國外某工程壩基巖體力學參數不同獲取方法的差異分析

摘" 要：在水電工程勘察中，壩基巖體/結構面抗剪參數是設計專業計算壩基穩定性所必不可少的。該文以國外某水電站為例，通過對復雜地質條件下壩基巖體分類、力學參數提取等方面與國外公司進行對比，深化水電工程壩基巖體抗剪/斷強度參數提取認識，了解國外某些公司在這方面的工作思路，有利于拓展視野，更好地為工程服務。

關鍵詞：壩基巖體分類；結構面；抗剪強度參數；獲取方法；差異分析

中圖分類號：TU452" " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）36-0102-04

Abstract： In hydropower engineering investigation， the shear parameters of dam foundation rock mass/structural surface are indispensable for design professionals to calculate dam foundation stability. Taking a foreign hydropower station as an example， this paper compares the classification and mechanical parameter extraction of dam foundation rock mass under complex geological conditions with foreign companies to deepen the understanding of the extraction of shear/fracture strength parameters of dam foundation rock mass of hydropower projects and understand the working ideas of some foreign companies in this regard， which is conducive to broadening their horizons and better serving the project.

Keywords： dam foundation rock mass classification; structural plane; shear strength parameters; acquisition method; difference analysis

國外某水電站攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高48.50 m，壩頂長度165.50 m，壩頂高程196.50 m，從左至右共劃分為9個壩段。項目前期僅壩址區布置2個鉆孔，無法滿足國內相關勘察規范要求。EPC合同簽訂后，受各種條件制約，地質補勘工作未能如期實施，開挖后發現壩基巖體類別與前期勘察推測有較大差異，巖體工程地質分類及相關參數的確定是在符合相關規范的前提下，隨著揭露的地質條件進行調整。同時委托澳大利亞Entura公司對壩基穩定性開展分析，以期獲取不同標準規范及不同設計思路下巖體抗剪強度參數，并分析其差異性，為設計專業提供技術支撐。

1" 壩基巖體情況

1.1" 基本地質條件

壩址區左岸1—3號壩段已完成開挖，其余壩段也完成了補充勘察工作，除地表淺薄坡積、洪積等覆蓋層以外，揭露的主要地層為火山角礫巖，局部夾黏土角礫火山角礫巖，巖質較軟，黏粒含量高，指甲可劃動，壩址區多個鉆孔均有揭露，層厚0.60～4.72 m不等。

3—9號壩段底部分布多條巖質軟弱帶及黏土質凝灰巖夾層，層厚0.7～5.45 m不等，綠泥石化，觸手滑膩，手捏易碎，失水易干裂、崩解呈碎粒狀。該層呈多層分布，由各鉆孔揭露深度推算出其傾角6～8°，整體傾向下游，距設計建基面下部最近約11 m。

壩址區最大斷層F1出露于左岸壩下游岸坡，斜穿3—5號壩段，左岸岸坡寬度3.7 m，3號壩段寬度6.3～7.3 m，4號壩段寬度8.5～15.3 m，岸坡上部組成物質為灰黃、灰綠色碎裂巖，上盤側見3～6 cm厚斷層泥，下盤側見3～5 cm厚擠壓片巖。

左岸1—3號壩基區共揭露29條破碎帶，傾角以5～15°為主，寬度一般5～15 cm，組成物質為碎塊（片）巖、巖屑及次生泥，面多起伏粗糙；4—6號壩段壩基發育4條破碎帶，組成物質為碎塊巖、巖屑，局部夾泥，面起伏變化較大；右岸邊坡發育一條產狀為N50°E近⊥破碎帶，寬10～20 cm，局部1～5 cm，組成物質為碎塊巖、巖屑，局部夾少量泥質。斷層F1沿壩軸線分布情況如圖1所示。

1.2" 壩基巖體分類

壩基巖體主要為火山角礫巖，為較軟巖，抗風化能力一般，具典型的垂直風化特征。鉆孔揭露及室內試驗統計得出，弱風化下限埋深一般為2.20～28.80 m，質量指標RQD平均值為41%～78%，飽和單軸抗壓強度平均值為23.82 MPa；微風化巖石質量指標RQD平均值為57%～87%，飽和單軸抗壓強度平均值為26.55 MPa。鉆孔揭露壩基還有凝灰巖、黏土質凝灰巖及較軟的火山角礫巖膠層，其中3—7號壩段建基面下部2～9 m分布有層厚3～4 m的較軟火山角礫巖夾層。

