彭森良，王文遠(yuǎn)，李 忠，王 凱

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100020；2.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650001)

0 引 言

目前我國參與的水電工程勘測設(shè)計項目多集中于東南亞和非洲等地，外方投資的工程中普遍要求勘測設(shè)計企業(yè)的設(shè)計方案通過國際咨詢工程師審查后方能施工。而在實際工作過程中，國際咨詢工程師基于自己所接受的認(rèn)知通常認(rèn)為，中國學(xué)者的認(rèn)識[1-10]及中國規(guī)范建議的壩基粘聚力值過于冒進(jìn)很難接受，且中國規(guī)范給定的抗剪(斷)強(qiáng)度參數(shù)建議值針對壩高70 m以上的硬巖，當(dāng)壩高低于70 m時只能作為參考，雖然同時規(guī)定了軟巖地基適當(dāng)折減，但沒有具體標(biāo)準(zhǔn)，更無法說服咨詢方。因此，設(shè)計文件常常無法達(dá)到國際咨詢工程師的要求而得不到批復(fù)，進(jìn)而影響工程施工進(jìn)度，少則數(shù)月，多則持續(xù)1年以上，對中國承包商造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失且對中國水電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)“走出去”戰(zhàn)略產(chǎn)生了一定影響。

本文拋開文化、社會制度等差異影響，結(jié)合實際負(fù)責(zé)的數(shù)個國外水電工程，探索性分析國內(nèi)外水電行業(yè)地質(zhì)工程師在抗剪(斷)強(qiáng)度參數(shù)的普遍認(rèn)知來源、試驗方法、試驗步驟、試驗取值方法的差異，并結(jié)合水工設(shè)計規(guī)范對比分析，以便查找造成這一困擾的技術(shù)原因，建立2種認(rèn)知的對比分析關(guān)系，為同類問題提供一定借鑒。

1 認(rèn)知來源分析

1.1 中國水電行業(yè)

至20世紀(jì)90年代初，我國開展了大量的巖基抗剪強(qiáng)度試驗，并于21世紀(jì)初組織汪小剛等[11]共收集到103個水電、水利工程的1 174組巖基抗剪強(qiáng)度試驗的詳細(xì)資料，包括混凝土與基巖接觸面(503組)、巖體(85組)、巖體中的軟弱夾層(軟質(zhì)結(jié)構(gòu)面，共478組)和巖體中的節(jié)理、裂隙等Ⅴ級結(jié)構(gòu)面(硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面或無充填結(jié)構(gòu)面，共178組)4類，總結(jié)出每一類別所對應(yīng)的原始試驗平均值和概率分布函數(shù)。中國的《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[12]編制過程中，通過參數(shù)遴選和統(tǒng)計學(xué)折減，據(jù)此提出了針對壩基巖體分類的抗剪(斷)強(qiáng)度參數(shù)建議值。

21世紀(jì)初是中國水電開發(fā)的黃金時期，在此期間的大型水電工程勘測設(shè)計過程中，亦開展了大量現(xiàn)場原位直剪試驗，試驗成果與中國規(guī)范建議值是高度吻合的，且依據(jù)該套參數(shù)體系在近20年未見明顯的壩基抗滑穩(wěn)定問題。雖然規(guī)范規(guī)定這套參數(shù)僅適用于規(guī)劃和預(yù)可研等最初設(shè)計階段，但受現(xiàn)場條件或工期進(jìn)度等要求限制，對于絕大多數(shù)中、小型水電工程，尤其是國際工程，很少開展壩基原位抗剪強(qiáng)度試驗，多根據(jù)工程類比采用這套參數(shù)。

1.2 國外水電行業(yè)

20世紀(jì)60～70年代，西方發(fā)達(dá)國家的水電開發(fā)處于高峰期，同樣開展了大量的現(xiàn)場原位試驗和室內(nèi)試驗，但相對系統(tǒng)的總結(jié)多源于室內(nèi)巖體三軸試驗(中剪試驗)[13-14]?？紤]到任何原位試驗都不能完全模擬壩基抗滑穩(wěn)定問題[15]，且耗時費力，試驗成果依然不能直接利用，西方學(xué)者亦不再推崇現(xiàn)場原位試驗，而是傾向于通過現(xiàn)場的觀察、量測和描述，對巖體質(zhì)量開展半定量評價后，依據(jù)經(jīng)驗公式確定巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。其中，對西方地質(zhì)工程師影響較大的是N. Barton等提出的節(jié)理化巖體的抗剪強(qiáng)度取值方法以及E. Hoek等提出的Hoek-Brown準(zhǔn)則，后者尤甚。

