基于GSI法的Hoek-Brown强度准则岩体力学参数估计方法在国际水电工程中的应用

袁 悦，李 芳

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650000）

近年来，随着中国国内水电市场的逐渐饱和，越来越多的国内工程企业开始积极寻求海外市场[1]。由于国际工程中采用的规范主要为欧美规范，其与中国规范在很多方面存在差别，并且中国规范在国外的认可度较低，因此中国工程企业在国外进行勘察设计时面临着较大困难。其中，对于岩体力学参数的合理取值及应用，是国内外工程界的难题。文章通过介绍基于GSI法的Hoek-Brown强度准则岩体参数估计方法及其在玻利维亚某水电工程中的实际应用，说明在国际工程中面对与国外规范、工作方法的差异时，可以寻求出统一的方法解决这一问题。

1 Hoek-Brown强度准则

Hoek-Brown强度准则是用于预测岩体破裂的经验公式，由Evert Hoek和E.T.Brown于1980年在研究地下开挖工程时推导得出。之后，Hoek E等[2]逐渐更新了该理论，提出了基于地质强度指标GSI的Hoek-Brown强度准则，通过量化的GSI评分反映岩体的强度特征。其表达式如下：

式中：GSI为岩体的地质强度指标；mi为完整岩块的Hoek-Brown强度参数；D为岩体扰动系数，其反映了开挖方式对岩体的扰动程度。Hoek等人根据工程经验给出了不同开挖方式下岩体扰动系数的经验值[2]。

2 GSI方法

GSI方法体系是Evert Hoek等人于1995年提出的反映岩体强度特征的方法体系，其比较适用于风化岩体及非均质岩体。经过多年的逐步修正，在2013版的Hoek-Brown强度准则中，GSI采用式（5）进行取值[3]。

式中：RQD表示岩石质量指标；JCond89表示1989年版本的岩体RMR分类法，其以岩块的单轴抗压强度、岩石质量指标等6个指标作为基本参数对影响岩体稳定性的各因素进行评分。

图1 1989版RMR分类法取值

1989版的RMR分类法取值及描述如图1所示。2013版的Hoek-Brown强度准则中GSI的取值范围及描述如图2所示。

图2 2013版Hoek-Brown强度准则GSI取值

3 基于GSI法的Hoek-Brown强度准则岩体力学参数估计

采用Hoek-Brown强度准则估计岩体的黏聚力c、内摩擦角φ，变形模量E的值可以根据2002版Hoek-Brown强度准则中公式计算得出，即式（6）～式（8）[2]。由于其计算较为复杂，Hoek等人在其基础上开发了RocData软件，在软件中输入相关参数后可直接计算出黏聚力c、内摩擦角φ、变形模量E的值，如图3所示。

图3 RocData软件进行岩体力学参数计算

文章认为，基于GSI法的Hoek-Brown强度准则本身是一种经验方法，其起到的作用就是在不具备或者不需要进行试验的情况下采用这一方法能较快地并相对准确地估算出岩体力学参数，因此其主要计算参数、mi、D取经验值，GSI值通过观察岩体条件取值是合理可靠的。

中国工程企业所承担的国际水电工程多位于发展中国家，这些国家的经济、技术均较落后，当需要试验支持时往往很难实现，或者需要花费大量的时间及经济代价才能实现；此外，这些国际工程基本都面临着国外咨询公司的审查，在确定岩体力学参数方面，国外咨询公司普遍不承认中国规范所取的经验值。在这种情况下，采用基于GSI法的Hoek-Brown强度准则确定岩体力学参数显得较为合适，也能为国外咨询工程师接受。

4 工程实例

4.1 工程概况

玻利维亚某水电站为引水式开发，主要建筑为压力钢管及地面式厂房。工程区地层岩性为志留系砂-页岩互层，岩体风化主要为强风化（Ⅳ），局部为中等风化（Ⅲ）。在进行压力钢管镇墩设计时需要提供地基岩体的抗剪强度参数，但是玻利维亚国内很难找到能够进行现场试验的单位，甚至一些常规的岩石室内试验都很难完成。该项目镇墩体型较小，对地基岩体要求不高，如采用现场试验的方法耗时耗力。因此，在与项目咨询工程师沟通后决定采用基于GSI法的Hoek-Brown强度准则确定地基岩体抗剪强度参数。

4.2 参数取值

（1）抗压强度。根据岩块单轴抗压强度试验成果，该工程砂-页岩互层抗压强度取值如表1所示。

表1 岩体抗压强度值 单位：MPa

（2）mi值。查表可知，砂岩mi参数值为17±4，页岩mi参数值为6±2。未能确定页岩-砂岩互层中页岩、砂岩占比的情况下，建议取较低值7。

（3）GSI值。通过沿压力钢管山脊进行地质调查，统计了多个地质点的RMR值，并对其RQD进行了估计，采用2013版准则中的取值公式及表格，得出岩体的GSI值如表2所示。

表2 岩体GSI值

（3）D值。由于工程区强风化底界埋深较深，表层强风化岩体节理较发育，开挖时采用机械开挖，对地基岩体扰动不大，因此D值取0。

4.3 取值结果及分析

根据参数取值，通过RockData软件计算，得到该工程砂-页岩互层岩体力学参数如表3所示。

表3 岩体力学参数值

对比中国规范《水力发电工程地质勘察规范》（GB 50287—2016）中对不同类别岩体力学参数的建议值，如表4所示。

表4 规范岩体力学参数建议值

综上，可得出以下结论：

（1）中国规范中岩体的分类为综合考虑岩体结构及结构面性状等因素的综合分类，该工程中采用了风化等级，强风化岩体对应Ⅳ类岩体，中等风化岩体对应Ⅲ类岩体。通过对比，该工程中采用基于GSI法的Hoek-Brown强度准则估算的岩体力学参数相对规范建议值黏聚力c值相差不大，内摩擦角φ和变形模量Em均偏低，但是在节理较发育的强风化岩体中估算值与规范建议值相对接近。说明该方法比较适用于节理化岩体，因为节理化岩体能提供更多的结构面性状特征，对判断GSI值更有利。

（2）该工程在运用基于GSI法的Hoek-Brown强度准则进行计算时发现第三主应力最大值的取值对结果有较大影响，采用RocData软件计算时针对隧洞和边坡可以根据洞径和坡高对取值。对于其他工程只能输入一个值或选择一般模式由软件给出。该工程中采用了一般模式进行计算，因此所得结果的准确性受其影响。

（3）该工程中涉及砂岩、页岩互层状的岩体，在对mi进行取值时Hoekmi表格没有相应的经验值，因此结合实际情况取了较保守的低值。不同的工程面临的岩体情况不同，可能很难找到准确的mi经验值，因此在取值时也需结合工程实际。

（4）虽然存在一定的不足，但在有限的条件下运用基于GSI法的Hoek-Brown强度准则估算的岩体力学参数基本满足了该工程的设计要求，同时也得到了咨询工程师的认可，为项目的顺利完成起到了很大作用。

5 结论

（1）在国际水电工程中，面对当地技术条件差，中国规范经验值认可度低的情况，采用基于GSI法的Hoek-Brown强度准则岩体力学参数估计方法进行岩体力学参数估计是可行的，其可靠性在实际工程应用中已经得到证实。

（2）通过对估算岩体力学参数与中国规范建议值的对比分析，这一方法比较适用于节理较发育岩体。