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        扎拉水電站傾倒變形巖體的工程性質(zhì)研究

        2020-09-25 06:20:26張丙先
        水利技術(shù)監(jiān)督 2020年5期
        關(guān)鍵詞:板巖黏聚力節(jié)理

        張丙先

        (長江巖土工程總公司(武漢),湖北 武漢 430010)

        扎拉水電站所在河谷岸坡主要由板巖組成,普遍發(fā)生傾倒變形,變形特征具有典型性。傾倒后的巖體(以下簡稱“傾倒變形巖體”)屬于一種特殊的節(jié)理化巖體。傾倒變形巖體的抗剪斷強(qiáng)度是分析邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。相關(guān)學(xué)者對節(jié)理化巖體力學(xué)特性的研究主要有以下幾個方面:含多組平行節(jié)理的巖體[1],考慮卸荷損傷的柱狀節(jié)理巖體[2],節(jié)理巖體卸荷各向異性力學(xué)特性[3],循環(huán)凍融條件下節(jié)理巖體[4]等。與上述節(jié)理化巖體不同,傾倒變形巖體在傾倒變形過程中發(fā)生破裂,新生的破裂面疊加在板理面及前期的節(jié)理裂隙上,其形成機(jī)制及工程性質(zhì)具有特殊性。關(guān)于傾倒變形的研究多集中在變形特征[5]、形成機(jī)理[6]和穩(wěn)定性評價與處理[7- 8]等方面。為了獲得傾倒變形巖體的抗剪強(qiáng)度,現(xiàn)場進(jìn)行了原位測試??紤]到原位抗剪試驗(yàn)試體的尺寸偏小,而基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則在估算巖體強(qiáng)度方面適用性較強(qiáng)[9],因而采用Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式對傾倒變形巖體強(qiáng)度進(jìn)行了計算,并與原位試驗(yàn)成果進(jìn)行對比分析,綜合確定抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)取值。

        1 傾倒變形巖體基本特征

        1.1 邊坡巖體傾倒變形特征

        研究區(qū)位于青藏高原東南部怒江一級支流玉曲河下游河段。河谷屬高山峽谷,谷底寬度僅為20~50m,兩岸山體分水嶺高程達(dá)3 000~5 000m,相對河床高差為500~2 000m,兩岸總體坡度為30°~50°。河谷邊坡大部分由板巖組成,巖層走向與河谷走向基本一致,兩岸邊坡為層狀同向結(jié)構(gòu)或?qū)訝罘聪蚪Y(jié)構(gòu)。巖層正常板理面傾角為70°~85°,單層厚度一般小于10cm,呈薄層板狀結(jié)構(gòu)。

        兩岸板巖普遍發(fā)生傾倒變形,傾倒變形巖體水平深度為60~85m,厚40~50m,與正常產(chǎn)狀巖體界面大致平行。傾倒變形巖體巖層層序保持較好,板理面傾角為15°~45°,與正常產(chǎn)狀巖體板理面傾角相差30°~55°。傾倒變形巖體與正常產(chǎn)狀巖體界面呈類似褶皺軸面的彎曲變形,如圖1(a)所示。巖體在傾倒過程中發(fā)生不同程度的破壞,自坡內(nèi)向坡外其性狀逐漸變差,依次可分為3個區(qū):①弱傾倒變形區(qū),坡內(nèi)基本保持原始巖體的薄層結(jié)構(gòu),板理連續(xù),斷續(xù)分布傾坡外的拉張裂隙,如圖1(b)所示;②強(qiáng)傾倒變形區(qū),向坡外逐漸呈碎裂結(jié)構(gòu),板理基本連續(xù),傾坡外的拉張裂隙較發(fā)育,裂隙多充填巖屑,如圖1(c)所示;③極強(qiáng)傾倒變形區(qū),主要分布于坡表,巖體呈散體結(jié)構(gòu),板理不連續(xù),巖塊間具架空現(xiàn)象,或充填碎石、巖屑,如圖1(d)所示。傾倒變形巖體是陡傾的薄層板狀巖層在自重載荷的長期作用下發(fā)生的彎曲變形,本質(zhì)上屬于蠕變,形成機(jī)制類似褶皺但形成環(huán)境不同,具有塑性變形的特征,形成過程中產(chǎn)生層間錯動,垂直板理面發(fā)生不同程度的破裂,在薄層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上疊加了破裂作用,屬于一種特殊的節(jié)理化巖體。

