某坝基岩体质量分级与力学参数试验研究

郭喜峰，晏鄂川，吴相超，刘传中

（1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2.中国地质大学 工程学院，武汉 430074；3.重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 400020）

1 工程条件与研究思路

1.1 工程条件

新建的某水库工程位于重庆市，正常蓄水位517.0 m，总库容101 7.8万m3，最大坝高78.4 m，推荐坝型为混凝土双曲拱坝，属中型工程。坝址内出露的地层主要为寒武系中统高台组第二段（∈2g2），中上部（480 m高程以上）为中厚层状泥质灰岩、薄层状泥质白云岩互层，夹少量钙质泥岩，下部为薄至中厚层状灰岩、白云质灰岩，夹页岩。岩层倾向285°～320°，倾角9°～20°，岩层倾向上游偏左岸。岩层倾角左岸一般12°～14°，右岸9°～12°。

该工程坝址区地质条件复杂，尤其特殊的是不同高程的岩体性状差异很大。前期勘察阶段在480 m高程（约1／2坝高）以上软弱岩体中地质钻孔均未取得完整岩芯，多为岩粉或碎块，难于根据钻孔岩芯进行岩性分层。右岸平洞揭露出来的强风化钙质泥岩性状极差，几乎接近于土。试验平洞、地质钻孔、岩层分布及坝址区剖面示意图见图1。

1.2 研究思路

图1 坝轴线地质剖面与勘探布置图Fig.1 Geological profile and survey arrangement at the dam axis

在拱坝建设中，合理而准确的岩体质量评价及力学参数选取，对可利用岩体的判别、建基面的选择及工程优化设计都具有重要的理论和经济意义［1-2］。拱坝对基岩的基本要求是均匀、坚固完整、有足够的强度和刚度、耐风化、没有大断裂等，防止地基不均匀沉降对坝体应力分布的不利影响。筑坝过程中，在保证大坝安全运行的前提下，应尽可能减少石方开挖和坝体混凝土回填。而且拱坝的基础处理需要慎重对待，务必查明地质条件的薄弱环节并采取合理的工程措施彻底解决［3-5］。

对于本工程，坝基坝肩变形、稳定以及建基面的选择是最主要的工程岩石力学问题，首先要解决的是了解建基岩体的力学特性，获取准确的力学参数。为此，本文首先根据钻孔声波测试及岩芯饱和单轴抗压强度进行岩体质量分级，然后选取具有地质代表性的岩层，在3个试验平洞中对薄层灰岩和强风化的钙质泥岩夹泥质白云岩进行原位岩体力学试验。

2 岩体质量分级

对图1中坝址区6个地质钻孔进行了岩体声波测试。声波测试结果参照该工程地质勘察报告。对钻孔中获取岩样进行了室内岩石力学性质试验，试验成果表明：两坝肩下部薄—厚层灰岩（地层）中夹少量深色泥质条带，饱和单轴抗压强度标准值为38.57 MPa，属中硬岩；河床厚层灰岩（地层）中夹较多深色泥质条带，饱和单轴抗压强度标准值为32.75 MPa，属中硬岩；河床页岩（地层）中夹较多灰岩串珠体，饱和单轴抗压强度标准值为32.59 MPa，属中硬岩；两坝肩和河床薄层状泥质白云岩地层地层），饱和单轴抗压强度标准值为28.5 MPa，属较软岩。

根据岩石的饱和单轴抗压强度及岩体声波测试成果求出的岩体完整性系数Kv值，按《工程岩体分级标准》［6］，对该水库坝址工程岩体基本质量分级见表1。从表1分级结果结合图1岩层分布情况可以看出坝址以约480 m高程为界，下部岩体以中硬岩为主，岩体基本质量为Ⅲ级；中上部岩体为较软岩、软岩及极软岩，岩体基本质量Ⅳ级乃至Ⅴ级。

3 岩体力学参数验证

3.1 试验方法

所有原位试验均采用传统方法按相关规范进行［7］。试验最大压力和施力方向均依据设计资料，尽量满足试验部位实际工程应力状态。

表1 坝址岩体基本质量分级结果Table 1 Results of rock mass basic quality classification

直剪试验均采用平推法，剪切面积2 000～2 500 c m2，剪切方向水平向下游，试验前混凝土强度等级达到设计要求（C25）。岩体变形试验采用圆形刚性承压板静力法，承压面积2 000 c m2，分5级逐级一次循环加压。

3.2 岩体抗剪强度参数

在右岸PD2和PD3平洞对2种岩体都分别进行了岩体本身直剪试验和砼-岩接触面直剪试验，且试验位置基本一致。2种试验结果具有可比性，见表2。岩体直剪试验表明，微风化薄层灰岩抗剪强度参数高于钙质泥岩抗剪强度参数。灰岩摩擦系数较大，黏聚力很小，这主要是因为试验时大部分沿薄层层面破坏，破坏面平整光滑起伏差较小。

表2 砼－岩接触面和岩体抗剪断强度对比Table 2 Comparison of shear strength bet ween concrete-rock contact surf ace and rock mass

