坝基断层岩体原位直剪与变形试验研究

李祥俊，穆万鹏，刘忠富，谭春（.华能澜沧江水电股份有限公司托巴水电工程筹建处，云南 迪庆 674600；.桑河二级水电站有限公司，云南 昆明 6504；.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 006）

坝基断层岩体原位直剪与变形试验研究

李祥俊1，穆万鹏2，刘忠富3，谭春3
（1.华能澜沧江水电股份有限公司托巴水电工程筹建处，云南 迪庆 674600；2.桑河二级水电站有限公司，云南 昆明 650214；3.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061）

由于坝基F67断层破碎带规模较大，性状较差，对坝基变形、抗滑及渗透稳定影响均较大，如何使提供的抗剪强度与变形模量参数既保证大坝安全又经济合理，是试验工作的关键。文中根据丰满水电站坝基进行的原位试验，介绍了这次试验内容、方法及成果，提出了该工程F67断层泥化带、强烈挤压破碎带和挤压破碎带的岩体变形模量和抗剪强度参数，为设计提供依据。

丰满重建；坝基F67断层；岩体变形与直剪；试验成果

1　概述

丰满水电站始建于1937年伪满时期，是我国最早建设的水电站，由于当时的建设条件，大坝施工质量差，渗漏严重，存在安全隐患。2009年9月，水电水利规划设计总院审查并通过中水东北勘测设计研究有限责任公司设计的重建方案。

丰满水电站为吉林省境内第二松花江干流上修建的一座以发电为主，兼顾防洪、供水、灌溉等多方面综合利用的大型水力发电工程，工程为一等工程，主要建筑物大坝、左岸泄洪兼导流洞、坝后式厂房和开关站为1级建筑物。坝址布置在原坝址下游120 m处，为碾压混凝土重力坝，坝顶高程269.90 m，坝顶长1 068.00 m，最大坝高94.50 m。

2　 F67断层地质条件

坝址区主要为二叠系下统一拉溪组地层和第四系地层（玄武岩和松散堆积物），侵入岩为华力西晚期花岗岩。其中F67断层为坝址区发育规模最大、性状最差的一条断层破碎带，在右岸阶地部位顺江通过坝址区，与坝轴线近于正交。该断层破碎带由F67-1、F67-2、F67-3、F67-4和F67-5等多条断层组成，总体走向N15°～50°W，倾向SW，倾角60°～85°。由于F67断层多期活动，致使该破碎带断层条数较多，间距较近，加之风化作用的影响，各断层宽度不一，性状亦有差异；但破碎带宽度总体上自上而下逐渐变小，破碎程度随深度的增加而逐渐减弱。整个破碎带岩石破碎程度不均一，按其破碎情况大致可分断层泥化带、强烈挤压破碎带和挤压破碎带三个部分。

泥化带：约占断层带总宽度的2.3%，即F67-1、F67-2、F67-3断层中心带；F67-1断层泥化带宽度约0.5～0.7 m，局部可达2.5 m，由灰～灰黄色泥夹岩屑组成，湿时具塑性。F67-2、F67-3断层泥化带分别宽0.4～0.6 m和0.05～0.1 m，由泥夹岩屑组成。

强烈挤压破碎带：约占断层带总宽度的18.7%，沿F67-1、F67-2、F67-3断层中心带上盘分布，宽一般3～6 m，破碎带内与断层方向一致的陡倾角节理密集分布，破碎带内岩石多被压碎成数厘米至十厘米大小的较软弱至中等坚硬的岩块（碎块岩），部分地段见有碎裂岩及断层角砾岩，并多被钙质及硅质次生物重新胶结，局部有绿泥石化、高岭土化现象。

挤压破碎带：约占断层带总宽度的79%，分布于F67-1、F67-2、F67-3强烈挤压破碎带两侧，宽度25～30 m；破碎带内见有多条倾角较陡的小断层，岩石多破碎呈10～30 cm大小的中硬岩块，局部强烈破碎、软弱。其特点是压碎岩块多被钙质及硅质次生物重胶结，整个挤压破碎带下盘破碎程度较上盘轻，下盘侧挤压破碎带向外压碎岩块逐渐增大，岩石由中等坚硬逐渐变为坚硬。

3　试验内容

这次试验是在大坝施工期间，由设计、地质、试验、监理、施工共同确定试验位置，在F67断层坝段建基面断层带内进行，内容包括原位变形试验和原位抗剪（断）试验。原位变形试验：在F67断层泥化带、一般挤压破碎带、强烈挤压破碎带布置原位变形试验各1组，每组6个试验点。试验采用刚性承压板法，岩体变形试验加载方向为铅直方向。

原位抗剪（断）试验：在F67断层一般挤压破碎带布置原位抗剪（断）试验2组，每组6个试验点；F67断层强烈挤压破碎带布置原位抗剪（断）试验1组，每组6个试验点；F67断层泥化带布置原位抗剪（断）试验1组，每组6个试验点。试验采用平推法，其剪切加载方向与工程总体的水流推力方向一致，即剪力方向为N23.4°W，法向加载方向与铅直方向。

