劉正雄

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概況

九甸峽水電站是黃河上游右岸大支流洮河上最大的水電站，電站最大壩高133.0m，壩頂高程2206.5m，正常蓄水位2202.0m，總庫(kù)容9.43億m3，電站總裝機(jī)容量300MW(3×100MW)，多年平均發(fā)電量9.94億kW·h[1]。

壩址區(qū)地層巖性為上石炭下二迭統(tǒng)(C3-P1)巨厚層灰?guī)r和角礫狀灰?guī)r，二者無(wú)明顯分界，巖性致密堅(jiān)硬，耐風(fēng)化。受區(qū)域構(gòu)造影響，壩址區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，其中有兩組斷裂構(gòu)造規(guī)模較大，即近東西向壓扭性斷裂和近南北向張性斷裂。

為全面查清壩址區(qū)巖體力學(xué)性質(zhì)，了解其破壞機(jī)制、變形特性，在對(duì)工程區(qū)段地質(zhì)條件充分了解認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，模擬工程巖體的受力狀況，通過大量的現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，為工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)和工程設(shè)計(jì)提供巖體力學(xué)參數(shù)。

2 巖體變形試驗(yàn)

2.1 巖體變形特征分析

巖體變形試驗(yàn)是巖體在承受外力不超過抗壓、抗剪強(qiáng)度極限時(shí)應(yīng)力、應(yīng)變之間的關(guān)系，因?yàn)閹r體本身是非彈性體，即彈性變形和塑性變形同時(shí)存在。為充分了解巨厚層灰?guī)r和角礫狀灰?guī)r的變形規(guī)律，研究其變形特性，采用沿鉛直方向加壓和沿水平順河向加壓兩種方法進(jìn)行試驗(yàn)比較。試驗(yàn)加荷方式為逐級(jí)一次循環(huán)法，最大壓力5.52MPa。

通過對(duì)壓力-變形關(guān)系曲線的研究分析，壓力(P)-變形(W)關(guān)系曲線的外包絡(luò)線類型，主要表現(xiàn)為直線型、下凹型和上凹型3種類型。

2.1.1直線型(彈性)

此類曲線的巖體反映出所受壓應(yīng)力與變形有較好的線性關(guān)系。它客觀地反映了巖體在加壓過程中，應(yīng)變隨應(yīng)力呈正比的增加，表現(xiàn)為總變形及塑性變形雖逐漸變大，但變、彈模隨應(yīng)力的增減變化不大。說(shuō)明了試點(diǎn)部位巖體有較好的均質(zhì)性，且?guī)r體較完整裂隙不發(fā)育，如圖1所示。

圖1 直線型壓力-變形關(guān)系曲線

2.1.2下凹型(彈-塑性)

此類曲線的巖體在低應(yīng)力時(shí)變形較小，說(shuō)明它在受力初期表部巖體起到一定程度的阻抗變形的作用。而應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)其巖體變形量增大，巖體的抗變形能力減弱，其變模與彈模隨應(yīng)力的增加而衰減，但是在較高應(yīng)力下則趨于常數(shù)，如圖2所示。

圖2 上凹型壓力-變形關(guān)系曲線

2.1.3上凹型(塑-彈性)

此類曲線的巖體在受壓應(yīng)力作用時(shí)，巖體內(nèi)部的細(xì)微裂隙在低壓時(shí)被壓密，在低壓階段變形較大，而在壓應(yīng)力相應(yīng)提高時(shí)巖體的變形則逐漸變小，彈模隨之增大，并可接近于彈性反應(yīng)。此類試點(diǎn)巖體實(shí)際上可理解為兩個(gè)階段，既前者是巖體層間裂隙的壓密階段;后者則為近似直線變形階段，如圖3所示。

圖3 下凹型壓力-變形關(guān)系曲線

沿鉛直方向加壓和沿水平順河向加壓兩種方法測(cè)得變形模量和彈性模量沒有太大區(qū)別，因巨厚層灰?guī)r和角礫狀灰?guī)r沒有明顯的層理，抗分化能力強(qiáng)，左岸巖體裂隙不甚發(fā)育，變模相對(duì)較高；右岸巖體風(fēng)化程度較高，裂隙發(fā)育，大多試點(diǎn)變模相對(duì)較低。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果按試點(diǎn)巖體的新鮮程度、風(fēng)化程度、裂隙發(fā)育情況、巖性及荷載施加方向等分析、歸納，結(jié)果見表1。

表1 巖體變形特征指標(biāo)

注:表中數(shù)值，分子為范圍值，分母為平均值。

2.3 影響因素

影響巖體變形試驗(yàn)結(jié)果的主要因素有：巖性、巖體結(jié)構(gòu)、風(fēng)化程度、加壓循環(huán)方式、時(shí)間效應(yīng)等。巖體結(jié)構(gòu)與風(fēng)化程度對(duì)其影響較大，如左岸巖體裂隙不甚發(fā)育，變模相對(duì)較高；右岸巖體風(fēng)化程度較強(qiáng)，裂隙發(fā)育，大多試點(diǎn)變模相對(duì)較低。巖體變形在宏觀上的特征值就是巖體在反復(fù)加(退)壓循環(huán)中，對(duì)于同一級(jí)壓力，不同加(退)壓循環(huán)對(duì)應(yīng)不同的變形，一般表現(xiàn)為后一循環(huán)的變形比前一循環(huán)的大。這是因?yàn)閹r體中存在有裂隙、片理、層理、軟弱夾層、斷層等所致。每一次加壓中都或多或少地有殘余變形發(fā)生，而后一循環(huán)的變形總是在前一加壓循環(huán)的殘余變形的基礎(chǔ)上積累的，前后兩循環(huán)之間相隔有一定的時(shí)間，時(shí)間效應(yīng)也可能是造成不同循環(huán)變形差別的一個(gè)原因。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果可靠性分析

