承德市雙峰寺水庫(kù)巖體力學(xué)指標(biāo)分析

楊瑞銀，黨鳳琴

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

承德市雙峰寺水庫(kù)巖體力學(xué)指標(biāo)分析

楊瑞銀，黨鳳琴

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

野外大型混凝土與巖體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，主要測(cè)定混凝土與巖體兩者接合部位的抗剪（斷）強(qiáng)度，為工程設(shè)計(jì)提供建筑物表層抗滑穩(wěn)定與深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算中的主要力學(xué)參數(shù)摩擦系數(shù)f值、凝聚力C值。巖體變形試驗(yàn)是測(cè)定工程設(shè)計(jì)中所需要的巖體變形模量與彈性模量力學(xué)參數(shù)，獲得巖體的變形特征。

混凝土與巖體抗剪（斷）試驗(yàn)；巖體變形試驗(yàn)；摩擦系數(shù)；凝聚力；彈性模量；變形模量

1 工程概況

擬建的雙峰寺水庫(kù)位于灤河一級(jí)支流武烈河干流上，水庫(kù)地處承德市區(qū)上游12km，總庫(kù)容1.37億m3，設(shè)計(jì)正常蓄水位389.0m，壩頂高程397.1m，最大壩高52.1m，是以流域防洪為主，兼顧城市供水生態(tài)環(huán)境及發(fā)電等綜合利用的大（Ⅱ）型水利水電樞紐工程。

工程在初步設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)勘察中，為給設(shè)計(jì)提供重要的巖體力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行了野外大型混凝土與巖體抗剪（斷）試驗(yàn)及巖體變形試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)場(chǎng)地及試點(diǎn)位置的確定

試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在壩址區(qū)勘探平洞內(nèi)，平洞位于軸線右壩肩下游側(cè)溝谷，山體最大高程（沿壩軸線）463.0m，洞軸線走向平行于壩軸線，洞口高程390.0m，洞徑2m×2m，平洞長(zhǎng)104.0m。

洞室揭露的圍巖為太古界塔子群（Arb）黑云斜長(zhǎng)片麻巖，顏色以灰黑、灰綠為主，片麻狀構(gòu)造，中粗粒結(jié)構(gòu)，主要礦物成分為長(zhǎng)石、石英、黑云母、角閃石，巖石具混合巖化特征，故巖石片麻理不甚清晰，局部微顯片麻理構(gòu)造。

依據(jù)洞室地質(zhì)編錄，0～25.0m洞段為強(qiáng)風(fēng)化巖體，25.0～104.0m段為弱風(fēng)化巖體，洞室內(nèi)未見較大的構(gòu)造岀露，僅以構(gòu)造節(jié)理為主。0～25.0m段節(jié)理發(fā)育主要有3組節(jié)理：①組走向NE30°，傾向SE，傾角41°，節(jié)理間距10～15cm；②組走向NE45°，傾向NW，傾角40°，節(jié)理間距10～15cm；③組走向NW310°，近直立，節(jié)理間距10～20cm；3組節(jié)理面均有紅褐色夾泥或泥膜。25～104m段主要發(fā)育NE、NW向7組節(jié)理，節(jié)理面大多呈閉合或微張開，局部節(jié)理面有泥膜。

開挖期間段內(nèi)大部為潮濕，局部有滴水現(xiàn)象，段內(nèi)無(wú)嚴(yán)重影響洞室穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面存在。

合理確定試點(diǎn)邊界條件是保證試驗(yàn)成果質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，混凝土與巖體抗剪試驗(yàn)同組試驗(yàn)巖體巖性基本相同，各試點(diǎn)間距離不宜小于最小邊長(zhǎng)。巖體變形試點(diǎn)邊緣至洞壁邊緣距離大于承壓板直徑的1.5倍，試點(diǎn)間距大于承壓板直徑的3倍。試點(diǎn)表面以下3倍承壓板直徑范圍內(nèi)的巖性相同。

