刘 黎 杨学堂

(三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌 443002)

岩体具有各向异性、非连续性、非均匀性的特点,并且有显著的尺寸效应特点,力学参数不可能通过简单的室内外常规力学试验完成,其确定是非常复杂和困难的.工程类比等经验估算岩体宏观力学参数是工程中常采用的方法;近年来新理论和技术的渗透和深入,各种参数确定方法在不断的发展,根据岩体弹性波速估算岩体的抗压强度[1];文献[2]采用Q指标、RMR指标和S指标提出了计算岩体单轴抗压强度公式,文献[3]提出了用RMR指标估算岩体的弹性模量公式,国内将该方法广泛应用于各类工程岩体进行参数评价[4-6];根据岩体的结构面的基本参数采用神经网络的方法进行反演分析[7],文献[8-9]采用有限单元法模拟岩块和岩体的力学参数.由于岩体结构的复杂性,以经验为主的方法提出岩体的力学参数,对岩体参数选取的随机性很大,因此采用多种方法对比分析研究含裂隙岩体的力学参数,具有重要现实意义.

本文根据某电站边坡复杂的工程地质条件,采用RMR分类方法,对边坡岩体进行了分类系统的分析研究,并对分类岩体参数进行了参数评价.该水电站总库容77.6×104m3,最大坝高305m,电站装机容量3300MW.坝址处岸坡陡峻,河道狭窄,地质复杂,已测得最大地应力为40.4MPa.工程边坡高度大,坝基开挖坡高250 m左右,进水塔前缘边坡开挖高度105 m,边坡岩体的参数成为工程勘测设计中非常重要的问题.

1 工程地质条件

1.1 边坡岩体分区

勘测设计时对边坡各岩层做了大量的现场勘探和室内外试验工作及边坡开挖后的边坡工作状况,按其岩石类别和节理分布等条件将边坡岩体划分8个区域,如图1所示,各区域主要地质力学特性参数见表1.

图1 岩体区域分布图

表1 各区域岩体地质特性表

1.2 工程地形及地质条件

某电站边坡段河流流向约N25°E,为典型的深切“V”型谷.河道顺直而狭窄.两岸谷坡高千余米,基岩裸露,右岸1810m高程以下坡度70～90°,以上40°;左岸高程1900m以下坡度60～80°,以上坡度变缓至45°左右.枯期江水位1635.7m时,正常蓄水位1 880 m处,谷宽约410 m.河谷形状系数反映坝址地层岩性较好.

分块中的1～7区块位于坝址区左岸,分类中8区块出露于右岸.出露地层主要为中上三叠统杂谷脑第二段大理岩,厚800 m,按岩性组合细分为 8层, 1900～2300m高程之间为杂谷脑组第三段砂板岩,厚度约400m.

大理岩抗风化能力强,风化程度较轻微.板岩、绿片岩、断层及层间挤压错动带部位风化较强,两岸岩体除左岸1900m高程以上的砂板岩体局部有强风化外,其它部位无强风化.两岸岩体的弱风化深度一般小于20m,仅局部地段可达62 m,一般有右岸较浅,左岸较深的特点.弱风化岩体的透水性一般较大,其透水率可达q=60Lu/s.

坝址左岸岩体水平卸荷深度较大,右岸相对较浅.卸荷岩体中卸荷裂隙发育,其产状各坡段有所不同.从卸荷裂隙的开度分析强弱(浅部)卸荷岩体亦有差别,卸荷裂隙主要分布在第7区块中,强卸荷岩体的卸荷裂隙开度一般0.5～15cm,弱(浅部)卸荷岩体卸荷裂隙开度一般小于15cm.

据地表地质调查和平硐勘探揭示,坝区规模较大的断层有30条,按产状可归纳为4组:(1)NEE向断层,有12条;(2)NNE向断层,有5条;(3)NW向断层,有6条;(4)顺层断层,f2断层,层间挤压错动带主要发育在第二段第6层大理岩.分布于第1、4区块中,在第6层大理岩中,层间挤压错动带总体产状N10～30°E/NW∠30～40°,线密度为0.25条/m,一般宽1～15 cm,最宽达30 cm左右,以片状岩、糜棱岩、风化的绿片岩为主,局部软化、泥化.

