某水電站壩址區危巖剪切破壞試驗特征研究

浙江華東建設工程有限公司，浙江 杭州 310000

我國幅員遼闊，河川眾多，蘊藏著大量的天然資源。我國西部云貴川一帶分布著橫斷山脈，地質險峻，峽谷垂直落差巨大，含有豐富的水利資源。其中，西南部山區在地理上得天獨厚，高山峽谷中擁有巨大水力落差，水利資源豐富，是修建大型水電站的不二之選。然而，在山區修建巨大工程對于人力、物力、財力都是一項巨大的挑戰，且我國西南部山區地質情況復雜，河岸兩側大多為巖質邊坡。在山區修建大型工程，開山鑿壁是不可避免的，在此過程中就會形成危巖，危巖的存在是導致巖質邊坡失穩的主要因素。西部橫斷山區地質活動頻繁，邊坡巖體大多含有結構面，而結構面是造成邊坡失穩的核心因素。山區重大工程的邊坡處理往往是該項工程中的重點，邊坡失穩會對工程造成重大損害，甚至會導致整項工程報廢，所造成的人員傷害和財產損失更是不可估量。

西南山區某水電站鄰壩址處存在危巖邊坡，方量較大，達2.1×105m3。該危巖結構面豐富，節理裂隙眾多，一旦發生失穩，將對水電站壩址造成嚴重損害。鑒于此，有必要對該處危巖進行進一步的力學性質研究。

1 工程概況

此次試驗研究對象為我國西南部山區某水電站壩址處危巖邊坡，該地區地處青藏高原東南部，為典型的高山峽谷地貌，河流兩岸邊坡垂直落差巨大，邊坡坡度在30°～45°。邊坡巖體結構面多，大多風化嚴重，同時帶有崩塌現象，又因為該地鄰近喜馬拉雅地震帶，所以地震對危巖體帶來的影響更是巨大，顯著增加了邊坡危巖體的不穩定性。因此，文章從斷裂力學角度出發，考慮分析剪切荷載下節理的發展與擴散，來研究邊坡危巖的穩定性。

2 試驗原理及流程

2.1 剪切試驗

為使試樣產生的Ⅱ型斷裂破壞先于Ⅰ型破壞，需要抑制巖石裂縫的裂尖因偏心作用而產生拉應力。在此，垂直于預制裂縫面施加壓應力σx，與此同時，在裂縫上下面分別施加大小相等、方向相反的均布應力σy，試驗示意圖如圖1所示。

圖1 試驗示意圖

2.2 巖石Ⅱ型剪切韌度試驗設計與步驟

為了研究該壩址區邊坡危巖的Ⅱ型剪切韌度，設計了如下試驗。首先將采集回的危巖巖樣通過銑床加工為50mm×50mm×50mm的立方體，再使用金剛石鋸片在試樣中部兩端對應鋸出所設計長度的裂縫。

試驗設計共計9組，分別研究以下兩種情形下危巖巖石的斷裂特征：（1）相同裂縫長度，不同裂縫角度；（2）相同裂縫角度，不同裂縫長度。所設計裂縫長度有5mm、10mm、15mm，裂縫角度有30°、50°、70°，裂縫寬度為1mm。

此次巖石剪切試驗操作步驟如下：（1）將加載儀器上下表面清理干凈，避免雜物出現導致試樣受力面出現受力不均現象；（2）放置試樣于加載儀器上，調整試樣位置，使試樣幾何中心位于加載儀器中心軸線上，手動控制使試樣夾持在儀器上，接觸力控制在0.5～1kN；（3）控制方式采用位移控制，加載速率為0.2mm/min；（4）全程采用程序控制，自動記錄試驗結果數值。

3 試驗結果

3.1 力學參數結果

對從水電站壩址處所帶回試樣進行加工處理后，通過剪切試驗對預制人工雙邊裂縫危巖試樣進行剪切Ⅱ型斷裂韌度測試，研究不同長度預制雙裂縫對斷裂韌度測試結果的影響，通過設置加載角度30°、50°和70°分析加載角度對試樣真實破壞面的影響。試驗后危巖試樣的Ⅱ型斷裂強度因子可由下式計算：

