基于微风化安山岩岩体抗剪切性能研究

2023-10-20解永泽

东北水利水电 2023年10期

龙翔，解永泽

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130061；2.吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林敦化 133700）

0 引言

随着我国清洁能源的快速发展，抽水蓄能电站作为新型清洁能源的重要组成部分，在近几年迎来了蓬勃发展时期[1]。抽水蓄能电站下水库大坝多位于河谷中，坝基稳定性主要靠坝肩位置的岩体来维持，其稳定性是直接关系到工程正常运行和区域安全的重要因素[2，3]。而岩体的抗剪强度参数作为稳定性分析的关键参数之一，是大坝工程稳定分析和安全评价的基础[4]。

我国地域辽阔，不同地区的工程地质条件存在差异，岩性分布各有不同[5-8]，同一种岩性在地层中呈现非均匀性和各向异性，同时，受风化程度、结构发育、节理裂隙发育程度等因素共同影响，导致其破坏机理极为复杂[9]。因此，通过岩体原位直剪试验获取岩体抗剪强度参数是坝基面抗剪强度参数确定的重要手段，试验结果更接近工程实际[10-12]。

1 研究区概况

山西垣曲抽水蓄能电站位于山西省运城市垣曲县境内，安装4 台30 万kW 可逆式水泵水轮发电电动机组，枢纽建筑物主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房系统等组成。

原位直剪试验选择在下水库大坝勘探平硐中进行，平硐桩号0+044.00～0+054.00 m 段，上覆岩体厚23～47 m，围岩为安山岩，呈微风化状态，强度较高。该段主要发育3组节理：1）走向N30°～40°E，倾向SE，倾角35°，平行间距30～40 cm，节理面张开5～10 mm，充填方解石，节理面平直光滑；2）走向N40°W，倾向SW，倾角85°，平行间距70 cm，节理面张开5～10 mm，充填方解石脉，节理面平直光滑；3）走向N40°E，倾向NW，倾角35°，平行间距10～20 cm，局部50 cm，节理面张开1～2 mm，充填方解石，节理面平直光滑。该洞段地下水不发育，洞壁潮湿，上覆岩体较单薄，节理轻度发育～中等发育，围岩局部稳定性差，属Ⅲ类围岩。在该区域进行岩体原位直剪试验，研究微风化安山岩的抗剪切性能。

2 原位直剪试验

2.1 方法原理

抗剪试验分为混凝土抗剪和岩体抗剪，两种试验原理相同，在抗剪试验中，剪切破坏遵循库仑准则，表达式：

式中：τ为施加在剪切面上的剪应力，MPa；σ为施加在剪切面上的法向应力，MPa；ϕ为材料的内摩擦角；C为材料的粘聚力，MPa。

2.2 试验步骤

岩体原位抗剪试验采用平推法，试验状态为人工浸水饱和状态，试验应力为0.96 MPa，等分6级，各级应力分别为0.16，0.32，0.48，0.64，0.80，0.96 MPa，现场试验示意图如图1所示。

图1 抗剪强度试验示意图

2.3 资料整理

按DL/T 5368—2007《水电水利工程岩石试验规程》中的规定对试验成果进行综合整理。各法向荷载下的法向应力和剪切应力按下式计算：

式中：P为作用于剪切面上的总法向荷载，N；A为剪切面面积，mm2；P′为试件与设备质量之和，N；α为结构面倾角；Q为作用于剪切面上的总剪切荷载，N；f为滚珠轴排摩擦系数。

绘制各法向应力下的剪应力与剪切位移关系曲线，根据关系曲线，确定各法向应力下的抗剪断（抗剪）峰值；根据同一试验区试验结果的各正应力和对应的抗剪断（抗剪）峰值的剪应力，绘制其关系曲线图。

采用最小二乘法进行曲线拟合或作图法，确定相应的抗剪断（抗剪）强度参数的试验最佳值，即库仑表达式中的tgϕ和C，公式如下：

3 试验成果及分析

对6 个部位进行原位直剪试验，根据规范对6个部位的原位直剪试验数据进行整理，得出岩体剪应力-剪切位移关系曲线，如图2 所示。结合各个试验点剪切面性状及试验过程，确定抗剪断（抗剪）峰值，并以最小二乘法为基础，采用作图法给出抗剪（断）峰值及强度指标。试验结果见表1，正应力-剪应力拟合曲线见图3 和图4。微风化安山岩抗剪断峰值强度tgϕ′=2.040，C′=2.273，抗剪峰值强度tgϕ=0.831，C=0.595。

表1 岩体原位直剪试验成果统计

图2 剪应力与剪切位移关系曲线

图3 正应力-抗剪断应力曲线

图4 正应力-抗剪应力曲线

根据表1中的试验数据，结合图2—4的试验成果曲线，可知剪切破坏模式均为脆性破坏，即破坏前剪切位移较小，峰值后剪应力迅速下降，剪切位移大幅度增长。由于节理、裂隙分布的随机性，各个点的剪切面性状略有不同，致使部分试验点略有偏差，但整体能够代表该段岩体破坏特征，试验数据准确可靠。

4 结语

通过岩体原位直剪试验获取岩体抗剪强度参数，为设计稳定性计算提供强度参数，为研究区类似工程建设提供参考，具有重大意义。此次岩体原位试验共有6个试验点，总体规律较好，能够代表该段岩体破坏特征。但由于受试验洞开挖、试验段扩挖、地质构造、岩性分布等影响，选择试验段和布置测点均受到一定限制，加之测量数量有限，因此试验结果在整个工程区域内的宏观代表性也相应存在一些局限性。今后在进行相关设计时，可结合岩芯室内试验及现场地质情况进行综合分析。