根據1—2號壩基開挖面揭露情況，巖體以弱風化為主，局部強風化，巖體質量分級以Ⅳ1C、Ⅳ2C為主，局部Ⅴ類；3號壩段巖體以弱風化—微風化為主，巖體質量分級以Ⅲ1B、ⅢC為主，局部為Ⅳ1C、Ⅳ2C類。

2" 壩基工程地質問題

該項目前期提供的資料中雖已提及可能存在的相關工程地質問題，但補充勘察結果及1—3號壩段開挖揭露的地質情況，發現以下問題變得更加突出。

壩基穩定：壩基巖體中存在多個傾向下游的緩傾角軟弱夾層，且順河向陡傾角節理較發育，存在深層抗滑穩定問題。

壩基滲漏：壩基巖體風化作用強烈，裂隙發育且長大裂隙貫通性較好，存在壩基滲漏問題；且河床順河向分布F1斷層存在滲透破壞的隱患。

1—2號壩段壩基巖體質量分級以Ⅳ1C、Ⅳ2C類為主，局部Ⅴ類；3號壩段壩基巖體質量分級以Ⅲ1B、Ⅲ2B、Ⅳ1B、Ⅳ2B類為主，破碎帶為Ⅴ類巖體（如F1斷層帶）；Ⅴ類巖體不宜直接作為壩基，需采取處理措施。

這幾類工程地質問題中，壩基穩定尤其是深層抗滑穩定因前期資料不足，處理費用高，成為項目當前迫切需要解決的問題。

3" 巖體及結構面抗剪參數提取

利用原有壩基巖體及結構面參數進行計算，結果表明，壩基深層抗滑穩定受黏土質凝灰巖層控制，平面剛體極限平衡法正常蓄水位工況下計算，安全系數僅1.23，不符合美國墾務局規范規定4.0的要求，也不能滿足國內規范要求。三維離散元法分析壩基深層抗滑穩定安全系數為1.88，也不能滿足要求，壩基深層抗滑穩定問題突出。左岸壩基由于存在緩傾角裂隙，且壩下存在F1斷層臨空面，結構面組合抗滑穩定也不能滿足美國重力壩規范要求。

為了較準確提出巖體與結構面抗剪強度參數，利用加權平均的方法單獨給出規模較大結構面參數。受限于美標中參數較少，該工程也無大型直剪試驗條件的前提，基礎參數仍采用GB 50287—2006《水力發電工程地質勘察規范》附表中的經驗參數，其中巖體參數通過劃分壩基巖體類別后類比確定。結構面通過對破碎帶進行分段、分類，仔細測量每段長度，再依據破碎帶性質提出單段力學參數，最終以加權平均的方法求得整體抗剪參數。

為進一步客觀評估壩基巖體及結構面的抗剪強度參數，委托澳大利亞Entura公司對壩基巖體進行了評價，由于黏土質凝灰巖夾層、較軟的火山角礫巖是壩基穩定控制性地層，Entura公司利用Hoek-Brown準則估算這2種巖體抗剪強度參數，并利用等效摩爾-庫倫準則計算出等效抗剪強度參數。采用Barton-Bandis非線性準則估算出破碎帶以及軟弱夾層的抗剪強度參數。參數對比見表1。

從表中可以看出，Entura公司給出的較軟火山角礫巖的抗剪強度參數中，有根據Hoek-Brown準則估算的參數，同時也有針對具體壩段采用Barton-Bandis 非線性準則結合建筑物具體長度估算出的參數，兩者相差很大，后者黏聚力幾乎可以忽略不計，Entura公司建議采用針對具體壩段的計算值。我國規范中根據壩基巖體質量進行取值，未考慮建筑物等附加條件對巖體參數影響，取值一致。

與我國規范取值相比較，Entura公司所給出的巖體/破碎帶黏聚力C值均明顯偏低，內摩擦角取值普遍偏高，可能存在認識上的較大差異，亦存在巖石材料對Hoek-Brown準則適用性存在較大偏差可能。

