向家坝水电站坝基岩体钻孔剪切试验研究

赵宇飞，王玉杰，曾祥喜，何传永

（1.中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所，北京 100048；2.中国水电顾问集团 中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410014）

1 前言

向家坝水电站是金沙江流域水利资源梯级开发的最后一级水电站。枢纽工程由混凝土重力坝、右岸地下厂房及左岸坝后厂房、通航建筑物和两岸灌溉取水口组成。坝顶长度897m，最大坝高161m，装机总容量为600万kw，多年平均发电量为301.3亿kw时，是我国目前在建的第三大水电站。枢纽的主体工程重力坝建在三迭系砂岩地层上，包括上统须家河组、中统雷口坡组（T21）。其中在坝址区出露的基岩主要为三迭系上统须家河组（T3xj）的砂岩夹泥质岩石，系河湖、沼泽相沉积的砂岩、泥岩含煤地层。岩性岩相变化大，交错层理发育。作为坝址区工程地质的一个主要特征，立煤湾膝状挠曲从西北角的左岸立煤湾沟进入坝址区，延伸到坝址东南角，斜贯坝址，长度约2km。这一挠曲构造导致重力坝坝基岩体破碎，软弱夹层发育，重力坝的深层抗滑稳定问题受到普遍关注。其中作为抗滑分析中抗力体的坝基岩体抗剪强度参数的合理确定对坝体稳定是非常重要的。

美国爱荷华州立大学研制开发的岩石钻孔剪切试验仪可在常规钻孔内实现不同深度上原位岩体的抗剪强度试验。该试验仪可用于测试软岩-中等硬度的岩石，对岩体完整性也没有特殊要求，可用于测试破碎岩体和强风化岩体。在对坝基岩体进行细致深入的研究时将美国爱荷华州立大学开发研制的钻孔剪切仪引入了进来，并利用钻孔剪切仪在坝基岩体中JC2-5影响带内较软岩体钻孔中进行了现场试验，得到了较好的应用效果。

2 钻孔剪切仪及试验方法简介

2.1 钻孔剪切仪原理岩石钻孔剪切试验仪（RBST）主要部件为由两块剪切板组成的剪切头和液压装置，由液压千斤顶提供动力，通过剪切板向钻孔围岩施加正应力和剪应力。在岩体钻孔中进行剪切试验，当没发生钻孔岩体剪切破坏时，可以得到法向和剪切表中的压力值，通过前期校准，液压表中的压力值可以转化为法向和剪切应力。名义上的法向应力等于扩张力除以一个剪切板的面积；名义上的剪应力等于测量到的剪切力除以两块剪切板的面积。保持剪切板上的正应力不变，增加剪应力直至钻孔岩壁破坏，此时的剪应力便是该正应力水平下的剪切强度。通过液压器使剪切头恢复到原来的位置，然后拔出孔外。把剪切板上粘附的岩屑、碎石清理干净，再将剪切头放入钻孔中进行不同法向应力的剪切实验。实际试验中，剪切板弧度要与钻孔孔径相一致，目前应用较多的是适用于76mm直径钻孔的钻孔剪切设备。

在不同正应力条件下测得相应岩体破坏时的剪应力，可根据由此得到的正应力与剪应力通过最小二乘回归分析得到抗剪强度曲线，获得试验段岩体的抗剪强度参数——内聚力和内摩擦角。在同一钻孔中的不同深度上进行试验，可获得该工程部位的不同深度上的岩体抗剪强度参数。钻孔剪切设备结构见图1所示。

通过45°旋转剪切头的方式，可以在钻孔同一深度做4次不同法向应力的剪切实验。这4个点的试验数据可以绘制线性Mohr-Coulomb破坏包络线，若需确定岩石的非线性包线和各向异性参数，则需要更多的试验点，可以在原先试验点的深度上下50mm间距外进行钻孔剪切实验加以解决。

2m以内深度钻孔中，可以很方便的进行钻孔剪切实验。对于更深的钻孔，可以通过延伸连接杆的长度来加以实现。

2.2 RBST试验区域工程地质简述向家坝水电站厂房坝段基岩钻孔剪切试验主要布置在厂房一坝段的JC2-5软弱夹层影响带内的较软岩体中，另外在泄三坝段附近的立煤湾膝状挠曲挤压带核部的碎屑状岩体也进行了一组钻孔剪切试验。

2.3 RBST试验布置所进行的坝基岩体钻孔剪切试验布置在厂房一坝段中JC2-5夹层的影响带内，共有3个钻孔，进行了5组钻孔剪切试验。另外在泄三坝段中的立煤湾膝状挠曲核部的碎屑状岩体中钻孔变形严重，孔壁完整性比较差，故在此坝段中布置一个试验钻孔，在钻孔孔壁较完整处进行了一组钻孔剪切试验。

