龍 翔，解永澤

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130061；2.吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林 敦化 133700）

0 引言

隨著我國清潔能源的快速發(fā)展，抽水蓄能電站作為新型清潔能源的重要組成部分，在近幾年迎來了蓬勃發(fā)展時期[1]。抽水蓄能電站下水庫大壩多位于河谷中，壩基穩(wěn)定性主要靠壩肩位置的巖體來維持，其穩(wěn)定性是直接關(guān)系到工程正常運行和區(qū)域安全的重要因素[2，3]。而巖體的抗剪強度參數(shù)作為穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵參數(shù)之一，是大壩工程穩(wěn)定分析和安全評價的基礎[4]。

我國地域遼闊，不同地區(qū)的工程地質(zhì)條件存在差異，巖性分布各有不同[5-8]，同一種巖性在地層中呈現(xiàn)非均勻性和各向異性，同時，受風化程度、結(jié)構(gòu)發(fā)育、節(jié)理裂隙發(fā)育程度等因素共同影響，導致其破壞機理極為復雜[9]。因此，通過巖體原位直剪試驗獲取巖體抗剪強度參數(shù)是壩基面抗剪強度參數(shù)確定的重要手段，試驗結(jié)果更接近工程實際[10-12]。

1 研究區(qū)概況

山西垣曲抽水蓄能電站位于山西省運城市垣曲縣境內(nèi)，安裝4 臺30 萬kW 可逆式水泵水輪發(fā)電電動機組，樞紐建筑物主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)等組成。

原位直剪試驗選擇在下水庫大壩勘探平硐中進行，平硐樁號0+044.00～0+054.00 m 段，上覆巖體厚23～47 m，圍巖為安山巖，呈微風化狀態(tài)，強度較高。該段主要發(fā)育3組節(jié)理：1）走向N30°～40°E，傾向SE，傾角35°，平行間距30～40 cm，節(jié)理面張開5～10 mm，充填方解石，節(jié)理面平直光滑；2）走向N40°W，傾向SW，傾角85°，平行間距70 cm，節(jié)理面張開5～10 mm，充填方解石脈，節(jié)理面平直光滑；3）走向N40°E，傾向NW，傾角35°，平行間距10～20 cm，局部50 cm，節(jié)理面張開1～2 mm，充填方解石，節(jié)理面平直光滑。該洞段地下水不發(fā)育，洞壁潮濕，上覆巖體較單薄，節(jié)理輕度發(fā)育～中等發(fā)育，圍巖局部穩(wěn)定性差，屬Ⅲ類圍巖。在該區(qū)域進行巖體原位直剪試驗，研究微風化安山巖的抗剪切性能。

2 原位直剪試驗

2.1 方法原理

抗剪試驗分為混凝土抗剪和巖體抗剪，兩種試驗原理相同，在抗剪試驗中，剪切破壞遵循庫侖準則，表達式：

式中：τ為施加在剪切面上的剪應力，MPa；σ為施加在剪切面上的法向應力，MPa；?為材料的內(nèi)摩擦角；C為材料的粘聚力，MPa。

2.2 試驗步驟

巖體原位抗剪試驗采用平推法，試驗狀態(tài)為人工浸水飽和狀態(tài)，試驗應力為0.96 MPa，等分6級，各級應力分別為0.16，0.32，0.48，0.64，0.80，0.96 MPa，現(xiàn)場試驗示意圖如圖1所示。

圖1 抗剪強度試驗示意圖

2.3 資料整理

按DL/T 5368—2007《水電水利工程巖石試驗規(guī)程》中的規(guī)定對試驗成果進行綜合整理。各法向荷載下的法向應力和剪切應力按下式計算：

式中：P為作用于剪切面上的總法向荷載，N；A為剪切面面積，mm2；P′為試件與設備質(zhì)量之和，N；α為結(jié)構(gòu)面傾角；Q為作用于剪切面上的總剪切荷載，N；f為滾珠軸排摩擦系數(shù)。

繪制各法向應力下的剪應力與剪切位移關(guān)系曲線，根據(jù)關(guān)系曲線，確定各法向應力下的抗剪斷（抗剪）峰值；根據(jù)同一試驗區(qū)試驗結(jié)果的各正應力和對應的抗剪斷（抗剪）峰值的剪應力，繪制其關(guān)系曲線圖。

采用最小二乘法進行曲線擬合或作圖法，確定相應的抗剪斷（抗剪）強度參數(shù)的試驗最佳值，即庫侖表達式中的tg?和C，公式如下：

相關(guān)系數(shù)R：

式中：tg?為摩擦系數(shù)；C為粘聚力，MPa；σi為正應力值，i=1，……，n；τi為與σi相對應的剪應力值，i=1，……，n；n為測定總次數(shù)。

3 試驗成果及分析

對6 個部位進行原位直剪試驗，根據(jù)規(guī)范對6個部位的原位直剪試驗數(shù)據(jù)進行整理，得出巖體剪應力-剪切位移關(guān)系曲線，如圖2 所示。結(jié)合各個試驗點剪切面性狀及試驗過程，確定抗剪斷（抗剪）峰值，并以最小二乘法為基礎，采用作圖法給出抗剪（斷）峰值及強度指標。試驗結(jié)果見表1，正應力-剪應力擬合曲線見圖3 和圖4。微風化安山巖抗剪斷峰值強度tg?′=2.040，C′=2.273，抗剪峰值強度tg?=0.831，C=0.595。

表1 巖體原位直剪試驗成果統(tǒng)計

圖2 剪應力與剪切位移關(guān)系曲線

圖3 正應力-抗剪斷應力曲線

圖4 正應力-抗剪應力曲線

根據(jù)表1中的試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合圖2—4的試驗成果曲線，可知剪切破壞模式均為脆性破壞，即破壞前剪切位移較小，峰值后剪應力迅速下降，剪切位移大幅度增長。由于節(jié)理、裂隙分布的隨機性，各個點的剪切面性狀略有不同，致使部分試驗點略有偏差，但整體能夠代表該段巖體破壞特征，試驗數(shù)據(jù)準確可靠。

4 結(jié)語

通過巖體原位直剪試驗獲取巖體抗剪強度參數(shù)，為設計穩(wěn)定性計算提供強度參數(shù)，為研究區(qū)類似工程建設提供參考，具有重大意義。此次巖體原位試驗共有6個試驗點，總體規(guī)律較好，能夠代表該段巖體破壞特征。但由于受試驗洞開挖、試驗段擴挖、地質(zhì)構(gòu)造、巖性分布等影響，選擇試驗段和布置測點均受到一定限制，加之測量數(shù)量有限，因此試驗結(jié)果在整個工程區(qū)域內(nèi)的宏觀代表性也相應存在一些局限性。今后在進行相關(guān)設計時，可結(jié)合巖芯室內(nèi)試驗及現(xiàn)場地質(zhì)情況進行綜合分析。