扎拉水电站倾倒变形岩体的工程性质研究

张丙先

(长江岩土工程总公司(武汉)，湖北 武汉 430010)

扎拉水电站所在河谷岸坡主要由板岩组成，普遍发生倾倒变形，变形特征具有典型性。倾倒后的岩体(以下简称“倾倒变形岩体”)属于一种特殊的节理化岩体。倾倒变形岩体的抗剪断强度是分析边坡稳定性的关键指标。相关学者对节理化岩体力学特性的研究主要有以下几个方面：含多组平行节理的岩体[1]，考虑卸荷损伤的柱状节理岩体[2]，节理岩体卸荷各向异性力学特性[3]，循环冻融条件下节理岩体[4]等。与上述节理化岩体不同，倾倒变形岩体在倾倒变形过程中发生破裂，新生的破裂面叠加在板理面及前期的节理裂隙上，其形成机制及工程性质具有特殊性。关于倾倒变形的研究多集中在变形特征[5]、形成机理[6]和稳定性评价与处理[7- 8]等方面。为了获得倾倒变形岩体的抗剪强度，现场进行了原位测试。考虑到原位抗剪试验试体的尺寸偏小，而基于Hoek-Brown强度准则在估算岩体强度方面适用性较强[9]，因而采用Hoek-Brown经验公式对倾倒变形岩体强度进行了计算，并与原位试验成果进行对比分析，综合确定抗剪断强度指标取值。

1 倾倒变形岩体基本特征

1.1 边坡岩体倾倒变形特征

研究区位于青藏高原东南部怒江一级支流玉曲河下游河段。河谷属高山峡谷，谷底宽度仅为20～50m，两岸山体分水岭高程达3 000～5 000m，相对河床高差为500～2 000m，两岸总体坡度为30°～50°。河谷边坡大部分由板岩组成，岩层走向与河谷走向基本一致，两岸边坡为层状同向结构或层状反向结构。岩层正常板理面倾角为70°～85°，单层厚度一般小于10cm，呈薄层板状结构。

两岸板岩普遍发生倾倒变形，倾倒变形岩体水平深度为60～85m，厚40～50m，与正常产状岩体界面大致平行。倾倒变形岩体岩层层序保持较好，板理面倾角为15°～45°，与正常产状岩体板理面倾角相差30°～55°。倾倒变形岩体与正常产状岩体界面呈类似褶皱轴面的弯曲变形，如图1(a)所示。岩体在倾倒过程中发生不同程度的破坏，自坡内向坡外其性状逐渐变差，依次可分为3个区：①弱倾倒变形区，坡内基本保持原始岩体的薄层结构，板理连续，断续分布倾坡外的拉张裂隙，如图1(b)所示；②强倾倒变形区，向坡外逐渐呈碎裂结构，板理基本连续，倾坡外的拉张裂隙较发育，裂隙多充填岩屑，如图1(c)所示；③极强倾倒变形区，主要分布于坡表，岩体呈散体结构，板理不连续，岩块间具架空现象，或充填碎石、岩屑，如图1(d)所示。倾倒变形岩体是陡倾的薄层板状岩层在自重载荷的长期作用下发生的弯曲变形，本质上属于蠕变，形成机制类似褶皱但形成环境不同，具有塑性变形的特征，形成过程中产生层间错动，垂直板理面发生不同程度的破裂，在薄层结构的基础上叠加了破裂作用，属于一种特殊的节理化岩体。

图1 岩体倾倒变形现象

1.2 倾倒变形岩体的结构面特征

倾倒变形岩体中的结构面主要为板理及裂隙。板岩呈薄层板状结构，在倾倒过程中，陡倾的板状岩层沿板理面发生剪切蠕滑错动，垂直板理面出现层内拉张—切层的张剪破裂[图1(c)]，这些结构面叠加在构造节理、卸荷裂隙及风化裂隙上，使得倾倒变形岩体中结构面较发育。倾倒变形岩体中节理裂隙主要有3组：①走向近北，倾西或东，中倾角，该组裂隙走向与板理面走向近平行，裂隙面平直粗糙；②走向近东，倾南或北，陡倾角，该组裂隙走向与板理走向近垂直，裂隙宽为0.2～0.5cm，裂隙面起伏粗糙，多充填岩屑；③走向北西，倾北东或南西，中倾角—陡倾角，裂隙面平直粗糙。

