阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)確定的經(jīng)驗(yàn)方法研究

趙發(fā)輝，趙宇飛，汪小剛，林興超，姬永尚

（1.云南省牛欄江-滇池補(bǔ)水工程建設(shè)指揮部，云南昆明650051；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100048；3.水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)確定的經(jīng)驗(yàn)方法研究

趙發(fā)輝1，趙宇飛2，汪小剛2，林興超2，姬永尚3

（1.云南省牛欄江-滇池補(bǔ)水工程建設(shè)指揮部，云南昆明650051；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100048；3.水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

在大型水利水電工程中，巖體強(qiáng)度參數(shù)是工程設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，強(qiáng)度參數(shù)的合理取值對(duì)工程設(shè)計(jì)、施工以及安全復(fù)核具有重要影響。新疆葉爾羌河阿爾塔什水利樞紐工程中，右岸高邊坡的穩(wěn)定對(duì)于整個(gè)樞紐工程具有決定性的作用。在右岸邊坡巖體質(zhì)量調(diào)查基礎(chǔ)上，利用GSI方法對(duì)邊坡巖體進(jìn)行質(zhì)量評(píng)分，結(jié)合提出的巖體質(zhì)量分類標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了右岸邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)的估算。在參數(shù)估算結(jié)果基礎(chǔ)上，參考我國(guó)水利水電工程中現(xiàn)行的工程地質(zhì)勘查相關(guān)規(guī)范中給出的各類巖體建議值以及以往工程中相關(guān)資料，提出了阿爾塔什水利樞紐工程中右岸高邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)的建議值。

巖體強(qiáng)度參數(shù)；巖體結(jié)構(gòu)；經(jīng)驗(yàn)方法；巖體質(zhì)量分類

1 研究背景

1.1 工程概況阿爾塔什水利樞紐工程位于新疆阿克陶縣庫(kù)斯拉甫鄉(xiāng)境內(nèi)葉爾羌河干流中游段，在喀什地區(qū)莎車縣的阿爾塔什村西，距莎車縣城130 km，是南疆第一大河葉爾羌河流域規(guī)劃中的第九個(gè)梯級(jí)電站，是以灌溉、防洪、生態(tài)、發(fā)電為開(kāi)發(fā)目標(biāo)的控制性水利樞紐工程。

阿爾塔什水利樞紐工程水庫(kù)正常蓄水位1 820m，最大壩高162.8m，總庫(kù)容22.40億m3，控制灌溉面積27.76萬(wàn)hm2，電站裝機(jī)容量660 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量20.66億kW·h，屬大（1）型Ⅰ等工程［1］。

1.2 阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡巖體地質(zhì)條件阿爾塔什水利樞紐壩址處地層較為單一，主要由海相沉積的石炭系灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r組成。壩址區(qū)葉爾羌河自西向東流，河道較順直，河谷狹窄，寬約300m，兩岸山頂高程在2 050～2 250m，山體高峻。壩址兩岸大部分基巖裸露，河谷呈不對(duì)稱的“U”型，右岸坡陡峻，邊坡走向近東西向，壩肩范圍內(nèi)坡度在高程1 845m以下一般50°～70°，在高程1 845m以上近直立，右岸坡高達(dá)566m，其中，壩頂以上坡高約406m［1］。

壩址區(qū)主要斷層據(jù)其展布特點(diǎn)可分為近東西向、北西和北東向三組，其中對(duì)右岸高邊坡影響最大的是F9斷層。通過(guò)阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡現(xiàn)場(chǎng)踏勘可知，在F9斷層以下巖體中，受到F9斷層在形成過(guò)程中的強(qiáng)烈影響，巖體大多較為破碎，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀受F9影響較大。在F9以上巖體，巖體結(jié)構(gòu)總體來(lái)說(shuō)較為完整。在右岸高邊坡中主要發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面，分別為傾向NW的卸荷裂隙，傾角大約為68°；傾向SW的巖層層面，傾角大約為42°；另外還存在一組與岸坡大角度相交的傾向E/SE的結(jié)構(gòu)面，傾角大約為66°。結(jié)構(gòu)面隨機(jī)測(cè)量得到的跡點(diǎn)圖與等密度分布圖如圖1所示。

1.3 巖體強(qiáng)度參數(shù)估算的經(jīng)驗(yàn)方法由于目前阿爾塔什水利樞紐進(jìn)行的室內(nèi)外巖體強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)目非常有限，因此，利用其他經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)估計(jì)對(duì)于在可研階段的工程設(shè)計(jì)與規(guī)劃就有重要意義。

目前，基于地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)法（GSI）的Hoek－Brown經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則是實(shí)際工程中常用的巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)估算方法。是由Hoek和Brown在RMR基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新的節(jié)理巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)估算方法，特別適用風(fēng)化巖體及非均質(zhì)巖體［2］。

