锦屏一级拱坝岩体抗剪强度参数取值研究

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(1.中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072；

2.国家能源水电工程技术研发中心 高混凝土坝分中心，成都 610072)

1 研究背景

岩体抗剪强度参数的确定与工程的安全、经济密切相关。通过国内外学者数10 a的工程实践和研究探索[1]，目前工程岩体抗剪强度参数的取得主要依据室内及现场实验、工程类比、经验强度准则、参数反演、可靠度分析、人工智能等方法取得。试验研究是确定岩体抗剪强度参数的常用手段和直接方法，一般采用室内直剪试验和现场大剪试验取得试验参数，然后对取得的试验数据进行回归统计整理、综合分析。目前，通过试验研究确定岩体抗剪强度参数，国内外对此无统一的通用方法，即使是国内，各单位、各工程取值方法也不统一。本文通过锦屏一级拱坝坝肩岩体抗剪强度试验、试验特征点选取、参数统计方法以及典型滑块稳定计算等多方面的分析，对岩体抗剪强度参数的取值方法进行深入研究。

图1 枢纽区河谷地质结构横剖面

坝址区发育的软弱结构面以断层为主，产状以走向NE—NNE、倾向SE为主。与工程有关且规模较大的有：左岸f5，f8，f2断层和煌斑岩脉(X)；右岸f13，f14断层及斜穿河床坝基的f18断层及煌斑岩脉(X)等。

枢纽区左岸岩体受特定构造和岩性影响，卸荷十分强烈，卸荷深度较大，谷坡中下部大理岩卸荷水平深度达150～200 m，中上部砂板岩卸荷水平深度达200～300 m，顺河方向分布长度达500 m。卸荷裂隙多沿岩体构造节理面松弛张开，裂隙开度达10～20 cm。这种现象十分少见，被称为深卸荷现象，也是构成两岸地质条件严重不对称的主要因素。表1为坝区岩体质量分级及其物理力学参数。

表1 坝区岩体质量分级及其物理力学参数

2 抗剪强度参数取值方法

2.1 试验参数取值方法

我国GB50287—2006《水力发电工程地质勘察规范》[2]规定，岩体呈脆性破坏时，坝基抗剪断强度参数采用概率分布的0.2分位值作为标准值，或采用峰值强度的小值平均值作为标准值，或采用优定斜率法的下限值作为标准值；抗剪强度应采用比例极限强度作为标准值。岩体呈塑性破坏或弹塑性破坏，应采用屈服强度作为标准值。结构面被剪断破坏时，采用峰值强度的小值平均值作为抗剪断强度参数标准值；呈摩擦破坏时，采用比例极限强度作为抗剪断强度参数标准值。GB50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》[3]在抗剪断强度参数取值的规定上，与文献[2]不一致，要求岩体抗剪断强度参数按峰值强度平均值取值；抗剪强度参数对于脆性破坏岩体按残余强度与比例极限强度二者的小值作为标准值。同时，文献[3]规定对硬性结构面抗剪断强度参数按峰值强度平均值取值，抗剪强度参数按残余强度平均值取值作为标准值；对软弱结构面抗剪断强度参数按峰值强度的小值平均值取值，抗剪强度参数按屈服强度平均值取值作为标准值。文献[3]在抗剪断强度参数的取值规定上，基本沿用了GB50287—99《水利水电工程地质勘察规范》[4]的规定。从以上所述可以看出，我国2本现行的工程地质勘察规范对抗剪强度参数取值的规定上存在差异。

DL/T 5346—2006《混凝土拱坝设计规范》[5]规定，采用刚体极限法进行坝肩岩体抗滑稳定分析时，抗剪断强度参数应采用材料的峰值强度平均值。抗剪强度参数，对脆性破坏的材料，采用比例极限；对塑性或脆塑性破坏的材料，采用屈服强度；对已经剪切错断过的材料，采用残余强度。文献[5]为我国现行拱坝设计的电力行业标准，对抗剪断强度参数取值的规定与文献[2-4]的规定也存在一些差异。

国内外对岩体剪切试验获得的比例强度、屈服强度、峰值强度3个特征点的取值方法和相关关系做了很多研究[6]，一般认为：比例强度/峰值强度=0.5～0.6(平均比值0.55)；屈服强度/峰值强度=0.8～0.9(平均比值0.85)。

美国陆军工程师兵团编写的《拱坝设计》[7]中指出，直剪试验应在3种独立条件下进行：在未扰动试样上进行，以提供抗剪强度参数数据的上限值；在锯开的表面上进行，以提供抗剪强度下限值或残余抗剪强度值；在自然断裂上进行，以提供抵抗沿这些断裂面滑动的剪力摩擦参数数据。必须考虑粗糙度对节理的抗剪强度的影响，在相对较低的正常荷载作用下，抗剪强度可按下式作保守估计,即

S=Ntan(φr+i)。

(1)

