深部破裂巖體質(zhì)量評價及力學參數(shù)獲取

李剛，王珣，伏坤，劉勇

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

1 前言

葉巴灘水電站位于四川省和西藏自治區(qū)界河金沙江上游干流上，與左岸一級支流降曲河的匯合口下游約4.5 km處，總裝機容量2 285 MW，以發(fā)電為主，同時具有環(huán)境保護、旅游等方面的綜合效益。

巖體質(zhì)量的分級主要包括圍巖、邊坡和壩基巖體工程質(zhì)量分級。國內(nèi)外對巖體質(zhì)量分級最初應(yīng)用與地下工程巖體質(zhì)量評價，經(jīng)歷半個世紀的發(fā)展和完善，逐漸應(yīng)用到邊坡和壩基工程中。巖體質(zhì)量評價在一個世紀的發(fā)展過程歷史中，各個時期出現(xiàn)具有代表性的分級方法。20世紀70年代以前，巖體質(zhì)量分級多為單一指標的定性或定量劃分，代表性的方法有Terzaghi 分類(1946)、Deere的RQD分級(1964)等。70年代以后，巖體質(zhì)量得到了很大程度的完善和發(fā)展，分級由定性向定量，由單一指標向多因素指標發(fā)展，代表性的方法有美國的Wickham巖石結(jié)構(gòu)(RSR)分類(1974，1978)、南非Bieniawski 的RMR 分類[1,2](1974，1976)、挪威Barton的Q分類[3](1974，1980)，日本菊地宏吉的壩基巖體分類(1982)，西班牙Romana的邊坡巖體SMR分類[4,5](1985，1988，1991)等。

我國對巖體質(zhì)量評價相對較晚，主要有中國學者谷德振等提出的巖體質(zhì)量系數(shù)(Z)分類[6](1979)、工程巖體分級標準(GB50218-94)的巖體基本質(zhì)量指標(BQ)法、水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB50287-2006)壩基巖體工程地質(zhì)分類法等。80年代后，隨著我國二灘、李家峽、三峽、拉西瓦、小灣、溪洛渡、錦屏等水電站的建設(shè)，結(jié)合各自的地質(zhì)特質(zhì)和工程要求，在規(guī)范或國標的基礎(chǔ)上提出適應(yīng)自己的巖體質(zhì)量分類方案。

深部破裂作為一種不良地質(zhì)現(xiàn)象存在于壩址區(qū)岸坡微新巖體內(nèi)部，使得巖體結(jié)構(gòu)變差，降低巖體質(zhì)量、劣化巖體強度，由于其充填、風化等基本特征較常規(guī)卸荷帶存在較大的差異。以葉巴灘水電站壩址區(qū)深部破裂為例，采用現(xiàn)場平硐調(diào)查和聲波測試等手段，揭示深部破裂的空間發(fā)育特征、破壞特征；基于深部破裂空間分布特征、變形破壞特征、賦存地應(yīng)力環(huán)境及其與構(gòu)造空間關(guān)系，提出深部破裂分類與變形模式?；谏畈科屏烟卣鳎虢Y(jié)構(gòu)面(破裂面)間距、縱波波速值、結(jié)構(gòu)面(破裂面)性狀，建立深部破裂新的巖體結(jié)構(gòu)類型及劃分方案?；赗MR巖體質(zhì)量分級方法，引入破裂巖體的“巖體體積破裂數(shù)K”，建立適用于深部破裂巖體修正RMR分級方法；依深部破裂巖體的現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗、修正RMR值及縱波速值為基礎(chǔ)，采用霍克布朗破壞準則獲得包含各類型深部破裂巖體的強度參數(shù)。

