某水电站坝址区危岩剪切破坏试验特征研究

浙江华东建设工程有限公司，浙江 杭州 310000

我国幅员辽阔，河川众多，蕴藏着大量的天然资源。我国西部云贵川一带分布着横断山脉，地质险峻，峡谷垂直落差巨大，含有丰富的水利资源。其中，西南部山区在地理上得天独厚，高山峡谷中拥有巨大水力落差，水利资源丰富，是修建大型水电站的不二之选。然而，在山区修建巨大工程对于人力、物力、财力都是一项巨大的挑战，且我国西南部山区地质情况复杂，河岸两侧大多为岩质边坡。在山区修建大型工程，开山凿壁是不可避免的，在此过程中就会形成危岩，危岩的存在是导致岩质边坡失稳的主要因素。西部横断山区地质活动频繁，边坡岩体大多含有结构面，而结构面是造成边坡失稳的核心因素。山区重大工程的边坡处理往往是该项工程中的重点，边坡失稳会对工程造成重大损害，甚至会导致整项工程报废，所造成的人员伤害和财产损失更是不可估量。

西南山区某水电站邻坝址处存在危岩边坡，方量较大，达2.1×105m3。该危岩结构面丰富，节理裂隙众多，一旦发生失稳，将对水电站坝址造成严重损害。鉴于此，有必要对该处危岩进行进一步的力学性质研究。

1 工程概况

此次试验研究对象为我国西南部山区某水电站坝址处危岩边坡，该地区地处青藏高原东南部，为典型的高山峡谷地貌，河流两岸边坡垂直落差巨大，边坡坡度在30°～45°。边坡岩体结构面多，大多风化严重，同时带有崩塌现象，又因为该地邻近喜马拉雅地震带，所以地震对危岩体带来的影响更是巨大，显著增加了边坡危岩体的不稳定性。因此，文章从断裂力学角度出发，考虑分析剪切荷载下节理的发展与扩散，来研究边坡危岩的稳定性。

2 试验原理及流程

2.1 剪切试验

为使试样产生的Ⅱ型断裂破坏先于Ⅰ型破坏，需要抑制岩石裂缝的裂尖因偏心作用而产生拉应力。在此，垂直于预制裂缝面施加压应力σx，与此同时，在裂缝上下面分别施加大小相等、方向相反的均布应力σy，试验示意图如图1所示。

图1 试验示意图

2.2 岩石Ⅱ型剪切韧度试验设计与步骤

为了研究该坝址区边坡危岩的Ⅱ型剪切韧度，设计了如下试验。首先将采集回的危岩岩样通过铣床加工为50mm×50mm×50mm的立方体，再使用金刚石锯片在试样中部两端对应锯出所设计长度的裂缝。

试验设计共计9组，分别研究以下两种情形下危岩岩石的断裂特征：（1）相同裂缝长度，不同裂缝角度；（2）相同裂缝角度，不同裂缝长度。所设计裂缝长度有5mm、10mm、15mm，裂缝角度有30°、50°、70°，裂缝宽度为1mm。

此次岩石剪切试验操作步骤如下：（1）将加载仪器上下表面清理干净，避免杂物出现导致试样受力面出现受力不均现象；（2）放置试样于加载仪器上，调整试样位置，使试样几何中心位于加载仪器中心轴线上，手动控制使试样夹持在仪器上，接触力控制在0.5～1kN；（3）控制方式采用位移控制，加载速率为0.2mm/min；（4）全程采用程序控制，自动记录试验结果数值。

3 试验结果

3.1 力学参数结果

对从水电站坝址处所带回试样进行加工处理后，通过剪切试验对预制人工双边裂缝危岩试样进行剪切Ⅱ型断裂韧度测试，研究不同长度预制双裂缝对断裂韧度测试结果的影响，通过设置加载角度30°、50°和70°分析加载角度对试样真实破坏面的影响。试验后危岩试样的Ⅱ型断裂强度因子可由下式计算：