在保證合理的邊界條件下，依據(jù)洞室?guī)r體風(fēng)化分段，將浮渣及試點(diǎn)表層擾動(dòng)巖體清除干凈，選擇試點(diǎn)。抗剪試驗(yàn)4組，其中強(qiáng)風(fēng)化1組，弱風(fēng)化3組；變形試驗(yàn)2組，其中強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化各1組。

3 試驗(yàn)制備與方法

混凝土與巖體抗剪試驗(yàn)及巖體變形試驗(yàn)試點(diǎn)面積定為2500cm2，在選定的試點(diǎn)位置進(jìn)行細(xì)鑿，混凝土與巖體抗剪試驗(yàn)面起伏差不超過0.5～1.0cm，變形試驗(yàn)試點(diǎn)承壓面不超過0.5cm。

承壓面以外1.5倍承壓板直徑范圍巖體表面要平整，清除擾動(dòng)巖石，無(wú)松動(dòng)巖塊。

試點(diǎn)面積刻鑿?fù)瓿珊螅M(jìn)行地質(zhì)描述?？辜粼囼?yàn)澆筑50cm×50cm混凝土試體，變形試點(diǎn)底板頂板用砂漿找平，試件經(jīng)過28d養(yǎng)護(hù)，確保有足夠的強(qiáng)度。

圖1 抗剪試驗(yàn)設(shè)備安裝

圖2 變形試驗(yàn)設(shè)備安裝

抗剪試驗(yàn)設(shè)備安裝見圖1。巖體變形試驗(yàn)采用中國(guó)巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)設(shè)備，巖體變形試驗(yàn)設(shè)備安裝見圖2。

抗剪試驗(yàn)采用平推飽和快剪法，變形試驗(yàn)采用圓形剛性承壓板逐級(jí)一次循環(huán)加荷法。

根據(jù)設(shè)計(jì)提出的壓力，按規(guī)范要求、千斤頂出力系數(shù)，計(jì)算出總荷載及分級(jí)荷載的試驗(yàn)表壓，試驗(yàn)過程按規(guī)程要求進(jìn)行。

4 混凝土與巖體抗剪試驗(yàn)成果整理分析

4.1 抗剪試驗(yàn)成果整理

（1）由原始資料計(jì)算法向應(yīng)力（σ），剪應(yīng)力（τ）及各級(jí)剪應(yīng)力下的剪切位移（υs）。

（2）繪制各法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力（τ）與剪切位移（υs）關(guān)系曲線。

（3）根據(jù)曲線關(guān)系，確定各法向應(yīng)力下的抗剪斷峰值和抗剪峰值，繪制各法向應(yīng)力與其對(duì)應(yīng)的抗剪斷及抗剪峰值關(guān)系曲線，按庫(kù)倫表達(dá)式τ=σtgφ+C，用圖解法確定相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

4.2 成果分析

4.2.1 τ～υs關(guān)系曲線

由于地質(zhì)條件不同，抗剪試驗(yàn)破壞形式亦有所不同，一般分為脆性破壞、彈塑性破壞及塑性破壞?？辜魯嘣囼?yàn)基本屬于脆性破壞，破壞前變形量較小，開始曲線呈直線型，一旦變形增加，試件即破壞，同時(shí)壓力下降試體發(fā)出響聲，τ～υs關(guān)系曲線見圖3。

圖3 第2組常規(guī)抗剪斷τ～υs關(guān)系曲線

這種破壞形式第1、2組表現(xiàn)尤為突出，3、4組稍差，分析原因，認(rèn)為由于后者長(zhǎng)期在水中浸泡所致，試體破壞時(shí)聽不到響聲。試件破壞后，繼續(xù)施加水平荷載，位移加大，一般保持位移大于6mm，以求得殘余抗剪強(qiáng)度。常規(guī)抗剪試驗(yàn)峰值與單點(diǎn)法抗剪試驗(yàn)峰值數(shù)值相近，相比較第2組常規(guī)抗剪峰值顯得高，接近抗剪斷峰值，分析其原因，可能是由于試件剪斷后，有的剪斷面起伏差稍大所致。

