阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡岩体强度参数确定的经验方法研究

赵发辉，赵宇飞，汪小刚，林兴超，姬永尚

（1.云南省牛栏江-滇池补水工程建设指挥部，云南昆明650051；2.中国水利水电科学研究院，北京100048；3.水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡岩体强度参数确定的经验方法研究

赵发辉1，赵宇飞2，汪小刚2，林兴超2，姬永尚3

（1.云南省牛栏江-滇池补水工程建设指挥部，云南昆明650051；2.中国水利水电科学研究院，北京100048；3.水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

在大型水利水电工程中，岩体强度参数是工程设计中的重要参数，强度参数的合理取值对工程设计、施工以及安全复核具有重要影响。新疆叶尔羌河阿尔塔什水利枢纽工程中，右岸高边坡的稳定对于整个枢纽工程具有决定性的作用。在右岸边坡岩体质量调查基础上，利用GSI方法对边坡岩体进行质量评分，结合提出的岩体质量分类标准，进行了右岸边坡岩体强度参数的估算。在参数估算结果基础上，参考我国水利水电工程中现行的工程地质勘查相关规范中给出的各类岩体建议值以及以往工程中相关资料，提出了阿尔塔什水利枢纽工程中右岸高边坡岩体强度参数的建议值。

岩体强度参数；岩体结构；经验方法；岩体质量分类

1 研究背景

1.1 工程概况阿尔塔什水利枢纽工程位于新疆阿克陶县库斯拉甫乡境内叶尔羌河干流中游段，在喀什地区莎车县的阿尔塔什村西，距莎车县城130 km，是南疆第一大河叶尔羌河流域规划中的第九个梯级电站，是以灌溉、防洪、生态、发电为开发目标的控制性水利枢纽工程。

阿尔塔什水利枢纽工程水库正常蓄水位1 820m，最大坝高162.8m，总库容22.40亿m3，控制灌溉面积27.76万hm2，电站装机容量660 MW，设计年发电量20.66亿kW·h，属大（1）型Ⅰ等工程［1］。

1.2 阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡岩体地质条件阿尔塔什水利枢纽坝址处地层较为单一，主要由海相沉积的石炭系灰岩和白云质灰岩组成。坝址区叶尔羌河自西向东流，河道较顺直，河谷狭窄，宽约300m，两岸山顶高程在2 050～2 250m，山体高峻。坝址两岸大部分基岩裸露，河谷呈不对称的“U”型，右岸坡陡峻，边坡走向近东西向，坝肩范围内坡度在高程1 845m以下一般50°～70°，在高程1 845m以上近直立，右岸坡高达566m，其中，坝顶以上坡高约406m［1］。

坝址区主要断层据其展布特点可分为近东西向、北西和北东向三组，其中对右岸高边坡影响最大的是F9断层。通过阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡现场踏勘可知，在F9断层以下岩体中，受到F9断层在形成过程中的强烈影响，岩体大多较为破碎，结构面产状受F9影响较大。在F9以上岩体，岩体结构总体来说较为完整。在右岸高边坡中主要发育3组结构面，分别为倾向NW的卸荷裂隙，倾角大约为68°；倾向SW的岩层层面，倾角大约为42°；另外还存在一组与岸坡大角度相交的倾向E/SE的结构面，倾角大约为66°。结构面随机测量得到的迹点图与等密度分布图如图1所示。

1.3 岩体强度参数估算的经验方法由于目前阿尔塔什水利枢纽进行的室内外岩体强度试验数目非常有限，因此，利用其他经验方法进行岩体力学强度参数估计对于在可研阶段的工程设计与规划就有重要意义。

目前，基于地质强度指标法（GSI）的Hoek－Brown经验准则是实际工程中常用的岩体力学强度参数估算方法。是由Hoek和Brown在RMR基础上发展的一种新的节理岩体抗剪强度参数估算方法，特别适用风化岩体及非均质岩体［2］。