2 深部破裂巖體質(zhì)量評價研究

2.1 概況

圖1 壩址區(qū)深部破裂發(fā)育深度空間展示

2.2 深部破裂巖體評價存在的問題

比尼奧斯基(Bieniawski)的地質(zhì)力學分類主要對巖體的6個基本指標作為評價參數(shù)，其綜合考慮了巖體的結(jié)構(gòu)特點和所處的環(huán)境特征，并考慮了張開條件，適于節(jié)理巖體質(zhì)量評價。從指標上可以看出，該分類考慮的主要因素是結(jié)構(gòu)面間距及性狀，巖體完整性和地下水，這與其他分類方法考慮的因素是一致的，由于深部破裂是發(fā)育在微新巖體內(nèi)，因此分類中弱化了巖體的風化程度。

深部破裂與正常卸荷帶卸荷裂隙在風化程度、張開條件、充填物特征等存在差異。因此，在采用CSIR巖體分類方法對深部破裂巖體進行評價過程中評價指標間存在相互矛盾的問題，分類體系中雖然考慮結(jié)構(gòu)面的充填特征及張開度，但對于深部破裂該兩項指標存在相違背情況，如深部破裂張開寬度>5 mm，無充填，該兩項分值之和為6，較充填軟、硬物質(zhì)的得分高，顯然存在矛盾。

2.3 “單位體積深部破裂數(shù)K”的提出及巖體質(zhì)量修正

深部破裂的發(fā)育密度及張開度存在較大的差異，因此深部破裂巖體的劣化程度不同，如長10 m的深部破裂帶發(fā)育10條深部破裂，張開寬度都為毫米級，與長1 m的深部破裂帶發(fā)育1條張開寬度為10 cm的深部破裂對巖體的劣化程度存在較大的差異。因此對深部破裂巖體，不同類型深部破裂對巖體質(zhì)量的影響程度不同，而各分級方法對此考慮有所偏差，需對常規(guī)分級方法進行修正使其更適用于該水電站的深部破裂巖體。

為了更直觀的表現(xiàn)深部破裂對巖體質(zhì)量的劣化程度，引入巖體體積破裂數(shù)K。首先制定一個以2 m巖體為一個測網(wǎng)的統(tǒng)計標準，分4個等級，排除其他因素干擾，評分標準中包括深部破裂的發(fā)育數(shù)量、累計寬度兩個指標，以此量化反映深部破裂對巖體質(zhì)量的劣化程度(表1)。

表1 單位體積深部破裂數(shù)評價標準

巖體體積破裂數(shù)K按下列公式計算：

(1)

M=X1+X2+X3+X4

式中,Xn為每段深部破裂巖體符合第n等級的測網(wǎng)數(shù)；M為測網(wǎng)總數(shù)。

RMR法中深部破裂對巖體質(zhì)量的影響通過巖石質(zhì)量指標RQD、巖石強度Rc來體現(xiàn)。RMR法中各類型深部破裂對巖體質(zhì)量的影響有所不同，輕微松弛型段強化了深部破裂對巖體質(zhì)量的影響，而強烈松弛型段深部破裂對巖體質(zhì)量的影響考慮不足。結(jié)合深部破裂實際情況，將深部破裂作為一修正系數(shù)KRMR引入巖體質(zhì)量分級中，KRMR根據(jù)前文巖體體積破裂數(shù)與現(xiàn)場實際調(diào)查情況綜合取值(表2)。

表2 深部破裂巖體修正系數(shù)

修正系數(shù)為一個區(qū)間范圍值，當深部破裂巖體段巖體體積裂化數(shù)K值偏小，而RQD與回彈值都偏低時，修正系數(shù)KRMR適當取區(qū)間中的上限值，以此原則取值。根據(jù)上述修正方案，深部破裂巖體按下列公式計算RMR值：

RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6+KRMR

(2)

3 深部破裂巖體力學參數(shù)評價

3.1 變形參數(shù)取值研究

3.1.1 由巖體分類指標RMR獲取深部破裂變形參數(shù)

20世紀70年代以來，許多學者通過研究原位變形模量值(Em)與巖體分類指標RMR值之間的關(guān)系，建立了相關(guān)的關(guān)系式。1983年，Serafin和Pereira結(jié)合實際的工程補充新的試驗數(shù)據(jù)，在分析過去學者的建立的關(guān)系式的基礎(chǔ)上，建立了RMR與變形模量(Em)的近似關(guān)系式，關(guān)系式如下[7]：