同类岩体抗剪强度与砼-岩体接触面抗剪断强度相比较，灰岩摩擦系数f′＝1.16与砼-灰岩体接触面摩擦系数f′＝1.13大致相当，后者略低。但是二者的黏聚力相差较大，岩体本身c′＝0.48 MPa，砼-灰岩体接触面c′＝0.81 MPa，这主要是由于砼-灰岩接触面直剪试验时基本沿二者接触面破坏，且浇筑混凝土前接触面人造起伏差5～10 mm，而灰岩岩体本身直剪试验沿薄层之间的层面破坏，层面较之于砼／灰岩接触面属弱面，导致其黏聚力降低。而对于抗剪强度，因进行抗剪试验前岩体已经剪断，产生了起伏差，所以二者抗剪强度差异明显减小。

从剪切破坏机理分析，对于薄层灰岩，由于开挖和制样导致表面薄层岩体受扰动，松弛卸荷，强度低于混凝土强度；对于全—强风化的钙质泥岩夹泥质白云岩，抗压强度远低于混凝土强度，因此2组混凝土与岩体接触面抗剪强度主要受岩体强度控制。薄层灰岩强度高于钙质泥岩，导致前者抗剪强度明显高于后者抗剪强度［8］。

3.3 岩体变形参数

岩体变形试验成果表明，E1组位于PD1平洞，铅直加载方向岩体变形模量3.55～9.28 GPa，均值6.37 GPa；E1组水平加载方向岩体变形模量5.46～6.89 GPa，均值6.18 GPa。试验组数较少，导致试验结果离散性较大且各向异性不明显。E2组位于PD2平洞，岩体变形模量2.19～3.92 GPa，均值3.13 GPa。E3组位于PD3平洞，岩体变形模量0.06～0.15GPa，均值0.12 GPa。

E1，E2组同为薄层灰岩，但E2组岩体还含有一定数量的纵向裂隙，呈碎裂结构，岩性和风化程度相同的情况下，右岸薄层灰岩更破碎，完整性要差，所以E2组灰岩变形参数比E1组灰岩变形参数低［9］。

3.4 试验结果与岩体质量的一致性讨论

原位岩体力学试验结果表明，2种岩性岩体抗剪强度参数存在明显差异，微风化薄层灰岩抗剪强度参数高于全—强风化钙质泥岩抗剪强度参数。E1，E2组试验对象为微—弱风化的薄层灰岩，E3组试验对象为全—强风化的钙质泥岩夹泥质白云岩，2种不同岩性岩体变形模量相差很大（几十倍）。此外，根据探槽、平洞及钻孔勘察，左右两岸岩体的弱风化（较破碎）岩体的厚度差异较大，其中右岸的微风化（较完整）埋深大于左岸。

由此说明，岩体质量分级结果与岩体原位力学试验结果具有一致性。同时也与地质条件的复杂性相吻合，即不同高程处岩体性状差异很大，下硬上软，左右岸地质条件极不对称。

从岩体级别、力学参数等多种角度对比岩体质量，见表3。

4 工程建议

由于岩层倾角平缓，薄层灰岩直剪试验显示试件多沿层面破坏，所以坝基存在沿层面发生浅层滑动的边界条件。建议设计计算时复核大坝沿层面浅层滑动和沿大坝与基岩接触面滑动的抗滑稳定性［10］。

两岸坝肩1／2坝高以下岩体为薄层—中厚层状灰岩，属中硬岩，岩体质量分级为Ⅲ级。而1／2坝高以上岩体为泥质灰岩、泥质白云岩及钙质泥岩互层，岩体质量分级为Ⅳ—Ⅴ级。尤其是上部钙质泥岩及泥质白云岩，属软岩或极软岩，岩体工程性能与其自身成岩较差，微裂隙极发育。上下部岩体变形模量差异最大达几十倍，对拱坝坝肩而言，属严重的地质缺陷。上部岩体即使通过固结灌浆也难以满足坝肩的应变要求。建议一方面在两坝肩设置大型重力墩，墩基置于下伏灰岩之上，弥补地形地质不足，承担拱端推力，将其传到后面山体。另一方面以弱风化中下部或微、新岩体作为坝基持力层，尽量增强下部坝体的整体刚度、扩大软弱岩体段的基础宽度，在加强基础刚度的同时合理减小上部坝体的结构刚度，避免坝体变形对大坝的不利影响。

由于两岸坝基岩体地质不对称性，建议对大坝体型进行适当的调整，确保两岸应力对称。坝基浅层岩体裂隙相对较发育、完整性较差，建议进行固结灌浆处理。

5 结 论

根据钻孔声波测试及岩芯饱和单轴抗压强度进行岩体质量分级，选取具有地质代表性的岩层进行原位岩体力学试验，主要得到以下结论：

（1）根据岩石力学试验和声速测试结果对主要建基岩体进行岩体质量分类，河床及两岸坝肩中下部为Ⅲ级岩体，两岸坝肩中上部为Ⅳ—Ⅴ级岩体。

（2）对代表性岩层薄层灰岩（Ⅲ级）和钙质泥岩夹泥质白云岩（Ⅴ级）进行岩体直剪试验和变形试验，后者抗剪强度参数比前者明显偏低，变形模量相差几十倍。

表3 岩体质量与力学参数汇总表Table 3 Su mmary of r ock mass quality and mechanical parameters

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