戴祺云，傅 濤，費(fèi)大軍，夏驪娜

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 問(wèn)題的提出

錦屏一級(jí)水電站左岸壩肩邊坡目前開(kāi)挖支護(hù)施工已經(jīng)完成，綜合地質(zhì)分析、穩(wěn)定性驗(yàn)算、變形監(jiān)測(cè)等表明，邊坡(整體)目前是基本穩(wěn)定的，但邊坡深部依然存在緩慢的變形。邊坡變形對(duì)左岸混凝土墊座乃至今后拱壩的影響如何，不僅關(guān)系左岸邊坡的安全評(píng)估，而且還可能影響大壩工程的安全。因此，要弄清上述問(wèn)題，除對(duì)左岸壩肩邊坡的邊界條件進(jìn)行復(fù)核外，一個(gè)重要的基礎(chǔ)工作，就是對(duì)邊坡巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的復(fù)核及深化研究[1～7]。

2 研究思路及技術(shù)路線

通過(guò)對(duì)左岸壩肩邊坡f42-9斷層的力學(xué)特性及其各向異性的原位試驗(yàn)、室內(nèi)直剪和直剪蠕變?cè)囼?yàn)，獲得巖體結(jié)構(gòu)面的基本力學(xué)參數(shù)，分析研究f42-9斷層的瞬時(shí)抗剪強(qiáng)度和長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度特性，最終為左岸邊坡巖體穩(wěn)定分析提供長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

3 試驗(yàn)研究成果

3.1 試驗(yàn)點(diǎn)及加工

研究軟弱結(jié)構(gòu)面直剪蠕變最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力，以有效控制軟弱結(jié)構(gòu)面的直剪蠕變時(shí)效特征。首先進(jìn)行同類型軟弱結(jié)構(gòu)面的常規(guī)直剪試驗(yàn)研究，根據(jù)最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力結(jié)果，再進(jìn)行直剪蠕變?cè)囼?yàn)研究。試樣采用邊采取、邊澆筑混凝土保護(hù)罩的方法，以達(dá)到保證試件免受擾動(dòng)、保持其原狀性的要求。試驗(yàn)中應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室采取保溫保濕措施，并定時(shí)觀測(cè)室內(nèi)溫度，溫度變化控制在±1℃以內(nèi)。試驗(yàn)在YZ30-1型電動(dòng)直剪儀上進(jìn)行。

3.2 試驗(yàn)方法與加載方式

試驗(yàn)采用逐級(jí)增量加載的方法。首先根據(jù)常規(guī)剪切試驗(yàn)的結(jié)果估計(jì)試樣破壞的應(yīng)力值，然后再確定流變?cè)囼?yàn)每一級(jí)的荷載增量。剪切蠕變?cè)囼?yàn)流程如下：

(1)首先施加法向荷載，讀取變形數(shù)據(jù)。法向荷載垂直于剪切面施加，當(dāng)法向變形穩(wěn)定時(shí)開(kāi)始施加剪切荷載。

(2)分級(jí)施加剪切荷載，當(dāng)施加剪切載荷引起的剪切位移明顯增大時(shí)，可適當(dāng)增加剪切載荷分級(jí)。

(3)每級(jí)剪切載荷施加后，立即測(cè)讀瞬時(shí)位移值，然后按10min、20min、40min、1h、2h、4h、8h、12h測(cè)讀，以后均按每間隔12h定時(shí)測(cè)讀一次。每級(jí)剪切荷載施加后，需保持剪應(yīng)力為常數(shù)。在整個(gè)剪切過(guò)程中，應(yīng)保持法向荷載為常數(shù)。每級(jí)剪切載荷的施加歷時(shí)為7d。根據(jù)軟弱結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)和工程的重要性，可延長(zhǎng)每級(jí)歷時(shí)。

(4)后期施加剪切荷載出現(xiàn)定常蠕變、加速蠕變時(shí)，需加密測(cè)讀時(shí)間以反映最后的流變破壞階段。

(5)根據(jù)測(cè)取的剪切蠕變變形量，得出每一級(jí)法向位移、剪切位移、剪應(yīng)力和時(shí)間的關(guān)系。

3.3 試驗(yàn)成果

巖體剪切蠕變?cè)囼?yàn)采用平推法，試體底部剪切面面積不小于400cm2，試體最小邊長(zhǎng)不小于20cm，試體高度大于推力方向試體邊長(zhǎng)的1/2，試件不得少于5個(gè)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、2，圖1～4。