利用GSI法进行岩体力学参数估计，具体步骤有：（1）首先进行不同位置岩体的GSI的评分；（2）结合高边坡中各岩层的地质描述，对右岸高边坡中的岩体进行质量评价；（3）最后利用Hoek-Brown经验准则估算岩体的力学强度指标，如抗剪强度与变形参数。

其中，岩体的GSI评分主要由以下4方面决定：（1）岩体结构；（2）结构面性状；（3）岩体中岩块的抗压强度；（4）岩性情况等。

2 阿尔塔什水利枢纽右岸岩体质量评价体系的建立

阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡中岩体主要包括石炭系的灰岩、白云质灰岩以及白云岩，新鲜岩体完整坚硬，岩体力学强度较高，但F9断层核部以及其影响带岩体较为破碎，对右岸高边坡整体稳定有控制作用。另外在右岸发育的辉绿岩脉以及其他小断层较易风化，岩体力学参数较低。为了更好地对阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡岩体力学强度参数进行经验估算，首先对边坡岩体进行了质量分类。

在坝址区岩体地质勘察以及室内外测试成果的基础上，对阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡岩体进行了初步的质量分级，分级中主要考虑了岩体结构、岩块单轴抗压强度参数、岩体声波波速、岩体风化程度等几个方面，岩体质量分级建议标准如表1所示。

3 阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡现场的GSI评分

在阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡岩体质量评价的GSI评分过程中，利用右岸高边坡的踏勘便道，对右岸高边坡中岩体进行了详细的评分，并结合岩体质量分类表，对所评价的岩体进行了分类。右岸高边坡岩体GSI评分结果见表2所示。

在表中对GSI岩体评分位置、岩体岩性、边坡岩体结构类型、岩体中岩块单轴抗压强度等级以及岩体描述与所属类别进行了详细记录，为利用Hoek－Brown经验方法合理估算岩体力学强度参数提供了重要的基础资料。

4 阿尔塔什水利枢纽右岸岩体力学参数的估算

根据大量岩体和岩块直剪、三轴试验成果统计可知，岩体破坏包络线为一条近似的抛物线，在应用Hoek-Brown经验准则确定抗剪强度参数c和ϕ时应该考虑岩体的应力水平。通过现场踏勘可知GSI评分处的岩体大多位于右岸边坡2 000 m高程附近，上覆岩体厚度约200 m，如边坡岩体容重27.4 kN/m3，岩体的最大应力水平约4.0 MPa。在此基础上，根据岩体应力水平和GSI评分，应用Hoek-Brown经验准则，计算得到右岸高边坡的物理力学参数见表3，典型的参数拟合曲线图2所示。

在表3计算结果基础上，对阿尔塔什右岸高边坡中的岩体进行了按岩体质量分类进行了统计分析，得到了各类岩体由GSI方法估算得到的力学强度指标，如表4所示。

结合《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）［3］中关于岩体力学参数推荐表，利用GSI方法分析得到的阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡岩体力学强度参数，摩擦系数与规范推荐值较为相近，但其黏聚力却较规范推荐值高，而计算得到的变形模量较规范推荐值也较高。其主要的原因可能是由于在右岸高边坡中进行岩体质量GSI评分点较少，并且黏聚力的离散性较大，导致了得到的岩体强度参数与相关规范标准中的建议值有一定的出入。

5 阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡岩体参数的经验类比

在以往的研究中，收集到了建国以来已建的水利水电工程中岩体试验资料，有岩体混凝土胶结面、软弱夹层、无充填结构面与岩体直剪四个方面，并对其进行了系统的分类与整理。考虑岩体结构、岩体声波波速、岩体变形模量、结构面发育性状等因素，将岩体分为五类，在此基础上整理得到得了各类岩体的抗剪强度参数。对于岩体直剪，由于收集到的资料较少，因此仅仅得到了Ⅱ、Ⅲ与Ⅳ类岩体的抗剪强度参数［4］，如表5所示。

