中外水电行业坝基抗剪强度参数差异对比研究

彭森良，王文远，李 忠，王 凯

(1.水电水利规划设计总院，北京 100020；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650001)

0 引 言

目前我国参与的水电工程勘测设计项目多集中于东南亚和非洲等地，外方投资的工程中普遍要求勘测设计企业的设计方案通过国际咨询工程师审查后方能施工。而在实际工作过程中，国际咨询工程师基于自己所接受的认知通常认为，中国学者的认识[1-10]及中国规范建议的坝基粘聚力值过于冒进很难接受，且中国规范给定的抗剪(断)强度参数建议值针对坝高70 m以上的硬岩，当坝高低于70 m时只能作为参考，虽然同时规定了软岩地基适当折减，但没有具体标准，更无法说服咨询方。因此，设计文件常常无法达到国际咨询工程师的要求而得不到批复，进而影响工程施工进度，少则数月，多则持续1年以上，对中国承包商造成了较大的经济损失且对中国水电技术标准“走出去”战略产生了一定影响。

本文抛开文化、社会制度等差异影响，结合实际负责的数个国外水电工程，探索性分析国内外水电行业地质工程师在抗剪(断)强度参数的普遍认知来源、试验方法、试验步骤、试验取值方法的差异，并结合水工设计规范对比分析，以便查找造成这一困扰的技术原因，建立2种认知的对比分析关系，为同类问题提供一定借鉴。

1 认知来源分析

1.1 中国水电行业

至20世纪90年代初，我国开展了大量的岩基抗剪强度试验，并于21世纪初组织汪小刚等[11]共收集到103个水电、水利工程的1 174组岩基抗剪强度试验的详细资料，包括混凝土与基岩接触面(503组)、岩体(85组)、岩体中的软弱夹层(软质结构面，共478组)和岩体中的节理、裂隙等Ⅴ级结构面(硬质结构面或无充填结构面，共178组)4类，总结出每一类别所对应的原始试验平均值和概率分布函数。中国的《水力发电工程地质勘察规范》[12]编制过程中，通过参数遴选和统计学折减，据此提出了针对坝基岩体分类的抗剪(断)强度参数建议值。

21世纪初是中国水电开发的黄金时期，在此期间的大型水电工程勘测设计过程中，亦开展了大量现场原位直剪试验，试验成果与中国规范建议值是高度吻合的，且依据该套参数体系在近20年未见明显的坝基抗滑稳定问题。虽然规范规定这套参数仅适用于规划和预可研等最初设计阶段，但受现场条件或工期进度等要求限制，对于绝大多数中、小型水电工程，尤其是国际工程，很少开展坝基原位抗剪强度试验，多根据工程类比采用这套参数。

1.2 国外水电行业

20世纪60～70年代，西方发达国家的水电开发处于高峰期，同样开展了大量的现场原位试验和室内试验，但相对系统的总结多源于室内岩体三轴试验(中剪试验)[13-14]。考虑到任何原位试验都不能完全模拟坝基抗滑稳定问题[15]，且耗时费力，试验成果依然不能直接利用，西方学者亦不再推崇现场原位试验，而是倾向于通过现场的观察、量测和描述，对岩体质量开展半定量评价后，依据经验公式确定岩体抗剪强度参数。其中，对西方地质工程师影响较大的是N. Barton等提出的节理化岩体的抗剪强度取值方法以及E. Hoek等提出的Hoek-Brown准则，后者尤甚。

Hoek-Brown准则是通过对几百组岩石三轴试验资料和上百组室内及现场岩体试验成果的统计分析提出的。2002年E.Hoek等提出了Hoek-Brown准则与摩尔-库伦准则包络线拟合后的抗剪强度参数换算公式[16]，即H-B/M-C反算法，具体为

c′=σc[(1+2a)s+(1-a)mbσ3n](s+mbσ3n)(a-1)/

(1)

(2)