表1 錦屏一級(jí)水電站左岸邊坡巖石直剪試驗(yàn)成果

表2 錦屏一級(jí)水電站左岸邊坡巖石直剪蠕變?cè)囼?yàn)成果

圖1 多級(jí)剪切位移～時(shí)間關(guān)系典型曲線

圖2 多級(jí)法向位移～時(shí)間關(guān)系典型曲線

4 研究成果分析

4.1 剪切蠕變變形規(guī)律分析

利用Boltzmann[8]迭加原理對(duì)剪切蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到各試點(diǎn)巖體在每級(jí)剪應(yīng)力作用下剪切蠕變位移隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖1、圖2)。由圖可知：(1)巖體具有瞬時(shí)變形，且與正應(yīng)力和剪應(yīng)力的水平密切相關(guān)。在正應(yīng)力恒定的情況下，瞬時(shí)變形量隨剪應(yīng)力的增大而增加；正應(yīng)力水平越高，剪切面沿切向達(dá)到某一相同蠕變量值所需的剪應(yīng)力也越大。(2)當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，巖體從減速蠕變階段過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)蠕變階段，低于此臨界值巖體能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，高于此臨界值巖體將從穩(wěn)態(tài)蠕變階段逐步達(dá)到加速蠕變階段。此臨界值即為巖體的長(zhǎng)期剪切蠕變強(qiáng)度。

圖3 多級(jí)剪切應(yīng)力～剪切位移關(guān)系典型曲線

圖4 最后一級(jí)剪切位移～時(shí)間關(guān)系典型曲線

4.2 剪切蠕變速率特性分析

由剪切蠕變?cè)囼?yàn)曲線各時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的斜率(蠕變速率)，可得巖體剪切蠕變速率隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖1、3)。在低剪應(yīng)力作用下，巖體剪切蠕變速率表現(xiàn)為兩個(gè)階段：(1)減速蠕變階段。剪切蠕變速率在開(kāi)始時(shí)最大，然后逐漸減小，最后蠕變速率變?yōu)榱恪?2)穩(wěn)態(tài)蠕變階段。剪切蠕變速率在開(kāi)始時(shí)最大，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，剪切蠕變速率減小到一定值后基本保持不變，對(duì)應(yīng)的剪切蠕變速率為穩(wěn)態(tài)流變速率。當(dāng)剪應(yīng)力接近屈服強(qiáng)度時(shí)，巖體剪切蠕變速率表現(xiàn)出了第3個(gè)階段即加速蠕變階段。該階段隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，剪切蠕變速率迅速增大，巖體變形迅速發(fā)展，并最終發(fā)生破壞。

4.3 加速蠕變特性分析

在低剪應(yīng)力作用下，壩區(qū)巖體剪切蠕變特性主要表現(xiàn)為減速蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變；而在高剪應(yīng)力作用下，壩區(qū)巖體除呈現(xiàn)減速蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變外，還表現(xiàn)出加速蠕變特性。圖4為各試點(diǎn)巖體在最后一級(jí)剪應(yīng)力作用下的蠕變曲線與蠕變速率時(shí)間關(guān)系曲線?？蓪⑵鋭澐譃锳、B、C三種破壞類型。

(1)A型曲線無(wú)明顯的減速蠕變和等速蠕變，表現(xiàn)為直接進(jìn)入加速蠕變至破壞。本次研究有六個(gè)試件屬于這種類型，占60%。

(2)B型曲線具有短暫的減速蠕變和加速蠕變兩個(gè)階段，即經(jīng)歷短暫的減速蠕變后進(jìn)入加速蠕變至破壞。本次研究有三個(gè)試件屬于這種類型，占30%。

(3)C型曲線具有短暫的等速蠕變和加速蠕變兩個(gè)階段，即經(jīng)歷短暫的等速蠕變后進(jìn)入加速蠕變至破壞。本次研究有一個(gè)試件屬于這種類型，占10%。

