黄河上游某水电站Ⅱ号变形体底滑面强度的参数选取及论证

王启鸿，贾九名，常兴兵，贾新会

(西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

黄河上游某水电站为黄河上较大的水电枢纽工程，建筑物由双曲拱坝、坝身表孔与深孔泄水建筑物、发电地下厂房系统等组成，设计坝型为对数螺旋线双曲拱坝，坝顶高程2 460 m，坝高250 m，水库正常蓄水位2 452 m，电站总库容10．79×108m3，装机容量4 200 MW，多年平均发电量102．23 ×108kW·h．目前已正常发电运行近5 a［1］．

坝址区出露的岩层主要为中生代印支期花岗岩及三叠系浅变质岩． 坝区山高坡陡、峡窄谷深，河流流向近EW 向，岸坡陡峻，呈明显的“V”字型． 谷底至岸顶高差达600 ～700 m． 两岸基岩裸露［2］． 坝址左岸紧邻左坝肩下游的花岗岩体中发育Ⅱ号变形体，其稳定性主要影响坝后消能区的安全，对电站施工及长期安全运行意义重大．

断层、裂隙等相对于完整岩体均属软弱面，而且由于其常具有一定的宽度，成为岩体中的相对软弱层带［3］．这些软弱层带具有较低的力学参数特征，是控制建筑物、边坡等稳定的关键结构面［3］． 文中主要针对黄河上游某左坝肩下游的Ⅱ号变形体控制性底滑面Hf4 缓倾角断层，在查明其控制性底滑面基本地质特征的前提下，对Hf4 软弱带进行了现场大剪试验、断层泥室内物理力学试验、室内中剪及便携式直剪试验、室内软弱层带高压试验等一系列试验．初步进行室内试验成果分析、变形参数评价，对比坝址区软弱结构面试验结果及相类似工程中软弱结构面的力学参数，较为合理、可靠地论证了软弱结构面的力学参数，在此基础上，再选择软弱结构面的具体参数建议值．

1 工程地质条件

1．1 Ⅱ号变形体工程地质条件

Ⅱ号变形体位于左岸坝后花岗岩体中，前缘高程2 400 m，后缘高程2 650 m．其边界为:上游侧切割(滑)面F29，下游侧切割面L145，底滑面Hf4，后缘拉裂面LF1． 此外，变形体还受内部F132、F151、Hf33 等结构面分割，如图1 所示． Ⅱ号变形体上游侧为F29 冲沟，靠黄河一侧为深切峡谷，在地形上两面临空，横剖面如图2 所示．

图1 右岸山顶远视Ⅱ号变形体全貌

图2 Ⅱ号变形体横剖面(单位:m)

1．2 Hf4 断层带地质条件

Hf4 滑带成分复杂、结构紊乱，带内糜棱质、泥粉质及细小构造角砾相互混杂，物质松散、未胶结或胶结很差． Hf4 断层带总体产状为NE40° ～80°SE∠5° ～18°;浅部产状为NE65° ～80°SE∠15° ～18°;深部产状为NE15° ～40°SW∠12° ～14°;局部产状为NW290°SW∠5° ～10°，如图3 所示． 其中宽度20 ～50 cm，充填红色泥(厚约1 ～2 cm，较连续)、白色泥(厚约0．2 ～0．5 cm)与铁锈色岩块互层，胶结差，面粗糙较平直，上盘影响带0．5 ～0．8 m，下盘影响带0．2 ～1．5 m，影响带内裂隙发育且充填物胶结较差，岩体较破碎，主要以铁锈色碎裂岩块为主，块径一般为0．3 ～0．5 m．

图3 勘探点与抗剪硐实测坐标拟合的Hf4 断层趋势面

2 Hf4 断层带各项试验成果

2．1 断层带泥的矿物成分确定

滑带的化学成分及矿物成分是滑带物理特性的一个重要方面，为了了解滑带土的组成，需要对取得的滑带土进行化学成分和矿物成分分析，分析结果可以从侧面反映滑带土的抗剪强度参数情况［4］． 比如蒙脱石含量稍高的滑带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为16% ～20%．当滑带土的含水量为21%时，则含蒙脱石的滑带土呈现固态，而含伊利石的已进入塑态．在这种情况下，即使含水量一样，其抗剪强度参数也是不一样的;呈现固态的强度高，而呈现塑态的强度低［4］．Hf4 断层泥的组成物通过χ 衍射、红外光谱分析、差热分析、阳离子代换量等方法进行分析，获得的矿物成分主要为石英、方解石、长石、伊利石、绿泥石等，其中黏土矿物仅伊利石一种［5］．