式中，c′为粘聚力；φ′为内摩擦角；σc为岩石单轴抗压强度；σ3n为法向应力；a、mb及s均为霍克-布朗准则的强度参数。

2013年，E. Hoek等[17]对节理化岩体质量指数GSI现场打分标准进行了进一步量化说明，包括岩体完整性和结构面性状2个部分。其中，岩体完整性可以用钻孔岩芯质量评价指标RQD来表征，并定性地列出未扰动块状岩体、部分扰动明显块状岩体、块状或扰动节理化岩体、完全扰动岩体4个典型等级。对于结构面性状按照比列夫斯基定义的结构面性状分级原理，考虑延伸长度、结构面宽度、蚀变程度、粗糙度和充填物质5个因素进行打分。最终的岩体打分指数GSI可按下式计算

GSI=1.5Jcond1989+RQD/2

(3)

式中，Jcond1989为比列夫斯基提出的结构面性状分级公式得分。

2 中外坝基岩体试验体系差异分析

2.1 试验方法

中国规范中的数据样本绝大多数为现场原位直剪试验，以多点平推法或多点斜推法为主，辅以极少量的室内岩体直剪试验。Hoek-Brown准则的数据样本则是以室内三轴试验为主，少量现场直剪试验为辅，美国规范推荐采用单点法直剪试验。中国规范的试验方法与国际岩石力学协会(ISRM)的建议总体一致，后者还要求开展岩芯扭转试验，而国内在在公开发表的文献中尚未查到。

2.2 试验步骤

(1)试样制备。中国规范规定，直剪试验试样需加工成方形试体，剪切面积不应小于2 500 cm2，最小边长不应小于50 cm，各试样的间距不宜小于推力方向的边长，试样的高度不宜小于最小边长的1/2。美国材料试验学会(ASTM)建议，试样的剪切尺寸为70 cm×70 cm×35 cm，这与国际岩石力学协会的建议是一致的。

(2)加荷方式。文献[18]对中美两国标准的加荷方式差异做了详细描述，中国为多点加荷，法向荷载施加采用时间控制法；美国标准及国际岩石力学协会推荐方法为单点加荷，法向荷载施加采用变形控制法。

2.3 试验成果整理

2.3.1 混凝土与基岩接触面

中国规范对抗剪断强度的规定为：①当试件呈脆性破坏时，采用概率分布的0.2分位值或峰值强度的小值平均值或优定斜率法的下限作为标准值；②规划、预可行性研究阶段或当坝基岩体力学参数试验资料不足时，可根据规范推荐的经验值结合地质条件进行折减，选用地质建议值，但没有给出具体的折减系数，实际执行中，多采用最小二乘法得到的强度参数概率分布的0.2分位值和峰值强度的小值平均值，很少选用优定斜率法。中国规范采用比例极限强度作为抗剪强度标准值。

美国陆军工程兵团指南《岩石地基》[19]中规定，破坏面上的设计抗剪强度取值必须考虑破坏面上允许的最大位移，并且不会造成不能接受的应力集中。国外学者普遍认为，当岩体质量偏好时，岩体与混凝土之间的接触面一般不是控制面，可以采用混凝土本身的指标，摩擦系数取1.0，粘聚力值取1/10混凝土抗压强度。欧洲学术界[20]也认为，混凝土与基岩接触面也不是主要的破坏面，岩体强度偏好时，混凝土的胶结强度是有效的，岩体强度偏差时，通常的破坏面是沿着软弱基岩内的天然结构面而不是坝基面。因此，在笔者查阅的文献中，近年来国外对坝基抗剪强度的研究多集中在岩体和结构面上，对混凝土与基岩接触面的研究甚少，试验成果也较难查到。

