王啟鴻，賈九名，常興兵，賈新會(huì)

(西北勘測(cè)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)壩型為對(duì)數(shù)螺旋線雙曲拱壩，壩頂高程2 460 m，壩高250 m，水庫(kù)正常蓄水位2 452 m，電站總庫(kù)容10．79×108m3，裝機(jī)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(yùn)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(dá)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(hào)變形體，其穩(wěn)定性主要影響壩后消能區(qū)的安全，對(duì)電站施工及長(zhǎng)期安全運(yùn)行意義重大．

斷層、裂隙等相對(duì)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(duì)軟弱層帶［3］．這些軟弱層帶具有較低的力學(xué)參數(shù)特征，是控制建筑物、邊坡等穩(wěn)定的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)面［3］． 文中主要針對(duì)黃河上游某左壩肩下游的Ⅱ號(hào)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(duì)Hf4 軟弱帶進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)、斷層泥室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)、室內(nèi)中剪及便攜式直剪試驗(yàn)、室內(nèi)軟弱層帶高壓試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)．初步進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)成果分析、變形參數(shù)評(píng)價(jià)，對(duì)比壩址區(qū)軟弱結(jié)構(gòu)面試驗(yàn)結(jié)果及相類(lèi)似工程中軟弱結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)，較為合理、可靠地論證了軟弱結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，再選擇軟弱結(jié)構(gòu)面的具體參數(shù)建議值．

1 工程地質(zhì)條件

1．1 Ⅱ號(hào)變形體工程地質(zhì)條件

Ⅱ號(hào)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(gòu)面分割，如圖1 所示． Ⅱ號(hào)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(yuǎn)視Ⅱ號(hào)變形體全貌

圖2 Ⅱ號(hào)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(fù)雜、結(jié)構(gòu)紊亂，帶內(nèi)糜棱質(zhì)、泥粉質(zhì)及細(xì)小構(gòu)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(pán)影響帶0．5 ～0．8 m，下盤(pán)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(diǎn)與抗剪硐實(shí)測(cè)坐標(biāo)擬合的Hf4 斷層趨勢(shì)面

2 Hf4 斷層帶各項(xiàng)試驗(yàn)成果

2．1 斷層帶泥的礦物成分確定

滑帶的化學(xué)成分及礦物成分是滑帶物理特性的一個(gè)重要方面，為了了解滑帶土的組成，需要對(duì)取得的滑帶土進(jìn)行化學(xué)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(qiáng)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(dāng)滑帶土的含水量為21%時(shí)，則含蒙脫石的滑帶土呈現(xiàn)固態(tài)，而含伊利石的已進(jìn)入塑態(tài)．在這種情況下，即使含水量一樣，其抗剪強(qiáng)度參數(shù)也是不一樣的;呈現(xiàn)固態(tài)的強(qiáng)度高，而呈現(xiàn)塑態(tài)的強(qiáng)度低［4］．Hf4 斷層泥的組成物通過(guò)χ 衍射、紅外光譜分析、差熱分析、陽(yáng)離子代換量等方法進(jìn)行分析，獲得的礦物成分主要為石英、方解石、長(zhǎng)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(chǎng)試驗(yàn)成果

2．2．1 斷層帶泥的室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)成果

為了更好地進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)Hf4 和F29 斷層帶進(jìn)行了多處取樣的室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)，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(yàn)，試驗(yàn)成果見(jiàn)表1．

表1 室內(nèi)剪切試驗(yàn)成果匯總

2．2．2 現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)成果

表2 為天然狀態(tài)下各結(jié)構(gòu)面的參數(shù)基本值．

表2 結(jié)構(gòu)面現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)成果匯總

2．2．3 結(jié)構(gòu)再生試驗(yàn)成果

將現(xiàn)場(chǎng)取得的Hf4 斷層帶試樣裝入高壓固結(jié)儀中進(jìn)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(yīng)力的關(guān)系，然后利用有限元法計(jì)算出滑面上不同部位的正應(yīng)力［4］． 根據(jù)孔隙比－含水量－正應(yīng)力的相關(guān)關(guān)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(jìn)行直剪試驗(yàn)，得到含水量與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，進(jìn)一步可得到滑面上不同部位的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值，最后經(jīng)綜合比較后選取滑面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值，由試驗(yàn)成果建立斷層泥質(zhì)物高壓試驗(yàn)孔隙比(e)與壓力(P，單位MPa)的關(guān)系，經(jīng)相關(guān)分析獲得的關(guān)系式為:

