黄壁庄水库新增非常溢洪道岩体抗剪强度指标的确定

左 辉

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

黄壁庄水库新增非常溢洪道闸室段位于非常溢洪道右侧，设计纵向桩号2＋080.5～2＋142.61，横向桩号H0＋067～H0＋160.4，建基面设计高程82.0～101.0m，闸基底板坐落于强风化岩体上，岩体的抗剪断指标f′、c′值是新增非常溢洪道稳定计算重要设计参数。为取得强风化岩体抗剪断指标f′、c′值，在新增非常溢洪道进行混凝土与岩体野外大型抗剪（断）试验，以取得强风化岩体抗剪断指标f′、c′值。

1 地质概况

1.1 地层岩性

新增非常溢洪道闸室段建基面地层岩性为元古界滹沱群第10段地层（Pt10），自上而下可分为Pt10－1、Pt10－2、Pt10－3三层。

（1）Pt10－1千枚岩：灰绿～灰黄色，泥质含量高，千枚状构造，以中厚层为主，层面多有丝绢光泽及黑紫色锰质锈点，局部夹有薄层，岩性软弱，夹有薄层灰黑色石英片岩，两组节理发育。主要分布于上游98，99m高程建基面。岩层产状：NE32°～39°SE∠44°～47°（溢洪道轴线方位SE112°）。

（2）Pt10－2千枚岩石英片岩互层：千枚岩为灰绿色以泥质成分为主，含有锰质斑点，千枚状构造，以薄层为主，层厚1～5cm。石英片岩以灰白色为主，局部灰黑、灰红色，主要矿物成分为石英、绢云母，含有暗色矿物和钙质成分，薄层理发育，层厚5～20cm。主要分布于100，101m高程建基面。局部有紫红色夹泥，节理面上有泥膜。由于岩层中千枚岩与石英片岩相对含量不同，建基面上呈灰、白相间变化。以千枚岩为主，岩体呈灰白色，有一定强度；以石英片岩为主，岩体呈灰黑色，强度稍低。岩层产状：NE32°～42°SE∠42°～60°。

（3）Pt10－3石英片岩：灰白、灰红色，主要矿物成分为石英、绢云母，含有铁锰质矿物和钙质成分，层理发育，以中厚层为主，层厚10～40cm，偶夹薄层千枚岩。石英片岩可分为粗粒和细粒两种：粗粒石英片岩灰红色，易风化，强度较低；细粒石英片岩灰白色抗风化能力强，具有一定强度。岩层中发育两组节理，受节理切割，岩石较破碎，层面有紫红色夹泥，厚1～1.5cm。节理面上有紫红、锈黄色泥膜。岩层产状：NE35°～40°SE∠39°～61°。节理产状：①NE60°～80°SE∠39°～61°；②NW310°SW∠85°。

1.2 场地选择

新增非常溢洪道基础为强风化的千枚岩及千枚岩与石英片岩互层。根据地质资料，考虑其对闸体的影响和试验应具有代表性，选择基坑内桩号为2＋098～2＋101、H0＋122～H0＋132.9，高程100.0m处取强风化千枚岩与石英片岩互层（以下简称A场地）布置第1组5块试件；溢洪道下游边坡桩号2＋220附近取强风化千枚岩（以下简称B场地）布置第2组5块试件进行野外大型抗剪试验。

2 试验方法

试验采用平推饱和快剪常规法和单点法相结合进行。

垂直荷载的施加方法：在每组5块试件上分别施加不同的垂直荷载。考虑闸基应力及试验设备能力，确定最大正应力为0.8MPa，每块试件正应力分别为0.2，0.4，0.6，0.8MPa。对每块试件，首先施加垂直荷载，当变形稳定后再施加水平荷载。

由于岩石强度较低，水平荷载的施加方法按最大垂直荷载的10%左右分级施加，临近剪断时，密切注意和记录压力变化情况及相应的水平变形。在全部剪切过程中，垂直荷载始终保持为常数。

对A试区的3＃试件和B试区的7＃试件做单点法抗剪（断）试验，其正应力分别为0.2，0.4，0.6，0.8MPa。

3 试验成果整理与分析

3.1 试验成果整理

试验成果的整理分以下5步：

（1）根据原始记录和千斤顶的出力系数，计算在各级垂直荷载和水平荷载下的正应力和剪应力，综合每块试件的各个变形量，统计累计水平和垂直变形量，舍弃不合理的数据，求得其平均变形量。

