基于GSI法的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則巖體力學(xué)參數(shù)估計(jì)方法在國際水電工程中的應(yīng)用

袁 悅，李 芳

（中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000）

近年來，隨著中國國內(nèi)水電市場的逐漸飽和，越來越多的國內(nèi)工程企業(yè)開始積極尋求海外市場[1]。由于國際工程中采用的規(guī)范主要為歐美規(guī)范，其與中國規(guī)范在很多方面存在差別，并且中國規(guī)范在國外的認(rèn)可度較低，因此中國工程企業(yè)在國外進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)時(shí)面臨著較大困難。其中，對于巖體力學(xué)參數(shù)的合理取值及應(yīng)用，是國內(nèi)外工程界的難題。文章通過介紹基于GSI法的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則巖體參數(shù)估計(jì)方法及其在玻利維亞某水電工程中的實(shí)際應(yīng)用，說明在國際工程中面對與國外規(guī)范、工作方法的差異時(shí)，可以尋求出統(tǒng)一的方法解決這一問題。

1 Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則

Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則是用于預(yù)測巖體破裂的經(jīng)驗(yàn)公式，由Evert Hoek和E.T.Brown于1980年在研究地下開挖工程時(shí)推導(dǎo)得出。之后，Hoek E等[2]逐漸更新了該理論，提出了基于地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，通過量化的GSI評分反映巖體的強(qiáng)度特征。其表達(dá)式如下：

式中：GSI為巖體的地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)；mi為完整巖塊的Hoek-Brown強(qiáng)度參數(shù)；D為巖體擾動系數(shù)，其反映了開挖方式對巖體的擾動程度。Hoek等人根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)給出了不同開挖方式下巖體擾動系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值[2]。

2 GSI方法

GSI方法體系是Evert Hoek等人于1995年提出的反映巖體強(qiáng)度特征的方法體系，其比較適用于風(fēng)化巖體及非均質(zhì)巖體。經(jīng)過多年的逐步修正，在2013版的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中，GSI采用式（5）進(jìn)行取值[3]。

式中：RQD表示巖石質(zhì)量指標(biāo)；JCond89表示1989年版本的巖體RMR分類法，其以巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度、巖石質(zhì)量指標(biāo)等6個(gè)指標(biāo)作為基本參數(shù)對影響巖體穩(wěn)定性的各因素進(jìn)行評分。

圖1 1989版RMR分類法取值

1989版的RMR分類法取值及描述如圖1所示。2013版的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中GSI的取值范圍及描述如圖2所示。

圖2 2013版Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則GSI取值

3 基于GSI法的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則巖體力學(xué)參數(shù)估計(jì)

采用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則估計(jì)巖體的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ，變形模量E的值可以根據(jù)2002版Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則中公式計(jì)算得出，即式（6）～式（8）[2]。由于其計(jì)算較為復(fù)雜，Hoek等人在其基礎(chǔ)上開發(fā)了RocData軟件，在軟件中輸入相關(guān)參數(shù)后可直接計(jì)算出黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、變形模量E的值，如圖3所示。

圖3 RocData軟件進(jìn)行巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算

文章認(rèn)為，基于GSI法的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則本身是一種經(jīng)驗(yàn)方法，其起到的作用就是在不具備或者不需要進(jìn)行試驗(yàn)的情況下采用這一方法能較快地并相對準(zhǔn)確地估算出巖體力學(xué)參數(shù)，因此其主要計(jì)算參數(shù)、mi、D取經(jīng)驗(yàn)值，GSI值通過觀察巖體條件取值是合理可靠的。

中國工程企業(yè)所承擔(dān)的國際水電工程多位于發(fā)展中國家，這些國家的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)均較落后，當(dāng)需要試驗(yàn)支持時(shí)往往很難實(shí)現(xiàn)，或者需要花費(fèi)大量的時(shí)間及經(jīng)濟(jì)代價(jià)才能實(shí)現(xiàn)；此外，這些國際工程基本都面臨著國外咨詢公司的審查，在確定巖體力學(xué)參數(shù)方面，國外咨詢公司普遍不承認(rèn)中國規(guī)范所取的經(jīng)驗(yàn)值。在這種情況下，采用基于GSI法的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則確定巖體力學(xué)參數(shù)顯得較為合適，也能為國外咨詢工程師接受。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

