葉巴灘壩址深部破裂巖體特征及對(duì)拱壩穩(wěn)定的影響

摘要：深部破裂在中國西部深切峽谷地區(qū)的岸坡深部巖體內(nèi)廣泛發(fā)育，其工程地質(zhì)特性與發(fā)育分布特征對(duì)壩基巖體安全穩(wěn)定具有重要影響。以葉巴灘壩址區(qū)巖體內(nèi)深部破裂為研究對(duì)象，通過分析拱壩附近巖體深部破裂發(fā)育基本特征與工程地質(zhì)特性，對(duì)深部破裂成因進(jìn)行探討。在此基礎(chǔ)上，采用投影統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)法分析了深部破裂發(fā)育程度與巖體連通率的相互關(guān)系，揭示了深部破裂帶位置巖體節(jié)理裂隙形成的新潛在滑移面的特征；基于JRC-JCS模型與Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，推導(dǎo)了一種考慮結(jié)構(gòu)面起伏、節(jié)理裂隙和巖橋強(qiáng)度參數(shù)以及作用在巖體剪切面上的壓應(yīng)力等因素的非貫通性滑面參數(shù)取值方法。以2 760 m拱圈高程附近典型中等與強(qiáng)烈深部破裂為例，采用工程地質(zhì)穩(wěn)定評(píng)價(jià)方法與有限元法分析了中等與強(qiáng)烈深部破裂對(duì)拱壩穩(wěn)定的影響。研究表明：深部破裂節(jié)理裂隙優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀方向大致與河流走向一致，其傾角以中陡傾為主，當(dāng)強(qiáng)烈或中等深部破裂帶穿過不穩(wěn)定塊體時(shí)，可與構(gòu)成滑移面的斷層等結(jié)構(gòu)面共同形成新的不穩(wěn)定滑移體；不同類型深部破裂帶中節(jié)理裂隙對(duì)巖體連通率及其巖體力學(xué)指標(biāo)具有顯著不同影響；深部破裂對(duì)巖體內(nèi)的應(yīng)力傳遞具有削弱或阻隔作用；左岸2 760 m高程抗力體內(nèi)的強(qiáng)烈與中等深部破裂對(duì)該處不穩(wěn)定體內(nèi)的局部變形影響較大，建議采用灌漿加固或置換處理。

關(guān) 鍵 詞：深部破裂；深卸荷帶；節(jié)理裂隙；巖體連通率；JRC-JCS模型；Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則；工程地質(zhì)穩(wěn)定評(píng)價(jià)方法；葉巴灘特高拱壩

中圖法分類號(hào)：TU 432

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.12.021

0 引 言

深部破裂主要指在卸荷為主與自重應(yīng)力為輔的雙重作用下，河谷岸坡深部巖體出現(xiàn)差異卸荷回彈，導(dǎo)致在常規(guī)風(fēng)化卸荷帶以里的應(yīng)力過渡帶微新高儲(chǔ)能巖體出現(xiàn)單條張開寬度較大或一段密集發(fā)育呈微張狀態(tài)的張性空縫，或沿原有結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)張拉或剪切等現(xiàn)象的一類節(jié)理裂隙^［1-4］。在水利水電領(lǐng)域，將這類微新巖體中特定位置發(fā)育的節(jié)理裂隙劃為深卸荷帶^［5-7］，與其他位置發(fā)育的卸荷裂隙作了專門區(qū)分^［8-9］，并根據(jù)深部巖體卸荷裂隙發(fā)育程度不同，將深部破裂帶分為強(qiáng)烈、中等和輕微三類^［10］。

在深部破裂成因機(jī)制研究方面，目前國內(nèi)外已有大量學(xué)者進(jìn)行了研究，但關(guān)于深部破裂巖體是如何影響壩肩巖體穩(wěn)定的研究還不多見。劉子安等^［11］采用有限元模型對(duì)某特高拱壩壩肩巖體2 750 m高程巖體有無強(qiáng)烈深部破裂兩種情況進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果顯示拱端壩肩巖體附近的強(qiáng)烈深部破裂對(duì)壩基巖體變形穩(wěn)定存在較大影響。董建華^［9］、張文^［12］等利用平面地質(zhì)力學(xué)模型超載試驗(yàn)研究某特高拱壩壩基2 750 m高程巖體內(nèi)的強(qiáng)烈深部破裂對(duì)拱壩穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為兩岸強(qiáng)烈松弛Ⅳ_s類巖體對(duì)壩體變形穩(wěn)定均存在較大影響，建議對(duì)該缺陷巖體進(jìn)行加固。這些研究表明，深部破裂巖體對(duì)壩基巖體安全穩(wěn)定存在較大影響，但相關(guān)研究?jī)H從定性角度初步分析了深部破裂對(duì)壩肩巖體變形穩(wěn)定的影響，因此還需要在深部破裂發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，繼續(xù)深入分析不同發(fā)育程度深部破裂節(jié)理裂隙對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響，是否構(gòu)成新的不穩(wěn)定塊體滑裂面，以及其空間位置關(guān)系對(duì)壩肩巖體變形穩(wěn)定的影響。

