锦屏一级水电站左岸坝肩岩体直剪蠕变特性研究

戴祺云，傅 涛，费大军，夏骊娜

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 问题的提出

锦屏一级水电站左岸坝肩边坡目前开挖支护施工已经完成，综合地质分析、稳定性验算、变形监测等表明，边坡(整体)目前是基本稳定的，但边坡深部依然存在缓慢的变形。边坡变形对左岸混凝土垫座乃至今后拱坝的影响如何，不仅关系左岸边坡的安全评估，而且还可能影响大坝工程的安全。因此，要弄清上述问题，除对左岸坝肩边坡的边界条件进行复核外，一个重要的基础工作，就是对边坡岩体力学参数进行进一步的复核及深化研究[1～7]。

2 研究思路及技术路线

通过对左岸坝肩边坡f42-9断层的力学特性及其各向异性的原位试验、室内直剪和直剪蠕变试验，获得岩体结构面的基本力学参数，分析研究f42-9断层的瞬时抗剪强度和长期抗剪强度特性，最终为左岸边坡岩体稳定分析提供长期抗剪强度参数。

3 试验研究成果

3.1 试验点及加工

研究软弱结构面直剪蠕变最大正应力和剪应力，以有效控制软弱结构面的直剪蠕变时效特征。首先进行同类型软弱结构面的常规直剪试验研究，根据最大正应力和剪应力结果，再进行直剪蠕变试验研究。试样采用边采取、边浇筑混凝土保护罩的方法，以达到保证试件免受扰动、保持其原状性的要求。试验中应对实验室采取保温保湿措施，并定时观测室内温度，温度变化控制在±1℃以内。试验在YZ30-1型电动直剪仪上进行。

3.2 试验方法与加载方式

试验采用逐级增量加载的方法。首先根据常规剪切试验的结果估计试样破坏的应力值，然后再确定流变试验每一级的荷载增量。剪切蠕变试验流程如下：

(1)首先施加法向荷载，读取变形数据。法向荷载垂直于剪切面施加，当法向变形稳定时开始施加剪切荷载。

(2)分级施加剪切荷载，当施加剪切载荷引起的剪切位移明显增大时，可适当增加剪切载荷分级。

(3)每级剪切载荷施加后，立即测读瞬时位移值，然后按10min、20min、40min、1h、2h、4h、8h、12h测读，以后均按每间隔12h定时测读一次。每级剪切荷载施加后，需保持剪应力为常数。在整个剪切过程中，应保持法向荷载为常数。每级剪切载荷的施加历时为7d。根据软弱结构面的性质和工程的重要性，可延长每级历时。

(4)后期施加剪切荷载出现定常蠕变、加速蠕变时，需加密测读时间以反映最后的流变破坏阶段。

(5)根据测取的剪切蠕变变形量，得出每一级法向位移、剪切位移、剪应力和时间的关系。

3.3 试验成果

岩体剪切蠕变试验采用平推法，试体底部剪切面面积不小于400cm2，试体最小边长不小于20cm，试体高度大于推力方向试体边长的1/2，试件不得少于5个。试验结果见表1、2，图1～4。

表1 锦屏一级水电站左岸边坡岩石直剪试验成果

表2 锦屏一级水电站左岸边坡岩石直剪蠕变试验成果

图1 多级剪切位移～时间关系典型曲线

图2 多级法向位移～时间关系典型曲线

4 研究成果分析

4.1 剪切蠕变变形规律分析

利用Boltzmann[8]迭加原理对剪切蠕变试验数据进行处理，可得到各试点岩体在每级剪应力作用下剪切蠕变位移随时间变化的关系曲线(见图1、图2)。由图可知：(1)岩体具有瞬时变形，且与正应力和剪应力的水平密切相关。在正应力恒定的情况下，瞬时变形量随剪应力的增大而增加；正应力水平越高，剪切面沿切向达到某一相同蠕变量值所需的剪应力也越大。(2)当剪应力达到某一临界值时，岩体从减速蠕变阶段过渡到稳态蠕变阶段，低于此临界值岩体能保持长期稳定，高于此临界值岩体将从稳态蠕变阶段逐步达到加速蠕变阶段。此临界值即为岩体的长期剪切蠕变强度。