(3)

3.1.2 由深部破裂巖體對穿縱波速Vp獲取變形參數(shù)

采用波速同向、同步測試方法，獲得的巖體波速與巖體變形模量，并對試驗點進行加權(quán)擬合(如圖2)，得到變形模量Em與對穿縱波速Vp的關(guān)系式，擬合曲線公式如下：

圖2 變形模量與對應(yīng)波速相關(guān)曲線

(4)

該關(guān)系式相關(guān)系數(shù)為0.92，可以用作分析巖體縱波波速對應(yīng)的變形模量。

3.1.3 深部破裂巖體變形參數(shù)結(jié)果對比分析

建立的RMR值-變形模量和縱波速Vp-變形模量具有較高的擬合關(guān)系，但兩者存在一些差異，通過縱波速獲得深部破裂巖體變形模量較RMR值獲得偏高，具體分析如下：

(1) 兩種方法獲得深部破裂巖體變形模量與規(guī)范中Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ級巖體RMR值和波速段界線的變形模量基本上一致。

(2) 通過縱波速獲得變形模量較RMR總體偏高0.6 GPa，平硐PD11(130～139 m)、PD15(90～120 m)變形模量值差異高達4 GPa以上，其他平硐差值在1 GPa左右。

(3)RMR為統(tǒng)計平硐資料的各個指標得到的分值，其與成硐過程中的爆破和后期的卸荷松弛有一定的關(guān)系，且受人為因素影響較大?？v波速為平硐硐壁1.0～2.0 m深度范圍測得巖體波速，其受爆破和卸荷影響較小，更能反映深部破裂巖體的真實特征。因此，通過縱波速獲得深部破裂變形模量更能反映真實值。

3.2 巖石單軸抗壓強度和經(jīng)驗參數(shù)m的獲取研究

巖石強度(σc)、m、s為Hoek-Brown經(jīng)驗強度準則中3個重要參數(shù)，其中參數(shù)m、s取值隨意性很大，目前沒有直接對經(jīng)驗參數(shù)的準確標定。因此，經(jīng)驗參數(shù)取值的準確程度，不僅給H-B準則帶來較大誤差，還直接影響對工程安全性的正確判斷。所以準確的獲得參數(shù)，為獲得巖體的強度參數(shù)起到重要的作用。通過單軸和三軸試驗獲得巖石強度，并通過三軸試驗獲得巖石的m值。

通過室內(nèi)三軸試驗獲得巖石強度和經(jīng)驗參數(shù)m，首先假設(shè)s=1，再通過三軸試驗數(shù)據(jù)的回歸計算的到m、σc，公式如下[8]:

令x=σ3，y=(σ1-σ3)2，有:

(5)

(6)

式中：n為σ1～σ3的組數(shù)(一般不小于5)。

計算出巖石的經(jīng)驗參數(shù)m后，把m值帶入(7)式后計算出參數(shù)s：

(7)

若計算得到的s小于零時，則令s=0，表示其為破碎巖體。

相關(guān)系數(shù)ρ2的值越接近1，表明上述方程與三軸試驗數(shù)據(jù)擬合程度越高，計算公式如下：

(8)

通過對3組室內(nèi)三軸試驗結(jié)果進行計算，相關(guān)系數(shù)均在0.953以上，巖石抗壓強度為163.35 MPa ～179.71MPa，平均值為169.87MPa。巖石的m值為14.09～21.41，平均值為17.06，見表3。

表3 三軸試驗計算獲得巖石抗壓強度及經(jīng)驗參數(shù)

3.3 利用霍克-布朗破壞準則對修正后RMR值估算強度參數(shù)