4　试验方法

4.1岩体直剪试验方法

在岩体直剪试验中，岩体剪切破坏遵循库仑准则，其表达式为：

τ=σtgφ+C

式中：τ——施加在剪切面上的剪应力，MPa；σ——施加在剪切面上的法向应力，MPa；φ——材料的内摩擦角；C——材料的粘聚力，MPa。

岩体直剪试验采用平推法，在人工泡水条件下进行，剪切荷载方向与工程水流推力方向一致。根据设计资料，丰满工程坝基应力为2.0 MPa，分五级施加，级差为0.4 MPa，确定各级应力为0.4，0.8，1.2，1.6，2.0 MPa。

对试验场地进行清理，加工变形、直剪试验试件，变形试验与直剪试验类似。4.2岩体变形试验方法

岩体的变形试验原理为弹性理论方法，认为岩体是理想均匀的各向同性的弹性体，按照弹性理论半空间无限体的布西涅斯克公式，计算岩体的弹性模量和变形模量。刚性承压板法试验变形参数按下列公式计算：式中：E——变形模量或弹性模量，MPa；当以全变形W0代入式中计算时为变形模量E0，当以弹性变形We代入式中计算时则为弹性模量Ee；μ——岩体泊松比；p——按承压面单位面积计算的压力，MPa；D——承压板直径，cm；D——岩体表面变形，cm。

岩体变形试验采用刚性承压板法，在人工泡水条件下进行，岩体变形试验加载方向为铅直方向，加载方式采用逐级一次循环法，试验压力荷载分5级进行。工程设计最大荷载为2.0 MPa，分五级施加，级差为0.4 MPa。

5　试验结果

5.1抗剪试验结果

这次岩体直剪试验在F67断层共进行4组24个岩体直剪试验，F67直剪试验为泥化带剪切、强烈挤压破碎带剪切和挤压破碎带剪切。其中泥化带抗剪断（或抗剪）应力曲线和试验结果见图2、图3和表1所示。

总体上看，各组规律较好，试验成果如下：泥化带峰值强度：tgφ′=1.191，C′=0.534；tgφ=0.909，C=0.524MPa；强烈挤压破碎带峰值强度：tgφ′= 0.72，C′=1.616；tgφ=0.701，C=1.072 MPa；挤压破碎带峰值强度：tgφ′=1.261，C′=1.235；tgφ′=1.061，C=1.124 MPa；综合值tgφ′=1.343，C′=1.071；tgφ= 1.030，C=1.035MPa。

5.2变形试验结果

这次岩体变形试验在F67断层分别进行了3组（18点）岩体变形试验，总体上看，各测段和测点的变形规律较好，与被测岩体的实际情况基本吻合，其变形特性指标在总体量级上是合理的。其中泥化带变形试验成果和变形模量关系曲线见表2和图4所示。

试验基本结果如下：泥化带变形模量为0.08～0.24 GPa，平均为0.17 GPa，弹性模量为0.18～0.38 GPa，平均为0.32 GPa；强烈挤压破碎带变形模量为0.30 GPa～0.56GPa，平均为0.40GPa，弹性模量为0.26～0.76 GPa，平均为0.61 GPa；挤压破碎带变形模量为0.70～1.07 GPa，平均为0.86 GPa，弹性模量为0.91～1.43 GPa，平均为1.13 GPa。

表1　泥化带抗剪断（抗剪）试验成果

图2　泥化带抗剪断正应力-剪应力曲线

图3　泥化带抗剪正应力-剪应力曲线

表2　泥化带变形试验成果汇总表

6　结论

坝基F67断层为坝址区发育规模最大、性状最差的一条断层破碎带，是工程地质研究的重点对象，其强度参数尤其重要，受岩性、成因及赋存环境等复杂因素影响。因此，在建坝地区的勘测中，均把断层的试验、勘察放在首要位置。目前，断层破碎带的岩体变形与抗剪强度参数的选定主要有两种方法：其一是工程类比法，一般用于中小型工程或大型工程的规划、可行性研究阶段试验资料不足的情况下。其二是现场原位试验法，主要用于大型工程，在地质勘探洞内或坝基建基面上进行。通过国内有关工程经验，比如锦屏一级水电站、黑龙江大顶子山航电枢纽等工程，采取在坝基建基面上进行岩体变形与直剪试验，试验方法是可行的，试验成果科学合理，符合工程实际，使提供的抗剪强度与变形模量参数既保证大坝安全，又经济合理。

图4 F67断层泥化带变形模量关系曲线

［1］张淖元，聂德新等.金沙江向家坝水电站坝址岩石及软弱夹层研究［M］.成都：成都科技大学出版社，1993.

［2］王恕林.江苏宜兴抽水蓄能电站上水库软弱夹层工程特性［J］.华东水电技术，2003，（1）：10-12.

［3］闫汝华，樊卫花.马家岩水库坝基软弱夹层剪切特征及强度［J］.岩石力学与工程学报，2004，（11）：3671-3674.

［4］杨建.龙爪河引水工程坝址区软弱夹层的试验研究［A］.岩石力学与工程论文集［C］.长春：吉林科学技术出版社，1999.

［5］王东华.白龙江宝珠寺水电站坝址区泥化夹层的工程地质研究［A］.第三届国际地质大会水利系统论文选集［C］.郑州：黄河水利出版社，1996.

TV32

B

1002－0624（2016）08－0053－03

2016-04-27