九甸峡水利枢纽坝址区岩体力学试验结果分析

刘正雄

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 概况

九甸峡水电站是黄河上游右岸大支流洮河上最大的水电站，电站最大坝高133.0m，坝顶高程2206.5m，正常蓄水位2202.0m，总库容9.43亿m3，电站总装机容量300MW(3×100MW)，多年平均发电量9.94亿kW·h[1]。

坝址区地层岩性为上石炭下二迭统(C3-P1)巨厚层灰岩和角砾状灰岩，二者无明显分界，岩性致密坚硬，耐风化。受区域构造影响，坝址区断裂构造发育，其中有两组断裂构造规模较大，即近东西向压扭性断裂和近南北向张性断裂。

为全面查清坝址区岩体力学性质，了解其破坏机制、变形特性，在对工程区段地质条件充分了解认识的基础上，模拟工程岩体的受力状况，通过大量的现场原位试验，为工程地质条件评价和工程设计提供岩体力学参数。

2 岩体变形试验

2.1 岩体变形特征分析

岩体变形试验是岩体在承受外力不超过抗压、抗剪强度极限时应力、应变之间的关系，因为岩体本身是非弹性体，即弹性变形和塑性变形同时存在。为充分了解巨厚层灰岩和角砾状灰岩的变形规律，研究其变形特性，采用沿铅直方向加压和沿水平顺河向加压两种方法进行试验比较。试验加荷方式为逐级一次循环法，最大压力5.52MPa。

通过对压力-变形关系曲线的研究分析，压力(P)-变形(W)关系曲线的外包络线类型，主要表现为直线型、下凹型和上凹型3种类型。

2.1.1直线型(弹性)

此类曲线的岩体反映出所受压应力与变形有较好的线性关系。它客观地反映了岩体在加压过程中，应变随应力呈正比的增加，表现为总变形及塑性变形虽逐渐变大，但变、弹模随应力的增减变化不大。说明了试点部位岩体有较好的均质性，且岩体较完整裂隙不发育，如图1所示。

图1 直线型压力-变形关系曲线

2.1.2下凹型(弹-塑性)

此类曲线的岩体在低应力时变形较小，说明它在受力初期表部岩体起到一定程度的阻抗变形的作用。而应力达到一定数值时其岩体变形量增大，岩体的抗变形能力减弱，其变模与弹模随应力的增加而衰减，但是在较高应力下则趋于常数，如图2所示。

图2 上凹型压力-变形关系曲线

2.1.3上凹型(塑-弹性)

此类曲线的岩体在受压应力作用时，岩体内部的细微裂隙在低压时被压密，在低压阶段变形较大，而在压应力相应提高时岩体的变形则逐渐变小，弹模随之增大，并可接近于弹性反应。此类试点岩体实际上可理解为两个阶段，既前者是岩体层间裂隙的压密阶段;后者则为近似直线变形阶段，如图3所示。

图3 下凹型压力-变形关系曲线

沿铅直方向加压和沿水平顺河向加压两种方法测得变形模量和弹性模量没有太大区别，因巨厚层灰岩和角砾状灰岩没有明显的层理，抗分化能力强，左岸岩体裂隙不甚发育，变模相对较高；右岸岩体风化程度较高，裂隙发育，大多试点变模相对较低。

2.2 试验结果

试验结果按试点岩体的新鲜程度、风化程度、裂隙发育情况、岩性及荷载施加方向等分析、归纳，结果见表1。

表1 岩体变形特征指标

注:表中数值，分子为范围值，分母为平均值。

2.3 影响因素

影响岩体变形试验结果的主要因素有：岩性、岩体结构、风化程度、加压循环方式、时间效应等。岩体结构与风化程度对其影响较大，如左岸岩体裂隙不甚发育，变模相对较高；右岸岩体风化程度较强，裂隙发育，大多试点变模相对较低。岩体变形在宏观上的特征值就是岩体在反复加(退)压循环中，对于同一级压力，不同加(退)压循环对应不同的变形，一般表现为后一循环的变形比前一循环的大。这是因为岩体中存在有裂隙、片理、层理、软弱夹层、断层等所致。每一次加压中都或多或少地有残余变形发生，而后一循环的变形总是在前一加压循环的残余变形的基础上积累的，前后两循环之间相隔有一定的时间，时间效应也可能是造成不同循环变形差别的一个原因。