由試驗(yàn)成果建立的斷層泥質(zhì)物高壓試驗(yàn)孔隙比與壓力P 的關(guān)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(shí)含水量為液限)的泥質(zhì)物在壓力達(dá)到3．2 MPa 時(shí)，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(yīng)力值后，可以利用前面高壓試驗(yàn)成果得到的壓力－孔隙比關(guān)系式(1)分析斷層泥質(zhì)物的性狀特征——孔隙比及對(duì)應(yīng)的飽和含水量．然后結(jié)合建立的強(qiáng)度參數(shù)與物性指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)的關(guān)系式，研究強(qiáng)度參數(shù)的基本量值［6］．為此開(kāi)展了較多室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)．

圖4 Hf4 斷層帶泥質(zhì)物高壓試驗(yàn)的e－P 曲線

現(xiàn)場(chǎng)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(biāo)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(chēng)作性狀指標(biāo)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(duì)應(yīng)關(guān)系)，還可代表干密度(因?yàn)橥恋拿芏萉 ≈2．70 g/cm3．由e=(Q/rd)－1 可知，當(dāng)Q≈常數(shù)，則e 和rd呈反比關(guān)系;可以通過(guò)rd=Q/(1 +e)計(jì)算出干密度)．因此，Ws可表征泥質(zhì)物的基本物理指標(biāo)．當(dāng)Ws/Wp=1 時(shí)，此時(shí)泥質(zhì)物處于塑/固態(tài)的臨界狀態(tài);當(dāng)Ws/Wp＜1 時(shí)，泥質(zhì)物為固態(tài);當(dāng)Ws/Wp＞1時(shí)，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(chēng)為性狀指標(biāo)．

將制成的不同性狀指標(biāo)的試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，獲得其對(duì)應(yīng)的c、f 值，具體結(jié)果見(jiàn)表3．

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

將表3 中的Ws/Wp與c、f 進(jìn)行相關(guān)分析，得到c與Ws/Wp、f 與Ws/Wp的相關(guān)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(guān)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(biāo)間有良好的相關(guān)性，可以用來(lái)評(píng)價(jià)斷層的強(qiáng)度參數(shù)．2．2．4 Hf4 斷層帶泥質(zhì)物強(qiáng)度的確定

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

當(dāng)Sr=100%時(shí)，

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(shí)，應(yīng)用試驗(yàn)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(guān)方程(4)、(5);將計(jì)算得到的Ws除以Wp，即Ws/Wp分別代入式(4)、(5)，便可以計(jì)算出泥質(zhì)物的基本強(qiáng)度指標(biāo)．

計(jì)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(guān)于底滑面Hf4 強(qiáng)度參數(shù)的分析論證及確定

3．1 室內(nèi)試驗(yàn)成果的分析

由上述室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果繪制出中剪試驗(yàn)的τ－σ 關(guān)系圖，如圖7 所示．由于中剪和現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)都是以同一條斷層為主，因而兩項(xiàng)成果具有可對(duì)比性和基本一致性． 大剪τ － σ 關(guān)系曲線如圖8所示．

圖7 室內(nèi)中型剪斷試驗(yàn)的τ－σ 關(guān)系圖

圖8 現(xiàn)場(chǎng)抗剪(斷)試驗(yàn)的τ－σ 關(guān)系圖

由圖7 和圖8 可知，大剪試驗(yàn)的點(diǎn)群中心值、中剪的上、下限值與圍壓狀態(tài)下與結(jié)構(gòu)面充填物性狀的計(jì)算值相近，大剪的試驗(yàn)值實(shí)際上均為受過(guò)次生變動(dòng)、夾泥較多的強(qiáng)度參數(shù)值．現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖軟弱帶土?xí)幸欢ǔ潭鹊乃沙?，需再造樣?因此，通過(guò)這種試驗(yàn)方法得到的滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)與真實(shí)狀態(tài)下的滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)有一定的差別，室內(nèi)試驗(yàn)值和便攜式直剪試驗(yàn)值顯示的數(shù)值均偏高，受試驗(yàn)重塑制樣和方法本身的限制，這些試驗(yàn)成果只能作為參考．

