錦屏一級水電站左岸壩肩巖體直剪蠕變特性研究

戴祺云，傅 濤，費大軍，夏驪娜

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 問題的提出

錦屏一級水電站左岸壩肩邊坡目前開挖支護施工已經完成，綜合地質分析、穩定性驗算、變形監測等表明，邊坡(整體)目前是基本穩定的，但邊坡深部依然存在緩慢的變形。邊坡變形對左岸混凝土墊座乃至今后拱壩的影響如何，不僅關系左岸邊坡的安全評估，而且還可能影響大壩工程的安全。因此，要弄清上述問題，除對左岸壩肩邊坡的邊界條件進行復核外，一個重要的基礎工作，就是對邊坡巖體力學參數進行進一步的復核及深化研究[1～7]。

2 研究思路及技術路線

通過對左岸壩肩邊坡f42-9斷層的力學特性及其各向異性的原位試驗、室內直剪和直剪蠕變試驗，獲得巖體結構面的基本力學參數，分析研究f42-9斷層的瞬時抗剪強度和長期抗剪強度特性，最終為左岸邊坡巖體穩定分析提供長期抗剪強度參數。

3 試驗研究成果

3.1 試驗點及加工

研究軟弱結構面直剪蠕變最大正應力和剪應力，以有效控制軟弱結構面的直剪蠕變時效特征。首先進行同類型軟弱結構面的常規直剪試驗研究，根據最大正應力和剪應力結果，再進行直剪蠕變試驗研究。試樣采用邊采取、邊澆筑混凝土保護罩的方法，以達到保證試件免受擾動、保持其原狀性的要求。試驗中應對實驗室采取保溫保濕措施，并定時觀測室內溫度，溫度變化控制在±1℃以內。試驗在YZ30-1型電動直剪儀上進行。

3.2 試驗方法與加載方式

試驗采用逐級增量加載的方法。首先根據常規剪切試驗的結果估計試樣破壞的應力值，然后再確定流變試驗每一級的荷載增量。剪切蠕變試驗流程如下：

(1)首先施加法向荷載，讀取變形數據。法向荷載垂直于剪切面施加，當法向變形穩定時開始施加剪切荷載。

(2)分級施加剪切荷載，當施加剪切載荷引起的剪切位移明顯增大時，可適當增加剪切載荷分級。

(3)每級剪切載荷施加后，立即測讀瞬時位移值，然后按10min、20min、40min、1h、2h、4h、8h、12h測讀，以后均按每間隔12h定時測讀一次。每級剪切荷載施加后，需保持剪應力為常數。在整個剪切過程中，應保持法向荷載為常數。每級剪切載荷的施加歷時為7d。根據軟弱結構面的性質和工程的重要性，可延長每級歷時。

(4)后期施加剪切荷載出現定常蠕變、加速蠕變時，需加密測讀時間以反映最后的流變破壞階段。

(5)根據測取的剪切蠕變變形量，得出每一級法向位移、剪切位移、剪應力和時間的關系。

3.3 試驗成果

巖體剪切蠕變試驗采用平推法，試體底部剪切面面積不小于400cm2，試體最小邊長不小于20cm，試體高度大于推力方向試體邊長的1/2，試件不得少于5個。試驗結果見表1、2，圖1～4。

表1 錦屏一級水電站左岸邊坡巖石直剪試驗成果

表2 錦屏一級水電站左岸邊坡巖石直剪蠕變試驗成果

圖1 多級剪切位移～時間關系典型曲線

圖2 多級法向位移～時間關系典型曲線

4 研究成果分析

4.1 剪切蠕變變形規律分析

利用Boltzmann[8]迭加原理對剪切蠕變試驗數據進行處理，可得到各試點巖體在每級剪應力作用下剪切蠕變位移隨時間變化的關系曲線(見圖1、圖2)。由圖可知：(1)巖體具有瞬時變形，且與正應力和剪應力的水平密切相關。在正應力恒定的情況下，瞬時變形量隨剪應力的增大而增加；正應力水平越高，剪切面沿切向達到某一相同蠕變量值所需的剪應力也越大。(2)當剪應力達到某一臨界值時，巖體從減速蠕變階段過渡到穩態蠕變階段，低于此臨界值巖體能保持長期穩定，高于此臨界值巖體將從穩態蠕變階段逐步達到加速蠕變階段。此臨界值即為巖體的長期剪切蠕變強度。