2.4 试验结果可靠性分析

为了检验试验结果可靠性，对试验结果进行了数理统计分析，以便求出最佳值，对于微风化-新鲜岩体，弱风化岩体和裂隙发育岩体，统计分析求出保证率为P=95%和P=90%的指标值，并分别与0.9倍、0.85倍试验平均值进行对比，做为变形特性指标建议值的依据，见表2。

3 岩/岩抗剪(断)强度试验

岩/岩抗剪(断)强度试验均采用直剪方案，剪切力水平顺河向施加，垂直荷载分4～5级施加，最大正应力为5MPa。

3.1 剪切破坏特征

从剪切的破坏机理及τ-ε曲线特征可以看出，基本上属于弹-塑性破坏类型，曲线形态呈近似的抛物线型。一般均在剪应力初期试体连同基岩一起位移，岩体表现出特有的阻抗变形能力，位移量较小。随着应力的逐渐增加，位移速率随之增大，此时试体连同基岩一起位移，其位移呈非线性蠕动，基岩位移增量逐渐衰减，相对位移量逐渐增大，试体与岩体产生相对错动，且位移量显著增大，试体沿其薄弱面或层间弱面产生塑性蠕动，在剪应力不断增加的情况下，即被剪切破坏，应力迅速下降。试件只是以一定的速率沿破坏面滑动，岩体强度接近残余强度。从剪切破坏后的试件断面上看，大部分沿预估剪切面上半部试体破坏，凹凸不平，形状起伏较大。说明各试件在剪切过程中所遇的剪切面形状与面积、破坏型式与岩性或层理、裂隙发育程度等诸多因素有很大关系。

3.2 试验结果

抗剪试验参数结果(见表3)整理时，根据原始记录，破坏面积的加权校正，岩体剪切面的破坏型式，试点的代表性进行分析，将工程地质单元一致，工程岩体分级相近的试点归纳在一起，舍去不具代表性的异常值，按照库仑公式τ=c+fσ，采用图解法(以正应力为横坐标，剪应力为纵坐标，绘制抗剪强度关系曲线，如图4～5所示)和最小二乘法(见表4)比较求得。

表2 岩体变形特性统计分析 单位：GPa

表3 岩/岩抗剪强度结果综合整理 单位：MPa

3.3 可靠性分析

抗剪强度参数可靠性分析用方差分析法进行。

由表4可知，通过一元线性回归分析，以F-检验法进行显著性检验，从分析结果中可看出，以各试验的回归方程作为其强度破坏准则保证率均在95%以上，即线性回归确定的特性指标即c、tgφ均满足95%以上的保证率，因此所提抗剪强度特性指标均可作为结果最佳值。

4 结语

岩体是受结构面控制的复杂地质体，由于不规则结构面的存在，其力学特征呈现不均匀性和各向异性。九甸峡水利枢纽坝址区岩体力学试验时段较长，试验组数较多。在充分了解、分析地质特性和地质单元的基础上，分类整理取值。岩体力学参数的建议值如下：

(1)岩体变形特性参数按不同的分化程度，不同的加荷方向，采用算术平均值的0.9倍作为试验最佳值。新鲜-微风化岩体变形模量28.7MPa，弹模量47.9MPa；弱风化岩体：变形模量11.8MPa，弹性模量18.4MPa；裂隙发育岩体：变形模量2.3MPa，弹性模量3.9MPa。

表4 抗剪强度统计分析 单位：MPa

图4 岩/岩抗剪强度关系曲线(新鲜-微风化)

图5 岩/岩抗剪强度关系曲线(弱风化岩体)

(2)岩体抗剪试验参数将同一地质单元内的全部试验结果采用图解法和最小二乘法，综合确定该地质单元内抗剪强度参数的试验最佳值。新鲜-微风化岩体抗剪(断)f=1.70，c=1.88，抗剪f=1.43，c=0.829；弱风化岩体抗剪(断)f=1.68，c=1.43，抗剪f=1.82，c=0.808。