根据《向家坝水电站二期工程建基面中间验收-建基面工程地质条件报告》可知，在厂房一坝段中的钻孔剪切试验位置岩体为Ⅲ2—Ⅳ类岩体，泄水坝段中钻孔剪切试验位置岩体为V类岩体。

3 向家坝坝基岩体RBST试验结果

3.1 试验步骤简述安装钻孔剪切仪，将“伸出”、“缩回”和“剪切”管线根据颜色进行对应连接，剪切头上部与连杆通过螺纹连接；将剪切头伸入钻孔中预定位置处，连杆上部通过一个特殊的扳手固定在一个钻孔外的简易平台上。在固定的过程中，要尽量保证连杆处于钻孔中心位置，调平。然后，打开法向压力阀关闭剪力阀，施加座压，直到压力表读数达到设定值。等待5min，当表中读数稳定后才能施加剪应力；关闭法向压力阀，打开油泵阀门和剪应力阀，关闭油泵阀门，开始施加剪应力，直至岩壁岩体剪断，记录此时剪应力表读数。读数完成后，将手柄扳至“缩回”位置，进行油泵卸压，缩回剪切板。从钻孔中取出剪切头，记录钻孔岩壁破坏情况，然后剪切板上的岩屑，准备下一次试验。

3.2 厂房坝段试验结果厂房坝段岩体主要为灰黑色条带状泥质粉砂岩，由于受到试验点附近岩体属于软弱夹层JC2-5的影响带内，因此岩体较软，遇水后岩体工程力学特性会有所劣化，抗剪强度降低。根据向家坝岩体质量分级规定，该部位岩体应属于Ⅲ2类至Ⅳ类岩体。

在厂房坝段，利用3个坝基声波检测钻孔共进行了5组钻孔剪切试验，其中A钻孔进行了不同深度的3组钻孔剪切试验，由于B孔与C孔深度较浅，深度仅0.5m左右，利用B、C两孔，仅进行了2组钻孔剪切试验。5组钻孔剪切试验所得到的试验数据见表1所示，试验数据散点图如图2，并通过最小二乘回归法对所得试验数据进行了回归分析，得到了5组该坝段灰黑色条带状泥质粉砂岩抗剪强度值，以及相应的各组数据拟合优度值，见表1所示。

通过表1可见，除A钻孔中第3组试验数据有较为离散以外，其他几组试验数据具有非常好的线性关系，通过最小二乘回归分析可知，其利用直线进行拟合研究所得到的拟合优度值非常高，可达0.95以上，其中第一组试验数据可达0.98，由此可见，利用钻孔剪切仪较软岩体坝基进行剪切试验，可以保证试验数据有较高的线性关系。

通过分析可知，通过钻孔剪切试验得到厂房坝段该部位岩体抗剪强度参数平均值为：内摩擦系数为0.54，内聚力为1.15MPa，R平方值统计均值为0.90。

由于这一阶段所进行试验数目较少，总体来说，钻孔剪切试验所得岩体抗剪强度参数要比常规试验（室内、室外常规直剪试验）所得较小。通过美国和日本积累的相关经验，钻孔剪切试验得到的c、ϕ小于传统三轴和直剪试验成果，但钻孔剪切试验的ϕ值在ϕ＜40°的范围内略低于传统三轴和直剪试验成果，而钻孔剪切试验的c值较传统三轴和直剪试验的c值降低较多，一般为25%～50%。但它们之间相对准确的关系还需进一步的研究。

3.3 泄水坝段试验结果根据《向家坝水电站二期工程建基面中间验收的建基面工程地质条件报告》中可知，该处岩体位于向家坝立煤湾膝状挠曲核部，主要为挤压破坏后又经过蚀变作用形成的碎屑状岩体。岩体强度很低，且岩性较软。由于该处岩体性状很差，利用快速钻孔法所得到的钻孔孔壁变形很大，并有孔壁掉块现象。在该处的钻孔剪切试验仅仅在距孔口较浅且钻孔孔壁相对完整处进行了一组钻孔剪切试验。钻孔其余部位由于孔壁变形较大以及塌钻无法进行试验。

