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)
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]。
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。
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。
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
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)。
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。
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。