2.3.2 岩体

中国规范对抗剪断强度的规定为：①硬质岩体呈脆性破坏时，采用概率分布0.2分位值或峰值强度的小值平均值或优定斜率法下限作为标准值；②微裂隙岩体呈塑性破坏或弹塑性破坏时，采用屈服强度作为标准值，有时也采用比例极限强度作为抗剪强度标准值。实际执行时，大多采用最小二乘法拟合摩尔-库伦准则包络线。

国外一般要求开展9次以上岩体直剪试验，采用优定斜率法取值，但优定斜率法对粘聚力的敏感度较内摩擦角偏高。从安全角度讲，按剪应力与正应力关系散点图，即τ-σ关系散点图的下界限确定。如果是室内中剪试验，还要考虑尺寸效应的影响。美国陆军工程师团规范[19]认为，粘聚力值还需折减50%左右，岩体的内摩擦角取τ-σ关系散点图的下界限倾角。Hoek教授也认为粘聚力在实际工况下的物理意义是不可靠的，并建议粘聚力取值折减至75%，同时将这一观点引入至H-B/M-C反算法的经验公式中。

2.3.3 结构面

中国规范规定：①结构面凸起或胶结充填物被剪断时，采用峰值强度的小值平均值作为标准值；②结构面呈摩擦破坏时，采用比例极限强度作为标准值。

美国规范指出：①硬质结构面需考虑基本内摩擦角和一阶表面微凸体有效倾斜角之和，但不能超过试验得到的内摩擦角值。同时，由于数据的离散性，宜忽略粘聚力的影响。该参数体系可借助回弹仪开展现场简易试验，基于Barton-Bangdis理论得出抗剪断强度参数。②软质结构面需更保守，考虑填充物质的位移、应力历史，有擦痕、断层黏土、错位的情况要考虑残余强度，不能考虑粘聚力值；填充物质未发生位移时，可取峰值强度；正常固结粘性材料和所有无粘性材料组成的填充物质可采用峰值强度；低塑性超固结粘性材料组成的填充物质采用峰值强度或极限强度；极限强度、重塑填充物质峰值强度或残余强度(取决于材料特性)适用于由中高度塑性超固结粘性物质。软质结构面参数参照基于充填物质的室内试验成果确定。

3 认知差异原因分析

3.1 坝基受力环境适用性

总之，Hoek-Brown准则反算的岩体抗剪强度参数主要来源于三轴试验成果，与坝基岩体的受力环境差异较大，并不适用于分析坝基抗滑稳定问题。而中国规范、美国规范和国际岩石力学协会推荐的现场岩体原位直剪试验与坝基岩体受力环境更为契合，其成果应用于分析坝基抗滑稳定问题是合理的。另一方面，中国规范推荐的坝基参数体系应用到边坡和地下洞室问题分析中也是不可取的。

3.2 试样制备及试验步骤差异

虽然中外标准在试样制备上的规定有差别，实际执行时的剪切面积各异，但总体上看，试样制备的大小对两套参数认知的影响是有限的。中外标准之间在试验步骤上虽有差异，但具体影响主要体现在工作效率和对变形特征点的把握精度上，对抗剪强度指标分配的影响是相对随机的，并不会系统地导致粘聚力及内摩擦角值偏高或偏低的情况。

表1 岩体结构面抗剪断强度参数计算结果

3.3 坝基表层抗滑稳定破坏机理认识差异

关于坝基表层抗滑稳定的主要破坏机理的问题，中国规范认为发生在混凝土与基岩接触面，并没有明确具体破坏部位。对于Ⅲ类偏差及以下岩体来说，接触面抗剪强度参数取值与岩体参数基本一致；当坝基岩体为Ⅲ类偏好及以上时，混凝土与基岩接触面的抗剪强度参数小于岩体抗剪强度参数，这与国外的普遍认识总体一致。国外部分学者认为当坝基岩体质量偏好时，粘聚力值直接取1/10混凝上抗压强度，根据大量试验成果，这一点值得进一步探讨，国际工程实践中应特别注意这一问题。