本文首先通過工程地質(zhì)調(diào)查方法對(duì)葉巴灘特高拱壩附近深部破裂發(fā)育基本特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，查明深部破裂發(fā)育分布特征及其工程地質(zhì)特性。采用投影統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)法分析不同發(fā)育程度深部破裂對(duì)巖體連通率的影響，揭示不同發(fā)育程度深部破裂形成的新潛在滑移面特征。結(jié)合JRC-JCS模型與Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，從力學(xué)角度推導(dǎo)了一種新的非貫通性結(jié)構(gòu)面力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)取值方法。在此基礎(chǔ)上采用工程地質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法與數(shù)值有限模型，以2 760 m高程典型中等與強(qiáng)烈深部破裂為例，分析其對(duì)壩肩巖體的地質(zhì)穩(wěn)定性與變形穩(wěn)定的影響。該研究對(duì)明確特高拱壩基巖中不同發(fā)育程度和分布特征的深部破裂對(duì)拱壩穩(wěn)定的影響具有重要意義。

1 工程概況與地質(zhì)條件

1.1 工程概況

研究區(qū)大壩為混凝土雙曲特高拱壩，壩頂高程2 894 m，最大壩高217 m，壩頂弧長為579.509 m，拱冠頂厚11.0 m，底厚46.5 m，正常蓄水位為2 889.00 m，壩址控制流域面積173 484 km²。壩區(qū)兩岸山體雄厚，坡面完整，無較大沖溝切割，大體呈對(duì)稱的“V”形峽谷（圖1），河床高程約 2 725 m，邊坡頂部高程已超過4 000 m，自然山坡相對(duì)高差已超過1 000 m，左岸自然坡度為40°～55°，右岸自然坡度為40°～45°。

1.2 壩址區(qū)地質(zhì)條件

研究區(qū)位于青藏高原東緣川藏交界處的白玉縣與貢覺縣界河金沙江上游，處在金沙江縫合帶與中咱推覆體的兩大三級(jí)構(gòu)造單元的結(jié)合位置（圖2）。該區(qū)自晚古生代后經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖體內(nèi)部在漫長的地質(zhì)歷史演化過程中形成了各種相互交切的結(jié)構(gòu)面。

區(qū)內(nèi)斷層主要為NE、NS、NW向，屬中—陡傾平移性質(zhì)，其中斷層破碎帶寬度大于1 m的Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面主要有4條；斷層破裂帶寬度為0.1～1 m的Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面主要有77條；斷層破裂帶寬度小于0.1 m的Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面主要有379條。

研究區(qū)內(nèi)壩址區(qū)構(gòu)造節(jié)理較發(fā)育，以平直、規(guī)則、排列成組、配套為特征（主要為剪節(jié)理），將巖石切割為規(guī)則的似層狀、塊體狀等幾何形體，節(jié)理面上常有明顯擦痕，部分可見階步；卸荷裂隙則主要表現(xiàn)為平行岸坡、傾向坡外的張性卸荷結(jié)構(gòu)面，部分張開形成裂縫。

壩址區(qū)出露地層主要為：華力西期中酸性侵入巖體石英閃長巖（δ³_o4）與花崗閃長巖（γδ³₄）組成的簡(jiǎn)單復(fù)式巖株及岸坡表層的第四系崩坡積、崩積及少量沖溝內(nèi)的洪積物（如圖3所示）。

2 研究區(qū)深部破裂發(fā)育分布特征

2.1 深部破裂節(jié)理裂隙發(fā)育特征

根據(jù)研究區(qū)左右岸27個(gè)平硐及14個(gè)灌排洞內(nèi)揭露的深部破裂現(xiàn)象，共發(fā)育有223條明顯張開或表現(xiàn)為填充方解石脈、巖屑、巖塊的深部破裂現(xiàn)象（圖4～5）。其中陡傾角深部破裂占比50.8%，中陡傾角占比36.3%。總體上深部破裂以陡傾角為主，中陡傾角次之。下面對(duì)深部破裂節(jié)理裂隙的發(fā)育特征進(jìn)行分析。

圖6統(tǒng)計(jì)表明壩址區(qū)左岸深部破裂優(yōu)勢(shì)方向可分為2組：① NE20°/NW∠50°（與壩址區(qū)EW向構(gòu)造節(jié)理近大角度相交），② NE42°/NW∠80°（J1）。其中第1組裂隙與壩址位置河流走向SN基本一致，與壩址區(qū)近于EW向的最大主應(yīng)力方向近于垂直；第2組裂隙與壩址區(qū)NE向優(yōu)勢(shì)節(jié)理裂隙產(chǎn)狀一致，與岸坡呈一定斜交。左岸這些深部破裂的破裂面特征表明，在表層巖體卸荷后，深部巖體的應(yīng)力過渡帶位置出現(xiàn)差異卸荷回彈，一部分巖體出現(xiàn)新的順河向張拉卸荷裂隙，一部分巖體則沿原有繼承性結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)張剪卸荷裂隙，破裂面角度為中陡傾。

