黃河上游某水電站Ⅱ號變形體底滑面強度的參數(shù)選取及論證

王啟鴻，賈九名，常興兵，賈新會

(西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

黃河上游某水電站為黃河上較大的水電樞紐工程，建筑物由雙曲拱壩、壩身表孔與深孔泄水建筑物、發(fā)電地下廠房系統(tǒng)等組成，設計壩型為對數(shù)螺旋線雙曲拱壩，壩頂高程2 460 m，壩高250 m，水庫正常蓄水位2 452 m，電站總庫容10．79×108m3，裝機容量4 200 MW，多年平均發(fā)電量102．23 ×108kW·h．目前已正常發(fā)電運行近5 a［1］．

壩址區(qū)出露的巖層主要為中生代印支期花崗巖及三疊系淺變質(zhì)巖． 壩區(qū)山高坡陡、峽窄谷深，河流流向近EW 向，岸坡陡峻，呈明顯的“V”字型． 谷底至岸頂高差達600 ～700 m． 兩岸基巖裸露［2］． 壩址左岸緊鄰左壩肩下游的花崗巖體中發(fā)育Ⅱ號變形體，其穩(wěn)定性主要影響壩后消能區(qū)的安全，對電站施工及長期安全運行意義重大．

斷層、裂隙等相對于完整巖體均屬軟弱面，而且由于其常具有一定的寬度，成為巖體中的相對軟弱層帶［3］．這些軟弱層帶具有較低的力學參數(shù)特征，是控制建筑物、邊坡等穩(wěn)定的關鍵結(jié)構面［3］． 文中主要針對黃河上游某左壩肩下游的Ⅱ號變形體控制性底滑面Hf4 緩傾角斷層，在查明其控制性底滑面基本地質(zhì)特征的前提下，對Hf4 軟弱帶進行了現(xiàn)場大剪試驗、斷層泥室內(nèi)物理力學試驗、室內(nèi)中剪及便攜式直剪試驗、室內(nèi)軟弱層帶高壓試驗等一系列試驗．初步進行室內(nèi)試驗成果分析、變形參數(shù)評價，對比壩址區(qū)軟弱結(jié)構面試驗結(jié)果及相類似工程中軟弱結(jié)構面的力學參數(shù)，較為合理、可靠地論證了軟弱結(jié)構面的力學參數(shù)，在此基礎上，再選擇軟弱結(jié)構面的具體參數(shù)建議值．

1 工程地質(zhì)條件

1．1 Ⅱ號變形體工程地質(zhì)條件

Ⅱ號變形體位于左岸壩后花崗巖體中，前緣高程2 400 m，后緣高程2 650 m．其邊界為:上游側(cè)切割(滑)面F29，下游側(cè)切割面L145，底滑面Hf4，后緣拉裂面LF1． 此外，變形體還受內(nèi)部F132、F151、Hf33 等結(jié)構面分割，如圖1 所示． Ⅱ號變形體上游側(cè)為F29 沖溝，靠黃河一側(cè)為深切峽谷，在地形上兩面臨空，橫剖面如圖2 所示．

圖1 右岸山頂遠視Ⅱ號變形體全貌

圖2 Ⅱ號變形體橫剖面(單位:m)

1．2 Hf4 斷層帶地質(zhì)條件

Hf4 滑帶成分復雜、結(jié)構紊亂，帶內(nèi)糜棱質(zhì)、泥粉質(zhì)及細小構造角礫相互混雜，物質(zhì)松散、未膠結(jié)或膠結(jié)很差． Hf4 斷層帶總體產(chǎn)狀為NE40° ～80°SE∠5° ～18°;淺部產(chǎn)狀為NE65° ～80°SE∠15° ～18°;深部產(chǎn)狀為NE15° ～40°SW∠12° ～14°;局部產(chǎn)狀為NW290°SW∠5° ～10°，如圖3 所示． 其中寬度20 ～50 cm，充填紅色泥(厚約1 ～2 cm，較連續(xù))、白色泥(厚約0．2 ～0．5 cm)與鐵銹色巖塊互層，膠結(jié)差，面粗糙較平直，上盤影響帶0．5 ～0．8 m，下盤影響帶0．2 ～1．5 m，影響帶內(nèi)裂隙發(fā)育且充填物膠結(jié)較差，巖體較破碎，主要以鐵銹色碎裂巖塊為主，塊徑一般為0．3 ～0．5 m．