Hoek-Brown準(zhǔn)則是通過對幾百組巖石三軸試驗資料和上百組室內(nèi)及現(xiàn)場巖體試驗成果的統(tǒng)計分析提出的。2002年E.Hoek等提出了Hoek-Brown準(zhǔn)則與摩爾-庫倫準(zhǔn)則包絡(luò)線擬合后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)換算公式[16]，即H-B/M-C反算法，具體為

c′=σc[(1+2a)s+(1-a)mbσ3n](s+mbσ3n)(a-1)/

(1)

(2)

式中，c′為粘聚力；φ′為內(nèi)摩擦角；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；σ3n為法向應(yīng)力；a、mb及s均為霍克-布朗準(zhǔn)則的強(qiáng)度參數(shù)。

2013年，E. Hoek等[17]對節(jié)理化巖體質(zhì)量指數(shù)GSI現(xiàn)場打分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了進(jìn)一步量化說明，包括巖體完整性和結(jié)構(gòu)面性狀2個部分。其中，巖體完整性可以用鉆孔巖芯質(zhì)量評價指標(biāo)RQD來表征，并定性地列出未擾動塊狀巖體、部分?jǐn)_動明顯塊狀巖體、塊狀或擾動節(jié)理化巖體、完全擾動巖體4個典型等級。對于結(jié)構(gòu)面性狀按照比列夫斯基定義的結(jié)構(gòu)面性狀分級原理，考慮延伸長度、結(jié)構(gòu)面寬度、蝕變程度、粗糙度和充填物質(zhì)5個因素進(jìn)行打分。最終的巖體打分指數(shù)GSI可按下式計算

GSI=1.5Jcond1989+RQD/2

(3)

式中，Jcond1989為比列夫斯基提出的結(jié)構(gòu)面性狀分級公式得分。

2 中外壩基巖體試驗體系差異分析

2.1 試驗方法

中國規(guī)范中的數(shù)據(jù)樣本絕大多數(shù)為現(xiàn)場原位直剪試驗，以多點平推法或多點斜推法為主，輔以極少量的室內(nèi)巖體直剪試驗。Hoek-Brown準(zhǔn)則的數(shù)據(jù)樣本則是以室內(nèi)三軸試驗為主，少量現(xiàn)場直剪試驗為輔，美國規(guī)范推薦采用單點法直剪試驗。中國規(guī)范的試驗方法與國際巖石力學(xué)協(xié)會(ISRM)的建議總體一致，后者還要求開展巖芯扭轉(zhuǎn)試驗，而國內(nèi)在在公開發(fā)表的文獻(xiàn)中尚未查到。

2.2 試驗步驟

(1)試樣制備。中國規(guī)范規(guī)定，直剪試驗試樣需加工成方形試體，剪切面積不應(yīng)小于2 500 cm2，最小邊長不應(yīng)小于50 cm，各試樣的間距不宜小于推力方向的邊長，試樣的高度不宜小于最小邊長的1/2。美國材料試驗學(xué)會(ASTM)建議，試樣的剪切尺寸為70 cm×70 cm×35 cm，這與國際巖石力學(xué)協(xié)會的建議是一致的。

(2)加荷方式。文獻(xiàn)[18]對中美兩國標(biāo)準(zhǔn)的加荷方式差異做了詳細(xì)描述，中國為多點加荷，法向荷載施加采用時間控制法；美國標(biāo)準(zhǔn)及國際巖石力學(xué)協(xié)會推薦方法為單點加荷，法向荷載施加采用變形控制法。

