奮斗水電站花崗巖原位試驗(yàn)研究

范 永，洪文彬

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130061）

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各類能源和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的步伐正在加快。露天開采、能源、交通、水利水電工程等領(lǐng)域的區(qū)域穩(wěn)定性，往往對(duì)整個(gè)工程的安全性、可行性和經(jīng)濟(jì)性起著控制作用[1,2]。

壩基巖體的強(qiáng)度和完整性是影響大壩安全的關(guān)鍵因素之一[3]，合理確定壩基巖體力學(xué)參數(shù)是大壩工程穩(wěn)定分析和安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)巖石試驗(yàn)是研究巖體變形破壞機(jī)理、評(píng)價(jià)工程巖體力學(xué)性質(zhì)和解決復(fù)雜巖體工程問題的主要方法。

1 研究區(qū)概況

奮斗水庫(kù)行政區(qū)劃屬于黑龍江省穆棱市，距穆棱鎮(zhèn)東南14.10 km的穆棱河干流上游，水庫(kù)為大（2）型水庫(kù)，屬Ⅱ等工程。正常蓄水位為382.00 m，死水位為362.00 m，設(shè)計(jì)洪水位為383.80 m，校核洪水位為385.85 m，死庫(kù)容為0.12×108m3，設(shè)計(jì)總庫(kù)容為1.65×108m3，水庫(kù)總庫(kù)容為1.91×108m3。

試驗(yàn)選擇在有花崗巖出露的區(qū)域進(jìn)行。工程區(qū)揭示的侵入巖主要為華力西中晚期侵入巖（γ42-3），花崗巖與硅化碎裂黑云母二長(zhǎng)花崗巖在壩軸線部位相間分布，花崗巖主要分布于壩址左壩肩至0+228及0+280~0+379，在右壩肩零星分布。

試驗(yàn)區(qū)域揭露地層為弱風(fēng)化的花崗巖，為古生界華力西中晚期，其中花崗巖為灰色，中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要由斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石和石英組成，中硬，主要發(fā)育陡傾角節(jié)理，巖體較完整-較破碎。與建基面相比，無(wú)論是巖體質(zhì)量還是埋藏深度，試驗(yàn)區(qū)域的巖體均弱于建基面的巖體，對(duì)壩基變形、抗滑穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定有較大影響。下文旨在研究右壩肩花崗巖基面上的剪切特征。

2 方法

2.1 儀器及設(shè)備

研究所使用的主要儀器及設(shè)備包括試樣處理設(shè)備、反作用力裝置、法向載荷系統(tǒng)、剪切載荷系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)及校正系統(tǒng)。其中，反力裝置采用錨桿提供反力荷載。

2.2 試驗(yàn)區(qū)清理

1）試驗(yàn)場(chǎng)地處理

為了準(zhǔn)確選取具有代表性的試驗(yàn)段及試驗(yàn)點(diǎn)，需對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地開挖遺留的碎石進(jìn)行清理，清理方式采用機(jī)械清理和人工清理的方式。

2）直剪試驗(yàn)處理

水平推進(jìn)法是用于巖體直剪試驗(yàn)的方法。在試驗(yàn)過程中，施加在試樣上的法向載荷方向與剪切面垂直，試樣的推力方向與預(yù)定的剪切方向一致。樣品周圍的巖石表面平整，與預(yù)定的剪切面在同一平面上。根據(jù)試樣的加工要求，為了減少試樣的干擾，該研究采用了分步處理的方法，總共設(shè)立了5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，具體處理方法參照DL/T 5368-2007《水電水利工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》。

2.3 巖體直剪試驗(yàn)

抗剪試驗(yàn)分為混凝土抗剪和巖體抗剪，兩種試驗(yàn)原理相同，在抗剪試驗(yàn)中，剪切破壞遵循庫(kù)侖準(zhǔn)則，其表達(dá)式：

式中：τ——施加在剪切面上的剪應(yīng)力，MPa；σ——施加在剪切面上的法向應(yīng)力，MPa；φ——材料的內(nèi)摩擦角；C——材料的粘聚力，MPa。

在人工浸水條件下，采用水平推進(jìn)法進(jìn)行巖體直剪試驗(yàn)。剪切荷載方向與工程水推力方向基本一致。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，奮斗水電站工程地基應(yīng)力為1.44 MPa。因此，該研究等分5級(jí)，相差0.29 MPa。初步確定各級(jí)應(yīng)力分別為0.29，0.58，0.86，1.15，1.44 MPa。實(shí)際的正常載荷隨試樣的面積而變化，但它不影響最終的試驗(yàn)結(jié)果（參考）。通過不同法向應(yīng)力下的試驗(yàn)，得到相應(yīng)的剪應(yīng)力，進(jìn)而得到抗剪強(qiáng)度的力學(xué)參數(shù)。根據(jù)DL/T 5368-2007對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分類，繪制相應(yīng)的曲線圖，并列出試驗(yàn)成果。

3 抗剪試驗(yàn)結(jié)果

直剪試驗(yàn)設(shè)置編號(hào)為Yτ02-01~Yτ02-05的5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，圖1顯示了各點(diǎn)的剪應(yīng)力和剪切位移的關(guān)系曲線。在整理試驗(yàn)結(jié)果的過程中，綜合分析巖石剪切面特征的基礎(chǔ)上，采用最小二乘法確定巖石峰值的剪切力及其相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見表1，法向應(yīng)力-剪應(yīng)力的擬合曲線見圖2和圖3。

圖1 剪應(yīng)力和剪切位移的關(guān)系曲線

根據(jù)Yτ02試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合圖1和試驗(yàn)后剪切面性狀的描述，可知剪切破壞模式為脆性破壞，即破壞前剪切位移較小，峰值后剪應(yīng)力迅速下降，剪切位移大幅度增長(zhǎng)。根據(jù)圖2，3可知，雖受斷層、節(jié)理、裂隙分布的影響，下覆基巖剪切面局部有差別，致使部分試驗(yàn)點(diǎn)略有偏差，如Yτ02-01從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)點(diǎn)的照片和地質(zhì)素描圖可知，這兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)試件內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育，Yτ02-01點(diǎn)共有5條節(jié)理裂隙穿過，試驗(yàn)后測(cè)試點(diǎn)破碎，因此，這個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)結(jié)果較小，但整體能夠代表該段巖體破壞特征。

圖2 抗剪斷正應(yīng)力-剪應(yīng)力曲線

4 結(jié)語(yǔ)

了解花崗巖的剪切變形特性對(duì)水電工程具有重要意義。在此次巖體抗剪試驗(yàn)中，對(duì)奮斗水電站右壩肩花崗巖進(jìn)行了一組5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的巖體抗剪試驗(yàn)，各試驗(yàn)點(diǎn)的變形規(guī)律基本符合實(shí)測(cè)巖體的實(shí)際情況。但由于地質(zhì)構(gòu)造和巖性分布等原因，試驗(yàn)斷面的選擇和試驗(yàn)點(diǎn)的布置受到限制。因此，試驗(yàn)結(jié)果在整個(gè)工程范圍內(nèi)的宏觀表述具有一定的局限性。