圖3 勘探點與抗剪硐實測坐標擬合的Hf4 斷層趨勢面

2 Hf4 斷層帶各項試驗成果

2．1 斷層帶泥的礦物成分確定

滑帶的化學成分及礦物成分是滑帶物理特性的一個重要方面，為了了解滑帶土的組成，需要對取得的滑帶土進行化學成分和礦物成分分析，分析結(jié)果可以從側(cè)面反映滑帶土的抗剪強度參數(shù)情況［4］． 比如蒙脫石含量稍高的滑帶土塑限含水量一般在28%或以上，而含伊利石的塑限含水量多為16% ～20%．當滑帶土的含水量為21%時，則含蒙脫石的滑帶土呈現(xiàn)固態(tài)，而含伊利石的已進入塑態(tài)．在這種情況下，即使含水量一樣，其抗剪強度參數(shù)也是不一樣的;呈現(xiàn)固態(tài)的強度高，而呈現(xiàn)塑態(tài)的強度低［4］．Hf4 斷層泥的組成物通過χ 衍射、紅外光譜分析、差熱分析、陽離子代換量等方法進行分析，獲得的礦物成分主要為石英、方解石、長石、伊利石、綠泥石等，其中黏土礦物僅伊利石一種［5］．

2．2 室內(nèi)、現(xiàn)場試驗成果

2．2．1 斷層帶泥的室內(nèi)物理力學試驗成果

為了更好地進行對比分析，對Hf4 和F29 斷層帶進行了多處取樣的室內(nèi)強度試驗，有室內(nèi)中型剪、便攜式直剪和斷層泥室內(nèi)常規(guī)等試驗，試驗成果見表1．

表1 室內(nèi)剪切試驗成果匯總

2．2．2 現(xiàn)場大剪試驗成果

表2 為天然狀態(tài)下各結(jié)構面的參數(shù)基本值．

表2 結(jié)構面現(xiàn)場剪切試驗成果匯總

2．2．3 結(jié)構再生試驗成果

將現(xiàn)場取得的Hf4 斷層帶試樣裝入高壓固結(jié)儀中進行壓縮，獲得不同壓力下泥質(zhì)物的孔隙比、含水量、密度，得出孔隙比與正應力的關系，然后利用有限元法計算出滑面上不同部位的正應力［4］． 根據(jù)孔隙比－含水量－正應力的相關關系，得到滑面上的含水量．再將滑帶土調(diào)制成不同含水量的試樣進行直剪試驗，得到含水量與抗剪強度之間的關系，進一步可得到滑面上不同部位的抗剪強度參數(shù)值，最后經(jīng)綜合比較后選取滑面的抗剪強度參數(shù)值，由試驗成果建立斷層泥質(zhì)物高壓試驗孔隙比(e)與壓力(P，單位MPa)的關系，經(jīng)相關分析獲得的關系式為:

由試驗成果建立的斷層泥質(zhì)物高壓試驗孔隙比與壓力P 的關系曲線如圖4 所示．

從圖4 中和高壓固結(jié)儀中得到的孔隙比可以看出，其值在0．600 以上(此時含水量為液限)的泥質(zhì)物在壓力達到3．2 MPa 時，泥質(zhì)物的孔隙比將降低至0．269 ～0．390，飽和含水量由25%降至10% ～14%．這反映出，處于高壓下的泥質(zhì)物有低的孔隙比、低的含水量和高的干密度． 獲得不同部位斷面上的應力值后，可以利用前面高壓試驗成果得到的壓力－孔隙比關系式(1)分析斷層泥質(zhì)物的性狀特征——孔隙比及對應的飽和含水量．然后結(jié)合建立的強度參數(shù)與物性指標、狀態(tài)指標的關系式，研究強度參數(shù)的基本量值［6］．為此開展了較多室內(nèi)強度試驗．

