扎拉水電站傾倒變形巖體的工程性質(zhì)研究

張丙先

(長(zhǎng)江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

扎拉水電站所在河谷岸坡主要由板巖組成，普遍發(fā)生傾倒變形，變形特征具有典型性。傾倒后的巖體(以下簡(jiǎn)稱“傾倒變形巖體”)屬于一種特殊的節(jié)理化巖體。傾倒變形巖體的抗剪斷強(qiáng)度是分析邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。相關(guān)學(xué)者對(duì)節(jié)理化巖體力學(xué)特性的研究主要有以下幾個(gè)方面：含多組平行節(jié)理的巖體[1]，考慮卸荷損傷的柱狀節(jié)理巖體[2]，節(jié)理巖體卸荷各向異性力學(xué)特性[3]，循環(huán)凍融條件下節(jié)理巖體[4]等。與上述節(jié)理化巖體不同，傾倒變形巖體在傾倒變形過(guò)程中發(fā)生破裂，新生的破裂面疊加在板理面及前期的節(jié)理裂隙上，其形成機(jī)制及工程性質(zhì)具有特殊性。關(guān)于傾倒變形的研究多集中在變形特征[5]、形成機(jī)理[6]和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與處理[7- 8]等方面。為了獲得傾倒變形巖體的抗剪強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了原位測(cè)試?？紤]到原位抗剪試驗(yàn)試體的尺寸偏小，而基于Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則在估算巖體強(qiáng)度方面適用性較強(qiáng)[9]，因而采用Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)傾倒變形巖體強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，并與原位試驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)比分析，綜合確定抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)取值。

1 傾倒變形巖體基本特征

1.1 邊坡巖體傾倒變形特征

研究區(qū)位于青藏高原東南部怒江一級(jí)支流玉曲河下游河段。河谷屬高山峽谷，谷底寬度僅為20～50m，兩岸山體分水嶺高程達(dá)3 000～5 000m，相對(duì)河床高差為500～2 000m，兩岸總體坡度為30°～50°。河谷邊坡大部分由板巖組成，巖層走向與河谷走向基本一致，兩岸邊坡為層狀同向結(jié)構(gòu)或?qū)訝罘聪蚪Y(jié)構(gòu)。巖層正常板理面傾角為70°～85°，單層厚度一般小于10cm，呈薄層板狀結(jié)構(gòu)。

兩岸板巖普遍發(fā)生傾倒變形，傾倒變形巖體水平深度為60～85m，厚40～50m，與正常產(chǎn)狀巖體界面大致平行。傾倒變形巖體巖層層序保持較好，板理面傾角為15°～45°，與正常產(chǎn)狀巖體板理面傾角相差30°～55°。傾倒變形巖體與正常產(chǎn)狀巖體界面呈類似褶皺軸面的彎曲變形，如圖1(a)所示。巖體在傾倒過(guò)程中發(fā)生不同程度的破壞，自坡內(nèi)向坡外其性狀逐漸變差，依次可分為3個(gè)區(qū)：①弱傾倒變形區(qū)，坡內(nèi)基本保持原始巖體的薄層結(jié)構(gòu)，板理連續(xù)，斷續(xù)分布傾坡外的拉張裂隙，如圖1(b)所示；②強(qiáng)傾倒變形區(qū)，向坡外逐漸呈碎裂結(jié)構(gòu)，板理基本連續(xù)，傾坡外的拉張裂隙較發(fā)育，裂隙多充填巖屑，如圖1(c)所示；③極強(qiáng)傾倒變形區(qū)，主要分布于坡表，巖體呈散體結(jié)構(gòu)，板理不連續(xù)，巖塊間具架空現(xiàn)象，或充填碎石、巖屑，如圖1(d)所示。傾倒變形巖體是陡傾的薄層板狀巖層在自重載荷的長(zhǎng)期作用下發(fā)生的彎曲變形，本質(zhì)上屬于蠕變，形成機(jī)制類似褶皺但形成環(huán)境不同，具有塑性變形的特征，形成過(guò)程中產(chǎn)生層間錯(cuò)動(dòng)，垂直板理面發(fā)生不同程度的破裂，在薄層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上疊加了破裂作用，屬于一種特殊的節(jié)理化巖體。