4" 本項目規范取值與國外計算值差異分析

4.1" 規范取值

在GB 50287—2016《水力發電工程地質勘察規范》中，對于混凝土與巖體、巖體、結構面，以及軟弱層、斷層等抗剪/斷強度參數均有相關規定：

依據原位測試、室內試驗等結果，對于脆性破壞試件，抗剪斷強度參數中采用概率分布0.2分位值作為標準值或采用峰值強度小值平均值作為平均值，或采用優定斜率法的下限作為標準值；抗剪強度參數應采用比例極限強度作為標準值。對于塑性破壞或彈塑性破壞的巖體抗剪/斷強度參數，應采用屈服強度作為標準值。地質建議值的提取主要根據標準值進行相應的折減獲得。

在實際應用中，對于小型水利水電工程，主要根據現場地質調查、室內試驗、現場測試等，對壩基巖體進行初步分類，然后通過規范、經驗類比等方法提出抗剪/抗剪斷參數地質建議值；對于中大型水電工程，則通過布置原位測試，包括抗剪/斷和變形試驗等，根據試驗結果打折，并根據現場地質條件，采用工程經驗類比的方法綜合確定地質建議值，同時參考規范中的表格進行取值。

4.2" 國外計算值

本項目中，Entura公司采用Hoek-Brown準則計算巖體抗剪（斷）強度參數，計算過程中需要輸入的參數主要如下：

1）Sigci為完整巖石的單軸抗壓強度；

2）GSI為野外地質測繪獲得的有關破壞準則的地質強度指標（GSI=+RQD/2）；

3）mi為完整巖石的材料常數；

4）MR模數比（用于計算完整的模量Ei=MR×Sigci）；

5）D為干擾系數。

采用Barton-Bandis 非線性準則估算出破碎帶以及軟弱夾層抗剪（斷）強度參數，抗剪強度與正應力的關系方程式為

τ=σntan[Φr+JCR×log10（）] ，

式中：Φr為破裂面的殘余摩擦角；JRC為節理粗糙度系數；JCS為節理周圍抗壓強度；σn為作用在不連續面的正應力。在實際計算過程中，還需要輸入建筑物長度、結構面長度等值。

4.3" 取值差異分析

國內的規范對于壩基巖體力學參數提取有詳細參考值，這些取值是在長期、大量的工程實踐中經過試驗分析、對比、統計等綜合取得的，經得住考驗，在受各種條件限制無法進行原位測試的中小型水電工程中，有效解決了力學參數取值問題。美標在參數取值方面更多的依賴于工程師的經驗以及較為成熟的理論進行推導、計算，計算過程中更多地考慮了建筑物、結構面的長度等特征，其力學參數取值在單體工程中具有較大的差異，與實際結合更加緊密。

無論是國內規范還是美標，都推薦采用試驗的方法獲得巖體及結構面的力學參數。Hoek-Brown準則、Barton-Bandis準則在計算抗剪強度參數的過程中，仍需要現場測繪及室內試驗獲得一些基本的參數，并對部分條件進行假定，地質人員對現場的認識是不可或缺的重要組成部分。

5" 結論

1）在缺少相關試驗的情況下，國內規范有更加詳細的巖體/結構面力學參數建議值，國外的公司則更傾向于通過較為成熟的理論公式進行計算，但是在基本參數的提取上也是依據經驗判斷。

2）國內規范對于壩基同類巖體抗剪/斷參數取值限制在某一范圍內，可靠度高，但在不同工程中差異性區分不明顯。國外的公司更傾向于采用成熟的理論計算抗剪強度參數，與工程實際結合度更高，不同工程C、f值差異大。

3）本工程中，Entura公司給出的巖體/結構面抗剪斷參數與國內規范對比可知，其黏聚力C值均明顯偏低，內摩擦角f值均較高，表明國內外在該方面的認識可能存在一定差異，需要進一步分析、認證。

4）在基礎資料不足的情況下，Entura公司抗剪強度參數計算過程中，某些基本參數仍依據地質工程師經驗獲得，個人經驗影響較大。

5）隨著國外工程市場的開拓，與國外相關工程公司合作、交流的機會也隨之增多，國內從業人員理論計算及規范中參數提取的來源、含義等理解方面稍顯不足。只有自身知識儲備豐富才能從不同的參數計算中找到相關規律，開闊眼界的同時，更好的服務于國際工程。

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