利用GSI法進(jìn)行巖體力學(xué)參數(shù)估計(jì)，具體步驟有：（1）首先進(jìn)行不同位置巖體的GSI的評(píng)分；（2）結(jié)合高邊坡中各巖層的地質(zhì)描述，對(duì)右岸高邊坡中的巖體進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)；（3）最后利用Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則估算巖體的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)，如抗剪強(qiáng)度與變形參數(shù)。

其中，巖體的GSI評(píng)分主要由以下4方面決定：（1）巖體結(jié)構(gòu)；（2）結(jié)構(gòu)面性狀；（3）巖體中巖塊的抗壓強(qiáng)度；（4）巖性情況等。

2 阿爾塔什水利樞紐右岸巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的建立

阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡中巖體主要包括石炭系的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r以及白云巖，新鮮巖體完整堅(jiān)硬，巖體力學(xué)強(qiáng)度較高，但F9斷層核部以及其影響帶巖體較為破碎，對(duì)右岸高邊坡整體穩(wěn)定有控制作用。另外在右岸發(fā)育的輝綠巖脈以及其他小斷層較易風(fēng)化，巖體力學(xué)參數(shù)較低。為了更好地對(duì)阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算，首先對(duì)邊坡巖體進(jìn)行了質(zhì)量分類。

在壩址區(qū)巖體地質(zhì)勘察以及室內(nèi)外測(cè)試成果的基礎(chǔ)上，對(duì)阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡巖體進(jìn)行了初步的質(zhì)量分級(jí)，分級(jí)中主要考慮了巖體結(jié)構(gòu)、巖塊單軸抗壓強(qiáng)度參數(shù)、巖體聲波波速、巖體風(fēng)化程度等幾個(gè)方面，巖體質(zhì)量分級(jí)建議標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

3 阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡現(xiàn)場(chǎng)的GSI評(píng)分

在阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的GSI評(píng)分過(guò)程中，利用右岸高邊坡的踏勘便道，對(duì)右岸高邊坡中巖體進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)分，并結(jié)合巖體質(zhì)量分類表，對(duì)所評(píng)價(jià)的巖體進(jìn)行了分類。右岸高邊坡巖體GSI評(píng)分結(jié)果見(jiàn)表2所示。

在表中對(duì)GSI巖體評(píng)分位置、巖體巖性、邊坡巖體結(jié)構(gòu)類型、巖體中巖塊單軸抗壓強(qiáng)度等級(jí)以及巖體描述與所屬類別進(jìn)行了詳細(xì)記錄，為利用Hoek－Brown經(jīng)驗(yàn)方法合理估算巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)提供了重要的基礎(chǔ)資料。

4 阿爾塔什水利樞紐右岸巖體力學(xué)參數(shù)的估算

根據(jù)大量巖體和巖塊直剪、三軸試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)可知，巖體破壞包絡(luò)線為一條近似的拋物線，在應(yīng)用Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和?時(shí)應(yīng)該考慮巖體的應(yīng)力水平。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘可知GSI評(píng)分處的巖體大多位于右岸邊坡2 000 m高程附近，上覆巖體厚度約200 m，如邊坡巖體容重27.4 kN/m3，巖體的最大應(yīng)力水平約4.0 MPa。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)巖體應(yīng)力水平和GSI評(píng)分，應(yīng)用Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，計(jì)算得到右岸高邊坡的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3，典型的參數(shù)擬合曲線圖2所示。

在表3計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，對(duì)阿爾塔什右岸高邊坡中的巖體進(jìn)行了按巖體質(zhì)量分類進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到了各類巖體由GSI方法估算得到的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)，如表4所示。

結(jié)合《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）［3］中關(guān)于巖體力學(xué)參數(shù)推薦表，利用GSI方法分析得到的阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)，摩擦系數(shù)與規(guī)范推薦值較為相近，但其黏聚力卻較規(guī)范推薦值高，而計(jì)算得到的變形模量較規(guī)范推薦值也較高。其主要的原因可能是由于在右岸高邊坡中進(jìn)行巖體質(zhì)量GSI評(píng)分點(diǎn)較少，并且黏聚力的離散性較大，導(dǎo)致了得到的巖體強(qiáng)度參數(shù)與相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的建議值有一定的出入。

5 阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡巖體參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)類比