节理裂隙坝址裂隙亦可归纳为4组:

(1)层面裂隙:N15～80°E,NW∠15～45°,分布于1、3、4、7区块间层面裂隙较发育外,其它层一般不太发育,多胶结紧密.

(2)反倾向裂隙:N50～70°E,SE∠50～80°,较发育,主要分布于第4区块间,一般间距0.3～1.0m,延伸中长～长,平直、光滑、多闭合,少量张开充填钙膜或有锈染.

(3)反倾向裂隙:N20～40°E,SE∠60～85°,分布于第1～3区块间,一般间距0.5～1.0m,局部密集成带,带内间距0.05～0.5m,延伸长,面平直稍糙,多闭合,少量张开0.1～5cm,充填钙膜或岩屑.

(4)横张裂隙N50～70°W,NE或SW∠80～90°,分布于第8区块,该组裂隙是坝区溶蚀导水裂隙.多成带出现,带与带间距一般大于10 m,单带延伸长数十米.带内间距0.1～0.5m,面起伏粗糙、多闭合,局部张开0.5～3cm,充填岩屑及少量泥.

坝址分布的大理岩虽为可溶岩类,但该区中更新世晚期以来地壳上升速率较快,形成陡峻的深切狭谷,分水岭至河谷高差达2500m以上,河谷地带以侵蚀为主,溶蚀作用处于次要地位,加之岩石遭受区域变质,地下水温度较低,致使河谷地区大理岩岩溶化程度微弱,岩溶不发育.大理岩体的含水性和渗透性主要受断层、节理裂隙发育程度、溶隙溶孔的发育程度以及绿片岩分布等条件控制.两岸大理岩体由于上述条件的差异,其含水程度亦略有不同.由于4条压扭性断层的展布,右岸大理岩体含水性相对较丰.在相邻两条断层带之间形成了局部含水体(带),并具有承压性,沿NW向陡倾角裂隙普遍渗滴水、股状流水.倾角裂隙出水点较多,实测总流量约60 Lu/s.左岸大理岩含水性相对较小,仅有局部含水体.

2 岩体RMR分类

2.1 Bieniawski工程岩体分类

Bieniawski工程岩体分类系统又可称为 RMR分类系统,是从大量工程岩体实践过程中总结出来的一套工程岩体分类系统,比尼威斯基关于节理岩体的地质力学分类(RMR系统)已广泛用于地下工程围岩的质量评价.它有5个基本参数,即岩石强度、岩芯质量、节理间距、节理条件、地下水等.根据各区块裂隙的走向和倾角情况,分析各区块各组裂隙对边坡稳定是否有利,采用基础工程条件给予RMR修正,考虑到节理方向与工程的相互位置提出了修正评分值,按节理走向和倾角方向修正评分值,非常有利0,有利-5,一般-25,不利-50,非常不利-60.

按RMR评分标准[2-3]和该边坡地质条件,各区域的RAM分类评分值见表2.按以上的总评分,可确定岩体的级别,按总评分确定岩体级别.

表2 各区块RM R评分

2.2 SMR分类对RMR分类的修正

RMR分类系统所含的5个基本参数概括了影响岩体性质的主要因素,对于边坡工程,第6个因素对RMR的修正都给得很模糊,比氏虽然给出了结构面产状的修正分值,但未见具体的评分方法.1985年西班牙的M.R.Romama等将RMR与边坡岩体的节理产状及边坡的破坏模式结合起来,对RMR中的第6个参数进行了详细的分析和补充,提出了适用边坡的分类系统-模式下节理产状的修正评分方法,同时还考虑了开挖施工方法对RM R的影响,提出了边坡岩体的分类系统即SMR系统.具体表达式如下:

式中,F1为节理与边坡走向的关系,F1=(1-sinA)2;A为坡面与节理走向之间的夹角;F2为节理倾角(边坡为平面破坏模式),F2=tan2βj;βj为节理倾角,对于倾倒破坏,F2=1.00;F3为对于边坡坡角与节理倾向的关系;F4为开挖方法调整参数.自然边坡F4=+15;预裂炸破F4=+10;光面爆破F4= +8;正常炸破F4=0;非正常爆破(岩体损伤)F4= -8;机械开挖如凿裂法F4=0.

