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

袁 悅，李 芳

（中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，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)范在國外的認可度較低，因此中國工程企業(yè)在國外進行勘察設(shè)計時面臨著較大困難。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強度準(zhǔn)則巖體參數(shù)估計方法及其在玻利維亞某水電工程中的實際應(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，可以尋求出統(tǒng)一的方法解決這一問題。

1 Hoek-Brown強度準(zhǔn)則

Hoek-Brown強度準(zhǔn)則是用于預(yù)測巖體破裂的經(jīng)驗公式，由Evert Hoek和E.T.Brown于1980年在研究地下開挖工程時推導(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)強度指標(biāo)GSI的Hoek-Brown強度準(zhǔn)則，通過量化的GSI評分反映巖體的強度特征。其表達式如下：

式中：GSI為巖體的地質(zhì)強度指標(biāo)；mi為完整巖塊的Hoek-Brown強度參數(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)驗給出了不同開挖方式下巖體擾動系數(shù)的經(jīng)驗值[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強度準(zhǔn)則中，GSI采用式（5）進行取值[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度、巖石質(zhì)量指標(biāo)等6個指標(biāo)作為基本參數(shù)對影響巖體穩(wěn)定性的各因素進行評分。

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強度準(zhǔn)則GSI取值

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

采用Hoek-Brown強度準(zhǔn)則估計巖體的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ，變形模量E的值可以根據(jù)2002版Hoek-Brown強度準(zhǔn)則中公式計算得出，即式（6）～式（8）[2]。由于其計算較為復(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軟件進行巖體力學(xué)參數(shù)計算

文章認為，基于GSI法的Hoek-Brown強度準(zhǔn)則本身是一種經(jīng)驗方法，其起到的作用就是在不具備或者不需要進行試驗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)，因此其主要計算參數(shù)、mi、D取經(jīng)驗值，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、技術(shù)均較落后，當(dāng)需要試驗支持時往往很難實現(xiàn)，或者需要花費大量的時間及經(jīng)濟代價才能實現(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中國規(guī)范所取的經(jīng)驗值。在這種情況下，采用基于GSI法的Hoek-Brown強度準(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)化主要為強風(fēng)化（Ⅳ），局部為中等風(fēng)化（Ⅲ）。在進行壓力鋼管鎮(zhèn)墩設(shè)計時需要提供地基巖體的抗剪強度參數(shù)，但是玻利維亞國內(nèi)很難找到能夠進行現(xiàn)場試驗的單位，甚至一些常規(guī)的巖石室內(nèi)試驗都很難完成。該項目鎮(zhèn)墩體型較小，對地基巖體要求不高，如采用現(xiàn)場試驗的方法耗時耗力。因此，在與項目咨詢工程師溝通后決定采用基于GSI法的Hoek-Brown強度準(zhǔn)則確定地基巖體抗剪強度參數(shù)。

4.2 參數(shù)取值

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

表1 巖體抗壓強度值 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行地質(zhì)調(diào)查，統(tǒng)計了多個地質(zhì)點的RMR值，并對其RQD進行了估計，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)強風(fēng)化底界埋深較深，表層強風(fēng)化巖體節(jié)理較發(fā)育，開挖時采用機械開挖，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，因為節(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）該工程在運用基于GSI法的Hoek-Brown強度準(zhǔn)則進行計算時發(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軟件計算時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行計算，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進行取值時Hoekmi表格沒有相應(yīng)的經(jīng)驗值，因此結(jié)合實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)驗值，因此在取值時也需結(jié)合工程實際。

（4）雖然存在一定的不足，但在有限的條件下運用基于GSI法的Hoek-Brown強度準(zhǔn)則估算的巖體力學(xué)參數(shù)基本滿足了該工程的設(shè)計要求，同時也得到了咨詢工程師的認可，為項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)驗值認可度低的情況，采用基于GSI法的Hoek-Brown強度準(zhǔn)則巖體力學(xué)參數(shù)估計方法進行巖體力學(xué)參數(shù)估計是可行的，其可靠性在實際工程應(yīng)用中已經(jīng)得到證實。

（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。