在以往的研究中，收集到了建國(guó)以來(lái)已建的水利水電工程中巖體試驗(yàn)資料，有巖體混凝土膠結(jié)面、軟弱夾層、無(wú)充填結(jié)構(gòu)面與巖體直剪四個(gè)方面，并對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的分類與整理?？紤]巖體結(jié)構(gòu)、巖體聲波波速、巖體變形模量、結(jié)構(gòu)面發(fā)育性狀等因素，將巖體分為五類，在此基礎(chǔ)上整理得到得了各類巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。對(duì)于巖體直剪，由于收集到的資料較少，因此僅僅得到了Ⅱ、Ⅲ與Ⅳ類巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)［4］，如表5所示。

另外，《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB/T50487-2008）對(duì)壩基巖體在規(guī)劃以及可研階段，資料缺乏時(shí)巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)提供了建議值，如下表6所示。

從表5中可以看出，實(shí)際試驗(yàn)中得到的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)一般較高，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮巖體中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育、地下水等其他因素，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行折減。表6中所給出的巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)是我國(guó)巖石工程界工程師和學(xué)者通過(guò)多年的工程經(jīng)驗(yàn)以及巖體剪切試驗(yàn)資料分類統(tǒng)計(jì)分析后提出的不同類別巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的較為合理的取值范圍，為實(shí)際工程中巖體強(qiáng)度參數(shù)選取提供了重要的參考與借鑒。因此，在阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)確定中，表5和表6的巖體剪切試驗(yàn)資料整理成果與重要的工程經(jīng)驗(yàn)是重要的參考。

利用GSI得到巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)的基礎(chǔ)上，綜合阿爾塔什水利樞紐地質(zhì)資料、以往工程經(jīng)驗(yàn)以及水利水電工程勘察規(guī)范中所提出的巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)取值范圍，最后提出的阿爾塔什右岸高邊坡巖體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)的綜合建議值如表7所示。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文對(duì)新疆葉爾羌河梯級(jí)的阿爾塔什水利樞紐右岸高邊坡巖體力學(xué)參數(shù)的確定的經(jīng)驗(yàn)方法可知，利用基于GSI方法的Hoek-Brown公式，對(duì)于非均質(zhì)巖體的力學(xué)參數(shù)的估算具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，通過(guò)本文的估算結(jié)果也可以看出，估算結(jié)果與相關(guān)規(guī)范的推薦值比較接近。另外，結(jié)合以往積累的寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)，以及國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的規(guī)程規(guī)范中提供的巖體強(qiáng)度參數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值范圍，利用經(jīng)驗(yàn)方法估算得到的巖體強(qiáng)度參數(shù)值，可以較為綜合全面地對(duì)沒(méi)有進(jìn)行試驗(yàn)或者工程試驗(yàn)資料較少的巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行估算。也可為日后在具體試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行巖體力學(xué)參數(shù)確定提供重要地參考與借鑒。另外通過(guò)研究也可知，對(duì)于在以往工程積累下來(lái)的工程經(jīng)驗(yàn)，要如何更加科學(xué)合理地參與到巖體力學(xué)參數(shù)的確定中，還需要進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。

［1］水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.新疆葉爾羌河阿爾塔什水利樞紐工程地質(zhì)報(bào)告［R］. 2010.

［2］陳祖煜，汪小剛，等.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理、方法與程序［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.

［3］汪小剛，董育堅(jiān).巖基抗剪強(qiáng)度參數(shù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

［4］中華人民共和國(guó)水利部.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［M］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

The app lication of em pirical m ethod to determ ine the strength param eters of the righ t bank slope in AERTASH I Hyd ropower Station

ZHAO Fa-hui1，ZHAO Yu-fei2，WANG Xiao-gang2，LIN Xing-chao2，JI Yong-shang3
（1.The Construction Headquartersof Niulan River-Dianchi Lakewater supplement Project，Kunming 650051，China；2.China instituteofwater resourcesand hydropower research，Beijing 100048，China；3.The Xinjiang instituteof investigation and design ofwater resourcesand hydropower projects，Urumchi 830000，China）

In large water and hydropower projects，how to determine the rock strength parameters has impor?tant implications for engineering design，construction，and safety review.In the AERTASHI water project，the right bank high slope stability p lays a decisive role in the whole project.On the quality survey of the right bank slope，the slope rock mass quality score was obtained by using the GSI method.And then the right bank slope rock strength parameters were estimated，consideering the rock mass quality classification criteria and the GSI score.Based on the estimated result of rock strength parameters and by referring to the recommended value of various rock mass in related existing specifications of the water and hydropower engineering geological exploration，the right bank high side slope rock mass strength parameters of AERTASHI water project had been presented.

rock mass strength parameters；rock mass structure the empirical method；rock mass quality classification criteria

TU452

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.003

1672-3031（2014）01-0015-07

（責(zé)任編輯：李琳）

2013-02-01

趙發(fā)輝（1972-），男，高級(jí)工程師，主要從事巖體工程力學(xué)等工程方面的研究。E-mail：zfhyx@qq.com