圖7統(tǒng)計(jì)表明壩址區(qū)右岸深部破裂優(yōu)勢(shì)方向可分為2組：① NE22°/SE∠60°，② SN/E∠58°。其中第1組和第2組裂隙與河流走向SN基本一致，與壩址區(qū)近于EW向的最大主應(yīng)力方向近于垂直。右岸深部破裂的破裂面特征表明，右岸深部巖體內(nèi)的深部破裂主要發(fā)生在順河向，破裂面角度為中陡傾，考慮右岸相比左岸構(gòu)造活動(dòng)偏弱，巖體完整性更好，經(jīng)歷構(gòu)造活動(dòng)后，深部巖體存儲(chǔ)大量應(yīng)變能，表層巖體發(fā)生卸荷后，應(yīng)變能在應(yīng)力過渡帶內(nèi)得到釋放，產(chǎn)生大量新的順河向卸荷裂隙。

結(jié)合深部破裂區(qū)域的節(jié)理裂隙發(fā)育特征，左岸NE向或順河向及右岸NW向或順河向的深部破裂在局部位置可與構(gòu)成側(cè)裂面的斷層一同構(gòu)成可滑移塊體的側(cè)裂面。因此，對(duì)于深部破裂區(qū)內(nèi)的隨機(jī)節(jié)理裂隙，當(dāng)發(fā)育程度較高時(shí)，其同樣會(huì)對(duì)壩肩不穩(wěn)定塊體造成較大影響。

2.2 深部破裂的空間分布特征

壩址區(qū)左右兩岸揭露深部破裂的平硐有27個(gè)，左岸14個(gè)，共71處，右岸13個(gè)，共73處；灌排洞14個(gè)，左岸5個(gè)，共34處，右岸9個(gè)，共46處。分布在兩岸低、中、高3個(gè)高程（圖8），這表明深部變形破裂分布多且空間較廣。

左岸深部破裂發(fā)育占比46.88%，右岸深部破裂發(fā)育占比53.13%，兩岸深部破裂揭露量大致相當(dāng)。但根據(jù)兩岸不同的構(gòu)造活躍強(qiáng)度，考慮到左岸構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)于右岸，表明地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)雖然不是深部破裂形成的直接原因，但其產(chǎn)生的殘余構(gòu)造應(yīng)力為兩岸深部巖體提供應(yīng)變能條件，并產(chǎn)生大量的近SN與NE向微裂隙。同時(shí)，壩址區(qū)河谷形態(tài)具有對(duì)稱性，這與兩岸深部破裂數(shù)量分布大致相當(dāng)具有直接相關(guān)性。

圖9表明，兩岸在分布范圍上，低高程、中高程和高高程上的深部破裂空間分布具有顯著差異。其中高高程深部破裂分布的深度范圍最寬，分布起點(diǎn)水平深度主要在80～170 m之間，終點(diǎn)水平深度主要在100～180 m之間；而低高程與中高程深部破裂則分布深度相對(duì)集中，低高程的起點(diǎn)和終點(diǎn)水平深度均主要在60～120 m之間，中高程起點(diǎn)水平深度主要在80～140 m之間，終點(diǎn)水平深度在90～150 m之間。深部破裂不同高程的分布規(guī)律表明，深部破裂隨著高程的增加，分布深度有所增加，同時(shí)結(jié)合壩區(qū)岸坡形態(tài)以及岸坡應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律（駝峰曲線）^［15］，可知深部破裂在不同高程上分布深度與岸坡應(yīng)力場(chǎng)具有明顯相關(guān)性，不同高程上的岸坡附近總體應(yīng)力場(chǎng)越高，深部破裂分布越靠近岸坡表層，同時(shí)分布范圍也更窄。

圖10表明，深部破裂主要分布在微新巖體之中，兩岸壩軸線位置的深部破裂均以中輕微深部破裂為主，但在左岸2 730～2 760 m高程位置存在強(qiáng)烈深部破裂。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，中等深部破裂巖體歸為Ⅲ_2s類巖體；強(qiáng)烈深部破裂巖體歸為Ⅳ類巖體，屬于軟弱結(jié)構(gòu)巖體，且該位置距離建基面位置較近。

圖11再次表明左岸2 760 m高程位置中等與強(qiáng)烈深部破裂距離拱壩壩肩建基面較近。說明需要重點(diǎn)考慮該高程位置中等與強(qiáng)烈深部破裂對(duì)拱壩安全穩(wěn)定的影響。

3 含深部破裂巖體的連通率及其力學(xué)性質(zhì)