圖4 Hf4 斷層帶泥質(zhì)物高壓試驗的e－P 曲線

現(xiàn)場取了Hf4 斷層帶泥質(zhì)物樣品，在室內(nèi)制成不同含水量、不同性狀指標Ws/Wp(Ws為天然含水量;Wp為塑限含水量)的試樣． 這里將Ws/Wp稱作性狀指標是因該分式中Ws可代表含水量，也可代表泥質(zhì)的孔隙比(孔隙比e 與飽和含水量有一一對應關系)，還可代表干密度(因為土的密度Q ≈2．70 g/cm3．由e=(Q/rd)－1 可知，當Q≈常數(shù)，則e 和rd呈反比關系;可以通過rd=Q/(1 +e)計算出干密度)．因此，Ws可表征泥質(zhì)物的基本物理指標．當Ws/Wp=1 時，此時泥質(zhì)物處于塑/固態(tài)的臨界狀態(tài);當Ws/Wp＜1 時，泥質(zhì)物為固態(tài);當Ws/Wp＞1時，泥質(zhì)物可為液態(tài)． 因此，Ws/Wp的高低可以表征泥質(zhì)物的不同狀態(tài)，因此稱為性狀指標．

將制成的不同性狀指標的試樣進行剪切試驗，獲得其對應的c、f 值，具體結(jié)果見表3．

表3 PD19 平硐軟弱面Hf4 斷層帶泥質(zhì)物不同性狀時的強度參數(shù)匯總

將表3 中的Ws/Wp與c、f 進行相關分析，得到c與Ws/Wp、f 與Ws/Wp的相關方程及曲線，如圖5、圖6 所示．

圖5 斷層帶泥質(zhì)物試樣的f－Ws/Wp 關系曲線

圖6 斷層帶泥質(zhì)物試樣的c－Ws/Wp 曲線

從圖5 和圖6 中可以看出，這些指標間有良好的相關性，可以用來評價斷層的強度參數(shù)．2．2．4 Hf4 斷層帶泥質(zhì)物強度的確定

前面已經(jīng)建立了泥質(zhì)物孔隙比e 與壓應力P 的關系，用有限元方法計算出各斷層面上的正應力．將計算的正應力代入壓力P 與e 的相關方程，便可得到相應的天然條件下泥質(zhì)物的孔隙比基本值． 由下式可以計算出泥質(zhì)物的含水量Ws．

當Sr=100%時，

式中:Sr為飽和度，%;G 為泥質(zhì)物密度;e 為泥質(zhì)物孔隙比;W(Ws)為含水量．

同時，應用試驗成果建立了泥質(zhì)物不同性狀條件下的摩擦系數(shù)、黏聚力的相關方程(4)、(5);將計算得到的Ws除以Wp，即Ws/Wp分別代入式(4)、(5)，便可以計算出泥質(zhì)物的基本強度指標．

計算可得:f 峰值的平均值為0．45，c 峰值的平均值為0．43 MPa．

3 關于底滑面Hf4 強度參數(shù)的分析論證及確定

3．1 室內(nèi)試驗成果的分析

由上述室內(nèi)和現(xiàn)場試驗成果繪制出中剪試驗的τ－σ 關系圖，如圖7 所示．由于中剪和現(xiàn)場大剪試驗都是以同一條斷層為主，因而兩項成果具有可對比性和基本一致性． 大剪τ － σ 關系曲線如圖8所示．

圖7 室內(nèi)中型剪斷試驗的τ－σ 關系圖

圖8 現(xiàn)場抗剪(斷)試驗的τ－σ 關系圖

由圖7 和圖8 可知，大剪試驗的點群中心值、中剪的上、下限值與圍壓狀態(tài)下與結(jié)構面充填物性狀的計算值相近，大剪的試驗值實際上均為受過次生變動、夾泥較多的強度參數(shù)值．現(xiàn)場開挖軟弱帶土會有一定程度的松弛，需再造樣． 因此，通過這種試驗方法得到的滑帶土抗剪強度參數(shù)與真實狀態(tài)下的滑帶土的抗剪強度參數(shù)有一定的差別，室內(nèi)試驗值和便攜式直剪試驗值顯示的數(shù)值均偏高，受試驗重塑制樣和方法本身的限制，這些試驗成果只能作為參考．

3．2 現(xiàn)場大剪試驗成果分析

從表2 可以看出，底滑面Hf4 的所有試驗強度值均很接近，抗剪摩擦系數(shù)峰值f 為0．34 ～0．37，黏聚力c 為0．06 ～0．07 MPa．PD19 －1 號平硐中一點c 值高達0．30 MPa，因該點位于Hf4、F29 結(jié)構面下盤巖體中，結(jié)構面性狀好于29 號平硐和19 －1 號平硐中受過重力蠕滑錯動的Hf4 結(jié)構面． 同樣，19 號平硐中Hf7 結(jié)構面上部裂隙中的一組大剪成果值更高，峰值f 為0．6，c 為0．195 MPa．值得指出的是，在29 號平硐、19 －1 號平硐中Ⅱ號變形體底滑面Hf4上做的2 組大剪試驗成果中，抗剪強度值與抗剪斷強度值完全一樣．說明經(jīng)上部變形巖體的重力蠕滑錯動后，Hf4 結(jié)構面的強度已接近殘余值．