圖1 巖體傾倒變形現(xiàn)象

1.2 傾倒變形巖體的結(jié)構(gòu)面特征

傾倒變形巖體中的結(jié)構(gòu)面主要為板理及裂隙。板巖呈薄層板狀結(jié)構(gòu)，在傾倒過(guò)程中，陡傾的板狀巖層沿板理面發(fā)生剪切蠕滑錯(cuò)動(dòng)，垂直板理面出現(xiàn)層內(nèi)拉張—切層的張剪破裂[圖1(c)]，這些結(jié)構(gòu)面疊加在構(gòu)造節(jié)理、卸荷裂隙及風(fēng)化裂隙上，使得傾倒變形巖體中結(jié)構(gòu)面較發(fā)育。傾倒變形巖體中節(jié)理裂隙主要有3組：①走向近北，傾西或東，中傾角，該組裂隙走向與板理面走向近平行，裂隙面平直粗糙；②走向近東，傾南或北，陡傾角，該組裂隙走向與板理走向近垂直，裂隙寬為0.2～0.5cm，裂隙面起伏粗糙，多充填巖屑；③走向北西，傾北東或南西，中傾角—陡傾角，裂隙面平直粗糙。

1.3 傾倒變形邊坡的破壞模式

鮑杰等[6]將岸坡巖體傾倒破裂的形成與演變歸納為4個(gè)階段，依次為：①卸荷回彈—傾倒蠕變發(fā)展階段；②層內(nèi)拉張、切層張剪破裂發(fā)展階段；③彎曲—折斷變形破裂發(fā)展階段；④底部滑移—后緣深部折斷面貫通破壞階段等。從研究區(qū)內(nèi)岸坡的變形特征來(lái)看，傾倒變形巖體與正常產(chǎn)狀巖體界面主要為彎曲變形，僅斷續(xù)折斷，處于第三階段的彎曲變形期。岸坡傾倒變形是隨著河流的不斷下切、巖層在長(zhǎng)期的自重作用下所發(fā)生的蠕變或流變，是地質(zhì)歷史過(guò)程中的產(chǎn)物。通常傾倒變形巖體厚度較大，具有延性彎曲的特點(diǎn)，底部界面表現(xiàn)為“折而不斷”，短期內(nèi)產(chǎn)生沿底部滑移—后緣深部折斷面失穩(wěn)的可能性不大，主要考慮傾倒變形體內(nèi)部的穩(wěn)定性。因此，傾倒變形巖體的抗剪斷強(qiáng)度是分析邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。

2 傾倒變形巖體的抗剪斷強(qiáng)度分析

2.1 傾倒變形巖體強(qiáng)度特征

研究區(qū)板巖類巖石主要包括砂質(zhì)板巖和鈣質(zhì)板巖，其中砂質(zhì)板巖巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為35.4 MPa，屬中硬巖；鈣質(zhì)板巖巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為14.7 MPa，屬軟巖。傾倒變形巖體三個(gè)分區(qū)的巖體特征描述見(jiàn)表1。

表1 傾倒變形巖體三個(gè)分區(qū)的巖體特征描述表

2.2 基于Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式的傾倒變形巖體強(qiáng)度計(jì)算

采用建立在GSI基礎(chǔ)上的Hoek和Carranza-Torres及Corkum改進(jìn)的Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式[10]計(jì)算傾倒變形巖體抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)。計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，σ1、σ3—巖石破裂時(shí)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力；σc—巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度；s、mb、mi—材料常數(shù)；a—表征節(jié)理巖體的常數(shù)；GSI—地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)；D—擾動(dòng)系數(shù)；φ—內(nèi)摩擦角；c—黏聚力；σ3n—正應(yīng)力。

計(jì)算參數(shù)取值及結(jié)果見(jiàn)表2。傾倒變形巖體相應(yīng)分區(qū)中，砂質(zhì)板巖(中硬巖)與鈣質(zhì)板巖(軟巖)的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)差別主要在黏聚力，砂質(zhì)板巖的黏聚力是鈣質(zhì)板巖的1.4～2.4倍，摩擦系數(shù)則相差不大。

表2 傾倒變形巖體抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算成果表

2.3 傾倒變形巖體原位抗剪試驗(yàn)成果

傾倒變形巖體原位剪切試驗(yàn)在勘探平洞內(nèi)進(jìn)行，在平洞洞壁人工擴(kuò)挖形成凹槽，凹槽內(nèi)制備試體。試驗(yàn)采用平推法，剪切面垂直層面，尺寸約為50cm×50cm，最大正壓力為1.5MPa。剪切破壞面部分沿裂隙面，部分沿巖體破壞。

由于極強(qiáng)傾倒變形區(qū)巖體極度破碎，難以制備試樣，原位剪切試驗(yàn)在強(qiáng)傾倒變形區(qū)和弱傾倒變形區(qū)進(jìn)行，試驗(yàn)成果見(jiàn)表3。

表3 傾倒變形巖體抗剪斷強(qiáng)度驗(yàn)成果表

2.4 Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與原位試驗(yàn)成果對(duì)比

建立在GSI基礎(chǔ)上的Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與原位試驗(yàn)成果比較見(jiàn)表4。其中砂質(zhì)板巖(中硬巖)的黏聚力c1與c2的比值為1.9～2.0，摩擦系數(shù)f1與f2的比值均為0.6；鈣質(zhì)板巖(軟巖)黏聚力c1與c2的比值為0.7～1.0，摩擦系數(shù)f1與f2的比值均為0.6。