3.1 連通率

大量研究表明，巖體內(nèi)大量節(jié)理裂隙連通率達(dá)到一定程度時(shí)，巖體力學(xué)性質(zhì)既受原有結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度控制，還受鎖固段巖橋力學(xué)性質(zhì)影響?，F(xiàn)有設(shè)備與條件，還無法對(duì)這類含非貫通性結(jié)構(gòu)面的巖體力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行有效評(píng)價(jià)^［16-17］，而深部破裂作為一種主要沿順河向發(fā)育的節(jié)理裂隙，在不同連通率下，可能形成新的潛在滑移面。因此，有必要在上述深部破裂基本分布特征基礎(chǔ)上，繼續(xù)研究不同發(fā)育程度的深部破裂對(duì)巖體連通率的影響。目前主要存在兩種通行的辦法。

（1）實(shí)測(cè)法。對(duì)現(xiàn)有平硐洞壁進(jìn)行地質(zhì)素描，然后根據(jù)式（1）采用投影統(tǒng)計(jì)分析得出連通率。

k=∑n/i=1l_i/L（1）

式中：l_i指剪切方向上第i條結(jié)構(gòu)面的投影長度；L為測(cè)線段剪切方向總長度。

目前研究該方法的學(xué)者較多，比較典型的有Laslett法和廣義H-H法^［18］。Laslett在極大似然原理基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了由窗口數(shù)據(jù)估計(jì)結(jié)構(gòu)面平均跡長的極大似然公式：

l=∑n/i=1X_i+∑m/j=1Y_j+∑p/k=1Z_k/n+m/2（2）

式中：l為平均跡長，m；X_i為第i條兩端可見結(jié)構(gòu)面的可見跡長，m；Y_i為第j條一端可見結(jié)構(gòu)面的可見跡長，m；Z_k為第k條兩端都不可見結(jié)構(gòu)面的可見跡長，m；n為測(cè)窗內(nèi)兩端均可見的結(jié)構(gòu)面?zhèn)€數(shù)；m為測(cè)窗內(nèi)僅一端可見的結(jié)構(gòu)面?zhèn)€數(shù)；p為測(cè)窗內(nèi)兩端均不可見結(jié)構(gòu)面?zhèn)€數(shù)。

黃潤秋等^［6］通過結(jié)構(gòu)面與測(cè)量窗口的交切頻度及幾何條件，進(jìn)一步建立了廣義H-H跡長估計(jì)模型：

l=1/N∑n₂/i=1X_i+n₁+n₀/N（φ₂-φ₁）h/cosφ₁-cosφ₂（3）

式中：n₀為兩端均不可見的結(jié)構(gòu)面數(shù)量，n₁為一端可見的結(jié)構(gòu)面數(shù)量，N為總的結(jié)構(gòu)面數(shù)量，N= n₀+ n₁+ n₂（n₂為兩端可見的結(jié)構(gòu)面數(shù)量）；h分別為測(cè)量窗口高。

（2）網(wǎng)絡(luò)模擬法。該法通過對(duì)壩址區(qū)平硐中的節(jié)理（產(chǎn)狀、跡長、間距等）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后輸入計(jì)算機(jī)建立的地質(zhì)模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬研究，最后根據(jù)式（4）獲得連通率^［18-19］。

k=l/l+i（4）

式中：l和i分別代表剪切路徑上結(jié)構(gòu)面的平均長度和巖橋長度。

根據(jù)前期大量平硐實(shí)測(cè)得到的不同深部破裂三壁展示圖，將深部破裂帶中走向平行岸坡20°范圍和傾向坡外的中陡傾角的節(jié)理裂隙作為統(tǒng)計(jì)依據(jù)，選取壩肩附近右岸PD04和左岸PD23內(nèi)典型發(fā)育的深部破裂帶為研究樣本。考慮到輕微型深部破裂附近巖體現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)RQD值在78～86之間，且?guī)r體主要呈緊密塊狀結(jié)構(gòu)，巖體較為完整，其對(duì)巖體性能影響較小，因此采用Laslett法和廣義H-H法，僅對(duì)中等和強(qiáng)烈深部破裂連通率進(jìn)行對(duì)比分析，具體詳見表1。