2.3 試驗成果整理

2.3.1 混凝土與基巖接觸面

中國規(guī)范對抗剪斷強(qiáng)度的規(guī)定為：①當(dāng)試件呈脆性破壞時，采用概率分布的0.2分位值或峰值強(qiáng)度的小值平均值或優(yōu)定斜率法的下限作為標(biāo)準(zhǔn)值；②規(guī)劃、預(yù)可行性研究階段或當(dāng)壩基巖體力學(xué)參數(shù)試驗資料不足時，可根據(jù)規(guī)范推薦的經(jīng)驗值結(jié)合地質(zhì)條件進(jìn)行折減，選用地質(zhì)建議值，但沒有給出具體的折減系數(shù)，實際執(zhí)行中，多采用最小二乘法得到的強(qiáng)度參數(shù)概率分布的0.2分位值和峰值強(qiáng)度的小值平均值，很少選用優(yōu)定斜率法。中國規(guī)范采用比例極限強(qiáng)度作為抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

美國陸軍工程兵團(tuán)指南《巖石地基》[19]中規(guī)定，破壞面上的設(shè)計抗剪強(qiáng)度取值必須考慮破壞面上允許的最大位移，并且不會造成不能接受的應(yīng)力集中。國外學(xué)者普遍認(rèn)為，當(dāng)巖體質(zhì)量偏好時，巖體與混凝土之間的接觸面一般不是控制面，可以采用混凝土本身的指標(biāo)，摩擦系數(shù)取1.0，粘聚力值取1/10混凝土抗壓強(qiáng)度。歐洲學(xué)術(shù)界[20]也認(rèn)為，混凝土與基巖接觸面也不是主要的破壞面，巖體強(qiáng)度偏好時，混凝土的膠結(jié)強(qiáng)度是有效的，巖體強(qiáng)度偏差時，通常的破壞面是沿著軟弱基巖內(nèi)的天然結(jié)構(gòu)面而不是壩基面。因此，在筆者查閱的文獻(xiàn)中，近年來國外對壩基抗剪強(qiáng)度的研究多集中在巖體和結(jié)構(gòu)面上，對混凝土與基巖接觸面的研究甚少，試驗成果也較難查到。

2.3.2 巖體

中國規(guī)范對抗剪斷強(qiáng)度的規(guī)定為：①硬質(zhì)巖體呈脆性破壞時，采用概率分布0.2分位值或峰值強(qiáng)度的小值平均值或優(yōu)定斜率法下限作為標(biāo)準(zhǔn)值；②微裂隙巖體呈塑性破壞或彈塑性破壞時，采用屈服強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)值，有時也采用比例極限強(qiáng)度作為抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。實際執(zhí)行時，大多采用最小二乘法擬合摩爾-庫倫準(zhǔn)則包絡(luò)線。

國外一般要求開展9次以上巖體直剪試驗，采用優(yōu)定斜率法取值，但優(yōu)定斜率法對粘聚力的敏感度較內(nèi)摩擦角偏高。從安全角度講，按剪應(yīng)力與正應(yīng)力關(guān)系散點圖，即τ-σ關(guān)系散點圖的下界限確定。如果是室內(nèi)中剪試驗，還要考慮尺寸效應(yīng)的影響。美國陸軍工程師團(tuán)規(guī)范[19]認(rèn)為，粘聚力值還需折減50%左右，巖體的內(nèi)摩擦角取τ-σ關(guān)系散點圖的下界限傾角。Hoek教授也認(rèn)為粘聚力在實際工況下的物理意義是不可靠的，并建議粘聚力取值折減至75%，同時將這一觀點引入至H-B/M-C反算法的經(jīng)驗公式中。

2.3.3 結(jié)構(gòu)面

中國規(guī)范規(guī)定：①結(jié)構(gòu)面凸起或膠結(jié)充填物被剪斷時，采用峰值強(qiáng)度的小值平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值；②結(jié)構(gòu)面呈摩擦破壞時，采用比例極限強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)值。