為了檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果可靠性，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，以便求出最佳值，對(duì)于微風(fēng)化-新鮮巖體，弱風(fēng)化巖體和裂隙發(fā)育巖體，統(tǒng)計(jì)分析求出保證率為P=95%和P=90%的指標(biāo)值，并分別與0.9倍、0.85倍試驗(yàn)平均值進(jìn)行對(duì)比，做為變形特性指標(biāo)建議值的依據(jù)，見表2。

3 巖/巖抗剪(斷)強(qiáng)度試驗(yàn)

巖/巖抗剪(斷)強(qiáng)度試驗(yàn)均采用直剪方案，剪切力水平順河向施加，垂直荷載分4～5級(jí)施加，最大正應(yīng)力為5MPa。

3.1 剪切破壞特征

從剪切的破壞機(jī)理及τ-ε曲線特征可以看出，基本上屬于彈-塑性破壞類型，曲線形態(tài)呈近似的拋物線型。一般均在剪應(yīng)力初期試體連同基巖一起位移，巖體表現(xiàn)出特有的阻抗變形能力，位移量較小。隨著應(yīng)力的逐漸增加，位移速率隨之增大，此時(shí)試體連同基巖一起位移，其位移呈非線性蠕動(dòng)，基巖位移增量逐漸衰減，相對(duì)位移量逐漸增大，試體與巖體產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，且位移量顯著增大，試體沿其薄弱面或?qū)娱g弱面產(chǎn)生塑性蠕動(dòng)，在剪應(yīng)力不斷增加的情況下，即被剪切破壞，應(yīng)力迅速下降。試件只是以一定的速率沿破壞面滑動(dòng)，巖體強(qiáng)度接近殘余強(qiáng)度。從剪切破壞后的試件斷面上看，大部分沿預(yù)估剪切面上半部試體破壞，凹凸不平，形狀起伏較大。說(shuō)明各試件在剪切過程中所遇的剪切面形狀與面積、破壞型式與巖性或?qū)永怼⒘严栋l(fā)育程度等諸多因素有很大關(guān)系。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

抗剪試驗(yàn)參數(shù)結(jié)果(見表3)整理時(shí)，根據(jù)原始記錄，破壞面積的加權(quán)校正，巖體剪切面的破壞型式，試點(diǎn)的代表性進(jìn)行分析，將工程地質(zhì)單元一致，工程巖體分級(jí)相近的試點(diǎn)歸納在一起，舍去不具代表性的異常值，按照庫(kù)侖公式τ=c+fσ，采用圖解法(以正應(yīng)力為橫坐標(biāo)，剪應(yīng)力為縱坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線，如圖4～5所示)和最小二乘法(見表4)比較求得。

表2 巖體變形特性統(tǒng)計(jì)分析 單位：GPa

表3 巖/巖抗剪強(qiáng)度結(jié)果綜合整理 單位：MPa

3.3 可靠性分析

抗剪強(qiáng)度參數(shù)可靠性分析用方差分析法進(jìn)行。

由表4可知，通過一元線性回歸分析，以F-檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，從分析結(jié)果中可看出，以各試驗(yàn)的回歸方程作為其強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則保證率均在95%以上，即線性回歸確定的特性指標(biāo)即c、tgφ均滿足95%以上的保證率，因此所提抗剪強(qiáng)度特性指標(biāo)均可作為結(jié)果最佳值。

4 結(jié)語(yǔ)

巖體是受結(jié)構(gòu)面控制的復(fù)雜地質(zhì)體，由于不規(guī)則結(jié)構(gòu)面的存在，其力學(xué)特征呈現(xiàn)不均勻性和各向異性。九甸峽水利樞紐壩址區(qū)巖體力學(xué)試驗(yàn)時(shí)段較長(zhǎng)，試驗(yàn)組數(shù)較多。在充分了解、分析地質(zhì)特性和地質(zhì)單元的基礎(chǔ)上，分類整理取值。巖體力學(xué)參數(shù)的建議值如下：

(1)巖體變形特性參數(shù)按不同的分化程度，不同的加荷方向，采用算術(shù)平均值的0.9倍作為試驗(yàn)最佳值。新鮮-微風(fēng)化巖體變形模量28.7MPa，彈模量47.9MPa；弱風(fēng)化巖體：變形模量11.8MPa，彈性模量18.4MPa；裂隙發(fā)育巖體：變形模量2.3MPa，彈性模量3.9MPa。

表4 抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析 單位：MPa

圖4 巖/巖抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線(新鮮-微風(fēng)化)

圖5 巖/巖抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線(弱風(fēng)化巖體)

(2)巖體抗剪試驗(yàn)參數(shù)將同一地質(zhì)單元內(nèi)的全部試驗(yàn)結(jié)果采用圖解法和最小二乘法，綜合確定該地質(zhì)單元內(nèi)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的試驗(yàn)最佳值。新鮮-微風(fēng)化巖體抗剪(斷)f=1.70，c=1.88，抗剪f=1.43，c=0.829；弱風(fēng)化巖體抗剪(斷)f=1.68，c=1.43，抗剪f=1.82，c=0.808。