2．2 室内、现场试验成果

2．2．1 断层带泥的室内物理力学试验成果

为了更好地进行对比分析，对Hf4 和F29 断层带进行了多处取样的室内强度试验，有室内中型剪、便携式直剪和断层泥室内常规等试验，试验成果见表1．

表1 室内剪切试验成果汇总

2．2．2 现场大剪试验成果

表2 为天然状态下各结构面的参数基本值．

表2 结构面现场剪切试验成果汇总

2．2．3 结构再生试验成果

将现场取得的Hf4 断层带试样装入高压固结仪中进行压缩，获得不同压力下泥质物的孔隙比、含水量、密度，得出孔隙比与正应力的关系，然后利用有限元法计算出滑面上不同部位的正应力［4］． 根据孔隙比－含水量－正应力的相关关系，得到滑面上的含水量．再将滑带土调制成不同含水量的试样进行直剪试验，得到含水量与抗剪强度之间的关系，进一步可得到滑面上不同部位的抗剪强度参数值，最后经综合比较后选取滑面的抗剪强度参数值，由试验成果建立断层泥质物高压试验孔隙比(e)与压力(P，单位MPa)的关系，经相关分析获得的关系式为:

由试验成果建立的断层泥质物高压试验孔隙比与压力P 的关系曲线如图4 所示．

从图4 中和高压固结仪中得到的孔隙比可以看出，其值在0．600 以上(此时含水量为液限)的泥质物在压力达到3．2 MPa 时，泥质物的孔隙比将降低至0．269 ～0．390，饱和含水量由25%降至10% ～14%．这反映出，处于高压下的泥质物有低的孔隙比、低的含水量和高的干密度． 获得不同部位断面上的应力值后，可以利用前面高压试验成果得到的压力－孔隙比关系式(1)分析断层泥质物的性状特征——孔隙比及对应的饱和含水量．然后结合建立的强度参数与物性指标、状态指标的关系式，研究强度参数的基本量值［6］．为此开展了较多室内强度试验．

图4 Hf4 断层带泥质物高压试验的e－P 曲线

现场取了Hf4 断层带泥质物样品，在室内制成不同含水量、不同性状指标Ws/Wp(Ws为天然含水量;Wp为塑限含水量)的试样． 这里将Ws/Wp称作性状指标是因该分式中Ws可代表含水量，也可代表泥质的孔隙比(孔隙比e 与饱和含水量有一一对应关系)，还可代表干密度(因为土的密度Q ≈2．70 g/cm3．由e=(Q/rd)－1 可知，当Q≈常数，则e 和rd呈反比关系;可以通过rd=Q/(1 +e)计算出干密度)．因此，Ws可表征泥质物的基本物理指标．当Ws/Wp=1 时，此时泥质物处于塑/固态的临界状态;当Ws/Wp＜1 时，泥质物为固态;当Ws/Wp＞1时，泥质物可为液态． 因此，Ws/Wp的高低可以表征泥质物的不同状态，因此称为性状指标．

将制成的不同性状指标的试样进行剪切试验，获得其对应的c、f 值，具体结果见表3．

表3 PD19 平硐软弱面Hf4 断层带泥质物不同性状时的强度参数汇总

将表3 中的Ws/Wp与c、f 进行相关分析，得到c与Ws/Wp、f 与Ws/Wp的相关方程及曲线，如图5、图6 所示．

图5 断层带泥质物试样的f－Ws/Wp 关系曲线

图6 断层带泥质物试样的c－Ws/Wp 曲线

从图5 和图6 中可以看出，这些指标间有良好的相关性，可以用来评价断层的强度参数．2．2．4 Hf4 断层带泥质物强度的确定

前面已经建立了泥质物孔隙比e 与压应力P 的关系，用有限元方法计算出各断层面上的正应力．将计算的正应力代入压力P 与e 的相关方程，便可得到相应的天然条件下泥质物的孔隙比基本值． 由下式可以计算出泥质物的含水量Ws．

当Sr=100%时，

式中:Sr为饱和度，%;G 为泥质物密度;e 为泥质物孔隙比;W(Ws)为含水量．

同时，应用试验成果建立了泥质物不同性状条件下的摩擦系数、黏聚力的相关方程(4)、(5);将计算得到的Ws除以Wp，即Ws/Wp分别代入式(4)、(5)，便可以计算出泥质物的基本强度指标．

计算可得:f 峰值的平均值为0．45，c 峰值的平均值为0．43 MPa．

3 关于底滑面Hf4 强度参数的分析论证及确定

3．1 室内试验成果的分析

由上述室内和现场试验成果绘制出中剪试验的τ－σ 关系图，如图7 所示．由于中剪和现场大剪试验都是以同一条断层为主，因而两项成果具有可对比性和基本一致性． 大剪τ － σ 关系曲线如图8所示．