美國規(guī)范指出：①硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面需考慮基本內(nèi)摩擦角和一階表面微凸體有效傾斜角之和，但不能超過試驗得到的內(nèi)摩擦角值。同時，由于數(shù)據(jù)的離散性，宜忽略粘聚力的影響。該參數(shù)體系可借助回彈儀開展現(xiàn)場簡易試驗，基于Barton-Bangdis理論得出抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)。②軟質(zhì)結(jié)構(gòu)面需更保守，考慮填充物質(zhì)的位移、應(yīng)力歷史，有擦痕、斷層黏土、錯位的情況要考慮殘余強(qiáng)度，不能考慮粘聚力值；填充物質(zhì)未發(fā)生位移時，可取峰值強(qiáng)度；正常固結(jié)粘性材料和所有無粘性材料組成的填充物質(zhì)可采用峰值強(qiáng)度；低塑性超固結(jié)粘性材料組成的填充物質(zhì)采用峰值強(qiáng)度或極限強(qiáng)度；極限強(qiáng)度、重塑填充物質(zhì)峰值強(qiáng)度或殘余強(qiáng)度(取決于材料特性)適用于由中高度塑性超固結(jié)粘性物質(zhì)。軟質(zhì)結(jié)構(gòu)面參數(shù)參照基于充填物質(zhì)的室內(nèi)試驗成果確定。

3 認(rèn)知差異原因分析

3.1 壩基受力環(huán)境適用性

總之，Hoek-Brown準(zhǔn)則反算的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)主要來源于三軸試驗成果，與壩基巖體的受力環(huán)境差異較大，并不適用于分析壩基抗滑穩(wěn)定問題。而中國規(guī)范、美國規(guī)范和國際巖石力學(xué)協(xié)會推薦的現(xiàn)場巖體原位直剪試驗與壩基巖體受力環(huán)境更為契合，其成果應(yīng)用于分析壩基抗滑穩(wěn)定問題是合理的。另一方面，中國規(guī)范推薦的壩基參數(shù)體系應(yīng)用到邊坡和地下洞室問題分析中也是不可取的。

3.2 試樣制備及試驗步驟差異

雖然中外標(biāo)準(zhǔn)在試樣制備上的規(guī)定有差別，實際執(zhí)行時的剪切面積各異，但總體上看，試樣制備的大小對兩套參數(shù)認(rèn)知的影響是有限的。中外標(biāo)準(zhǔn)之間在試驗步驟上雖有差異，但具體影響主要體現(xiàn)在工作效率和對變形特征點的把握精度上，對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分配的影響是相對隨機(jī)的，并不會系統(tǒng)地導(dǎo)致粘聚力及內(nèi)摩擦角值偏高或偏低的情況。

表1 巖體結(jié)構(gòu)面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)計算結(jié)果

3.3 壩基表層抗滑穩(wěn)定破壞機(jī)理認(rèn)識差異

關(guān)于壩基表層抗滑穩(wěn)定的主要破壞機(jī)理的問題，中國規(guī)范認(rèn)為發(fā)生在混凝土與基巖接觸面，并沒有明確具體破壞部位。對于Ⅲ類偏差及以下巖體來說，接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值與巖體參數(shù)基本一致；當(dāng)壩基巖體為Ⅲ類偏好及以上時，混凝土與基巖接觸面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)小于巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，這與國外的普遍認(rèn)識總體一致。國外部分學(xué)者認(rèn)為當(dāng)壩基巖體質(zhì)量偏好時，粘聚力值直接取1/10混凝上抗壓強(qiáng)度，根據(jù)大量試驗成果，這一點值得進(jìn)一步探討，國際工程實踐中應(yīng)特別注意這一問題。

3.4 試驗成果參數(shù)整理差異

國外學(xué)者一般采用優(yōu)定斜率法的下限截距作為粘聚力值，對于室內(nèi)試驗的成果，還需對粘聚力值折減50%左右，取下限斜率作為摩擦系數(shù)取值。而大量試驗成果表明，τ-σ關(guān)系散點圖的上、下限斜率差別不大，也就是說優(yōu)定斜率法對摩擦系數(shù)折減很小。與中國規(guī)范最常用的現(xiàn)場直剪試驗采用最小二乘法擬合后的峰值強(qiáng)度小值平均值相比，粘聚力取值明顯過于保守，摩擦系數(shù)則偏高。由此形成數(shù)十年的認(rèn)知習(xí)慣積累以后，一定程度上造成了國內(nèi)外學(xué)者對粘聚力和摩擦系數(shù)的理解出現(xiàn)較大偏差。中外標(biāo)準(zhǔn)抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值對比見圖1。圖1中，ci和φi分別為H-B/M-C反算法得到的粘聚力和內(nèi)摩擦角值，c′和φ′分別為GB 50287—2016得到的粘聚力值和內(nèi)摩擦角值。

