九甸峽水利樞紐壩址區(qū)巖體力學(xué)試驗結(jié)果分析

劉正雄

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概況

九甸峽水電站是黃河上游右岸大支流洮河上最大的水電站，電站最大壩高133.0m，壩頂高程2206.5m，正常蓄水位2202.0m，總庫容9.43億m3，電站總裝機容量300MW(3×100MW)，多年平均發(fā)電量9.94億kW·h[1]。

壩址區(qū)地層巖性為上石炭下二迭統(tǒng)(C3-P1)巨厚層灰?guī)r和角礫狀灰?guī)r，二者無明顯分界，巖性致密堅硬，耐風(fēng)化。受區(qū)域構(gòu)造影響，壩址區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，其中有兩組斷裂構(gòu)造規(guī)模較大，即近東西向壓扭性斷裂和近南北向張性斷裂。

為全面查清壩址區(qū)巖體力學(xué)性質(zhì)，了解其破壞機制、變形特性，在對工程區(qū)段地質(zhì)條件充分了解認識的基礎(chǔ)上，模擬工程巖體的受力狀況，通過大量的現(xiàn)場原位試驗，為工程地質(zhì)條件評價和工程設(shè)計提供巖體力學(xué)參數(shù)。

2 巖體變形試驗

2.1 巖體變形特征分析

巖體變形試驗是巖體在承受外力不超過抗壓、抗剪強度極限時應(yīng)力、應(yīng)變之間的關(guān)系，因為巖體本身是非彈性體，即彈性變形和塑性變形同時存在。為充分了解巨厚層灰?guī)r和角礫狀灰?guī)r的變形規(guī)律，研究其變形特性，采用沿鉛直方向加壓和沿水平順河向加壓兩種方法進行試驗比較。試驗加荷方式為逐級一次循環(huán)法，最大壓力5.52MPa。

通過對壓力-變形關(guān)系曲線的研究分析，壓力(P)-變形(W)關(guān)系曲線的外包絡(luò)線類型，主要表現(xiàn)為直線型、下凹型和上凹型3種類型。

2.1.1直線型(彈性)

此類曲線的巖體反映出所受壓應(yīng)力與變形有較好的線性關(guān)系。它客觀地反映了巖體在加壓過程中，應(yīng)變隨應(yīng)力呈正比的增加，表現(xiàn)為總變形及塑性變形雖逐漸變大，但變、彈模隨應(yīng)力的增減變化不大。說明了試點部位巖體有較好的均質(zhì)性，且?guī)r體較完整裂隙不發(fā)育，如圖1所示。

圖1 直線型壓力-變形關(guān)系曲線

2.1.2下凹型(彈-塑性)

此類曲線的巖體在低應(yīng)力時變形較小，說明它在受力初期表部巖體起到一定程度的阻抗變形的作用。而應(yīng)力達到一定數(shù)值時其巖體變形量增大，巖體的抗變形能力減弱，其變模與彈模隨應(yīng)力的增加而衰減，但是在較高應(yīng)力下則趨于常數(shù)，如圖2所示。

圖2 上凹型壓力-變形關(guān)系曲線

2.1.3上凹型(塑-彈性)

此類曲線的巖體在受壓應(yīng)力作用時，巖體內(nèi)部的細微裂隙在低壓時被壓密，在低壓階段變形較大，而在壓應(yīng)力相應(yīng)提高時巖體的變形則逐漸變小，彈模隨之增大，并可接近于彈性反應(yīng)。此類試點巖體實際上可理解為兩個階段，既前者是巖體層間裂隙的壓密階段;后者則為近似直線變形階段，如圖3所示。

圖3 下凹型壓力-變形關(guān)系曲線

沿鉛直方向加壓和沿水平順河向加壓兩種方法測得變形模量和彈性模量沒有太大區(qū)別，因巨厚層灰?guī)r和角礫狀灰?guī)r沒有明顯的層理，抗分化能力強，左岸巖體裂隙不甚發(fā)育，變模相對較高；右岸巖體風(fēng)化程度較高，裂隙發(fā)育，大多試點變模相對較低。

2.2 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果按試點巖體的新鮮程度、風(fēng)化程度、裂隙發(fā)育情況、巖性及荷載施加方向等分析、歸納，結(jié)果見表1。

表1 巖體變形特征指標

注:表中數(shù)值，分子為范圍值，分母為平均值。

2.3 影響因素

影響巖體變形試驗結(jié)果的主要因素有：巖性、巖體結(jié)構(gòu)、風(fēng)化程度、加壓循環(huán)方式、時間效應(yīng)等。巖體結(jié)構(gòu)與風(fēng)化程度對其影響較大，如左岸巖體裂隙不甚發(fā)育，變模相對較高；右岸巖體風(fēng)化程度較強，裂隙發(fā)育，大多試點變模相對較低。巖體變形在宏觀上的特征值就是巖體在反復(fù)加(退)壓循環(huán)中，對于同一級壓力，不同加(退)壓循環(huán)對應(yīng)不同的變形，一般表現(xiàn)為后一循環(huán)的變形比前一循環(huán)的大。這是因為巖體中存在有裂隙、片理、層理、軟弱夾層、斷層等所致。每一次加壓中都或多或少地有殘余變形發(fā)生，而后一循環(huán)的變形總是在前一加壓循環(huán)的殘余變形的基礎(chǔ)上積累的，前后兩循環(huán)之間相隔有一定的時間，時間效應(yīng)也可能是造成不同循環(huán)變形差別的一個原因。

