古贤水利枢纽工程坝址剪切带原位直剪试验研究

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003)

水利工程坝址岩基中常存在剪切带，剪切带的形成是一个极其复杂的过程，比如坝基下存在的缓倾角软弱夹层(层间剪切带)，不管其倾向上游或下游，均可与其他结构面组合构成对深层抗滑稳定有不利影响的楔形块体边界条件，它们往往成为大坝稳定的控制性因素。如何准确、合理的确定软弱夹层的抗剪强度指标，对工程设计至关重要。

黄河古贤水利枢纽工程坝基岩层受水平构造应力的影响，岩体中发育一定数量的顺层剪切带，部分层间剪切带逐渐演变为软弱夹层(泥化夹层)。软弱夹层多发育在砂岩与粉砂岩(粉砂黏土岩)分界面或附近，有的发育在粉砂岩层内，夹泥类型多为泥夹碎屑型和碎屑夹泥型。

如何选用剪切带的强度参数，是一个较为困难的问题。为合理确定剪切带的强度特性，深入了解古贤水利枢纽剪切带的性质，进行坝址剪切带原位直剪试验，研究软弱夹层类别划分、软弱夹层抗剪指标的影响因素和参数选取等。

1 试验原理与方法

根据《水利水电工程岩石试验规程》(SL 264—2016)现场制备试验试体，试体尺寸为50cm×50cm×35cm，确保软弱夹层位于试体的最下部2cm范围内，试体制备完成后浇筑混凝土保护套，预留剪切缝，浇筑完成后对混凝土保护套进行养护，并对试件进行饱和。待混凝土保护套达到预定强度即可开展现场原位直剪试验，图1为现场原位大型直剪试验安装图。

图1 现场原位大型直剪试验安装图

试验规程中要求最大法向应力不宜小于工程应力，当剪切面有软弱充填物时，最大法向应力应以不挤出充填物为上限。

试验过程中法向荷载分3～5级施加，待法向荷载稳定后，开始施加剪切荷载。试验最大剪向荷载由法向荷载和预估的摩擦系数确定。试验中剪向荷载分级施加，在峰值前剪切荷载不少于10组读数。试验中，软弱剪切带在接近破坏时具有变形明显增大的特点，其峰值强度与残余强度较接近。本试验在测读试体剪断时的剪切荷载峰值后，继续施加剪切荷载直至剪切位移到达1.5cm以上。

剪切试验完成后，继续进行摩擦试验，进一步确定剪切破坏后，软弱剪切带的抗剪强度，具体步骤与直剪试验相同。现场原位试验完成后，进行资料后处理，借助Mohr-Columnb强度准则进一步确定剪切带岩体强度指标。

2 剪切带原位直剪试验

在前期工作基础上，为充分了解古贤水利枢纽工程坝基剪切带工程性质，在软弱剪切带所在高程进行了平洞勘探，河底平洞轴线与河流流向基本垂直，距河床垂直高度约45m，设置了支洞及猫耳洞，进行剪切带的现场原位大型直剪试验。猫耳洞位置选取根据已经揭露的软弱剪切带形态、起伏情况以及规范要求的试点最小间距确定，尽可能选取起伏差较小的剪切带，两试点间最小间距不宜小于试体最小边长，共布置12个试验点进行软弱夹层原位直剪试验。

3 试验结果分析

3.1 试验结果

根据试验揭露剪切面，实测剪切面尺寸，换算出各试件的法向荷载、抗剪断强度和抗剪(摩擦)强度，各试点资料汇总见下表。

现场原位大剪试验结果统计表

3.2 影响剪切强度的因素分析

从试验揭露的剪切面地质特性可知，剪切带为复杂的地质体，其剪切破坏过程极其复杂，受多因素影响，分析认为影响软弱剪切带强度的主要因素有以下四点[1]：

a.岩性特征。此次试验剪切面上主要岩性分布有青灰色夹泥、紫红色泥岩及岩屑、灰色泥质粉砂岩。其中青灰色夹泥硬度较大，破碎后呈鳞片状；泥岩具有典型的成层特性，易沿层面破坏成鳞片状、碎片状岩屑，岩层层面光滑，滑感强烈；泥质粉砂岩，表面光滑，滑感强烈，其表面发育有泥膜，个别试件可见方解石膜，岩层破坏后易形成鳞片状、碎片状岩屑。