4.2.2 τ～σ關(guān)系曲線分析

4.2.2.1 常規(guī)抗剪斷峰值

無(wú)論強(qiáng)風(fēng)化或弱風(fēng)化，都有一定的規(guī)律性，離散性較小，正應(yīng)力大，剪應(yīng)力也大，符合一般規(guī)律。僅第4組正應(yīng)力1.26MPa級(jí)的剪應(yīng)力峰值大于正應(yīng)力1.68MPa級(jí)的剪應(yīng)力峰值。試驗(yàn)結(jié)束后，翻轉(zhuǎn)試件可見剪切面大部在混凝土本身剪斷，該點(diǎn)不是在預(yù)想的剪切面剪斷，故舍去。

4.2.2.2 常規(guī)抗剪峰值

第2組1.26MPa正應(yīng)力級(jí)的剪應(yīng)力峰值小于0.84MPa正應(yīng)力級(jí)的剪應(yīng)力峰值，試驗(yàn)結(jié)束后，翻轉(zhuǎn)試件可見有與抗剪斷情況相似的情況，這里只能說明混凝土強(qiáng)度小于混凝土與巖石剪切面強(qiáng)度，故不參與計(jì)算。其他點(diǎn)大都有一定的規(guī)律性，各點(diǎn)分布比較集中。

由于試驗(yàn)剪切破壞形式屬于脆性破壞，因此比例極限與屈服極限難以確定，所以試驗(yàn)只提峰值抗剪斷強(qiáng)度和峰值抗剪強(qiáng)度。τ～σ關(guān)系曲線見圖4。

圖4 第2組常規(guī)抗剪斷τ～σ關(guān)系曲線

當(dāng)設(shè)計(jì)要求提供抗剪強(qiáng)度時(shí)，往往利用抗剪斷指標(biāo)乘以折減系數(shù)得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)f、C，其折減系數(shù)一般為0.75～0.25，所得f、C進(jìn)行比較。

分析現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)際數(shù)據(jù)表明：抗剪和抗剪斷強(qiáng)度下的f指標(biāo)與f′指標(biāo)比值為0.5～0.77。強(qiáng)風(fēng)化巖體比值為0.7，弱風(fēng)化巖體若把偏高的第2組常規(guī)抗剪f舍去，經(jīng)統(tǒng)計(jì)弱風(fēng)化巖體比值一般為0.5～0.6。當(dāng)然這種關(guān)系僅是本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)際數(shù)據(jù)得出，這與巖性、強(qiáng)度、裂隙、風(fēng)化等地質(zhì)條件有關(guān)。

4.3 數(shù)據(jù)的選擇

通過τ～σ關(guān)系曲線分析，第4組1.26MPa正應(yīng)力的抗剪斷峰值偏大，而第2組1.26MPa壓力下的抗剪峰值偏小，所以不參加計(jì)算。匯總抗剪試驗(yàn)成果見表1。

表1 抗剪試驗(yàn)成果

表2 抗剪試驗(yàn)折減后匯總成果

由于滾連摩擦、試驗(yàn)誤差、時(shí)間效應(yīng)等因素，采用試驗(yàn)成果乘以折減系數(shù)以達(dá)到一定的保證率?？辜魯喾逯挡捎?.55；抗剪峰值采用0.67；C值采用0.5。折減結(jié)果見表2。

根據(jù)表2不同風(fēng)化程度的抗剪斷峰值、抗剪峰值與單點(diǎn)法抗剪的平均值（其中常規(guī)抗剪不考慮C值）得出抗剪強(qiáng)度建議值為：