3．2 現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)成果分析

從表2 可以看出，底滑面Hf4 的所有試驗(yàn)強(qiáng)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(hào)平硐中一點(diǎn)c 值高達(dá)0．30 MPa，因該點(diǎn)位于Hf4、F29 結(jié)構(gòu)面下盤(pán)巖體中，結(jié)構(gòu)面性狀好于29 號(hào)平硐和19 －1 號(hào)平硐中受過(guò)重力蠕滑錯(cuò)動(dòng)的Hf4 結(jié)構(gòu)面． 同樣，19 號(hào)平硐中Hf7 結(jié)構(gòu)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(hào)平硐、19 －1 號(hào)平硐中Ⅱ號(hào)變形體底滑面Hf4上做的2 組大剪試驗(yàn)成果中，抗剪強(qiáng)度值與抗剪斷強(qiáng)度值完全一樣．說(shuō)明經(jīng)上部變形巖體的重力蠕滑錯(cuò)動(dòng)后，Hf4 結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度已接近殘余值．

從以上試驗(yàn)成果可以看出，Hf4 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度值總體較接近，比較整個(gè)壩址區(qū)同類(lèi)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的試驗(yàn)成果可知，其他部位各類(lèi)結(jié)構(gòu)面的大剪試驗(yàn)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(shuō)明，作為變形體滑動(dòng)面的F29、Hf4 結(jié)構(gòu)面，在上部巖體產(chǎn)生滑動(dòng)變形后，其力學(xué)性能顯著降低．

3．3 底滑面Hf4 參數(shù)的確定

各試驗(yàn)方法所得的底滑面Hf4 的強(qiáng)度參數(shù)平均值見(jiàn)表4．

表4 各試驗(yàn)方法所得的強(qiáng)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(yàn)中存在一定的差異(f 可能是一個(gè)范圍值)，但其平均值之間差別較小，以標(biāo)準(zhǔn)值作為建議值，黏聚力c 為0．029 ～0．600 MPa，相對(duì)差別較大，可能受各部位含水率影響較大．試樣的制作過(guò)程中若不注意松弛吸水，必然會(huì)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(wú)水平硐中的試樣能保持初始狀態(tài)．

另外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，大部分取樣或試驗(yàn)位置有連續(xù)的夾泥，少部分為巖屑型或巖屑夾泥型．試驗(yàn)成分的差異可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的差異，因此試驗(yàn)結(jié)果的c 值較為分散． 對(duì)多組試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，取80%的試樣保證率．

綜合考慮各試驗(yàn)方法的試驗(yàn)條件、結(jié)構(gòu)面性狀、充填物礦物成分和變形體現(xiàn)今特征［7］，對(duì)底滑面Hf4 飽和狀態(tài)下的力學(xué)參數(shù)的建議取值見(jiàn)表5．

表5 Ⅱ號(hào)變形體底滑面Hf4 的抗剪參數(shù)建議取值

4 結(jié) 語(yǔ)

在我國(guó)大型水電站興建過(guò)程中，經(jīng)常遇到軟弱結(jié)構(gòu)面控制不良的地質(zhì)體，這些地質(zhì)體影響軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度的因素錯(cuò)綜復(fù)雜． 文中在分析論證室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)構(gòu)面本身的性狀和工程特性給出了Ⅱ號(hào)變形體控制性底滑面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)的建議取值．實(shí)際應(yīng)用中，因軟弱面地質(zhì)結(jié)構(gòu)成分和性狀對(duì)參數(shù)的影響較大，同類(lèi)工程中要綜合考慮影響軟弱結(jié)構(gòu)面的各種因素．

［1］萬(wàn)宗禮，劉釗，楊永明，等．黃河上游某水電站工程可行性研究報(bào)告(第三篇·工程地質(zhì))［R］．西安:中水顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)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(gòu)設(shè)計(jì)專(zhuān)題報(bào)告［R］．西安:中水顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2002．

［3］萬(wàn)宗禮，聶德新，楊天俊． 高拱壩建基巖體的研究與實(shí)踐［M］．北京:水利水電出版社，2009．

［4］東北大學(xué)，總參工程兵第四設(shè)計(jì)研究院，中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，等． 工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn):GB/T 50218—2014［S］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2015．

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

［6］黃潤(rùn)秋，萬(wàn)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(xué)出版社，1991．

［7］王啟鴻，王淼，馬毅樂(lè)． 高拱壩可利用巖體標(biāo)準(zhǔn)的確定［J］．華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31(4):123 －126．