挤压带岩体特性及其对重力坝抗滑稳定性的影响

唐军峰,杨 军,曾祥喜,熊建平,李学政

(中国水电顾问集团中南勘测设计研究院,湖南长沙 410014)

挤压带岩体特性及其对重力坝抗滑稳定性的影响

唐军峰,杨 军,曾祥喜,熊建平,李学政

(中国水电顾问集团中南勘测设计研究院,湖南长沙 410014)

为分析坝基岩体挤压破碎带力学特性及其对重力坝抗滑稳定的影响,根据岩体微观测试、力学试验成果,建立了有限元数值模型,采用强度折减法研究了正常蓄水位条件下的坝体力学特性。研究结果表明,挤压带岩体结构松散,晶体结构以黏土矿物为主,具有很强的亲水性;饱和条件下,挤压带岩体抗剪强度大大低于非饱和条件下的强度;大坝蓄水后,坝基的潜在滑移模式表现为顺挤压带岩体的深层滑动,极限条件下的折减系数为2.37,小于规范要求,采用剪摩法计算时取值3.0。根据以上分析,建议重点对坝基挤压带岩体进行部分开挖置换和固结灌浆处理,同时做好防渗帷幕,降低水对挤压带岩体的弱化作用。

挤压带;重力坝抗滑稳定;岩体测试;强度折减法

0 引言

构造作用形成的挤压破碎带(以下简称挤压带)是岩土工程中常见的不良地质现象。通常,挤压带岩体是作为一个强度低、透水性大、易变形的软弱岩带存在,其工程力学性质与两侧岩体有显著差异,因此,往往成为工程建设中的控制性因素[1]。建立在复杂构造带上的重力坝,挤压带的存在对大坝的抗滑稳定性、坝体变形和应力状态的影响成为重要的研究问题[2]。目前,国内外研究挤压带岩体特性及其对工程的影响主要采用试验和数值计算,将这2种方法相结合能全面揭示其工程特性。采用X射线衍射分析和电镜扫描可以分别确定岩矿中粘土矿物的成分及含量,了解岩矿受构造作用的影响和损伤程度,室内力学试验通过循环加载获得岩石力学强度[3-5]。本文基于以上的岩石试验研究,采用数值计算和力学分析方法,对坝基挤压破碎带岩体的性状进行科学评价,并研究了对坝体稳定性的影响,提出了工程处理建议。

1 工程概况

某水电站大坝采用混凝土重力坝,坝基岩体发育有挤压破碎带、挠曲核部破碎带以及多条软弱夹层、小断层和节理裂隙等不良结构面,地质构造形态奇特、复杂。其中,挤压带岩体贯穿左岸坝基,因受挤压较强烈,层间错动和节理裂隙发育,岩体多破碎。破碎岩体总体倾角平缓,由灰白色密实状砂土、疏松状砂岩碎块组成,含灰黑色的炭泥质物条带。由于规模大、范围广,厚度一般达到3～8 m,影响带厚度5～10 m,完整性差,岩体质量主要为Ⅳ-Ⅴ类。另外,由于挤压带岩体倾角较小,易构成坝体滑移控制面,对大坝的抗滑稳定非常不利,成为影响坝基稳定的最主要工程问题(图1)。

图1 坝基开挖揭露的挤压带Fig.1 Fractured belt in the dam foundation

2 挤压带岩石测试

众多工程实践和理论研究均表明,工程岩体的宏观破坏从内部损伤开始,而微观试验是研究岩石损伤的有力工具。由于挤压带是水电站坝基存在的不利地质体,为了研究挤压带特性及其对工程的影响,对其进行了一系列的岩石特性试验,主要包括X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SE M)和三轴固结不排水剪切试验。

2.1 X射线衍射分析(XRD)

X射线衍射是分析矿物物相,特别是分析粘土矿物的有效手段,也是岩石(土)矿物成分半定量分析方法。图2分别给出了典型的挤压带岩石全岩XRD和粘粒成分XRD的测试结果。

图2 挤压带XRD衍射图谱Fig.2 X-ray diffraction pattern of fractured belt

(1)由图2-a可知,除泥岩和钙质砂岩外,其余岩屑石英砂岩石英含量一般为50%～80%;长石含量占10%～25%,以斜长石为主,钾长石为次;粘土含量占6.7%～23.6%。

(2)粘粒成分XRD测试结果(图2-a)显示,粘粒部分基本由伊利石、蒙脱石混层和绿泥石组成,部分试样中含有极少量高岭石。伊/蒙混层矿物混层比一般<5%,基本可归之于广义的伊利石类。从衍射图谱上看,经乙二醇饱和后的衍射峰仅有稍微的偏移,表明混层内蒙脱石含量少。粘粒成分中伊利石和绿泥石主要来自胶结物,少量来自于长石风化。个别试样由于绿泥石含量较高,导致岩石外观呈灰绿色。