        圖1 巖體傾倒變形現(xiàn)象

        1.2 傾倒變形巖體的結(jié)構(gòu)面特征

        傾倒變形巖體中的結(jié)構(gòu)面主要為板理及裂隙。板巖呈薄層板狀結(jié)構(gòu),在傾倒過程中,陡傾的板狀巖層沿板理面發(fā)生剪切蠕滑錯動,垂直板理面出現(xiàn)層內(nèi)拉張—切層的張剪破裂[圖1(c)],這些結(jié)構(gòu)面疊加在構(gòu)造節(jié)理、卸荷裂隙及風(fēng)化裂隙上,使得傾倒變形巖體中結(jié)構(gòu)面較發(fā)育。傾倒變形巖體中節(jié)理裂隙主要有3組:①走向近北,傾西或東,中傾角,該組裂隙走向與板理面走向近平行,裂隙面平直粗糙;②走向近東,傾南或北,陡傾角,該組裂隙走向與板理走向近垂直,裂隙寬為0.2~0.5cm,裂隙面起伏粗糙,多充填巖屑;③走向北西,傾北東或南西,中傾角—陡傾角,裂隙面平直粗糙。

        1.3 傾倒變形邊坡的破壞模式

        鮑杰等[6]將岸坡巖體傾倒破裂的形成與演變歸納為4個階段,依次為:①卸荷回彈—傾倒蠕變發(fā)展階段;②層內(nèi)拉張、切層張剪破裂發(fā)展階段;③彎曲—折斷變形破裂發(fā)展階段;④底部滑移—后緣深部折斷面貫通破壞階段等。從研究區(qū)內(nèi)岸坡的變形特征來看,傾倒變形巖體與正常產(chǎn)狀巖體界面主要為彎曲變形,僅斷續(xù)折斷,處于第三階段的彎曲變形期。岸坡傾倒變形是隨著河流的不斷下切、巖層在長期的自重作用下所發(fā)生的蠕變或流變,是地質(zhì)歷史過程中的產(chǎn)物。通常傾倒變形巖體厚度較大,具有延性彎曲的特點(diǎn),底部界面表現(xiàn)為“折而不斷”,短期內(nèi)產(chǎn)生沿底部滑移—后緣深部折斷面失穩(wěn)的可能性不大,主要考慮傾倒變形體內(nèi)部的穩(wěn)定性。因此,傾倒變形巖體的抗剪斷強(qiáng)度是分析邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。

        2 傾倒變形巖體的抗剪斷強(qiáng)度分析

        2.1 傾倒變形巖體強(qiáng)度特征

        研究區(qū)板巖類巖石主要包括砂質(zhì)板巖和鈣質(zhì)板巖,其中砂質(zhì)板巖巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為35.4 MPa,屬中硬巖;鈣質(zhì)板巖巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為14.7 MPa,屬軟巖。傾倒變形巖體三個分區(qū)的巖體特征描述見表1。

        表1 傾倒變形巖體三個分區(qū)的巖體特征描述表

        2.2 基于Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式的傾倒變形巖體強(qiáng)度計算

        采用建立在GSI基礎(chǔ)上的Hoek和Carranza-Torres及Corkum改進(jìn)的Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式[10]計算傾倒變形巖體抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)。計算公式如下:

        (1)

        (2)

        (3)

        (4)

        (5)

        (6)

        式中,σ1、σ3—巖石破裂時的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力;σc—巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度;s、mb、mi—材料常數(shù);a—表征節(jié)理巖體的常數(shù);GSI—地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo);D—擾動系數(shù);φ—內(nèi)摩擦角;c—黏聚力;σ3n—正應(yīng)力。

        計算參數(shù)取值及結(jié)果見表2。傾倒變形巖體相應(yīng)分區(qū)中,砂質(zhì)板巖(中硬巖)與鈣質(zhì)板巖(軟巖)的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)差別主要在黏聚力,砂質(zhì)板巖的黏聚力是鈣質(zhì)板巖的1.4~2.4倍,摩擦系數(shù)則相差不大。

        表2 傾倒變形巖體抗剪斷強(qiáng)度計算成果表

        2.3 傾倒變形巖體原位抗剪試驗(yàn)成果

        傾倒變形巖體原位剪切試驗(yàn)在勘探平洞內(nèi)進(jìn)行,在平洞洞壁人工擴(kuò)挖形成凹槽,凹槽內(nèi)制備試體。試驗(yàn)采用平推法,剪切面垂直層面,尺寸約為50cm×50cm,最大正壓力為1.5MPa。剪切破壞面部分沿裂隙面,部分沿巖體破壞。

        由于極強(qiáng)傾倒變形區(qū)巖體極度破碎,難以制備試樣,原位剪切試驗(yàn)在強(qiáng)傾倒變形區(qū)和弱傾倒變形區(qū)進(jìn)行,試驗(yàn)成果見表3。

        表3 傾倒變形巖體抗剪斷強(qiáng)度驗(yàn)成果表

        2.4 Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計算結(jié)果與原位試驗(yàn)成果對比

        建立在GSI基礎(chǔ)上的Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計算結(jié)果與原位試驗(yàn)成果比較見表4。其中砂質(zhì)板巖(中硬巖)的黏聚力c1與c2的比值為1.9~2.0,摩擦系數(shù)f1與f2的比值均為0.6;鈣質(zhì)板巖(軟巖)黏聚力c1與c2的比值為0.7~1.0,摩擦系數(shù)f1與f2的比值均為0.6。