式中：L为试样宽度，mm；H为试样高度，mm；Fmax为剪切峰值破坏荷载，kN；Fq为剪切力，kN；l为预制裂缝长度，mm；θ为加载角度，°；φ为岩石内摩擦角，°。具体试验数据和计算结果如表1所示。

表1 剪切试验结果

在此次剪切试验中，当裂缝角度θ为一定值时，随着裂缝长度的增加，岩石剪切峰值破坏荷载逐渐减小；当裂缝长度l为一定值时，随着所设置裂缝角度的增加，岩石剪切峰值破坏荷载逐渐减小。预制裂缝角为30°时剪切力峰值最高，为预制裂缝角为50°时的2倍左右，为预制裂缝角为70°时的3倍左右。可见，预制裂缝角度过小导致应力分解在裂缝面上的竖向应力多，而切向应力过少，因此需要更多的竖向荷载才能达到裂缝的剪切破坏峰值。

同时，将表1中相同预制裂缝角度时所得Ⅱ型断裂韧度计算平均值，可得，当裂缝角度为30°时，危岩试样的Ⅱ型断裂韧度平均为3.07MPa×m0.5；当裂缝角度为50°时，危岩试样的Ⅱ型断裂韧度平均为3.65MPa×m0.5；当裂缝角度为70°时，危岩试样的Ⅱ型断裂韧度平均为3.35MPa×m0.5。

预制裂缝角度为30°时的测试所得结果明显小于预制裂缝角度为50°和70°时的结果，并且在预制裂缝角度为30°时，Ⅱ型断裂韧度测试值随着裂缝长度的增加而减小。反观预制裂缝角度为50°和70°时，Ⅱ型断裂韧度测试值上下浮动较小，未呈现出明显随着裂缝长度增加而增大或减小的情况，可靠度较高。

3.2 断裂过程及断裂面形态

在预制角度为30°时的试样剪切破坏过程中，在破坏前裂缝面就开始产生次生裂纹，随着次生裂纹的逐渐发育扩展，形成主裂纹面，贯穿于裂缝，从而导致岩石试样随着加载的进行而断裂，最终断裂面并不平整，表面有凸起的“∧”形面。由于预制裂缝角度过小，加载过程中应力分解后，分解到裂缝面上的竖向应力过大，这样与求解Ⅱ型断裂韧度的初衷违背，因而会对Ⅱ型断裂韧度的精度造成一定影响。

在预制角度为50°时的试样剪切破坏过程中，随着加载进行，在裂缝的尖端处出现微小裂缝，虽然在裂缝尖端有一些微小断裂，但在主裂缝面附近，一直未出现肉眼可见的裂纹。当荷载加载至50kN左右时，试样出现突然断裂，断裂面平直。

在预制角度为70°时的试样剪切破坏过程中，随着加载进行，在预制裂缝周围并未出现肉眼可见的裂缝。当轴向荷载加载至一定值后，试样沿着预制裂纹面直接断裂，脆性断裂特征明显，断裂破坏面平整。

4 结论

此次试验在室内条件下对预制双边裂缝危岩试样进行Ⅱ型断裂韧度剪切测试，研究了不同预制裂缝长度和角度情况下对断裂韧度测试结果的影响，得到如下结论：

（1）裂缝角度固定时，预制裂缝长度的增加使岩石剪切力破坏峰值减小；裂缝长度固定时，预制裂缝角度的增加使岩石剪切力破坏峰值减小。

（2）预制裂缝角度为30°时，试样的Ⅱ型断裂韧度平均为3.07MPa×m0.5；裂缝角度为50°时，试样的Ⅱ型断裂韧度平均为3.65MPa×m0.5；裂缝角度为70°时，试样的Ⅱ型断裂韧度平均为3.35MPa×m0.5。其中，预制裂缝角度为50°和70°时，Ⅱ型断裂韧度测量值可靠度较高。

（3）随着预制裂缝角度的增大，裂缝断裂前出现的征兆越不明显，裂缝断裂速度越快，剪切破坏后所得断裂面越平整。