（1）強(qiáng)風(fēng)化?；炷?巖體常規(guī)抗剪斷：f′=0.72，C=0.81MPa?；炷?巖體常規(guī)抗剪f=0.62；

（2）弱風(fēng)化?；炷?巖體常規(guī)抗剪斷：f′=1.10，C=0.85MPa?；炷?巖體常規(guī)抗剪f=0.80

5 巖體變形試驗(yàn)成果及分析

5.1 巖體變形試驗(yàn)成果整理

根據(jù)原始記錄，用板上有效表計(jì)算每級(jí)壓力下累計(jì)變形平均值，繪制壓力～變形關(guān)系曲線，找出全變形量和彈性變形量，計(jì)算各級(jí)壓力下變形模量和彈性模量。

變形試驗(yàn)通過剛性承壓板局部加載于半無(wú)限空間巖體表面，我們可視巖體為理想均勻各向同性的彈性體，測(cè)量巖體變形，按彈性理論公式計(jì)算巖體變形參數(shù)。

式中E0為巖體變形（彈性）模量（MPa）；W0為巖體變形（m）；P為按承壓板單位面積計(jì)算的壓力（MPa）；d為承壓板直徑（m）；μ為泊松比（強(qiáng)風(fēng)化采用0.3，弱風(fēng)化采用0.25）。

計(jì)算成果見表3。

5.2 成果分析

不同的曲線形式可反映巖體變形的不同特性，從壓力～變形關(guān)系曲線可見，曲線大體可歸納為3種類型，即上凹型、近似直線型、下凹型，見圖5～圖7。

強(qiáng)風(fēng)化（弱風(fēng)化上限）巖體變形曲線2/3為上凹型，1/3為近似直線型，弱風(fēng)化巖體下凹型較多，近似直線型次之，上凹型僅1條。

上凹型曲線表現(xiàn)為低壓時(shí)變形量較大，斜率較緩，后隨著壓力增加而逐漸增大，反映了隨壓力的增高巖體結(jié)構(gòu)面被壓密，塑形變形逐漸減小，模量值逐漸增大的趨勢(shì)。

近似直線型曲線，表現(xiàn)為開始變形較小，隨壓力增高，曲線呈線性關(guān)系，曲線斜率較陡反映了巖體具有較好的均質(zhì)性，表明巖體完整堅(jiān)硬、致密；曲線較緩，表明巖體剛度較低，反映了試點(diǎn)壓力范圍內(nèi)節(jié)理較發(fā)育。

圖51 -6試點(diǎn)σ～ε關(guān)系曲線

圖61 -2試點(diǎn)σ～ε關(guān)系曲線

圖72 -2試點(diǎn)σ～ε關(guān)系曲線

表3 巖體變形試驗(yàn)成果

下凹型曲線總變形量都很小，僅為0.016～0.145mm，此種類型變形機(jī)理表現(xiàn)為在低壓時(shí)變形很小且有一明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，隨著壓力的增加而變形量相對(duì)增大，這種曲線變形機(jī)理比較復(fù)雜，究其原因，認(rèn)為試點(diǎn)表層巖石強(qiáng)度較好，小壓力時(shí)試點(diǎn)面受力變形較小，隨著壓力的增大巖體受壓層增厚，當(dāng)應(yīng)力范圍擴(kuò)展到構(gòu)造節(jié)理面時(shí)變形量相對(duì)增大。

本試驗(yàn)場(chǎng)地巖石也做過室內(nèi)巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，弱風(fēng)化片麻巖巖石飽和吸水率比較小，平均值0.14%，顆粒密度平均值為2.80g/cm3，飽和抗壓強(qiáng)度43.8～142MPa，平均值為90.3MPa，干抗壓強(qiáng)度44.9～171MPa，平均值為108MPa，巖塊彈模為6.28×104MPa，泊松比為0.25，屬于較堅(jiān)硬—堅(jiān)硬巖石。與巖體彈模相比，巖塊彈模比較大，是比較合理的，室內(nèi)巖塊彈模代表巖石局部的力學(xué)特性，而野外彈模試驗(yàn)是代表巖體的力學(xué)特性。