式中：S为抗剪强度；N为作用在断裂上的法向应力；φr为残余摩擦角；i为粗糙角。在该式中，假设在低法向应力作用下，发生的破坏将导致楔形体凸出于粗糙面而不是剪穿它们，则黏聚力忽略不计。残余摩擦角从锯开表面的直剪试验取得，并且应取自试验值范围内的大约下1/3点处。粗糙角应取自对地基内有代表性的节理的实际量测。

文献[7]的规定与我国规范的规定存在差异。

2.2 抗剪强度参数统计方法

在我国水利水电工程中，根据试验成果进行统计分析，确定岩体抗剪强度参数的统计分析方法较多，一般方法有：图解法、点群中心法、最小二乘法、优定斜率法等。不同的试验成果统计方法，可能导致即使采用同样的试验样本，选取的抗剪强度参数会存在一定差异，并直接影响抗滑稳定分析成果。以上几种统计方法得出的τ(抗剪力)-σ(法向荷载)相关关系均为直线，均属于直线法。

美国垦务局编制的《拱坝设计》[8]一书中指出，在岩石内有节理的情况下，抗剪强度基本上是由滑块摩擦产生的，而且通常不与法向荷载成直线关系，在有限的法向荷载范围内，才能假定抗剪强度与法向荷载成直线关系，否则可能高估或低估岩体的抗剪强度。因此，应当用曲线来表示抗剪力与法向荷载的关系。文献[8]的规定与我国目前通常采用的抗剪强度参数统计方法有一定差异。

3 锦屏一级拱坝岩体抗剪强度参数取值

3.1 试验参数取值

锦屏一级水电站坝区共完成抗剪(断)强度现场试验54组，其中岩体28组，结构面26组。从总体上看，试点基本覆盖了坝区各类岩体和结构面，为坝区岩体和结构面强度参数的合理选取提供了依据。

3.1.1 坝区岩体抗剪(断)强度特性

对坝址区54组岩体原位抗剪试验、共计270个试点的应力-变形曲线分析后，坝区岩体抗剪破坏特性可归为3类：脆性破坏和塑性破坏以及这2种破坏的复合型。现分述如下。

(1) 脆性破坏型。这种类型大多数出现在Ⅱ，Ⅲ1级岩体中，其剪断破坏型式多呈脆性破坏，峰值和残余强度值特征点明显。

(2) 塑性破坏型。这种类型在低强度岩体中如Ⅲ2，Ⅳ，Ⅴ级岩体出现，结构面破坏型式基本也是此种类型。

(3) 上述2种曲线的复合型，这类曲线在试验中为数不多，主要出现在Ⅳ2级岩体和起伏较大的刚性结构面中，约占试验总数的5 %～10 %。

二次剪的破坏类型为塑性破坏型式。

3.1.2 强度特征点的确定

为探讨锦屏一级水电站坝区岩体各强度特征点的相关性，对抗剪断强度试验资料进行了统计分析，得到如下关系:① 岩体，比例强度/峰值强度=0.50～0.70(平均0.66)，屈服强度/峰值强度=0.77～0.89(平均0.84)；②刚性结构面，屈服强度/峰值强度=0.73～0.88(平均0.81)；③软弱结构面，屈服强度/峰值强度=0.76～0.89(平均0.86)。根据试验成果，锦屏一级拱坝坝基岩体及结构面抗剪强度试验参数的整理及标准值取值主要根据文献[5]的规定，采用以下方法确定。

(1) 结合现场地质特征，抗剪断指标按峰值强度取整选取，抗剪指标取比例极限，由于剪应力-剪切位移关系曲线上比例极限点不易确定，采用二次剪峰值强度的0.9折减，并考虑不同岩类的差异，综合分析选取。

(2) 各类结构面剪断类型以塑性破坏为主，抗剪断指标按峰值强度取整作为建议值，抗剪指标应取屈服强度，由于剪应力-剪切位移曲线上屈服极限点不易确定，采用一次剪残余强度的0.89折减作为建议值。

3.2 参数统计整理方法

3.2.1 采用不同统计方法获得抗剪强度参数

如前所述，根据测试成果进行统计整理确定岩体强度参数的方法很多，常用方法有：点群中心法、最小二乘法、优定斜率法等。通过对几种方法的比较，锦屏一级水电站强度参数统计方法以优定斜率法为主，同时也进行了最小二乘法取值整理。优定斜率法的具体做法是将同一岩级的成果点绘制在τ-σ关系图上，根据图上散点的总体趋势，并参考现行规程规范、国内外有关工程的经验，以及室内抗压、抗拉成果所确定的摩尔圆切线斜率，比较论证后优定出各类岩体和结构面强度的斜率f；同时，根据点群范围，在τ-σ曲线图上找出其上限、下限值，从而取定黏聚力c值范围，由此得出岩体和结构面试验成果整理值。

表2为根据试验成果，采用不同统计方法得到的锦屏一级拱坝坝区各级岩体及断层抗剪强度参数值及地质建议的抗剪强度参数值。其中，试验平均值为算术平均值；地质建议值为采用优定斜率法成果整理值作为试验成果标准值和建议参数选取的基本依据，综合考虑了试验及坝区现场的地质条件后确定。