表1中，由于兩端不可見節(jié)理裂隙占優(yōu)勢(shì)時(shí)，Laslett法計(jì)算值會(huì)出現(xiàn)較大偏差，因此剔除掉Laslett法中一些偏差較大異常數(shù)據(jù)，兩種方法計(jì)算值偏差在10%以內(nèi)，說明兩種方法計(jì)算值均具有一定參考性。通過對(duì)比中等松弛深部破裂與強(qiáng)烈松弛深部破裂連通率計(jì)算值，表明中等深部破裂帶節(jié)理裂隙連通率一般在30%～45%之間，強(qiáng)烈深部破裂帶節(jié)理裂隙連通率一般在40%～55%之間，表明深部破裂發(fā)育程度對(duì)節(jié)理裂隙的連通率存在一定影響，中等松弛深部破裂帶節(jié)理裂隙貫通率較差，強(qiáng)烈深部破裂帶節(jié)理裂隙貫通性較大。因此，結(jié)合中等深部破裂帶與強(qiáng)烈深部破裂帶中巖體裂隙連通率發(fā)育特點(diǎn)以及深部破裂節(jié)理裂隙順河向優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀特征，可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在拱端推力作用下，中等松弛和強(qiáng)烈松弛深部破裂帶巖體節(jié)理裂隙會(huì)在順河向巖體內(nèi)部形成新的潛在側(cè)滑移面，與緩傾角結(jié)構(gòu)面形成新的潛在滑移塊體，對(duì)壩肩巖體穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。

3.2 力學(xué)特性

目前在確定非貫通性結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)方面，Jennings強(qiáng)度準(zhǔn)則因其簡(jiǎn)單明確而在實(shí)際工程中得到廣泛使用。該準(zhǔn)則假定巖體破壞過程中，節(jié)理裂隙與巖橋同時(shí)破壞，且?guī)r體破壞仍遵循Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。根據(jù)連通率k的大小，Jennings強(qiáng)度準(zhǔn)則按節(jié)理裂隙與巖橋發(fā)揮的作用不同，對(duì)其進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，從而建立了巖體等效參數(shù)與節(jié)理裂隙和巖橋強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系^［20-21］：

c_E=kc_j+（1-k）c₀

tanφ_E=ktanφ_j+（1-k）tanφ₀（5）

式中：c₀，φ₀為巖石的內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角；c_j，φ_j為節(jié)理裂隙的內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角；c_E，φ_E為巖體的等效內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角。

考慮該方法無嚴(yán)格力學(xué)意義，且忽略結(jié)構(gòu)面起伏程度對(duì)結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)影響，因而有必要建立一種考慮連通率影響的結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)方法（圖12）。令非貫通結(jié)構(gòu)面的潛在剪切面上的正應(yīng)力為σ_n，巖體破壞時(shí)的等效內(nèi)摩擦角為φ_E，等效內(nèi)聚力為c_E。假定巖體整體破壞時(shí)，節(jié)理裂隙與巖橋均已出現(xiàn)破壞，那么根據(jù)潛在剪切面上的連通率k，則節(jié)理裂隙破壞時(shí)承擔(dān)的正應(yīng)力為kσ_n，巖橋部分承擔(dān)的正應(yīng)力為（1-k）σ_n。巖體破壞過程中，假定巖體的糙面摩擦力f₁由節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面承擔(dān)，巖體的黏結(jié)摩擦力f₂由巖橋部分承擔(dān)，則可建立如關(guān)系式（6）：

τ_c=kf₁+（1-k）f₂

f₁=σ_ntanφ_E=τ_c，1

f₂=c_E=τ_c，2（6）

根據(jù)JRC-JCS模型，可得到粗糙節(jié)理裂隙部分的結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度τ_c，1為

τ_c，1=σ_ntan（JRClgJCS/σ_n+φ_j）（7）

式中：σ_n為結(jié)構(gòu)面實(shí)際承受的法向應(yīng)力；φ_j為結(jié)構(gòu)面基本摩擦角，當(dāng)σ_n較大時(shí)與殘余摩擦角一致，其值一般在25°～35°；JRC為結(jié)構(gòu)面粗糙系數(shù)，分為10個(gè)等級(jí)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到；JCS為結(jié)構(gòu)面的抗壓強(qiáng)度，MPa，可根據(jù)回彈儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，具體見式（8）。

lgJCS=0.000 88γR_c+1.01（8）

式中：γ為試樣巖石干重度，kN/m³；R_c為回彈值。

假定巖橋巖體部分破裂遵循Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，則巖橋部分巖體的剪切強(qiáng)度τ_c，2為

τ_c，2=σ_ntanφ₀+c₀（9）

聯(lián)立式（4）、（5）與式（7），則可得到一種非貫通性節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算公式：

τ_c=［ktan（JRClgJCS/kσ_n+φ_j）+（1-k）tanφ₀］σ_n+

（1-k）c₀

φ_E=arctan［tan（JRClgJCS/σ_n+φ_j）］

c_E=σ_ntanφ₀+c₀（10）

式（10）表明，非貫通性結(jié)構(gòu)面的等效強(qiáng)度參數(shù)不僅與連通率有關(guān)，也與結(jié)構(gòu)面粗糙程度（JRC）、節(jié)理裂隙和巖橋強(qiáng)度參數(shù)以及作用在巖體剪切面上的壓應(yīng)力有關(guān)。