3.3.1 根據(jù)RMR值估算巖體經(jīng)驗參數(shù)m，s值

1983年P(guān)rest和Brown第一次將巖體質(zhì)量分類指標RMR值與經(jīng)驗參數(shù)m,s建立關(guān)系式。1988年為了把霍克-布朗準則與獲得的RMR值更好的聯(lián)系起來，霍克在總結(jié)了一系列的數(shù)據(jù)后，建立其間的相關(guān)公式，公式如下[9][10]：

對受擾動巖體

(9)

(10)

對未受擾動的巖體或相互聯(lián)鎖的巖體

(11)

(12)

式中，mi為新鮮完整巖石的m值，由三軸試驗獲得mi=17.06。

由于深部破裂巖體受前期的構(gòu)造和后期的改造的結(jié)果，可以看作為受擾動的巖體，采用公式(9)和(10)計算深部破裂巖體的經(jīng)驗參數(shù)值。

3.3.2 采用霍克-布朗準則獲取深部破裂巖體強度參數(shù)

Hoek-Brown強度準則整體適合于完整巖體或者破碎的節(jié)理巖體，以及穿切結(jié)構(gòu)而在巖體中產(chǎn)生的破壞，深部破裂巖體是在微新巖體中產(chǎn)生的拉伸破壞和剪切破壞，因此可以采用破壞準則獲取深部破裂巖體的強度參數(shù)。1983年，英國學者J.Bray博士根據(jù)Hoek-Brown狹義強度公式定義強度包絡(luò)線的形狀，發(fā)展了計算巖體或潛在破壞面上抗剪強度的方法[11]，具體公式如下：

(13)

(14)

(15)

(16)

ci=τ-σntgφi

(17)

式中，τ、σn為巖體破壞時剪應(yīng)力、正應(yīng)力(MPa)；φi、ci為在給定剪應(yīng)力和正應(yīng)力下巖體的瞬間內(nèi)摩擦角(°)和粘聚力(MPa)；σc為新鮮巖石單軸抗壓強度(MPa)；m，s為巖體經(jīng)驗參數(shù)。

通過壩址區(qū)數(shù)值模擬，深部破裂帶主應(yīng)力范圍為1.08～4.06 MPa，平均應(yīng)力范圍1.2～3.3 MPa，均值為2.5 MPa，見圖3、圖4。選取深部破裂巖體的破裂時正應(yīng)力值為2.5MPa。

圖3 壩址區(qū)Ⅲ勘線主應(yīng)力分布圖

圖4 壩址區(qū)Ⅲ勘線平均應(yīng)力分布圖

采用公式(11～15)計算得到深部破裂巖體的強度參數(shù)，3種類型深部破裂巖體強度參數(shù)如下：輕微松弛型深部破裂：f范圍為0.95～1.15，平均值為1.12，c范圍為1.15～1.50 MPa，均值為1.44 MPa；中等松弛型深部破裂：f范圍為0.75～1.00，平均值為0.92，c范圍為0.91 ～1.48 MPa，均值為1.10 MPa；強烈松弛型深部破裂：f范圍為0.46～0.98，平均值為0.75，c范圍為0.55～0.80 MPa，均值為0.88 MPa。

4 結(jié)論

(1) 在高應(yīng)力區(qū)，隨著河谷的下切或開挖，岸坡應(yīng)力處于不斷的調(diào)整狀態(tài)，在硬巖-堅硬巖中出現(xiàn)拉張性破壞，并賦存與岸坡的一定深度的微新巖體內(nèi)部。

(2) 在研究深部破裂巖體質(zhì)量的過程中，引入“單位體積深部破裂數(shù)K”對RMR系統(tǒng)進行修正，從而形成適于葉巴灘水電站壩址區(qū)深部破裂的分類體系。

(3) 以現(xiàn)場試驗、室內(nèi)三軸試驗及修正RMR評分為基礎(chǔ)，采用霍克-布朗破壞準則，獲得3種類型深部破裂巖體變形模量與強度參數(shù)。結(jié)果具有良好的區(qū)分度，且與宏觀地質(zhì)特征及現(xiàn)場測試結(jié)果吻合性較好。

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