從以上試驗成果可以看出，Hf4 結(jié)構面強度值總體較接近，比較整個壩址區(qū)同類結(jié)構面強度的試驗成果可知，其他部位各類結(jié)構面的大剪試驗值(如Hf8、Hf10、Hf3 等)，一般f 為0． 4 ～0． 5，c 為0．08 ～0．13 MPa，c 最大為0．25 MPa． 這充分說明，作為變形體滑動面的F29、Hf4 結(jié)構面，在上部巖體產(chǎn)生滑動變形后，其力學性能顯著降低．

3．3 底滑面Hf4 參數(shù)的確定

各試驗方法所得的底滑面Hf4 的強度參數(shù)平均值見表4．

表4 各試驗方法所得的強度參數(shù)平均值

從表4 中可看出，其中摩擦系數(shù)f 為0． 35 ～0．47，盡管在各組試驗中存在一定的差異(f 可能是一個范圍值)，但其平均值之間差別較小，以標準值作為建議值，黏聚力c 為0．029 ～0．600 MPa，相對差別較大，可能受各部位含水率影響較大．試樣的制作過程中若不注意松弛吸水，必然會造成平硐中有地下水，水流滴滲到試件上，造成試件含水量發(fā)生變化，而無水平硐中的試樣能保持初始狀態(tài)．

另外現(xiàn)場調(diào)查表明，大部分取樣或試驗位置有連續(xù)的夾泥，少部分為巖屑型或巖屑夾泥型．試驗成分的差異可能導致試驗結(jié)果的差異，因此試驗結(jié)果的c 值較為分散． 對多組試驗進行統(tǒng)計分析，取80%的試樣保證率．

綜合考慮各試驗方法的試驗條件、結(jié)構面性狀、充填物礦物成分和變形體現(xiàn)今特征［7］，對底滑面Hf4 飽和狀態(tài)下的力學參數(shù)的建議取值見表5．

表5 Ⅱ號變形體底滑面Hf4 的抗剪參數(shù)建議取值

4 結(jié) 語

在我國大型水電站興建過程中，經(jīng)常遇到軟弱結(jié)構面控制不良的地質(zhì)體，這些地質(zhì)體影響軟弱結(jié)構面的抗剪強度的因素錯綜復雜． 文中在分析論證室內(nèi)、現(xiàn)場試驗成果的基礎上，結(jié)合結(jié)構面本身的性狀和工程特性給出了Ⅱ號變形體控制性底滑面的抗剪強度參數(shù)的建議取值．實際應用中，因軟弱面地質(zhì)結(jié)構成分和性狀對參數(shù)的影響較大，同類工程中要綜合考慮影響軟弱結(jié)構面的各種因素．

［1］萬宗禮，劉釗，楊永明，等．黃河上游某水電站工程可行性研究報告(第三篇·工程地質(zhì))［R］．西安:中水顧問集團西北勘測設計研究院，2002．

［2］姚栓喜，陳永福，劉志新，等．黃河上游某水電站工程拱壩結(jié)構設計專題報告［R］．西安:中水顧問集團西北勘測設計研究院，2002．

［3］萬宗禮，聶德新，楊天俊． 高拱壩建基巖體的研究與實踐［M］．北京:水利水電出版社，2009．

［4］東北大學，總參工程兵第四設計研究院，中鐵西南科學研究院有限公司，等． 工程巖體分級標準:GB/T 50218—2014［S］．北京:中國計劃出版社，2015．

［5］張咸恭，聶德新，任光明，等．圍壓效應與軟弱夾層泥化的可能性分析［J］．地質(zhì)論評，1990，36(2):160 －166．

［6］黃潤秋，萬宗禮，聶德新，等．黃河上游某水電站高邊坡穩(wěn)定性的系統(tǒng)工程地質(zhì)研究［M］．成都:成都科技大學出版社，1991．

［7］王啟鴻，王淼，馬毅樂． 高拱壩可利用巖體標準的確定［J］．華北水利水電學院學報，2010，31(4):123 －126．