通過Jennings強(qiáng)度準(zhǔn)則和本文方法，式（8）可得到不同連通率條件下的中等與強(qiáng)烈深部破裂帶巖體中的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，詳見表2。通過表2中對(duì)比表明，Jennings準(zhǔn)則受結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)與巖體強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)的共同影響，而本文方法主要受巖體強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)的影響，二者計(jì)算值大體相當(dāng)，但本文方法能從宏觀上更多考慮巖體中節(jié)理裂隙力學(xué)特性，因而其得到的巖體力學(xué)參數(shù)能更好反映巖體中非貫通性節(jié)理裂隙的力學(xué)性質(zhì)；不同發(fā)育程度深部破裂帶巖體強(qiáng)度受結(jié)構(gòu)面控制時(shí)，其力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)受連通率影響較大；隨著連通率增大，中等與強(qiáng)烈深部破裂帶巖體力學(xué)指標(biāo)c、φ均出現(xiàn)一定程度降低；相同連通率條件下，強(qiáng)烈深部破裂相比中等深部破裂帶對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的降低更明顯。

4 含深部破裂的壩肩巖體穩(wěn)定分析

根據(jù)上述分析，深部破裂帶巖體內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育特征與力學(xué)性質(zhì)對(duì)拱壩壩肩巖體穩(wěn)定可能存在較大影響，因此這里結(jié)合深部破裂發(fā)育特征與不穩(wěn)定塊體滑移面組合特征，以拱壩2 760 m高程附近典型中等與強(qiáng)烈深部破裂為例，分析其對(duì)壩肩巖體抗滑穩(wěn)定及各部分應(yīng)力、變形穩(wěn)定的影響^［22］。

4.1 不利結(jié)構(gòu)面的組合特征及穩(wěn)定評(píng)價(jià)

考慮控制壩肩抗滑穩(wěn)定的邊界主要由抗力體巖體中的側(cè)滑面、底滑面和拱端拉裂面以及坡外臨空面組成，其中拱端拉裂面和臨空面是明確的，但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性導(dǎo)致壩肩抗滑穩(wěn)定的底滑面和側(cè)滑面具有很大程度的不確定性和模糊性^［23］，因而對(duì)抗力體范圍內(nèi)可能存在塊體組合與深部破裂帶巖體內(nèi)潛在滑移面空間相互關(guān)系進(jìn)行分析。

塊體滑移控制面一般由特定的結(jié)構(gòu)面如斷層、層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶、擠壓破裂帶、軟弱帶、深部破裂帶及連通性好的優(yōu)勢(shì)節(jié)理裂隙等形成，此時(shí)部分與拱端推力呈大角度相交的陡傾結(jié)構(gòu)面可能構(gòu)成影響抗滑穩(wěn)定的側(cè)滑（裂）面，而緩傾結(jié)構(gòu)面可構(gòu)成底滑面。具體地，2 760 m高程左岸可構(gòu)成潛在滑移控制面的結(jié)構(gòu)面主要有f10、f19、f20、f22、f23、f24等Ⅲ級(jí)斷層，及可構(gòu)成底滑面的結(jié)構(gòu)面為緩傾節(jié)理裂隙J5與緩傾擠壓破裂帶g5-5，具體詳見表3。

根據(jù)上述深部破裂帶巖體節(jié)理裂隙發(fā)育分布特征，深部破裂位置節(jié)理裂隙產(chǎn)狀主要為中陡傾順河向。結(jié)合圖11可知，深部破裂帶橫穿潛在不穩(wěn)定塊體可與構(gòu)成側(cè)裂面的斷層結(jié)構(gòu)面一起構(gòu)成不穩(wěn)定塊體的側(cè)滑面。

通過對(duì)這些結(jié)構(gòu)面的相互交切組合關(guān)系進(jìn)行分析后認(rèn)為，2 760 m高程拱圈位置主要存在3個(gè)潛在不穩(wěn)定塊體，這些不穩(wěn)定塊體的組合邊界與深部破裂對(duì)該拱圈塊體穩(wěn)定的影響見表4。

4.2 不利結(jié)構(gòu)面對(duì)拱壩與壩肩巖體的變形穩(wěn)定影響分析

地質(zhì)模型概化是進(jìn)行巖體數(shù)值模擬變形穩(wěn)定分析的重要基礎(chǔ)。本文根據(jù)研究區(qū)實(shí)際地層條件和巖體結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜性，進(jìn)行一定簡(jiǎn)化：① 除局部存在的中等和強(qiáng)烈深部破裂等軟弱巖體外，其他部位巖體參數(shù)統(tǒng)一按表5中不同類巖體參數(shù)考慮；② 只考慮對(duì)塊體穩(wěn)定存在重要影響的斷層、擠壓錯(cuò)動(dòng)帶g5-5、深部破裂等結(jié)構(gòu)面，其他次要斷層或擠壓錯(cuò)動(dòng)帶等結(jié)構(gòu)面不作考慮，斷層曲面簡(jiǎn)化為平面（圖13）。