为进一步了解岩石的微观结构,对挤压带岩体进行扫描电镜分析。

2.2 扫描电镜(SEM)分析

借助扫描电镜,可以分析岩石的微观结构,并测试其特定对象的化学成分。试验采用德国LEO1450VP扫描电子显微镜。

图3给出了电镜扫描获得的挤压带岩石微观结构图,由图可知:

(1)由于经历了复杂的地质作用,挤压带岩体微观结构表现出颗粒松散,形成了以黏土矿物为主的晶体结构,主要以聚积体的形式存在,多分布于未风化的晶体表面。由于结构松散,水分子易进入黏土矿物颗粒之间,在其间形成极化的水分子层。

图3 挤压带岩体岩石微观构造SEM像Fig.3 SEM images ofmicro-fracture of rocks in fractured belt

(2)黏土矿物以蒙脱石、伊利石和绿泥石为主,由于黏土矿物颗粒较小,具有很强的亲水性,因此,以蒙脱石、伊利石等为主的黏土胶结作用水稳性较差,水分子易进入黏土矿物晶胞层间,形成矿物内部层间水层,有利于岩石的膨胀、软化和崩解的发展。

(3)溶蚀孔和溶蚀坑的出现表明,挤压带岩石经历了不同程度的溶蚀作用。碎屑颗粒多数有一定的溶蚀现象,胶结物也有部分溶蚀,并因潜蚀作用导致岩石胶结物被带走形成孔洞和孔隙,致使岩石结构趋于松散。

2.3 三轴不固结不排水剪切试验(CU)

鉴于坝基岩体抗滑稳定性的要求,对挤压带岩体进行了多组非饱和及饱和状态下的三轴剪切试验。试验尺寸均为100×200,试验设备为应变式三轴仪,采用不固结不排水剪(UU)。其中,非饱和状态试验围压按照400 kPa、900 kPa、1 200 kPa、1 600 kPa四级施加,饱和状态下的试验围压按照300 kPa、600 kPa、900 kPa三级施加。试验得到两种典型的主应力差与轴向应变关系曲线,见图4所示。

图4 主应力差与轴向应变关系曲线图Fig.4 Curves of principal stress difference with axial strain

由图4可知,对于非饱和UU剪,不同的围压得到的试验曲线均可见明显的峰值,峰值后的岩体仍有一定的抗剪强度;由饱和UU剪试验强度参数可知,挤压带经水饱和后,强度参数急剧下降,说明水对挤压带岩体的强度指标影响较大,因此,在重力坝工程建设中,需特别注意坝基岩体,特别是挤压带岩体的防排水。

3 挤压带对重力坝抗滑稳定影响的数值分析

3.1 有限元强度折减法

抗剪强度折减法的概念于上世纪70年代首先由Zienkiewicz提出,其所含义是在外荷载保持不变的情况下,边坡内土体所发挥的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力之比[6]。由此所确定的强度储备安全系数与Bishop法得到的安全系数在概念上一致。其要点是利用折减系数Ft不断调整岩土体的强度指标c、φ值,分别进行有限元计算,直至达到临界破坏,此时得到的折减系数即为安全系数Fs。公式表示为:

经过30多年的发展,有限元强度折减法得到了日益广泛的应用,其中,应用领域最多的是边坡工程,而应用于水利水电工程坝基抗滑稳定分析的实例不多[7-14]。为了解挤压带岩体对重力坝抗滑稳定性的影响,以下采用有限元强度折减法进行分析计算。

3.2 岩土介质的理想弹塑性模型

Mohr-Coulomb准则是目前岩土工程中应用最为广泛的破坏准则,其表达式为:

式中:I1和J2为应力张量第1不变量和应力偏量第2不变量;θ0为应力罗德角;c和φ分别为凝聚力和内摩擦角。

3.3 计算模型的建立

根据工程现场勘察和开挖地质资料,在建立有限元计算模型时,考虑了不良地质体,包括立煤湾膝状挠曲和挤压构造形成的挤压带、多条软弱夹(泥)层以及软弱岩层的影响。按照在坝体上下游方向取坝高2倍的距离作为左右边界,坝基距离模型底部以2倍坝高作为基本原则进行建模,建立的计算模型水平方向长960 m,垂直方向长530 m。典型的有限元计算剖面见图5所示。生成节点8 336个,单元数14 402个。