（2）根据上述计算，绘制不同正应力下常规法和单点法剪应力τ 和剪切变形ε 的关系曲线，详见图1～6。

图1 A组常规法抗剪断τ-ε曲线

图2 A组常规法抗剪τ-ε曲线

图3 3#单点法抗剪τ-ε曲线

图4 B组常规法抗剪断τ-ε曲线

图5 B组常规法抗剪τ-ε曲线

图6 7#单点法抗剪τ-ε曲线

（3）根据上述各种曲线，确定剪应力的最大值（峰值τ峰）、屈服值（τ屈）和残余值（τ残）。

从τ－ε曲线可以看出试件的破坏形式基本为弹塑性破坏，故只选择了峰值、屈服极限强度值和残余强度值。

（4）根据所选的τ值与相应的正应力σ值，用图解法绘制τ－σ关系曲线，按曲线的斜率和截距确定抗剪强度特征指标tgφ和c值，详见图7～12。

图8 A组试件常规法抗剪τ-σ曲线

图9 单点法3#抗剪τ-σ曲线

图10 B组试件常规法抗剪断τ-σ曲线

图11 B组试件常规法抗剪τ-σ曲线

图12 单点法7#抗剪τ-σ曲线

（5）因B组场地高程较高，养护时用水浸泡时间较短，故抗剪断值较A组稍大。

3.2 成果分析

3.2.1 τ－ε曲线分析

从τ－ε曲线可以看出，两组试验的破坏形式均为弹塑性破坏，曲线上峰值、屈服极限值和残余强度值较为明显。同一试件在相同正应力下抗剪断和抗剪破坏时所施加的剪应力有明显差距。

根据破坏面形状，将10块试件分成两种破坏类型：第1种类型基本上是从混凝土和岩体接触处剪切破坏，试面较平整，如：2＃、3＃、6＃、7＃、8＃、9＃、10＃试件；第2种类型基本上是从岩体中剪断，试面高低不平，起伏较大，如：4＃、5＃试件。

第1种类型的10＃试件由于岩石相对较好，试件和岩石接触紧密，所以抗剪断曲线的τ值上升较快，剪断时τ峰较大，虽然所给正应力不是最大（0.6MPa），但峰值却远高于最大正应力的8＃试件（0.8MPa），破坏后10＃试件τ值明显下降，8＃试件τ值却仍然保持较高的数值，而当做抗剪试验时，10＃试件τ值却上升较慢，峰值偏低；9＃试件抗剪断峰值较高，剪断后τ值下降较快，为典型的弹性破坏曲线。3＃、7＃试件进行的是单点法试验，每块都有几组试验成果，试验都在同一条件下进行，3＃试件具有较好的规律性，7＃试件抗剪试验最大正应力的τ值明显偏低，其他较正常。

第2种类型的1＃试件周围没打插筋保护试件下部岩石，所以剪切面为岩石层面，因较特殊，所以计算中未予考虑；其他试件抗剪断和抗剪曲线基本正常，大小关系符合理论分析。

由于岩体强度、试件刻凿和岩石风化等情况的不同，每块试件的破坏形式仍有较大差别，造成了试验成果的规律性差，尤其是第2组试验。

3.2.2 τ－σ曲线分析

tgφ值和c值的计算采用了图解法。图解法考虑了各点的具体情况，如岩层的地质条件及试件破坏形式，再有如c值不应小于0或几个点中有1个点分布异常，往往予以舍弃或稍加考虑，而以多数能反映正常情况的点作为标准取值。

从峰值、屈服值和残余值计算分析可知，A、B两组试件tgφ和c的3个数值关系基本正常，即峰值最大，屈服值次之，残余值最小，基本上反映出试验数据合乎理论依据。A、B两组τ－σ曲线中，抗剪断的tgφ较抗剪的tgφ稍大；c值中，抗剪断的c值较抗剪的c值稍大，具有较好的规律性。这一方面反映出试件情况相差不大，另一方面反映出试验数据符合逻辑的必然性。

A、B两组单点法抗剪试验，tgφ和c值部分比同组的抗剪断小，单点法的试验数据做为最终试验成果的参考依据。

3.2.3 抗剪（断）强度指标的确定

A、B两组试验，当τ达到峰值时，累计水平变形量都在6～15mm，如果设计允许闸体滑动达到此变形量，就利用峰值做为工程计算依据。考虑到滚链的摩阻力和试验误差，根据相关资料，峰值的折减系数一般采用85%，c值的折减系数一般采用33%。如果设计允许闸体滑动变形量为2mm，就利用ε＝2mm时的抗剪强度指标做为工程计算依据。当ε＝2mm时，tgφ的折减系数采用95%，c值的折减系数采用33%，则本次试验抗剪（断）强度指标见表1。

表1 试验成果汇总表组别试验

4 结语

（1）根据试验成果汇总表可知，混凝土与千枚岩（夹少量大理岩）抗剪断强度指标峰值为f′＝0.518，c′＝0.038MPa；抗剪强度指标峰值为f＝0.477，c＝0.040MPa。ε＝2mm时，抗剪断强度指标f′＝0.362，c′＝0.027MPa；抗剪强度指标f＝0.304，c＝0.031MPa。

考虑峰值的变形量多在6～15mm，如果设计允许，可采用表1中tgφ和c的峰值；如不允许，建议以ε＝2mm变形量的抗剪（断）强度指标并参考峰值。最终建议值如下：抗剪断强度指标f′＝0.4，c′＝0.027MPa；抗剪强度指标f＝0.35，c＝0。

（2）混凝土与岩石野外大型抗剪（断）试验能够较好地模拟工程运行状态，取得可靠的岩体抗剪强度指标。

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