式中：L為試樣寬度，mm；H為試樣高度，mm；Fmax為剪切峰值破壞荷載，kN；Fq為剪切力，kN；l為預制裂縫長度，mm；θ為加載角度，°；φ為巖石內摩擦角，°。具體試驗數據和計算結果如表1所示。

表1 剪切試驗結果

在此次剪切試驗中，當裂縫角度θ為一定值時，隨著裂縫長度的增加，巖石剪切峰值破壞荷載逐漸減小；當裂縫長度l為一定值時，隨著所設置裂縫角度的增加，巖石剪切峰值破壞荷載逐漸減小。預制裂縫角為30°時剪切力峰值最高，為預制裂縫角為50°時的2倍左右，為預制裂縫角為70°時的3倍左右。可見，預制裂縫角度過小導致應力分解在裂縫面上的豎向應力多，而切向應力過少，因此需要更多的豎向荷載才能達到裂縫的剪切破壞峰值。

同時，將表1中相同預制裂縫角度時所得Ⅱ型斷裂韌度計算平均值，可得，當裂縫角度為30°時，危巖試樣的Ⅱ型斷裂韌度平均為3.07MPa×m0.5；當裂縫角度為50°時，危巖試樣的Ⅱ型斷裂韌度平均為3.65MPa×m0.5；當裂縫角度為70°時，危巖試樣的Ⅱ型斷裂韌度平均為3.35MPa×m0.5。

預制裂縫角度為30°時的測試所得結果明顯小于預制裂縫角度為50°和70°時的結果，并且在預制裂縫角度為30°時，Ⅱ型斷裂韌度測試值隨著裂縫長度的增加而減小。反觀預制裂縫角度為50°和70°時，Ⅱ型斷裂韌度測試值上下浮動較小，未呈現出明顯隨著裂縫長度增加而增大或減小的情況，可靠度較高。

3.2 斷裂過程及斷裂面形態

在預制角度為30°時的試樣剪切破壞過程中，在破壞前裂縫面就開始產生次生裂紋，隨著次生裂紋的逐漸發育擴展，形成主裂紋面，貫穿于裂縫，從而導致巖石試樣隨著加載的進行而斷裂，最終斷裂面并不平整，表面有凸起的“∧”形面。由于預制裂縫角度過小，加載過程中應力分解后，分解到裂縫面上的豎向應力過大，這樣與求解Ⅱ型斷裂韌度的初衷違背，因而會對Ⅱ型斷裂韌度的精度造成一定影響。

在預制角度為50°時的試樣剪切破壞過程中，隨著加載進行，在裂縫的尖端處出現微小裂縫，雖然在裂縫尖端有一些微小斷裂，但在主裂縫面附近，一直未出現肉眼可見的裂紋。當荷載加載至50kN左右時，試樣出現突然斷裂，斷裂面平直。

在預制角度為70°時的試樣剪切破壞過程中，隨著加載進行，在預制裂縫周圍并未出現肉眼可見的裂縫。當軸向荷載加載至一定值后，試樣沿著預制裂紋面直接斷裂，脆性斷裂特征明顯，斷裂破壞面平整。

4 結論

此次試驗在室內條件下對預制雙邊裂縫危巖試樣進行Ⅱ型斷裂韌度剪切測試，研究了不同預制裂縫長度和角度情況下對斷裂韌度測試結果的影響，得到如下結論：

（1）裂縫角度固定時，預制裂縫長度的增加使巖石剪切力破壞峰值減小；裂縫長度固定時，預制裂縫角度的增加使巖石剪切力破壞峰值減小。

（2）預制裂縫角度為30°時，試樣的Ⅱ型斷裂韌度平均為3.07MPa×m0.5；裂縫角度為50°時，試樣的Ⅱ型斷裂韌度平均為3.65MPa×m0.5；裂縫角度為70°時，試樣的Ⅱ型斷裂韌度平均為3.35MPa×m0.5。其中，預制裂縫角度為50°和70°時，Ⅱ型斷裂韌度測量值可靠度較高。

（3）隨著預制裂縫角度的增大，裂縫斷裂前出現的征兆越不明顯，裂縫斷裂速度越快，剪切破壞后所得斷裂面越平整。