通過(guò)對(duì)試點(diǎn)巖體蠕變曲線與蠕變速率曲線進(jìn)行分析可知：(1)巖體只在最后一級(jí)破壞應(yīng)力水平下才表現(xiàn)出完整的三階段蠕變特性，即減速蠕變、等速蠕變和加速蠕變。而在低應(yīng)力分級(jí)加載的過(guò)程中，只能觀察到減速蠕變和等速蠕變。(2)當(dāng)蠕變進(jìn)入加速階段之后，蠕變應(yīng)變率由漸變?cè)鲩L(zhǎng)轉(zhuǎn)為突變?cè)鲩L(zhǎng)，跳躍幅度不斷增大。這個(gè)階段巖體內(nèi)部的細(xì)小裂隙隨時(shí)間增加不斷擴(kuò)展，最后導(dǎo)致應(yīng)變率發(fā)生突變，試點(diǎn)巖體產(chǎn)生蠕變破壞。

4.4 長(zhǎng)期抗剪斷強(qiáng)度

根據(jù)試驗(yàn)資料繪制各法向應(yīng)力及其對(duì)應(yīng)的抗剪破壞值關(guān)系曲線，按莫爾-庫(kù)倫表達(dá)式確定長(zhǎng)期抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)[9、10]。試驗(yàn)成果見(jiàn)表3～5。

表3 Zτf42-9-1相應(yīng)法向應(yīng)力σ下蠕變剪應(yīng)力與瞬時(shí)剪應(yīng)力τ′比較

表4 Zτf42-9-2相應(yīng)法向應(yīng)力σ下蠕變剪應(yīng)力與瞬時(shí)剪應(yīng)力τ′比較

表5 錦屏一級(jí)水電站左岸邊坡長(zhǎng)期抗剪斷強(qiáng)度與瞬時(shí)抗剪斷強(qiáng)度比較

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)錦屏一級(jí)水電站左岸壩肩邊坡f42-9斷層剪切蠕變?cè)囼?yàn)曲線的分析，獲得如下研究結(jié)論：

(1)錦屏一級(jí)水電站左岸壩肩邊坡f42-9斷層對(duì)拱壩壩肩和邊坡穩(wěn)定起著控制作用。剪切蠕變是壩肩邊坡穩(wěn)定重要的力學(xué)特性，因此采用直剪蠕變?cè)囼?yàn)方法研究軟弱巖帶的剪切蠕變變形特性尤為重要。

(2)壩肩邊坡巖體具有瞬時(shí)變形，且與正應(yīng)力和剪應(yīng)力的水平密切相關(guān)。在剪應(yīng)力較小時(shí)，巖體剪切蠕變僅表現(xiàn)為減速蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變，而當(dāng)剪應(yīng)力接近屈服強(qiáng)度時(shí)，巖體剪切蠕變速率呈現(xiàn)出加速蠕變特性。

(3)當(dāng)正應(yīng)力恒定、剪應(yīng)力較小時(shí)，巖體減速蠕變階段歷時(shí)較短，一般在50～70h后應(yīng)變速率即達(dá)到恒定值；剪應(yīng)力越大，巖體減速蠕變階段的應(yīng)變速率衰減就越慢，一般100h后應(yīng)變速率才趨于穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉雄. 巖石流變學(xué)概論[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 1994.

[2] 范廣勤.巖土工程流變力學(xué)[M].北京: 煤炭工業(yè)出版社, 1993.

[3] 許宏發(fā).軟巖強(qiáng)度和彈模的時(shí)間效應(yīng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 1997, 16(3): 246-251.

[4] 朱珍德, 李志敬,朱明禮,等.巖體結(jié)構(gòu)面剪切蠕變?cè)囼?yàn)及模型參數(shù)反演分析[J]. 巖土力學(xué), 2009, 30(1): 99-104.

[5] 蔣昱州.高拱壩拱肩槽巖石流變力學(xué)特性試驗(yàn)研究及其長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析[D]. 南京: 河海大學(xué), 2009.

[6] 徐平，夏熙倫.三峽樞紐巖體結(jié)構(gòu)面蠕變模型初步研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，1992，9(1)：42-46.

[7] 陳記.巖石節(jié)理面剪切流變的試驗(yàn)研究[J].淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，13(4)：74-77.

[8] 孫鈞.巖土材料流變及其工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

[9] 崔希海, 付志亮.巖石流變特性及長(zhǎng)期強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006, 25(5): 1021-1024.

[10] 黏克日, 康文法.巖體中泥化夾層的流變?cè)囼?yàn)及其長(zhǎng)期強(qiáng)度的確定[J]. 巖土力學(xué), 1983, 4(1): 39-46.