        表4 Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計算結(jié)果和原位試驗(yàn)成果比較表

        2.5 傾倒變形巖體的抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)取值分析

        黏聚力c和摩擦系數(shù)f是表征巖體抗剪斷強(qiáng)度的兩個指標(biāo),相對于土體,黏聚力尤其固化黏聚力在巖石的抗剪斷強(qiáng)度中占比較大。巖石的黏聚力c值,除了反映顆粒間聯(lián)結(jié)力的大小外,還反映了巖石中微結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況;而巖石的摩擦系數(shù)f值,則主要反映了巖石中閉合的微裂隙面的摩擦系數(shù)及微裂隙面的發(fā)育情況[11]。傾倒過程中巖體發(fā)生破裂,傾倒變形巖體完整程度降低,黏聚力降低幅度較大。其中砂質(zhì)板巖屬中硬巖,脆性破裂程度較大,而鈣質(zhì)板巖屬軟巖,以延性破壞為主[12],因而傾倒變形巖體中砂質(zhì)板巖的破裂程度要高于鈣質(zhì)板巖。

        傾倒變形巖體屬于一種特殊的節(jié)理化巖體,結(jié)構(gòu)面對巖體強(qiáng)度影響較大,而原位抗剪試驗(yàn)試體的尺寸僅為50cm×50cm,相對偏小。與原位試驗(yàn)成果比較,Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計算得到的黏聚力c值偏大,而摩擦系數(shù)f值偏小,符合黏聚力在巖石的抗剪斷強(qiáng)度中占比較大的規(guī)律。Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計算得到的摩擦系數(shù)f值可理解為節(jié)理和巖橋提供的摩擦力按面積加權(quán)平均后的結(jié)果[13],因而摩擦系數(shù)f值較小,但可能更符合實(shí)際情況。傾倒變形巖體的抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)的取值應(yīng)在考慮巖體性狀和原位試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上,合理選用Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式的計算參數(shù),以獲得較為可靠的計算指標(biāo)。

        3 典型傾倒變形邊坡穩(wěn)定性分析

        采用有限差分法分析邊坡在天然和暴雨條件下的應(yīng)力場和變形破壞特征,得出以下結(jié)論:邊坡在天然和暴雨工況下處于穩(wěn)定狀態(tài),最大和最小主應(yīng)力分布于坡體淺表層和坡腳堆積體,在傾倒變形巖體極強(qiáng)傾倒區(qū)下部出現(xiàn)量值較小的剪應(yīng)力增量,如圖2(a)所示。邊坡位移變形主要集中在坡體淺表層和坡腳堆積體,如圖2(b)所示,受重力和暴雨影響較小,局部會產(chǎn)生崩落。坡腳堆積體有利于邊坡的穩(wěn)定性,開挖坡腳堆積體會使得極強(qiáng)傾倒區(qū)前緣臨空,將加劇坡體變形并向后緣發(fā)展。

        圖2 邊坡最大剪應(yīng)力增量和水平方向位移分布特征

        邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài),傾倒變形巖體自坡內(nèi)向坡外逐漸變差,淺表層巖體的破壞會加劇邊坡的傾倒變形,當(dāng)前部失去“支撐”后,會導(dǎo)致由前部向后部逐級后退式破壞。因此,工程建設(shè)應(yīng)避免開挖傾倒變形邊坡,盡量減少施工擾動,否則應(yīng)采取防護(hù)措施。

        4 結(jié)論

        (1)傾倒變形巖體是陡傾的薄層板狀巖層在自重載荷的長期作用下發(fā)生的彎曲變形,形成機(jī)制類似褶皺,但形成過程中產(chǎn)生層間錯動,垂直板理面發(fā)生不同程度的破裂,在薄層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上疊加了破裂作用,屬于一種特殊的節(jié)理化巖體。

        (2)傾倒變形破壞了巖體的完整性,結(jié)構(gòu)面對傾倒變形巖體強(qiáng)度影響較大。原位抗剪試驗(yàn)試體的尺寸偏小。與原位試驗(yàn)成果比較,Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計算得到的黏聚力偏大,而摩擦系數(shù)f值偏小,符合黏聚力在巖石抗剪斷強(qiáng)度中占比較大的規(guī)律。Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計算得到的摩擦系數(shù)f值可理解為節(jié)理和巖橋提供的摩擦力按面積加權(quán)平均后的結(jié)果,可能更符合實(shí)際情況。

        (3)傾倒變形巖體的抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)的取值應(yīng)在考慮巖體性狀和原位試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上,合理選用Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式的計算參數(shù),以獲得較為可靠的抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)。

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