīng)的變形模量。

3.1.3 深部破裂巖體變形參數(shù)結(jié)果對(duì)比分析

建立的RMR值-變形模量和縱波速Vp-變形模量具有較高的擬合關(guān)系，但兩者存在一些差異，通過(guò)縱波速獲得深部破裂巖體變形模量較RMR值獲得偏高，具體分析如下：

(1) 兩種方法獲得深部破裂巖體變形模量與規(guī)范中Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ級(jí)巖體RMR值和波速段界線的變形模量基本上一致。

(2) 通過(guò)縱波速獲得變形模量較RMR總體偏高0.6 GPa，平硐PD11(130～139 m)、PD15(90～120 m)變形模量值差異高達(dá)4 GPa以上，其他平硐差值在1 GPa左右。

(3)RMR為統(tǒng)計(jì)平硐資料的各個(gè)指標(biāo)得到的分值，其與成硐過(guò)程中的爆破和后期的卸荷松弛有一定的關(guān)系，且受人為因素影響較大?？v波速為平硐硐壁1.0～2.0 m深度范圍測(cè)得巖體波速，其受爆破和卸荷影響較小，更能反映深部破裂巖體的真實(shí)特征。因此，通過(guò)縱波速獲得深部破裂變形模量更能反映真實(shí)值。

3.2 巖石單軸抗壓強(qiáng)度和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)m的獲取研究

巖石強(qiáng)度(σc)、m、s為Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度準(zhǔn)則中3個(gè)重要參數(shù)，其中參數(shù)m、s取值隨意性很大，目前沒(méi)有直接對(duì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的準(zhǔn)確標(biāo)定。因此，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值的準(zhǔn)確程度，不僅給H-B準(zhǔn)則帶來(lái)較大誤差，還直接影響對(duì)工程安全性的正確判斷。所以準(zhǔn)確的獲得參數(shù)，為獲得巖體的強(qiáng)度參數(shù)起到重要的作用。通過(guò)單軸和三軸試驗(yàn)獲得巖石強(qiáng)度，并通過(guò)三軸試驗(yàn)獲得巖石的m值。

通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)獲得巖石強(qiáng)度和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)m，首先假設(shè)s=1，再通過(guò)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸計(jì)算的到m、σc，公式如下[8]:

令x=σ3，y=(σ1-σ3)2，有:

(5)

(6)

式中：n為σ1～σ3的組數(shù)(一般不小于5)。

計(jì)算出巖石的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)m后，把m值帶入(7)式后計(jì)算出參數(shù)s：

(7)

若計(jì)算得到的s小于零時(shí)，則令s=0，表示其為破碎巖體。

相關(guān)系數(shù)ρ2的值越接近1，表明上述方程與三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合程度越高，計(jì)算公式如下：

(8)

通過(guò)對(duì)3組室內(nèi)三軸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)系數(shù)均在0.953以上，巖石抗壓強(qiáng)度為163.35 MPa ～179.71MPa，平均值為169.87MPa。巖石的m值為14.09～21.41，平均值為17.06，見(jiàn)表3。

表3 三軸試驗(yàn)計(jì)算獲得巖石抗壓強(qiáng)度及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)

3.3 利用霍克-布朗破壞準(zhǔn)則對(duì)修正后RMR值估算強(qiáng)度參數(shù)

3.3.1 根據(jù)RMR值估算巖體經(jīng)驗(yàn)參數(shù)m，s值

1983年P(guān)rest和Brown第一次將巖體質(zhì)量分類指標(biāo)RMR值與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)m,s建立關(guān)系式。1988年為了把霍克-布朗準(zhǔn)則與獲得的RMR值更好的聯(lián)系起來(lái)，霍克在總結(jié)了一系列的數(shù)據(jù)后，建立其間的相關(guān)公式，公式如下[9][10]：

對(duì)受擾動(dòng)巖體

(9)

(10)

對(duì)未受擾動(dòng)的巖體或相互聯(lián)鎖的巖體

(11)

(12)

式中，mi為新鮮完整巖石的m值，由三軸試驗(yàn)獲得mi=17.06。

由于深部破裂巖體受前期的構(gòu)造和后期的改造的結(jié)果，可以看作為受擾動(dòng)的巖體，采用公式(9)和(10)計(jì)算深部破裂巖體的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值。

3.3.2 采用霍克-布朗準(zhǔn)則獲取深部破裂巖體強(qiáng)度參數(shù)

Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則整體適合于完整巖體或者破碎的節(jié)理巖體，以及穿切結(jié)構(gòu)而在巖體中產(chǎn)生的破壞，深部破裂巖體是在微新巖體中產(chǎn)生的拉伸破壞和剪切破壞，因此可以采用破壞準(zhǔn)則獲取深部破裂巖體的強(qiáng)度參數(shù)。1983年，英國(guó)學(xué)者J.Bray博士根據(jù)Hoek-Brown狹義強(qiáng)度公式定義強(qiáng)度包絡(luò)線的形狀，發(fā)展了計(jì)算巖體或潛在破壞面上抗剪強(qiáng)度的方法[11]，具體公式如下：

(13)

(14)

(15)

(16)

ci=τ-σntgφi

(17)

式中，τ、σn為巖體破壞時(shí)剪應(yīng)力、正應(yīng)力(MPa)；φi、ci為在給定剪應(yīng)力和正應(yīng)力下巖體的瞬間內(nèi)摩擦角(°)和粘聚力(MPa)；σc為新鮮巖石單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)；m，s為巖體經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

通過(guò)壩址區(qū)數(shù)值模擬，深部破裂帶主應(yīng)力范圍為1.08～4.06 MPa，平均應(yīng)力范圍1.2～3.3 MPa，均值為2.5 MPa，見(jiàn)圖3、圖4。選取深部破裂巖體的破裂時(shí)正應(yīng)力值為2.5MPa。

圖3 壩址區(qū)Ⅲ勘線主應(yīng)力分布圖

圖4 壩址區(qū)Ⅲ勘線平均應(yīng)力分布圖

采用公式(11～15)計(jì)算得到深部破裂巖體的強(qiáng)度參數(shù)，3種類型深部破裂巖體強(qiáng)度參數(shù)如下：輕微松弛型深部破裂：f范圍為0.95～1.15，平均值為1.12，c范圍為1.15～1.50 MPa，均值為1.44 MPa；中等松弛型深部破裂：f范圍為0.75～1.00，平均值為0.92，c范圍為0.91 ～1.48 MPa，均值為1.10 MPa；強(qiáng)烈松弛型深部破裂：f范圍為0.46～0.98，平均值為0.75，c范圍為0.55～0.80 MPa，均值為0.88 MPa。

4 結(jié)論

(1) 在高應(yīng)力區(qū)，隨著河谷的下切或開(kāi)挖，岸坡應(yīng)力處于不斷的調(diào)整狀態(tài)，在硬巖-堅(jiān)硬巖中出現(xiàn)拉張性破壞，并賦存與岸坡的一定深度的微新巖體內(nèi)部。

(2) 在研究深部破裂巖體質(zhì)量的過(guò)程中，引入“單位體積深部破裂數(shù)K”對(duì)RMR系統(tǒng)進(jìn)行修正，從而形成適于葉巴灘水電站壩址區(qū)深部破裂的分類體系。

(3) 以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)三軸試驗(yàn)及修正RMR評(píng)分為基礎(chǔ)，采用霍克-布朗破壞準(zhǔn)則，獲得3種類型深部破裂巖體變形模量與強(qiáng)度參數(shù)。結(jié)果具有良好的區(qū)分度，且與宏觀地質(zhì)特征及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果吻合性較好。

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