图5 计算模型Fig.5 Model for calculation

参考工程区丰富的岩体力学试验资料,计算时所采用的参数见表1所示。

表1 坝基材料岩体力学参数Table 1 Rock mass parameter of the dam foundation

表2 结构面参数Table 2 Parameter of structural plane

3.4 计算结果分析

在正常蓄水工况下,通过不同强度储备系数下的静力计算,最终得到坝基抗滑稳定安全系数为2.37(图6)。根据规范,当采用剪摩法计算时,正常蓄水位荷载下的坝基深层抗滑稳定安全系数取值3.0,因此,计算值不能满足规范要求[15]。图6是岩体强度折减系数为2.38时的坝基岩体塑性区分布。

图6 坝基岩体塑性区分布Fig.6 Plastic zone of the dam foundation

根据多个折减计算成果发现,折减系数从1逐步增大至2.38的过程,也是坝基岩体塑性区的发展过程。塑性区主要从坝踵附近的挤压带岩体开始,顺挤压带分布由浅至深发展,同时,坝趾部位也出现塑性区,垂直坝基偏下游侧发展。当岩体强度折减至2.38时,挤压带部位的塑性区与坝趾产生的塑性区贯通(图6)。图中还显示,坝踵附近的软弱岩层也出现了一定程度的塑性区,但没有挤压带岩体明显,因此,与挤压带一起,是在施工过程中需要重点处理的部位。

在正常蓄水位工况下,最大位移出现在靠近坝址附近位置,图7给出了坝体最大位移与强度折减系数的关系。由图,当折减系数不超过2.37时,坝体的最大位移少于6 cm;当系数达到2.38时,坝体最大位移突增至24.49 cm,说明坝体顺挤压带至坝趾的贯穿性塑性区发生了较大的变形,可视为坝体失稳。

图7 坝体最大位移与折减系数关系曲线Fig.7 Curves ofmax displacementwith FOS

图8为正常水位条件下的坝体底部最大主应力分布。由图可知,最大拉应力0.1 MPa,出现在坝锺部位,最大压应力4.2 MPa,出现于坝址,中部沿软弱夹层部位出现压应力突变现象,因此,需注意软弱层岩体的施工处理。

图8 坝体底部最大主应力分布Fig.8 The max principal distribution at bottom of the dam

4 坝基挤压带岩体处理建议

(1)挤压带岩体结构松散,晶体结构以黏土矿物为主,具有很强的亲水性;在饱和条件下的抗剪强度参数大幅降低。因此,需做好坝基部位的施工防排水以及大坝建成后的防排水工作,在大坝上下游侧均设置帷幕,同时保证穿过较破碎部位防水帷幕的施工质量。

(2)挤压带岩体破碎,岩体质量Ⅳ-Ⅴ类,抗剪强度相对较低,易形成重力坝深层滑移面;与上下层质量较好的Ⅱ-Ⅲ类岩体共存,对建成后的大坝易产生不均匀沉降。为改善坝基岩体质量,提高大坝抗滑稳定性,建议对坝锺部位埋藏相对较浅的破碎岩体进行挖除处理,并置换混凝土。

(3)为提高坝基岩体的抗渗透破坏能力,并改善其完整性和均匀性,建议对坝基岩体进行固结灌浆处理,重点对挤压带、软弱岩带以及软弱夹层进行固灌处理。

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(责任编辑:于继红)

Characteristics of Fractured Belt in Concrete Gravity Dam Foundation and It’s Influence on the Stability against Sliding

TANG Junfeng,YANG Jun,ZENG Xiangxi,X IONG Jianping,LIXuezheng
(M id-South Design and Research Institute for Hydroelectric Projects,Changsha,Hunan410014)

In order to analyze the mechanical characteristics of fractured belt and its influence on the stability against concrete gravity dam sliding,micro structural testwith mechanical experience was carried out,and the FEM model,based on strength reduction method was built to analyze the mechanical behavior of the dam while impounded.The results indicate that the fractured belt rock mass has loose structure,composed with clay mineral,and has strong hydrophilic nature.While in situation with saturation,the shear strength decreased rapidly compared with the non-saturation condition.After impounded,the analysis of anti-sliding stability in deep foundation was carried out,and the potential slipping plane along the fractured beltwas found with factor of safety 2.37,less than the code required value,i.e.,3.0.Based on the analysis above,some advices were put forward,including excavate and represent with concrete for the fractured belt,consolidation grouting and anti-seepage curtain were also needed to reduce the effect of water to the fractured belt rock mass.

fractured belt;anti-sliding stability of concrete gravity dam;rock mass test;strength reduction method

TV223;TV642.3

A

1671-1211(2010)05-0441-05

2010-07-01

唐军峰(1977-),男,博士,工程师,工程力学专业,从事岩土力学方面的设计与研究工作。E-mail:junfengtang@126.com