b.剪切带起伏差。从区域地质资料和剪切带岩性特征分析可知，剪切带岩层形成于沉积相中，在原始形成过程中具有层面不连续、产状多变的特点。在经历后期区域构造作用后，剪切带岩层继续发生挤压错动，进而形成现今状态，根据试验平洞揭露的剪切带形态看，剪切带起伏差较大，且岩性变化较大，层面不连续。一般认为同种岩性起伏差越大，剪切强度越大。

c.原生结构面。从直剪试验揭露的剪切面来看，岩层中原生层面对剪切带强度影响较大。剪切带岩层具有成层构造，在剪切荷载作用下岩层易沿层面破碎成鳞片状岩屑，这种层状构造和片状岩屑直接影响了剪切带强度。

d.试件饱和程度。软弱剪切带主要岩性为泥岩、泥岩岩屑和泥质粉砂岩，该类岩石为水敏性岩石，水理性极差，遇水后软化呈泥，强度极低。因此，剪切带饱和程度对剪切带强度具有重要影响。从剪切面揭露情况分析，试件中间部分饱和程度不足，各试件饱和状况差异性较大，以至于试验过程中个别试验结果出现异常现象。此外，剪切带饱和程度也直接影响着原生结构面强度，饱和程度高的结构面，其表面更光滑，强度更低。

3.3 试验成果分析

根据现场原位试验资料和颗分试验成果，将剪切带类型和力学性质相近的试件归并为一组，按照Mohr-Columnb求解剪切带强度指标[2]。

根据剪切面岩性、起伏差和饱和程度等因素剔除了部分剪切异常的试验点，最后留下8个试验点的数据进行分类。根据现场剪切面地质特性，按照《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)可初步将试体分成两组，A组为泥在剪切面上所占比例较高，B组为岩屑在剪切面上所占比例较高，均为泥夹岩屑型。

a.A组。A组试件主要表现为剪切过程中，沿夹泥剪断，在上、下剪切面均有夹泥(泥岩)分布，这类破坏模式主要有ZD03、ZD05、ZD07、ZD08。

A组直剪试验τ～σ关系曲线如图2所示。

根据试验结果对抗剪断强度拟合曲线有τ=0.240σ+0.014，即饱和状态下夹泥控制的剪切带摩擦系数为0.240，内聚力为0.014MPa；抗剪强度拟合曲线有τ=0.205σ+0.009，即剪切带的抗剪强度摩擦系数为0.205，内聚力为0.009MPa。

图2 A组直剪试验τ～σ关系曲线

b.B组。B组剪切面上岩屑所占比例较高，含有一定比例的泥，同时存在结构面。试件有ZD04、ZD06、ZD09、ZD12。

B组直剪试验τ～σ关系曲线如下页图3所示。

根据试验资料对抗剪断强度拟合曲线有τ=0.230σ+0.073，即对应的摩擦系数为0.230，内聚力为0.073MPa；对抗剪强度拟合曲线有τ=0.227σ+0.058，对应的抗剪强度摩擦系数为0.227，内聚力为0.058MPa。

图3 B组直剪试验τ～σ关系曲线

4 结 论

根据本工程原位直剪试验的研究分析，得出以下结论：

a.剪切带的岩性特征、剪切起伏差、原生结构面构造和剪切带饱和程度是影响剪切带抗剪强度的主要因素。

b.根据本次原位直剪试验，该剪切带的强度指标为：A组(泥夹岩屑、夹泥较多)抗剪断摩擦系数为0.240，内聚力为0.014MPa；抗剪强度指标摩擦系数为0.205，内聚力为0.009MPa；B组(泥夹岩屑、岩屑较多)抗剪断摩擦系数为0.230，内聚力为0.073MPa，抗剪强度摩擦系数为0.227，内聚力为0.058MPa。

本次原位直剪试验，得到了该剪切带两种不同夹层类型的剪切强度参数，为古贤水利枢纽工程大坝抗滑稳定验算提供了数据支持。