1.3 倾倒变形边坡的破坏模式

鲍杰等[6]将岸坡岩体倾倒破裂的形成与演变归纳为4个阶段，依次为：①卸荷回弹—倾倒蠕变发展阶段；②层内拉张、切层张剪破裂发展阶段；③弯曲—折断变形破裂发展阶段；④底部滑移—后缘深部折断面贯通破坏阶段等。从研究区内岸坡的变形特征来看，倾倒变形岩体与正常产状岩体界面主要为弯曲变形，仅断续折断，处于第三阶段的弯曲变形期。岸坡倾倒变形是随着河流的不断下切、岩层在长期的自重作用下所发生的蠕变或流变，是地质历史过程中的产物。通常倾倒变形岩体厚度较大，具有延性弯曲的特点，底部界面表现为“折而不断”，短期内产生沿底部滑移—后缘深部折断面失稳的可能性不大，主要考虑倾倒变形体内部的稳定性。因此，倾倒变形岩体的抗剪断强度是分析边坡稳定性的关键指标。

2 倾倒变形岩体的抗剪断强度分析

2.1 倾倒变形岩体强度特征

研究区板岩类岩石主要包括砂质板岩和钙质板岩，其中砂质板岩岩石饱和单轴抗压强度平均值为35.4 MPa，属中硬岩；钙质板岩岩石饱和单轴抗压强度平均值为14.7 MPa，属软岩。倾倒变形岩体三个分区的岩体特征描述见表1。

表1 倾倒变形岩体三个分区的岩体特征描述表

2.2 基于Hoek-Brown经验公式的倾倒变形岩体强度计算

采用建立在GSI基础上的Hoek和Carranza-Torres及Corkum改进的Hoek-Brown经验公式[10]计算倾倒变形岩体抗剪断强度参数。计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，σ1、σ3—岩石破裂时的最大主应力和最小主应力；σc—岩样的单轴抗压强度；s、mb、mi—材料常数；a—表征节理岩体的常数；GSI—地质强度指标；D—扰动系数；φ—内摩擦角；c—黏聚力；σ3n—正应力。

计算参数取值及结果见表2。倾倒变形岩体相应分区中，砂质板岩(中硬岩)与钙质板岩(软岩)的抗剪断强度参数差别主要在黏聚力，砂质板岩的黏聚力是钙质板岩的1.4～2.4倍，摩擦系数则相差不大。

表2 倾倒变形岩体抗剪断强度计算成果表

2.3 倾倒变形岩体原位抗剪试验成果

倾倒变形岩体原位剪切试验在勘探平洞内进行，在平洞洞壁人工扩挖形成凹槽，凹槽内制备试体。试验采用平推法，剪切面垂直层面，尺寸约为50cm×50cm，最大正压力为1.5MPa。剪切破坏面部分沿裂隙面，部分沿岩体破坏。

由于极强倾倒变形区岩体极度破碎，难以制备试样，原位剪切试验在强倾倒变形区和弱倾倒变形区进行，试验成果见表3。

表3 倾倒变形岩体抗剪断强度验成果表

2.4 Hoek-Brown经验公式计算结果与原位试验成果对比

建立在GSI基础上的Hoek-Brown经验公式计算结果与原位试验成果比较见表4。其中砂质板岩(中硬岩)的黏聚力c1与c2的比值为1.9～2.0，摩擦系数f1与f2的比值均为0.6；钙质板岩(软岩)黏聚力c1与c2的比值为0.7～1.0，摩擦系数f1与f2的比值均为0.6。