玻利維亞某水電站為引水式開發(fā)，主要建筑為壓力鋼管及地面式廠房。工程區(qū)地層巖性為志留系砂-頁巖互層，巖體風(fēng)化主要為強(qiáng)風(fēng)化（Ⅳ），局部為中等風(fēng)化（Ⅲ）。在進(jìn)行壓力鋼管鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)時(shí)需要提供地基巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，但是玻利維亞國內(nèi)很難找到能夠進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)的單位，甚至一些常規(guī)的巖石室內(nèi)試驗(yàn)都很難完成。該項(xiàng)目鎮(zhèn)墩體型較小，對地基巖體要求不高，如采用現(xiàn)場試驗(yàn)的方法耗時(shí)耗力。因此，在與項(xiàng)目咨詢工程師溝通后決定采用基于GSI法的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則確定地基巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

4.2 參數(shù)取值

（1）抗壓強(qiáng)度。根據(jù)巖塊單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果，該工程砂-頁巖互層抗壓強(qiáng)度取值如表1所示。

表1 巖體抗壓強(qiáng)度值 單位：MPa

（2）mi值。查表可知，砂巖mi參數(shù)值為17±4，頁巖mi參數(shù)值為6±2。未能確定頁巖-砂巖互層中頁巖、砂巖占比的情況下，建議取較低值7。

（3）GSI值。通過沿壓力鋼管山脊進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，統(tǒng)計(jì)了多個(gè)地質(zhì)點(diǎn)的RMR值，并對其RQD進(jìn)行了估計(jì)，采用2013版準(zhǔn)則中的取值公式及表格，得出巖體的GSI值如表2所示。

表2 巖體GSI值

（3）D值。由于工程區(qū)強(qiáng)風(fēng)化底界埋深較深，表層強(qiáng)風(fēng)化巖體節(jié)理較發(fā)育，開挖時(shí)采用機(jī)械開挖，對地基巖體擾動不大，因此D值取0。

4.3 取值結(jié)果及分析

根據(jù)參數(shù)取值，通過RockData軟件計(jì)算，得到該工程砂-頁巖互層巖體力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 巖體力學(xué)參數(shù)值

對比中國規(guī)范《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50287—2016）中對不同類別巖體力學(xué)參數(shù)的建議值，如表4所示。

表4 規(guī)范巖體力學(xué)參數(shù)建議值

綜上，可得出以下結(jié)論：

（1）中國規(guī)范中巖體的分類為綜合考慮巖體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面性狀等因素的綜合分類，該工程中采用了風(fēng)化等級，強(qiáng)風(fēng)化巖體對應(yīng)Ⅳ類巖體，中等風(fēng)化巖體對應(yīng)Ⅲ類巖體。通過對比，該工程中采用基于GSI法的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則估算的巖體力學(xué)參數(shù)相對規(guī)范建議值黏聚力c值相差不大，內(nèi)摩擦角φ和變形模量Em均偏低，但是在節(jié)理較發(fā)育的強(qiáng)風(fēng)化巖體中估算值與規(guī)范建議值相對接近。說明該方法比較適用于節(jié)理化巖體，因?yàn)楣?jié)理化巖體能提供更多的結(jié)構(gòu)面性狀特征，對判斷GSI值更有利。

（2）該工程在運(yùn)用基于GSI法的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)第三主應(yīng)力最大值的取值對結(jié)果有較大影響，采用RocData軟件計(jì)算時(shí)針對隧洞和邊坡可以根據(jù)洞徑和坡高對取值。對于其他工程只能輸入一個(gè)值或選擇一般模式由軟件給出。該工程中采用了一般模式進(jìn)行計(jì)算，因此所得結(jié)果的準(zhǔn)確性受其影響。

（3）該工程中涉及砂巖、頁巖互層狀的巖體，在對mi進(jìn)行取值時(shí)Hoekmi表格沒有相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)值，因此結(jié)合實(shí)際情況取了較保守的低值。不同的工程面臨的巖體情況不同，可能很難找到準(zhǔn)確的mi經(jīng)驗(yàn)值，因此在取值時(shí)也需結(jié)合工程實(shí)際。

（4）雖然存在一定的不足，但在有限的條件下運(yùn)用基于GSI法的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則估算的巖體力學(xué)參數(shù)基本滿足了該工程的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也得到了咨詢工程師的認(rèn)可，為項(xiàng)目的順利完成起到了很大作用。

5 結(jié)論

（1）在國際水電工程中，面對當(dāng)?shù)丶夹g(shù)條件差，中國規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值認(rèn)可度低的情況，采用基于GSI法的Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則巖體力學(xué)參數(shù)估計(jì)方法進(jìn)行巖體力學(xué)參數(shù)估計(jì)是可行的，其可靠性在實(shí)際工程應(yīng)用中已經(jīng)得到證實(shí)。

（2）通過對估算巖體力學(xué)參數(shù)與中國規(guī)范建議值的對比分析，這一方法比較適用于節(jié)理較發(fā)育巖體。