试验位置大致为孔口以下0.3m处。试验数据见表2，根据试验数据所得到的回归线见图3。其中表2中编号为2的数据为试验粗差，在回归分析中舍弃。由于试验数据很少，导致试验结果精度较差。通过得到的试验数据，进行最小二乘回归分析得到该处碎屑状岩体抗剪强度参数，其中内摩擦系数为0.27，黏聚力为0.263MPa。

3.4 试验结果及分析通过以上6组向家坝水电站坝基岩体钻孔剪切试验，得到了厂房一坝段中JC2-5软弱夹层影响带内岩体以及泄水坝段中立煤湾膝状挠曲核部碎屑状岩体的抗剪强度值。

厂房坝段中钻孔剪切试验处岩体应属于Ⅲ2—Ⅳ类岩体。通过钻孔剪切试验可知，在厂房坝段中，每组岩体钻孔剪切试验得到的岩体抗剪强度参数与向家坝水电站二期工程中原位抗剪断试验得到的同类岩体抗剪强度参数相比偏低，在厂房一坝段得到的岩体抗剪强度参数的平均值中，摩擦系数为0.54，黏聚力为1.15MPa。

表1 钻孔剪切试验数据以及处理结果

在泄水坝段中，根据向家坝水电站相关地质资料，该试验部位岩体属于V类岩体。由于钻孔完整性较差，仅仅在孔壁相对完整处进行了一组钻孔剪切试验，得到的立煤湾挠曲核部的碎屑状岩体的抗剪强度参数中，摩擦系数为0.27，黏聚力为0.26MPa。

表2 钻孔剪切试验数据

通过向家坝水电站坝基岩体抗剪强度试验，总体来说，钻孔剪切试验所得数据具有很高的线性相关关系，均值为0.90，最高可达0.98。岩体钻孔剪切试验得到岩体抗剪强度参数较现场岩体剪切试验得到的参数要低，可能有以下几个原因：（1）试验中所利用的岩体声波检测孔较浅，而且钻孔方法为风钻快速钻进，所得到的钻孔孔壁完整性较差，在一定程度上影响了试验结果；（2）在岩体钻孔过程中，由于钻孔设备振动较大，对岩体扰动较大，加之钻孔剪切仪剪切头尺寸较小，因此，钻孔剪切试验所得岩体强度参数要偏小。

另外，通过试验也可看出，钻孔剪切试验与传统的岩体现场剪切试验相比，具有方便快捷、效率高的特点；但也存在以下缺点，如剪切头尺寸较小、试验结果对钻孔孔壁完整性要求较高等。需要通过进一步的理论与试验研究进行改进。

4 结论

通过在向家坝水电站坝基岩体中进行的钻孔剪切试验，得到了厂房一坝段中JC2-5软弱夹层影响带内灰黑色条带状砂岩的抗剪强度参数（摩擦系数为0.54，黏聚力为1.15MPa），以及泄水坝段中立煤湾挠曲核部碎屑状岩体的抗剪强度参数（摩擦系数为0.27，黏聚力为0.26MPa），与向家坝水电站相关地质资料中所列的相同类别岩体抗剪强度参数相比较低，并做了分析。

通过试验也可知，钻孔剪切试验与传统的岩体现场剪切试验相比，具有方便快捷、效率高的特点；但是其也存在有待改进的不足，需在下一阶段的工作中，对钻孔剪切设备进行合理改造，以便能在岩土工程中得到更大的推广使用。

从以上几组钻孔抗剪强度试验中可知，利用钻孔剪切仪可以方便便捷地利用工程前期地质勘探钻孔进行钻孔剪切试验，较为客观地得到重要的岩体抗剪强度参数，为岩体力学特征的现场检测提供了一种新的途径，同时也为工程建设重要决策提供重要的技术支持。

［1］Drennon C B，Handy R L.Stick-slip of Lightly loaded limestone［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Science，1972，9：603-615.

［2］田中达吉，船户明雄，曾根好德.钻孔孔内剪切实验的原位置岩盘强度评价［C］//第六届岩石力学国内论坛演讲论文集，日本京都，1984.

［3］Richard L，Handy.Direct measurement of soil properties in-situ AC-WinterBuild 2000［C］//Cairo International Conference Center，Egypt，2000，9，20-22.

［4］向家坝水电站二期工程建基面中间验收建基面工程地质条件报告［R］.中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，2009.