表4 Hoek-Brown经验公式计算结果和原位试验成果比较表

2.5 倾倒变形岩体的抗剪断强度指标取值分析

黏聚力c和摩擦系数f是表征岩体抗剪断强度的两个指标，相对于土体，黏聚力尤其固化黏聚力在岩石的抗剪断强度中占比较大。岩石的黏聚力c值，除了反映颗粒间联结力的大小外，还反映了岩石中微结构面的发育情况；而岩石的摩擦系数f值，则主要反映了岩石中闭合的微裂隙面的摩擦系数及微裂隙面的发育情况[11]。倾倒过程中岩体发生破裂，倾倒变形岩体完整程度降低，黏聚力降低幅度较大。其中砂质板岩属中硬岩，脆性破裂程度较大，而钙质板岩属软岩，以延性破坏为主[12]，因而倾倒变形岩体中砂质板岩的破裂程度要高于钙质板岩。

倾倒变形岩体属于一种特殊的节理化岩体，结构面对岩体强度影响较大，而原位抗剪试验试体的尺寸仅为50cm×50cm，相对偏小。与原位试验成果比较，Hoek-Brown经验公式计算得到的黏聚力c值偏大，而摩擦系数f值偏小，符合黏聚力在岩石的抗剪断强度中占比较大的规律。Hoek-Brown经验公式计算得到的摩擦系数f值可理解为节理和岩桥提供的摩擦力按面积加权平均后的结果[13]，因而摩擦系数f值较小，但可能更符合实际情况。倾倒变形岩体的抗剪断强度指标的取值应在考虑岩体性状和原位试验成果的基础上，合理选用Hoek-Brown经验公式的计算参数，以获得较为可靠的计算指标。

3 典型倾倒变形边坡稳定性分析

采用有限差分法分析边坡在天然和暴雨条件下的应力场和变形破坏特征，得出以下结论：边坡在天然和暴雨工况下处于稳定状态，最大和最小主应力分布于坡体浅表层和坡脚堆积体，在倾倒变形岩体极强倾倒区下部出现量值较小的剪应力增量，如图2(a)所示。边坡位移变形主要集中在坡体浅表层和坡脚堆积体，如图2(b)所示，受重力和暴雨影响较小，局部会产生崩落。坡脚堆积体有利于边坡的稳定性，开挖坡脚堆积体会使得极强倾倒区前缘临空，将加剧坡体变形并向后缘发展。

图2 边坡最大剪应力增量和水平方向位移分布特征

边坡整体处于稳定状态，倾倒变形岩体自坡内向坡外逐渐变差，浅表层岩体的破坏会加剧边坡的倾倒变形，当前部失去“支撑”后，会导致由前部向后部逐级后退式破坏。因此，工程建设应避免开挖倾倒变形边坡，尽量减少施工扰动，否则应采取防护措施。

4 结论

(1)倾倒变形岩体是陡倾的薄层板状岩层在自重载荷的长期作用下发生的弯曲变形，形成机制类似褶皱，但形成过程中产生层间错动，垂直板理面发生不同程度的破裂，在薄层结构的基础上叠加了破裂作用，属于一种特殊的节理化岩体。

(2)倾倒变形破坏了岩体的完整性，结构面对倾倒变形岩体强度影响较大。原位抗剪试验试体的尺寸偏小。与原位试验成果比较，Hoek-Brown经验公式计算得到的黏聚力偏大，而摩擦系数f值偏小，符合黏聚力在岩石抗剪断强度中占比较大的规律。Hoek-Brown经验公式计算得到的摩擦系数f值可理解为节理和岩桥提供的摩擦力按面积加权平均后的结果，可能更符合实际情况。

(3)倾倒变形岩体的抗剪断强度指标的取值应在考虑岩体性状和原位试验成果的基础上，合理选用Hoek-Brown经验公式的计算参数，以获得较为可靠的抗剪断强度指标。