图7 室内中型剪断试验的τ－σ 关系图

图8 现场抗剪(断)试验的τ－σ 关系图

由图7 和图8 可知，大剪试验的点群中心值、中剪的上、下限值与围压状态下与结构面充填物性状的计算值相近，大剪的试验值实际上均为受过次生变动、夹泥较多的强度参数值．现场开挖软弱带土会有一定程度的松弛，需再造样． 因此，通过这种试验方法得到的滑带土抗剪强度参数与真实状态下的滑带土的抗剪强度参数有一定的差别，室内试验值和便携式直剪试验值显示的数值均偏高，受试验重塑制样和方法本身的限制，这些试验成果只能作为参考．

3．2 现场大剪试验成果分析

从表2 可以看出，底滑面Hf4 的所有试验强度值均很接近，抗剪摩擦系数峰值f 为0．34 ～0．37，黏聚力c 为0．06 ～0．07 MPa．PD19 －1 号平硐中一点c 值高达0．30 MPa，因该点位于Hf4、F29 结构面下盘岩体中，结构面性状好于29 号平硐和19 －1 号平硐中受过重力蠕滑错动的Hf4 结构面． 同样，19 号平硐中Hf7 结构面上部裂隙中的一组大剪成果值更高，峰值f 为0．6，c 为0．195 MPa．值得指出的是，在29 号平硐、19 －1 号平硐中Ⅱ号变形体底滑面Hf4上做的2 组大剪试验成果中，抗剪强度值与抗剪断强度值完全一样．说明经上部变形岩体的重力蠕滑错动后，Hf4 结构面的强度已接近残余值．

从以上试验成果可以看出，Hf4 结构面强度值总体较接近，比较整个坝址区同类结构面强度的试验成果可知，其他部位各类结构面的大剪试验值(如Hf8、Hf10、Hf3 等)，一般f 为0． 4 ～0． 5，c 为0．08 ～0．13 MPa，c 最大为0．25 MPa． 这充分说明，作为变形体滑动面的F29、Hf4 结构面，在上部岩体产生滑动变形后，其力学性能显著降低．

3．3 底滑面Hf4 参数的确定

各试验方法所得的底滑面Hf4 的强度参数平均值见表4．

表4 各试验方法所得的强度参数平均值

从表4 中可看出，其中摩擦系数f 为0． 35 ～0．47，尽管在各组试验中存在一定的差异(f 可能是一个范围值)，但其平均值之间差别较小，以标准值作为建议值，黏聚力c 为0．029 ～0．600 MPa，相对差别较大，可能受各部位含水率影响较大．试样的制作过程中若不注意松弛吸水，必然会造成平硐中有地下水，水流滴渗到试件上，造成试件含水量发生变化，而无水平硐中的试样能保持初始状态．

另外现场调查表明，大部分取样或试验位置有连续的夹泥，少部分为岩屑型或岩屑夹泥型．试验成分的差异可能导致试验结果的差异，因此试验结果的c 值较为分散． 对多组试验进行统计分析，取80%的试样保证率．

综合考虑各试验方法的试验条件、结构面性状、充填物矿物成分和变形体现今特征［7］，对底滑面Hf4 饱和状态下的力学参数的建议取值见表5．

表5 Ⅱ号变形体底滑面Hf4 的抗剪参数建议取值

4 结 语

在我国大型水电站兴建过程中，经常遇到软弱结构面控制不良的地质体，这些地质体影响软弱结构面的抗剪强度的因素错综复杂． 文中在分析论证室内、现场试验成果的基础上，结合结构面本身的性状和工程特性给出了Ⅱ号变形体控制性底滑面的抗剪强度参数的建议取值．实际应用中，因软弱面地质结构成分和性状对参数的影响较大，同类工程中要综合考虑影响软弱结构面的各种因素．

［1］万宗礼，刘钊，杨永明，等．黄河上游某水电站工程可行性研究报告(第三篇·工程地质)［R］．西安:中水顾问集团西北勘测设计研究院，2002．

［2］姚栓喜，陈永福，刘志新，等．黄河上游某水电站工程拱坝结构设计专题报告［R］．西安:中水顾问集团西北勘测设计研究院，2002．

［3］万宗礼，聂德新，杨天俊． 高拱坝建基岩体的研究与实践［M］．北京:水利水电出版社，2009．

［4］东北大学，总参工程兵第四设计研究院，中铁西南科学研究院有限公司，等． 工程岩体分级标准:GB/T 50218—2014［S］．北京:中国计划出版社，2015．

［5］张咸恭，聂德新，任光明，等．围压效应与软弱夹层泥化的可能性分析［J］．地质论评，1990，36(2):160 －166．

［6］黄润秋，万宗礼，聂德新，等．黄河上游某水电站高边坡稳定性的系统工程地质研究［M］．成都:成都科技大学出版社，1991．

［7］王启鸿，王淼，马毅乐． 高拱坝可利用岩体标准的确定［J］．华北水利水电学院学报，2010，31(4):123 －126．