圖3 多級剪切應力～剪切位移關系典型曲線

圖4 最后一級剪切位移～時間關系典型曲線

4.2 剪切蠕變速率特性分析

由剪切蠕變試驗曲線各時刻所對應的斜率(蠕變速率)，可得巖體剪切蠕變速率隨時間變化的關系曲線(見圖1、3)。在低剪應力作用下，巖體剪切蠕變速率表現為兩個階段：(1)減速蠕變階段。剪切蠕變速率在開始時最大，然后逐漸減小，最后蠕變速率變為零。(2)穩態蠕變階段。剪切蠕變速率在開始時最大，隨著時間的增長，剪切蠕變速率減小到一定值后基本保持不變，對應的剪切蠕變速率為穩態流變速率。當剪應力接近屈服強度時，巖體剪切蠕變速率表現出了第3個階段即加速蠕變階段。該階段隨著時間的增長，剪切蠕變速率迅速增大，巖體變形迅速發展，并最終發生破壞。

4.3 加速蠕變特性分析

在低剪應力作用下，壩區巖體剪切蠕變特性主要表現為減速蠕變和穩態蠕變；而在高剪應力作用下，壩區巖體除呈現減速蠕變和穩態蠕變外，還表現出加速蠕變特性。圖4為各試點巖體在最后一級剪應力作用下的蠕變曲線與蠕變速率時間關系曲線。可將其劃分為A、B、C三種破壞類型。

(1)A型曲線無明顯的減速蠕變和等速蠕變，表現為直接進入加速蠕變至破壞。本次研究有六個試件屬于這種類型，占60%。

(2)B型曲線具有短暫的減速蠕變和加速蠕變兩個階段，即經歷短暫的減速蠕變后進入加速蠕變至破壞。本次研究有三個試件屬于這種類型，占30%。

(3)C型曲線具有短暫的等速蠕變和加速蠕變兩個階段，即經歷短暫的等速蠕變后進入加速蠕變至破壞。本次研究有一個試件屬于這種類型，占10%。

通過對試點巖體蠕變曲線與蠕變速率曲線進行分析可知：(1)巖體只在最后一級破壞應力水平下才表現出完整的三階段蠕變特性，即減速蠕變、等速蠕變和加速蠕變。而在低應力分級加載的過程中，只能觀察到減速蠕變和等速蠕變。(2)當蠕變進入加速階段之后，蠕變應變率由漸變增長轉為突變增長，跳躍幅度不斷增大。這個階段巖體內部的細小裂隙隨時間增加不斷擴展，最后導致應變率發生突變，試點巖體產生蠕變破壞。

4.4 長期抗剪斷強度

根據試驗資料繪制各法向應力及其對應的抗剪破壞值關系曲線，按莫爾-庫倫表達式確定長期抗剪斷強度參數[9、10]。試驗成果見表3～5。

表3 Zτf42-9-1相應法向應力σ下蠕變剪應力與瞬時剪應力τ′比較

表4 Zτf42-9-2相應法向應力σ下蠕變剪應力與瞬時剪應力τ′比較

表5 錦屏一級水電站左岸邊坡長期抗剪斷強度與瞬時抗剪斷強度比較

5 結 論

通過對錦屏一級水電站左岸壩肩邊坡f42-9斷層剪切蠕變試驗曲線的分析，獲得如下研究結論：

(1)錦屏一級水電站左岸壩肩邊坡f42-9斷層對拱壩壩肩和邊坡穩定起著控制作用。剪切蠕變是壩肩邊坡穩定重要的力學特性，因此采用直剪蠕變試驗方法研究軟弱巖帶的剪切蠕變變形特性尤為重要。

(2)壩肩邊坡巖體具有瞬時變形，且與正應力和剪應力的水平密切相關。在剪應力較小時，巖體剪切蠕變僅表現為減速蠕變和穩態蠕變，而當剪應力接近屈服強度時，巖體剪切蠕變速率呈現出加速蠕變特性。

(3)當正應力恒定、剪應力較小時，巖體減速蠕變階段歷時較短，一般在50～70h后應變速率即達到恒定值；剪應力越大，巖體減速蠕變階段的應變速率衰減就越慢，一般100h后應變速率才趨于穩定。

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