另外，《水利水电工程地质勘察规范》（GB/T50487-2008）对坝基岩体在规划以及可研阶段，资料缺乏时岩体力学强度参数提供了建议值，如下表6所示。

从表5中可以看出，实际试验中得到的岩体抗剪强度参数一般较高，在工程设计中应考虑岩体中结构面的发育、地下水等其他因素，根据试验结果进行折减。表6中所给出的岩体抗剪强度参数是我国岩石工程界工程师和学者通过多年的工程经验以及岩体剪切试验资料分类统计分析后提出的不同类别岩体抗剪强度参数的较为合理的取值范围，为实际工程中岩体强度参数选取提供了重要的参考与借鉴。因此，在阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡岩体强度参数确定中，表5和表6的岩体剪切试验资料整理成果与重要的工程经验是重要的参考。

利用GSI得到岩体力学强度参数的基础上，综合阿尔塔什水利枢纽地质资料、以往工程经验以及水利水电工程勘察规范中所提出的岩体力学强度参数取值范围，最后提出的阿尔塔什右岸高边坡岩体力学强度参数的综合建议值如表7所示。

6 结语

通过本文对新疆叶尔羌河梯级的阿尔塔什水利枢纽右岸高边坡岩体力学参数的确定的经验方法可知，利用基于GSI方法的Hoek-Brown公式，对于非均质岩体的力学参数的估算具有很强的适应性，通过本文的估算结果也可以看出，估算结果与相关规范的推荐值比较接近。另外，结合以往积累的宝贵的工程经验，以及国内现行的规程规范中提供的岩体强度参数经验取值范围，利用经验方法估算得到的岩体强度参数值，可以较为综合全面地对没有进行试验或者工程试验资料较少的岩体力学参数进行估算。也可为日后在具体试验基础上进行岩体力学参数确定提供重要地参考与借鉴。另外通过研究也可知，对于在以往工程积累下来的工程经验，要如何更加科学合理地参与到岩体力学参数的确定中，还需要进行进一步深入研究。

［1］水利部新疆维吾尔自治区水利勘测设计研究院.新疆叶尔羌河阿尔塔什水利枢纽工程地质报告［R］. 2010.

［2］陈祖煜，汪小刚，等.岩质边坡稳定分析——原理、方法与程序［M］.北京：中国水利水电出版社，2008.

［3］汪小刚，董育坚.岩基抗剪强度参数［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

［4］中华人民共和国水利部.水利水电工程地质勘察规范［M］.北京：中国计划出版社，2009.

The app lication of em pirical m ethod to determ ine the strength param eters of the righ t bank slope in AERTASH I Hyd ropower Station

ZHAO Fa-hui1，ZHAO Yu-fei2，WANG Xiao-gang2，LIN Xing-chao2，JI Yong-shang3
（1.The Construction Headquartersof Niulan River-Dianchi Lakewater supplement Project，Kunming 650051，China；2.China instituteofwater resourcesand hydropower research，Beijing 100048，China；3.The Xinjiang instituteof investigation and design ofwater resourcesand hydropower projects，Urumchi 830000，China）

In large water and hydropower projects，how to determine the rock strength parameters has impor⁃tant implications for engineering design，construction，and safety review.In the AERTASHI water project，the right bank high slope stability p lays a decisive role in the whole project.On the quality survey of the right bank slope，the slope rock mass quality score was obtained by using the GSI method.And then the right bank slope rock strength parameters were estimated，consideering the rock mass quality classification criteria and the GSI score.Based on the estimated result of rock strength parameters and by referring to the recommended value of various rock mass in related existing specifications of the water and hydropower engineering geological exploration，the right bank high side slope rock mass strength parameters of AERTASHI water project had been presented.

rock mass strength parameters；rock mass structure the empirical method；rock mass quality classification criteria

TU452

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.003

1672-3031（2014）01-0015-07

（责任编辑：李琳）

2013-02-01

赵发辉（1972-），男，高级工程师，主要从事岩体工程力学等工程方面的研究。E-mail：zfhyx@qq.com