图3 多级剪切应力～剪切位移关系典型曲线

图4 最后一级剪切位移～时间关系典型曲线

4.2 剪切蠕变速率特性分析

由剪切蠕变试验曲线各时刻所对应的斜率(蠕变速率)，可得岩体剪切蠕变速率随时间变化的关系曲线(见图1、3)。在低剪应力作用下，岩体剪切蠕变速率表现为两个阶段：(1)减速蠕变阶段。剪切蠕变速率在开始时最大，然后逐渐减小，最后蠕变速率变为零。(2)稳态蠕变阶段。剪切蠕变速率在开始时最大，随着时间的增长，剪切蠕变速率减小到一定值后基本保持不变，对应的剪切蠕变速率为稳态流变速率。当剪应力接近屈服强度时，岩体剪切蠕变速率表现出了第3个阶段即加速蠕变阶段。该阶段随着时间的增长，剪切蠕变速率迅速增大，岩体变形迅速发展，并最终发生破坏。

4.3 加速蠕变特性分析

在低剪应力作用下，坝区岩体剪切蠕变特性主要表现为减速蠕变和稳态蠕变；而在高剪应力作用下，坝区岩体除呈现减速蠕变和稳态蠕变外，还表现出加速蠕变特性。图4为各试点岩体在最后一级剪应力作用下的蠕变曲线与蠕变速率时间关系曲线。可将其划分为A、B、C三种破坏类型。

(1)A型曲线无明显的减速蠕变和等速蠕变，表现为直接进入加速蠕变至破坏。本次研究有六个试件属于这种类型，占60%。

(2)B型曲线具有短暂的减速蠕变和加速蠕变两个阶段，即经历短暂的减速蠕变后进入加速蠕变至破坏。本次研究有三个试件属于这种类型，占30%。

(3)C型曲线具有短暂的等速蠕变和加速蠕变两个阶段，即经历短暂的等速蠕变后进入加速蠕变至破坏。本次研究有一个试件属于这种类型，占10%。

通过对试点岩体蠕变曲线与蠕变速率曲线进行分析可知：(1)岩体只在最后一级破坏应力水平下才表现出完整的三阶段蠕变特性，即减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变。而在低应力分级加载的过程中，只能观察到减速蠕变和等速蠕变。(2)当蠕变进入加速阶段之后，蠕变应变率由渐变增长转为突变增长，跳跃幅度不断增大。这个阶段岩体内部的细小裂隙随时间增加不断扩展，最后导致应变率发生突变，试点岩体产生蠕变破坏。

4.4 长期抗剪断强度

根据试验资料绘制各法向应力及其对应的抗剪破坏值关系曲线，按莫尔-库伦表达式确定长期抗剪断强度参数[9、10]。试验成果见表3～5。

表3 Zτf42-9-1相应法向应力σ下蠕变剪应力与瞬时剪应力τ′比较

表4 Zτf42-9-2相应法向应力σ下蠕变剪应力与瞬时剪应力τ′比较

表5 锦屏一级水电站左岸边坡长期抗剪断强度与瞬时抗剪断强度比较

5 结 论

通过对锦屏一级水电站左岸坝肩边坡f42-9断层剪切蠕变试验曲线的分析，获得如下研究结论：

(1)锦屏一级水电站左岸坝肩边坡f42-9断层对拱坝坝肩和边坡稳定起着控制作用。剪切蠕变是坝肩边坡稳定重要的力学特性，因此采用直剪蠕变试验方法研究软弱岩带的剪切蠕变变形特性尤为重要。

(2)坝肩边坡岩体具有瞬时变形，且与正应力和剪应力的水平密切相关。在剪应力较小时，岩体剪切蠕变仅表现为减速蠕变和稳态蠕变，而当剪应力接近屈服强度时，岩体剪切蠕变速率呈现出加速蠕变特性。

(3)当正应力恒定、剪应力较小时，岩体减速蠕变阶段历时较短，一般在50～70h后应变速率即达到恒定值；剪应力越大，岩体减速蠕变阶段的应变速率衰减就越慢，一般100h后应变速率才趋于稳定。

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