2.4 試驗結(jié)果可靠性分析

為了檢驗試驗結(jié)果可靠性，對試驗結(jié)果進行了數(shù)理統(tǒng)計分析，以便求出最佳值，對于微風(fēng)化-新鮮巖體，弱風(fēng)化巖體和裂隙發(fā)育巖體，統(tǒng)計分析求出保證率為P=95%和P=90%的指標值，并分別與0.9倍、0.85倍試驗平均值進行對比，做為變形特性指標建議值的依據(jù)，見表2。

3 巖/巖抗剪(斷)強度試驗

巖/巖抗剪(斷)強度試驗均采用直剪方案，剪切力水平順河向施加，垂直荷載分4～5級施加，最大正應(yīng)力為5MPa。

3.1 剪切破壞特征

從剪切的破壞機理及τ-ε曲線特征可以看出，基本上屬于彈-塑性破壞類型，曲線形態(tài)呈近似的拋物線型。一般均在剪應(yīng)力初期試體連同基巖一起位移，巖體表現(xiàn)出特有的阻抗變形能力，位移量較小。隨著應(yīng)力的逐漸增加，位移速率隨之增大，此時試體連同基巖一起位移，其位移呈非線性蠕動，基巖位移增量逐漸衰減，相對位移量逐漸增大，試體與巖體產(chǎn)生相對錯動，且位移量顯著增大，試體沿其薄弱面或?qū)娱g弱面產(chǎn)生塑性蠕動，在剪應(yīng)力不斷增加的情況下，即被剪切破壞，應(yīng)力迅速下降。試件只是以一定的速率沿破壞面滑動，巖體強度接近殘余強度。從剪切破壞后的試件斷面上看，大部分沿預(yù)估剪切面上半部試體破壞，凹凸不平，形狀起伏較大。說明各試件在剪切過程中所遇的剪切面形狀與面積、破壞型式與巖性或?qū)永?、裂隙發(fā)育程度等諸多因素有很大關(guān)系。

3.2 試驗結(jié)果

抗剪試驗參數(shù)結(jié)果(見表3)整理時，根據(jù)原始記錄，破壞面積的加權(quán)校正，巖體剪切面的破壞型式，試點的代表性進行分析，將工程地質(zhì)單元一致，工程巖體分級相近的試點歸納在一起，舍去不具代表性的異常值，按照庫侖公式τ=c+fσ，采用圖解法(以正應(yīng)力為橫坐標，剪應(yīng)力為縱坐標，繪制抗剪強度關(guān)系曲線，如圖4～5所示)和最小二乘法(見表4)比較求得。

表2 巖體變形特性統(tǒng)計分析 單位：GPa

表3 巖/巖抗剪強度結(jié)果綜合整理 單位：MPa

3.3 可靠性分析

抗剪強度參數(shù)可靠性分析用方差分析法進行。

由表4可知，通過一元線性回歸分析，以F-檢驗法進行顯著性檢驗，從分析結(jié)果中可看出，以各試驗的回歸方程作為其強度破壞準則保證率均在95%以上，即線性回歸確定的特性指標即c、tgφ均滿足95%以上的保證率，因此所提抗剪強度特性指標均可作為結(jié)果最佳值。

4 結(jié)語

巖體是受結(jié)構(gòu)面控制的復(fù)雜地質(zhì)體，由于不規(guī)則結(jié)構(gòu)面的存在，其力學(xué)特征呈現(xiàn)不均勻性和各向異性。九甸峽水利樞紐壩址區(qū)巖體力學(xué)試驗時段較長，試驗組數(shù)較多。在充分了解、分析地質(zhì)特性和地質(zhì)單元的基礎(chǔ)上，分類整理取值。巖體力學(xué)參數(shù)的建議值如下：

(1)巖體變形特性參數(shù)按不同的分化程度，不同的加荷方向，采用算術(shù)平均值的0.9倍作為試驗最佳值。新鮮-微風(fēng)化巖體變形模量28.7MPa，彈模量47.9MPa；弱風(fēng)化巖體：變形模量11.8MPa，彈性模量18.4MPa；裂隙發(fā)育巖體：變形模量2.3MPa，彈性模量3.9MPa。

表4 抗剪強度統(tǒng)計分析 單位：MPa

圖4 巖/巖抗剪強度關(guān)系曲線(新鮮-微風(fēng)化)

圖5 巖/巖抗剪強度關(guān)系曲線(弱風(fēng)化巖體)

(2)巖體抗剪試驗參數(shù)將同一地質(zhì)單元內(nèi)的全部試驗結(jié)果采用圖解法和最小二乘法，綜合確定該地質(zhì)單元內(nèi)抗剪強度參數(shù)的試驗最佳值。新鮮-微風(fēng)化巖體抗剪(斷)f=1.70，c=1.88，抗剪f=1.43，c=0.829；弱風(fēng)化巖體抗剪(斷)f=1.68，c=1.43，抗剪f=1.82，c=0.808。