模型中采用平面二維網(wǎng)格有限元模型，模型模擬尺寸為900 m×450 m，單元網(wǎng)格為四節(jié)點(diǎn)面單元，計(jì)算模型詳見各拱圈典型平面計(jì)算圖^［24-25］。斷層單元尺寸為1.0～2.0 m，其他巖體單元尺寸為1.5～10.0 m，荷載施加依據(jù)成勘院給定左岸拱端徑向推力 97 700 kN與切向推力157 720 kN，右岸拱端徑向推力94 570 kN與切向推力155 180 kN，將拱端推力等效為均布荷載作用在拱壩上壩踵上，模型四周邊界約束采用x-y方向位移固定^［26-28］。巖體材料破壞遵循摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，具體材料計(jì)算參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位巖體試驗(yàn)給定，見表5。分析方法采用非線性有限元方法。

圖14表明：橫河向最大累積位移發(fā)生在左右岸拱端，左岸拱端最大位移為5.6 cm，右岸拱端最大位移為5.0 cm，拱冠位置位移為1.2 cm，兩岸橫河向位移差值與拱冠位置位移均較小，說明該拱圈拱壩兩側(cè)橫向位移比較對(duì)稱；右岸位移小于左岸，這主要是左岸抗力體范圍內(nèi)局部存在中等和強(qiáng)烈深部破裂帶巖體導(dǎo)致的。

圖15表明：① 順河向最大累積位移出現(xiàn)在拱冠位置，其為28.8 cm，兩岸拱端巖體最大累積位移為19.1 cm，二者相較2 830 m拱圈差值有所減小，說明該位置拱壩受順河向水推力作用后，自身出現(xiàn)一定程度的變形，兩岸拱端巖體順河向位移有所增大，但拱壩厚度增大，使壩體結(jié)構(gòu)剛度增大，導(dǎo)致壩體順河向位移降低。② 左右岸最大累積位移出現(xiàn)在拱壩上下游拱間槽附近巖體，均為23.9 cm，這與拱冠最大位移大體相當(dāng)，而與其他附近巖體位移相比出現(xiàn)明顯降低，且2 760 m拱圈左右兩岸靠近岸坡線與上壩踵交切的拱間槽附近巖體，其位移變化梯度較為明顯，表明該位置巖體已出現(xiàn)一定程度的張拉破壞。③ 左右岸拱端巖體附近最大位移大體一致，此時(shí)右岸拱端附近受斷層影響，斷層切割形成小塊潛在滑移體，而左岸拱端稍遠(yuǎn)距離存在深部破裂帶巖體，表明右岸抗力體內(nèi)受斷層切割形成的小塊體與左岸存在的深部破裂帶對(duì)巖體的變形影響相當(dāng)。④ 左右岸拱端上游局部區(qū)域巖體均出現(xiàn)一定程度向下的順河向位移，說明該區(qū)域巖體存在一定程度受拉變形，但左岸受f19與f20斷層限制影響，上游受拉區(qū)范圍比右岸要小，且左岸拱壩上游出現(xiàn)的10 cm以上位移主要位于f19與f20斷層下游側(cè)，說明此處兩條斷層附近局部可能出現(xiàn)張剪變形破壞。

圖16表明：① 最大巖體應(yīng)力均出現(xiàn)在左右岸拱端壩踵位置，逐漸向周邊巖體擴(kuò)散，并逐漸減小。② 抗力體范圍內(nèi)，右岸拱端附近受3條斷層交切影響，該處斷層交切核心位置巖體出現(xiàn)一定應(yīng)力“繞避”。而左岸強(qiáng)烈深部破裂帶巖體由于位于受力的中心位置，且距離拱端較近，此時(shí)反而承擔(dān)部分壓應(yīng)力，但這一應(yīng)力穿過深部破裂帶到達(dá)微新完整巖體后，得以迅速消解；左岸上游中等深部破裂帶區(qū)域，受巖體劣化影響，應(yīng)力在該區(qū)域傳遞出現(xiàn)一定阻隔或消解；左岸下游中等深部破裂帶巖體應(yīng)力，則受自身巖體劣化與斷層切割的雙重影響，拱端應(yīng)力傳遞同樣出現(xiàn)明顯“繞避”現(xiàn)象。③ 右岸抗力體范圍的強(qiáng)烈深部破裂帶距離拱端較遠(yuǎn)，未對(duì)應(yīng)力傳遞產(chǎn)生明顯影響。右岸拱壩上游無斷層等地質(zhì)缺陷限制，其巖體應(yīng)力擴(kuò)散范圍相比左岸較大，而左岸受斷層f19限制，導(dǎo)致兩側(cè)應(yīng)力分布差異明顯，表明該位置巖體此時(shí)已出現(xiàn)一定程度的張剪破壞。