表4 Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果和原位試驗(yàn)成果比較表

2.5 傾倒變形巖體的抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)取值分析

黏聚力c和摩擦系數(shù)f是表征巖體抗剪斷強(qiáng)度的兩個(gè)指標(biāo)，相對(duì)于土體，黏聚力尤其固化黏聚力在巖石的抗剪斷強(qiáng)度中占比較大。巖石的黏聚力c值，除了反映顆粒間聯(lián)結(jié)力的大小外，還反映了巖石中微結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況；而巖石的摩擦系數(shù)f值，則主要反映了巖石中閉合的微裂隙面的摩擦系數(shù)及微裂隙面的發(fā)育情況[11]。傾倒過(guò)程中巖體發(fā)生破裂，傾倒變形巖體完整程度降低，黏聚力降低幅度較大。其中砂質(zhì)板巖屬中硬巖，脆性破裂程度較大，而鈣質(zhì)板巖屬軟巖，以延性破壞為主[12]，因而傾倒變形巖體中砂質(zhì)板巖的破裂程度要高于鈣質(zhì)板巖。

傾倒變形巖體屬于一種特殊的節(jié)理化巖體，結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體強(qiáng)度影響較大，而原位抗剪試驗(yàn)試體的尺寸僅為50cm×50cm，相對(duì)偏小。與原位試驗(yàn)成果比較，Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的黏聚力c值偏大，而摩擦系數(shù)f值偏小，符合黏聚力在巖石的抗剪斷強(qiáng)度中占比較大的規(guī)律。Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的摩擦系數(shù)f值可理解為節(jié)理和巖橋提供的摩擦力按面積加權(quán)平均后的結(jié)果[13]，因而摩擦系數(shù)f值較小，但可能更符合實(shí)際情況。傾倒變形巖體的抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)的取值應(yīng)在考慮巖體性狀和原位試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，合理選用Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算參數(shù)，以獲得較為可靠的計(jì)算指標(biāo)。

3 典型傾倒變形邊坡穩(wěn)定性分析

采用有限差分法分析邊坡在天然和暴雨條件下的應(yīng)力場(chǎng)和變形破壞特征，得出以下結(jié)論：邊坡在天然和暴雨工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，最大和最小主應(yīng)力分布于坡體淺表層和坡腳堆積體，在傾倒變形巖體極強(qiáng)傾倒區(qū)下部出現(xiàn)量值較小的剪應(yīng)力增量，如圖2(a)所示。邊坡位移變形主要集中在坡體淺表層和坡腳堆積體，如圖2(b)所示，受重力和暴雨影響較小，局部會(huì)產(chǎn)生崩落。坡腳堆積體有利于邊坡的穩(wěn)定性，開(kāi)挖坡腳堆積體會(huì)使得極強(qiáng)傾倒區(qū)前緣臨空，將加劇坡體變形并向后緣發(fā)展。

圖2 邊坡最大剪應(yīng)力增量和水平方向位移分布特征

邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，傾倒變形巖體自坡內(nèi)向坡外逐漸變差，淺表層巖體的破壞會(huì)加劇邊坡的傾倒變形，當(dāng)前部失去“支撐”后，會(huì)導(dǎo)致由前部向后部逐級(jí)后退式破壞。因此，工程建設(shè)應(yīng)避免開(kāi)挖傾倒變形邊坡，盡量減少施工擾動(dòng)，否則應(yīng)采取防護(hù)措施。

4 結(jié)論

(1)傾倒變形巖體是陡傾的薄層板狀巖層在自重載荷的長(zhǎng)期作用下發(fā)生的彎曲變形，形成機(jī)制類似褶皺，但形成過(guò)程中產(chǎn)生層間錯(cuò)動(dòng)，垂直板理面發(fā)生不同程度的破裂，在薄層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上疊加了破裂作用，屬于一種特殊的節(jié)理化巖體。

(2)傾倒變形破壞了巖體的完整性，結(jié)構(gòu)面對(duì)傾倒變形巖體強(qiáng)度影響較大。原位抗剪試驗(yàn)試體的尺寸偏小。與原位試驗(yàn)成果比較，Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的黏聚力偏大，而摩擦系數(shù)f值偏小，符合黏聚力在巖石抗剪斷強(qiáng)度中占比較大的規(guī)律。Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的摩擦系數(shù)f值可理解為節(jié)理和巖橋提供的摩擦力按面積加權(quán)平均后的結(jié)果，可能更符合實(shí)際情況。

(3)傾倒變形巖體的抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)的取值應(yīng)在考慮巖體性狀和原位試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，合理選用Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算參數(shù)，以獲得較為可靠的抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)。