表2 坝区岩体及断层抗剪参数

3.2.2 拱坝坝肩典型滑块稳定分析

3.2.2.1 分析方法及控制指标

锦屏一级拱坝坝肩抗滑稳定分析主要根据文献[5]的规定，采用刚体极限平衡法进行计算分析。

文献[5]采用分项系数形式分析剪摩稳定时，抗力特性分为2项处理，主要考虑f和c是不同的抗力，其不确定性有较大差异，f值不确定性小一些，c值不确定性大一些[9]。因此，用分项系数表达的稳定安全度，随黏聚力与摩擦力所占权重不同而变化，当黏聚力权重增加时，由于其变异性大于摩擦力，分项系数的计算结果所要求的安全度要高一些；反之，要求的安全系数会适当下降，即随黏聚力及摩擦力所占权重不同，所要求的安全系数不是一个恒定值，而是在一个范围内变化。为方便对典型滑块的稳定计算情况进行评价，将文献[5]中的分项系数转化为单一安全系数(见表3)，由于f，c变异性的差异，所要求的安全系数在一定范围内变动，下限为黏聚力权重为0时所要求的安全系数，上限为摩擦力所占权重为0时的安全系数。锦屏一级拱坝安全级别为Ⅰ级，故采用安全级别为Ⅰ级的控制指标。

表3 文献[5]刚体极限平衡法坝肩稳定计算换算成单一安全系数后的控制指标

3.2.2.2 典型滑块稳定分析

锦屏一级拱坝坝区左岸f5，f8断层、煌斑岩脉、深部裂缝、f2断层和顺层挤压带是影响左岸坝肩稳定的主要工程地质问题，根据组合分析，上述众多结构面可能构成影响左岸坝肩抗滑稳定的多个可能滑块，因篇幅所限，以其中的2个典型滑块为例进行稳定分析。滑块1以f5断层(产状N35～55°E/SE∠65～80°)为侧滑面，底滑面为第6层大理岩内剪断岩体(沿顺层挤压带，产状N25°E/SE∠5°)形成的一陡一缓滑动块体；滑块2以f5断层为侧滑面，f2断层(N25～40°E/NW∠30～50°)为底滑面。

表4为滑块1侧滑面及底滑面的抗剪参数，f5断层的抗剪强度参数直接采用表2中参数，第6层大理岩剪断岩体则按底滑面不同组成的岩级，根据表2中参数，按面积加权平均计算得出。表5为滑块1、滑块2安全系数计算值。滑块2强度参数直接采用表1中断层参数。

表4 滑块1的抗剪参数

表5 滑块1和滑块2稳定安全系数统计

从以上计算结果可以看出：

(1) 试验平均值及最小二乘法试验成果整理值，抗剪参数大于优定斜率法试验整理值；地质建议值在优定斜率法基础上取值，考虑了试验及坝区现场的地质条件，某些参数低于优定斜率法取值。

(2) 2个典型滑块稳定安全满足规范要求。

(3) 由于不同参数统计方法的差异，采用各方法所得参数进行拱坝抗滑稳定分析，对同一滑块，计算出的稳定安全系数有一定差异。

3.2.2.3 锦屏一级拱坝岩体抗剪强度参数统计整理方法

锦屏一级拱坝岩体抗剪强度参数整理采用了点群中心法、最小二乘法和优定斜率法3种方法，经对比分析，最终采用优定斜率法整理、选取强度参数。在优定斜率法试验成果整理值的基础上，根据水电工程规范，结合各代表类型的工程地质条件，确定出地质建议值。地质建议值摩擦因数f以整理成果为准，黏聚力取优定斜率法c值的下限，以确保将岩体的抗剪强度水平限制在组成岩体的大多数基本单元所能承担的范围内，避免因某些薄弱单元的破坏而危及岩体的整体安全。

4 结 语

(1)对坝基抗剪强度参数标准值的取值，我国不同规范的规定有一定差异。锦屏一级拱坝工程坝基抗剪强度参数的获取，采用试验成果，按DL/T5346—2006《混凝土拱坝设计规范》[5]相对应的要求取得。由于试验曲线上的某些特征点不易定出，根据相关分析，采用易于确定的特征点经换算后得出。

(2)我国规范对抗剪参数的统计方法没有做出强制性规定，国内各单位又有一套自己的做法，可能导致即使针对同一工程，得出的抗剪参数采用值会有一定差别，由于抗滑稳定控制标准一致，可能对同一工程的坝肩抗滑稳定会做出不一样的评价。锦屏一级拱坝采用的抗剪强度参数统计方法为在优定斜率法取值的基础上，考虑了试验及坝区现场的地质条件后，进行调整后的地质建议值。

(3)锦屏一级拱坝工程规模巨大，地质条件复杂，为取得具有代表性的岩体抗剪强度参数，进行了大量原位大剪试验，在此基础上，进行了试验成果特征点取值、统计整理方法的深入研究，其成果可供类似工程参考。

参考文献：

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