5 結(jié) 論

本文以葉巴灘特高拱壩為研究實(shí)例，針對(duì)壩址區(qū)深部破裂巖體發(fā)育分布特征與不利結(jié)構(gòu)面空間邊界組合模式，采用投影統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)法分析不同發(fā)育程度深部破裂對(duì)巖體連通率的影響，揭示不同發(fā)育程度深部破裂構(gòu)成的新的潛在滑移面特征。在此基礎(chǔ)上采用工程地質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法與有限元模型，以2 760 m高程典型中等與強(qiáng)烈深部破裂為例，分析深部破裂對(duì)壩肩巖體的地質(zhì)穩(wěn)定性與變形穩(wěn)定影響，獲得如下結(jié)論：

（1）深部破裂節(jié)理裂隙優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀方向大致與河流走向一致，其傾角以中陡傾為主。當(dāng)強(qiáng)烈或中等深部破裂帶穿過不穩(wěn)定塊體時(shí)，可與構(gòu)成滑移面的斷層等結(jié)構(gòu)面共同形成新的潛在不穩(wěn)定滑移體。

（2）在岸坡深部巖體中，不同發(fā)育程度的深部破裂帶節(jié)理裂隙，對(duì)巖體內(nèi)順河向連通率及其巖體力學(xué)指標(biāo)具有顯著不同影響；其中，中等深部破裂帶節(jié)理裂隙連通率一般在30%～45%之間，強(qiáng)烈深部破裂帶節(jié)理裂隙連通率一般在40%～55%之間；隨著連通率增大，中等與強(qiáng)烈深部破裂帶巖體力學(xué)指標(biāo)c、φ均出現(xiàn)一定程度降低；相同連通率條件下，強(qiáng)烈深部破裂相比中等深部破裂帶對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的降低更明顯。

（3）深部破裂帶巖體對(duì)壩肩巖體變形穩(wěn)定影響較大。在拱壩推力作用下，受強(qiáng)烈與中等深部破裂帶巖體劣化影響，其對(duì)巖體中應(yīng)力的傳遞具有阻隔或削弱作用。

（4）左岸2 760 m高程處的不穩(wěn)定塊體局部巖體變形較大，建議對(duì)該位置壩肩抗力體內(nèi)的中等深部破裂帶與強(qiáng)烈深部破裂帶巖體進(jìn)行灌漿加固或置換處理，同時(shí)左岸該高程上游兩條平行斷層f19與f20受不穩(wěn)定塊體拉裂作用，可能會(huì)存在張剪變形，建議在斷層與岸坡交匯處設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)其進(jìn)行加固處理。

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（編輯：鄭 毅）

Development characteristics of deep fracture rock mass of Yebatan

high arch dam and its stability influence analysis

JIANG Junfeng¹，ZHAO Qihua²，DENG Yanhua¹，WANG Yi³，WU Haoqiu³

（1.Architecture College，Guangdong Songshan Polytechnic，Shaoguan 512000，China； 2.State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China； 3.Zhongjian Geotechnical Engineering （Shenzhen） Co.，Ltd.，Shenzhen 518000，China）

Abstract： Deep fracture is widely developed in deep rock mass of bank slopes in the deep canyon areas of western China，its engineering geological characteristics and development distribution have an important influence on the safety and stability of dam foundation rock mass.Taking the deep fracture of rock mass in the Yebatan arch dam site as the research object，we discuss causes of deep fracture by analyzing the basic characteristics of deep fracture development and engineering geological characteristics of rock mass near the arch dam.On this basis，the relationship between the development degree of deep fracture and connectivity rate of rock mass is analyzed by using the projection statistical measurement method，and the characteristics of new potential slip plane produced by rock mass joint fissure at the deep fracture zone are revealed.Based on the JRC-JCS model and the Mohr-Coulomb strength criterion，a parameter value determining method of non-penetrating sliding surface is derived，which takes into account the feature of structural plane，the strength parameters of joint fissure and rock bridge，and the compressive stress acting on the shear plane of rock mass.Finally，the typical moderate and strong deep fractures near 2760 m arch circle elevation are taken as an example.The influence of moderate and strong deep fractures on the stability of Yebatan arch dam is analyzed by using engineering geological stability evaluation method and finite element method.The results show that the dominant direction of deep fracture joint is roughly the same as the river trend，and its dip angle is mainly medium and steep.When the strong or medium deep fracture zone passes through unstable blocks，it can form new unstable slip body together with the structural planes such as the fault forming and sliding planes.Joint fissures in deep fracture zones with different degrees of development have significantly different effects on connectivity and mechanical indexes of rock mass.Deep fracture can weaken or block the stress transfer in rock mass.The strong and medium deep fractures in the left bank 2760 m elevation resistance abutment has a great influence on local deformation of the unstable body，so it is recommended to adopt grouting reinforcement or replacement treatment.

Key words： deep fracture；deep unloading zone；joint and fissure；connectivity rate of rock mass；JRC-JCS model；Mohr-Coulomb strength criterion；geological stability evaluation method；Yebatan high arch dam