圖1 抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)取值對比

在此基礎(chǔ)上，國外學(xué)者仍考慮對粘聚力值的折減，霍克教授建議折減度為75%，美國標(biāo)準(zhǔn)的折減度為50%。此外，美國墾務(wù)局標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的粘聚力值提倡忽略不計，而中國標(biāo)準(zhǔn)則根據(jù)結(jié)構(gòu)面的充填物質(zhì)給出了一系列的經(jīng)驗參數(shù)，對粘聚力和摩擦系數(shù)的折減力度是相同的。

結(jié)合老撾南部某水電站開展的硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面回彈儀現(xiàn)場測試成果，基于Barton-Bangdis理論[21]得出抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)(見表1)，與中國規(guī)范推薦的工程類比參數(shù)相比，粘聚力值比較接近，但內(nèi)摩擦角值偏高，總體偏差相較于巖體參數(shù)略小。其他工程上可能存在不同的情況，因此，實踐中建議選用2種方法相互驗證，取低值推薦參數(shù)。

3.5 與下序?qū)I(yè)的銜接差異

以筆者曾負(fù)責(zé)的老撾南部某水電站的鞍壩為例，其壩高為5～30 m，壩基巖性為英安巖，屬硬巖。壩址區(qū)地勢平緩，絕大多數(shù)壩段無緩傾結(jié)構(gòu)面，需深挖基坑至1/3壩高左右，與三軸試驗應(yīng)力環(huán)境類似，適用Hoek-Brown準(zhǔn)則。當(dāng)壩高小于22 m時，基于未折減的中國規(guī)范得到的抗剪強(qiáng)度明顯高于Hoek-Brown準(zhǔn)則反算的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，壩基巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)計算成見表2。

表2 壩基巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)計算成果

需要說明的是，NB/T 35026—2014采用分項系數(shù)法，其對粘聚力的綜合折減分項系數(shù)約為3.0，而對內(nèi)摩擦系數(shù)的綜合折減分項系數(shù)約為1.7，說明中國規(guī)范對于粘聚力取值的折減是在水工結(jié)構(gòu)專業(yè)的設(shè)計計算時考慮的，而非由地質(zhì)專業(yè)提供建議參數(shù)時考慮。因此，國內(nèi)外工程人員對粘聚力和內(nèi)摩擦角的取值分配思路總體上并不矛盾。

4 解決方案

本文針對中外工程地質(zhì)人員對壩基巖體參數(shù)認(rèn)知差異較大的問題，結(jié)合本人多個國外中小型工程的實踐經(jīng)驗，提出以下建議及解決思路：

(1)積極契合“一帶一路”戰(zhàn)略，乘著國家水電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)“走出去”的東風(fēng)，在中國規(guī)范英文版編制過程中，對中國規(guī)范關(guān)于壩基與混凝土接觸面、壩基巖體及結(jié)構(gòu)面抗剪(斷)強(qiáng)度參數(shù)的來源、試驗方法、試驗步驟、試驗成果整理、參數(shù)取值等作出詳細(xì)的說明，同時摒棄一些含糊的規(guī)定，適當(dāng)擴(kuò)大成果應(yīng)用范圍或提出具體的折減標(biāo)準(zhǔn)。

(2)積極參與一些國際學(xué)術(shù)會議，爭取發(fā)表一些具有實踐意義的論文，對中國規(guī)范的實用性進(jìn)行必要的解釋，同時指出國外標(biāo)準(zhǔn)一些值得探討之處，讓中國標(biāo)準(zhǔn)逐步融入甚至主導(dǎo)國際水電工程咨詢行業(yè)。

(3)由于專業(yè)配置的不一致性，在與咨詢工程師溝通前，各上下序?qū)I(yè)需達(dá)成一致。

(4)國內(nèi)規(guī)范推薦的參數(shù)體系在適用范圍內(nèi)是行之有效的，但切忌將此類試驗成果直接類比到地下洞室問題和邊坡穩(wěn)定問題分析中，這種情況下參照室內(nèi)巖體三軸試驗成果更為合理，且在地質(zhì)條件適用的情況下可利用Hoek-Brown準(zhǔn)則推導(dǎo)。