5.3 數(shù)據(jù)的選擇

綜合分析，強(qiáng)風(fēng)化組E1-1試點(diǎn)巖體較完整，變形量小，模值較高，雖然在強(qiáng)風(fēng)化段，但已達(dá)到弱風(fēng)化巖體，可按弱風(fēng)化巖考慮。在弱風(fēng)化組E2-1試點(diǎn)最小一級(jí)壓力下的變形為零，無(wú)法計(jì)算變形模量和彈性模量，故把異常點(diǎn)舍去，不計(jì)算。其試驗(yàn)成果匯總見表4。

由表4得出不同風(fēng)化程度變形模量和彈性模量建議值。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）現(xiàn)場(chǎng)巖體變形試驗(yàn)是在外力作用下的變形特征，其變形是巖石、結(jié)構(gòu)面及充填物三者變形的總和，同一地段、同一巖性、同一風(fēng)化程度的巖體，在外力作用下，變形特征符合一般規(guī)律，但由于試點(diǎn)之間節(jié)理裂隙的疏密、方向及組合方式的不同，隧洞開挖所造成的松動(dòng)圈的深淺，造成不同試點(diǎn)在同一壓力下模量值存在著一定的差別。

表4 變形試驗(yàn)匯總

（2）混凝土與巖體直剪試驗(yàn)成果表明，隨著洞深由外往里巖石越來(lái)越好，抗剪斷峰值f′值逐漸增大，符合一般規(guī)律，而C值規(guī)律性稍差，認(rèn)為鑿制試面雖然按規(guī)范要求嚴(yán)格控制，但因地質(zhì)條件所限試點(diǎn)的平整度仍存在一定差別，這也造成C值規(guī)律性稍差的原因之一。

（3）本次試驗(yàn)利用右壩頭山體勘探平洞，野外巖體抗剪、變形力學(xué)試驗(yàn)工序較多，時(shí)間長(zhǎng)，投資相對(duì)較大，但為此獲得的大壩力學(xué)參數(shù)符合規(guī)律，建議設(shè)計(jì)可根據(jù)工程實(shí)際情況酌情采用。

［1］李佩賞.對(duì)野外大型混凝土與巖體（斷層）抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中幾個(gè)問題的探討［A］.中國(guó)水利學(xué)會(huì)勘探專業(yè)委員會(huì)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文專輯［C］.1999.

［2］SL2643—2001，水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［3］本書編委會(huì).巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)［K］.北京：水利電力出版社.1991.［4］郭建禮，劉建明.承德市雙峰寺水庫(kù)工程地質(zhì)問題［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2010（1）：50-53.

［5］河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.河北省承德市雙峰寺水庫(kù)可行性研究報(bào)告［R］.2009.

Analysis on the Rock Mechanics Index of Shuangfengsi Reservoir in Chengde City

YANG Rui-yin，DANG Feng-qin
（Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

Field large concrete and shear strength test of rock mass，the main determination and rock mass concrete bonding both parts of the shear（off）strength for the engineering design of all kinds of buildings to provide stability against sliding surface and deep sliding stability in the calculation of the main mechanical parameters of friction coefficient f value，the cohesive force c value.Rock mass deformation test t determine the rock mass deformation modulus and elastic modulus as learn parameter in the engineering design need，getting the rock mass deformation characteristics.

rock and concrete shear（off）test；rock mass deformation test；friction coefficient；cohesion；elastic modulus；deformation modulus；mechanics index determination

TU45

A

1672-9900（2012）02-0060-04

2012-02-27

楊瑞銀（1953-），女（漢族），河北正定人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)、巖土試驗(yàn)工作，（Tel）022-26154824。