3.4 试验成果参数整理差异

国外学者一般采用优定斜率法的下限截距作为粘聚力值，对于室内试验的成果，还需对粘聚力值折减50%左右，取下限斜率作为摩擦系数取值。而大量试验成果表明，τ-σ关系散点图的上、下限斜率差别不大，也就是说优定斜率法对摩擦系数折减很小。与中国规范最常用的现场直剪试验采用最小二乘法拟合后的峰值强度小值平均值相比，粘聚力取值明显过于保守，摩擦系数则偏高。由此形成数十年的认知习惯积累以后，一定程度上造成了国内外学者对粘聚力和摩擦系数的理解出现较大偏差。中外标准抗剪强度参数取值对比见图1。图1中，ci和φi分别为H-B/M-C反算法得到的粘聚力和内摩擦角值，c′和φ′分别为GB 50287—2016得到的粘聚力值和内摩擦角值。

图1 抗剪断强度参数取值对比

在此基础上，国外学者仍考虑对粘聚力值的折减，霍克教授建议折减度为75%，美国标准的折减度为50%。此外，美国垦务局标准对结构面抗剪强度的粘聚力值提倡忽略不计，而中国标准则根据结构面的充填物质给出了一系列的经验参数，对粘聚力和摩擦系数的折减力度是相同的。

结合老挝南部某水电站开展的硬质结构面回弹仪现场测试成果，基于Barton-Bangdis理论[21]得出抗剪断强度参数(见表1)，与中国规范推荐的工程类比参数相比，粘聚力值比较接近，但内摩擦角值偏高，总体偏差相较于岩体参数略小。其他工程上可能存在不同的情况，因此，实践中建议选用2种方法相互验证，取低值推荐参数。

3.5 与下序专业的衔接差异

以笔者曾负责的老挝南部某水电站的鞍坝为例，其坝高为5～30 m，坝基岩性为英安岩，属硬岩。坝址区地势平缓，绝大多数坝段无缓倾结构面，需深挖基坑至1/3坝高左右，与三轴试验应力环境类似，适用Hoek-Brown准则。当坝高小于22 m时，基于未折减的中国规范得到的抗剪强度明显高于Hoek-Brown准则反算的抗剪强度参数，坝基岩体抗剪强度参数计算成见表2。

表2 坝基岩体抗剪强度参数计算成果

需要说明的是，NB/T 35026—2014采用分项系数法，其对粘聚力的综合折减分项系数约为3.0，而对内摩擦系数的综合折减分项系数约为1.7，说明中国规范对于粘聚力取值的折减是在水工结构专业的设计计算时考虑的，而非由地质专业提供建议参数时考虑。因此，国内外工程人员对粘聚力和内摩擦角的取值分配思路总体上并不矛盾。

4 解决方案

本文针对中外工程地质人员对坝基岩体参数认知差异较大的问题，结合本人多个国外中小型工程的实践经验，提出以下建议及解决思路：

(1)积极契合“一带一路”战略，乘着国家水电技术标准“走出去”的东风，在中国规范英文版编制过程中，对中国规范关于坝基与混凝土接触面、坝基岩体及结构面抗剪(断)强度参数的来源、试验方法、试验步骤、试验成果整理、参数取值等作出详细的说明，同时摒弃一些含糊的规定，适当扩大成果应用范围或提出具体的折减标准。

(2)积极参与一些国际学术会议，争取发表一些具有实践意义的论文，对中国规范的实用性进行必要的解释，同时指出国外标准一些值得探讨之处，让中国标准逐步融入甚至主导国际水电工程咨询行业。

(3)由于专业配置的不一致性，在与咨询工程师沟通前，各上下序专业需达成一致。

(4)国内规范推荐的参数体系在适用范围内是行之有效的，但切忌将此类试验成果直接类比到地下洞室问题和边坡稳定问题分析中，这种情况下参照室内岩体三轴试验成果更为合理，且在地质条件适用的情况下可利用Hoek-Brown准则推导。