软弱夹层对大型水电站坝址砂岩工程力学性质影响研究

古丽苏玛依·阿不都萨塔尔

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 昌吉 831100)

0 引 言

水电站坝址岩石边坡的稳定性是影响水电站长期安全的重要因素，而软弱夹层会导致坝址岩体的力学性质大幅降低，因此研究软弱夹层对岩体力学性质的影响具有重要的意义[1-3]。

杨成龙等[4]对我国西藏某水电站坝址蚀变问题展开了深入研究，发现岩石蚀变特征受时空因素影响较大，且其能够大幅降低岩石的物理力学性质。郑达等[5]依托于金沙江某水电站建设工程，深入分析了各向异性对坝址区千枚岩力学性质的影响，并指出岩石各向异性对其单轴抗压强度的影响最为明显。徐卫亚等[6]室内制备了含软弱夹层的层状岩体试样，并对其展开了三轴流变试验。研究结果发现软弱夹层对岩体的蠕变力学性质影响较大，岩石的蠕变寿命大幅缩短，蠕变变形量增大。韩飞等[7]采用室内相似试验，室内制备了含软弱夹层岩体的无锚试样和加锚试样，并对试样展开了单轴压缩试验。研究发现，锚杆能够大幅增大岩体的承载能力，且软弱夹层越厚，岩体的单轴抗压强度越小。

综上所述，现有研究多是从软弱夹层及其厚度对岩体的力学性质角度展开[8-9]，而较少涉及到夹层倾角对岩体性质的影响。本次研究室内制备了含不同倾角软弱夹层的红砂岩岩体，并对其展开单轴压缩试验，深入分析夹层倾角对岩体的破坏形态和力学性质的影响。研究成果可为我国水电站坝址岩体加固提供一定的指导作用。

1 工程背景

本次试验研究对象为我国西北地区某水电站坝址处边坡，现场调查结果发现，由于水电站大坝地处高山峡谷，河流两岸边坡垂直落差巨大，边坡坡度在30°～45°，边坡具有较强的失稳变形倾向。边坡岩体结构面多，大都风化严重，同时带有崩塌现象。又因为该地邻近地震带，地质构造活动对岩体带来的影响大，大大增加了边坡危岩体的不稳定性。因此，研究软弱夹层对坝址边坡稳定的影响对维护水电站大坝安全具有重要意义。见图1。

图1 拟研究水电站大坝示意图

2 试验设计

2.1 试样制备

根据现场调查结果，坝基及坝址边坡主要为红砂岩，且发育有薄层泥岩软弱夹层，泥岩夹层厚度在2～3 cm之间，强度较低。对取自工程现场的红砂岩岩块钻孔取芯并进行切割，作为夹层岩体中的硬岩部分；利用石膏模拟夹层岩体中的软弱夹层部分， 石膏层厚为20 mm。按照《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266-2013)将软、硬部分组合制备φ50 mm×100 mm标准岩体[10]，且夹层倾角分别为0°、30°、45°和60°，制备完成的含夹层岩体见图2，其物理参数见表1。

图2 岩体试样

表1 含软弱夹层岩体物理参数

2.2 试验设计

参照《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266-2013)进行单轴压缩试验，试验设备见图3。峰前采用力控模式进行加载，加载速率为30 kN/min；峰后采用位移控制模式进行加载，位移加载速率为0.02 mm/min，以获得较好的峰后应力应变曲线。

图3 试验设备

3 试验结果分析

3.1 破坏形态分析

图4为不同试验条件下含软弱夹层岩体单轴压缩破坏形态特征。在单轴压缩试验条件及不同夹层倾角条件下，含软弱夹层岩体均发生了破坏，试件的轴向压缩变形明显。其中，互层岩体的硬岩部分变形较小，而软岩夹层部分的破坏更加剧烈。软岩夹层的横线变形较硬岩部分大，岩体不同部分间表现出明显的非协调变形。不同软弱夹层倾角条件下，岩体的破坏形式具有显著差异。当夹层倾角较小时(β=0°、30°)，岩体破坏后断裂裂纹出现在软弱夹层部位，且其与夹层倾角接近平行，而硬岩部分仅出现细小微裂纹；当夹层倾角较大时(β=45°、60°)，岩体破裂面与夹层呈X形交叉状，穿夹层滑移在硬岩部分与软弱夹层均产生了明显的大裂纹。

图4 不同夹层倾角下含软弱夹层岩体破坏形态

3.2 应力应变曲线

图5为含不同倾角软弱夹层岩体的单轴压缩应力应变曲线。由图5可知，不同岩体在轴向压力下均表现出典型的岩石压缩应力应变曲线特征。压密阶段泥质含夹层岩体应力-应变曲线出现非线性下凹趋势，这是由于岩体内部存在一定的空隙，在低水平应力作用下，岩石内部空隙闭合；随着应力水平的提高，应力-应变曲线进入弹性阶段，此阶段岩石内部空隙的产生与闭合处于平衡状态；屈服阶段岩石内部微裂隙不断产生并相互连接，直到破坏后形成宏观大裂纹。此外，当轴向荷载达到岩体的峰值强度后，岩体发生破坏，但破坏后的岩体仍具有一定的承载能力[11-13]。

图5 含软弱夹层岩体单轴压缩应力应变曲线

3.3 夹层倾角影响

图6为含软弱夹层岩体的单轴抗压强度及弹性模量随夹层倾角变化关系。由图6可知，随着夹层倾角的逐渐增大，含软弱夹层岩体的抗压强度和弹性模量均呈现出“减小-增大”的变化趋势。当夹层倾角为0°时，岩体的承载能力最强，此时其单轴抗压强度为11.22 MPa、弹性模量为1.14 GPa；当夹层倾角为45°时，岩体的承载能力最差，此时其单轴抗压强度为5.08 MPa、弹性模量为0.62 GPa，相较含水平夹层岩体分别降低53.17%、42.72%。此外，当夹层倾角为30°时，岩体的单轴抗压强度分别为6.69 MPa、弹性模量为0.73 GPa；当夹层倾角为60°时，岩体的单轴抗压强度分别为8.21 MPa、弹性模量为0.85 GPa。综上所述，水平软弱夹层对岩体强度的影响最小，而当水电站坝基岩层中夹层倾角在45°附近时，坝基的稳定性最差，此时应当及时采取加固措施进行处理。

图6 岩体强度及弹性模量随夹层倾角变化规律

进一步分析含软弱夹层岩体的单轴抗压强度、弹性模量与夹层倾角之间的关系发现，岩体的单轴抗压强度、弹性模量与夹层倾角之间均符合二次函数关系，即单轴抗压强度、弹性模量随夹层倾角的增大而呈先减小后增大的变化趋势，且在某一夹层倾角条件下能够取得最小值。拟合效果均较良好，线性相关系数分别达到R2=0.801 2和R2=0.875 2。

4 结 论

本文依托于我国西北地区某水电站工程，室内展开了含不同倾角软弱夹层岩体的单轴压缩力学试验，深入分析了软弱夹层对岩体工程力学性质的影响。主要研究结果如下：

1) 软弱夹层倾角对岩体的破坏形态具有较大影响，夹层倾角越大，岩体的破坏特征越复杂。互层岩体的硬岩部分变形较小，而软岩夹层部分的破坏更加剧烈。

2) 随着软弱夹层倾角的增大，岩体的单轴压缩强度和弹性模量呈先减小后增大的变化趋势。当夹层倾角为45°时，含软弱夹层岩体的承载能力最差。含软弱夹层岩体的单轴抗压强度、弹性模量与夹层倾角之间符合二次函数关系。