SMR分类系统是 RMR分类系统的发展和补充,SMR综合考虑了节理走向和边坡走向、节理倾角与坡面倾角、节理倾角与坡面倾角的相互关系,以及开挖方法的影响,在强度和变形参数的估计中,将SM R代替RMR值,更能反映边坡岩体的实际情况.

根据河流流向走向及边坡的倾角,该工程边坡与各区块裂隙走向和倾角关系见表3,通过计算该工程边坡各区块的RM R修正后的SM R值,见表3.

表3 各区块SM R修正后的RM R值

3 Hoek-Brown准则及其参数估算

3.1 强度参数估计式[2]

Hoek-Brown根据自己在岩石性态方面的理论与实践经验,用试错法导出了岩体破坏时的主应力之间的关系式:

式中,σ1为破坏时的最大主应力σ3为最小主应力σc为完整岩石试件的单轴拉压强度;m,s为岩石材料参数.当σ3=0,得到岩体的单轴抗压强度为

当σ1=0,得到岩体的单轴抗拉强度

为确定式(4)中m,s值,Hoek和Brown把现场测试和观测结果同准则联系起来,提出了岩体分类指数来估算岩石材料参数m,s值,估算如式(5)～(8).

对于扰动岩:

对于未扰动岩体:

式中,mi为完整岩体m值,可由三轴试验的结果决定.当无试验数据时,mi可由表4估计.

表4 不同岩石类型m近似值

在岩体稳定分析中,需要知道Molar-Coulomb准则中c,φ值,许多学者为此做出了许多研究,并推导出一系列关系式,由m,s值来确定Molar-Coulomb准则中的c,φ值,把c,φ值与RMR值联系起来.

通常的做法是首先估计边坡滑动面上的主应力σn,再根据Molar-Coulomb准则定义的主应力圆的包络线来确定c,φ值,计算表达式如式(9)～(10).

3.2 变形参数估算[3]

许多学者建立了RMR与岩体变形模量之间的关系式,并用此估计岩体的变形模量.

Serafim和Pereira总结了许多工程实践经验,在分析过去的学者建立的RMR评价值与变形模量的关系的基础上,又补充了许多新的数据,其关系式表达如下:

上述计算公式中RMR变量采用SMR修正值计算,由表3中修正的SM R值,代入式(5)～(8)中确定m、s值,将求得的m、s值和各区块垂直滑动面上的应力σn值代入式(3)、(4)中求得岩体的抗压和抗拉强度,代入式(9)、(10)中可求得岩体c,φ值,代入式(13)中估算原岩的强度参数和岩体的变形模量,计算结果一同列于表5.

表5 RMR估计岩体力学参数

4 结 论

根据计算成果分析可得出以下结论:

(1)基于RMR方法估算岩体的抗压强度比勘测设计采用的工程类比法所认为的抗压强度要低很多.

(2)当评估的RMR值较低时,所估算的岩体参数偏低.

(3)左岸第八区块有大量的裂隙水存在,其RMR值评分相对同类岩体较低,因此估算值要低于数值模拟[8]与工程勘测采用工程类比法所评估的岩体力学参数值.

(4)扰动后的岩体参数估算过于笼统,所估算的扰动岩体参数仅作为参考,实际上不同程度扰动后岩体的参数随岩体的卸荷程度不同岩体参数变化较大[6].

(5)对岩体参数的确定不仅要工程类比法与RMR公式估算,同时也要结合数值模拟[8]等方法进行研究,通过几方面的综合分析来才能确定较为合理的岩体的力学参数.

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