基于Hoek-Brown准则和Sarma法的海外水电工程边坡稳定性评价.pdf

第 卷第 期年 月水利与建筑工程学报 ，：收稿日期：修稿日期：基金项目：陕西省创新能力支撑计划项目（；）；陕西省科技统筹创新工程项目（）；国机集团青年科技基金重点项目（；）；西安市英才计划青年项目（）作者简介：柳（），男，高级工程师，主要从事岩土体稳定性及其工程环境效应方面的研究工作。：基于 准则和 法的海外水电工程边坡稳定性评价柳，夏玉云，门青波，王冉，刘云昌，杨晓鹏，（机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 ；陕西省特殊岩土性质与处理重点实验室，陕西 西安 ）摘要：在海外水利水电工程勘察中，由于中国规范与国外规范的差别，导致岩体力学参数的合理取值一直都是难点，难以得到业主及咨询方的认可。文章以老挝南俄 水电站 坝段开挖边坡为例，利用基于 法的 强度准则岩体力学参数估计方法，结合开挖地质资料和室内岩石力学试验结果，估算边坡岩体力学参数，分析对比 法和中国规范经验取值的差异，综合提出边坡稳定计算力学参数值，并采用 法对坝基边坡的稳定性进行定量计算与分析。研究成果对类似海外水利水电工程地质勘察具有一定的指导意义。关键词：准则；法；边坡稳定性；法中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；近年来，随着“一带一路”建设的持续推进，中资企业在海外工程总承包发展迅猛，承揽多项大型水利水电、公路、铁路、港口码头等项目。其中大型的水利水电项目多位于贫困落后国家，经济与技术发展与发达国家相比相对落后。针对建设过程中遇到的技术难题，当需要开展大型现场试验或复杂的室内试验时，因高精仪器设备匮乏或成本过高等因素限制往往难以实现 ；此外，海外大型水利水电工程多采用 合同或欧美合同，基于欧美规范，与中国规范相对应，在技术理念和设计方法等多方面差异性突出。由于中国规范大部分采用前苏联模式，海外普适性不足，按中国规范中依据经验获取的岩体力学参数往往难以得到欧美咨询公司的认可，导致中资企业在国外开展勘察设计时阻力重重。综合分析，在勘察设计过程中，寻找一种国内外广泛认可的方法对岩体力学参数进行合理取值，在国内外工程界，是一个突出的难题 。在这种情况下，寻找合适的替代方案尤为重要。目前，国际上有多种岩体参数估算方法，其中采用基于 法 的 强 度 准 则 被 广 泛 应用 ，尤其适用于岩体开挖后，现场具备很好的量测条件时 ，采用基于 法的 强度准则确定岩体力学参数显得较为合适，根据此方法获取的参数国外咨询工程师认可度较高。本文通过介绍基于 法的 强度准则岩体参数估算方法及在坝基边坡实际应用，探讨中外规范差异性，采用 法对该边坡的稳定性进行计算分析，最后对该边坡的稳定性进行评估，在此基础上提出相应的支护措施。准则 强度准则（以下简称 准则）是用于预测岩体强度的经验公式，由 和 通过对大量室内和现场岩石力学试验成果和岩体结构特征进行分析整理于 年提出 。之后对该公式进行了拓展，提出了广义 强度准则，公式为：（）（）式中：、分别为岩体破坏时的最大和最小主应力，；为岩块强度，可通过室内试验获得，；、属于经验参数；为常数，与岩体结构特征有相关关系。式（）中含有 个独立参数、，下和扰动程度 相关联的参数为、，可分别通过式（）式（）计算确定：()（）()（）()（）式中：为岩体的地质强度指标；为完整岩块的 强度参数，可通过查表获得；为岩体扰动系数 ，反映开挖方式对岩体的扰动程度，常见的 值取值见表 。表 值取值建议表岩体特征描述的建议取值小规模爆破造成岩体中等程度破坏 （爆破良好）应力释放对岩体产生扰动 （爆破效果差）大型生产爆破或者移去上覆岩体导致大型矿山边坡严重扰动 （生产爆破）软岩地区用撬挖或机械方式开挖，边坡的破坏程度较低 （机械开挖）法 方法可以反映岩体强度特征，对均质岩体具有良好的适用性，随着经验积累，风化岩体和非均质岩体也可采用 法进行分析。当具备完整的钻孔统计数据时，强度准则中参数 可采用式（）进行取值 。（）式中：通过钻探统计资料获取；可采用岩体 分类法，评分标准见表 表 。表 不连续结构面特征评分不连续结构面特征评分不连续、闭合、岩面很粗糙、岩面没有风化 岩面稍粗糙，宽度 ，岩面具有轻微风化 岩面略微粗糙，宽度 ，岩面风化严重 面光滑，或软弱夹层厚度 ，宽度 ，连续 面光滑，或软弱夹层厚度 或张开度 ，连续表 不连续结构面特征评分准则不连续长度 评分间距 无 评分粗糙程度非常粗糙粗糙微粗光滑擦痕面评分宽度及填充物 无岩屑 岩屑 泥质 泥质 评分风化程度未轻微中等严重全风化评分 强度准则中 的取值范围及描述如图 所示。水利与建筑工程学报第 卷图 取值范围图 基于 和 强度准则的岩体力学参数估计 年，和 考虑了岩体开挖过程的扰动参数 ，综合考虑爆破等挖掘方式对岩体的影响，给出了估算岩体变形模量的公式：（）（）式中：为完整岩石的变形模量，。当室内试验测量值 不可用时，和 推荐使用如下公式进行估算：（）（）等将 强度准则与 强度准则进行了等效转换 ，得出 准则下估计的等效内摩擦角和等效黏聚力，见下式：（）（）（）（）（）（槡）（）（）（）（）（）（）（）式中：为等效条件下最小主应力的上限值。工程应用 场地基本地质条件老挝南俄 水电站总库容为 ，电站装机容量为 。根据 水电枢纽工程等级划分及设计安全标准（）的相关规定，枢纽工程等别为二等，工程规模属大（）型。该工程最大坝高 ，坝长 。南俄 水电站大坝右岸坝肩永久边坡高 ，坝段位于大坝右岸上半部。坝段自坝顶高程 开始，顺开挖边坡（坡比 ）至高程 平台，平台宽 ，长 。坝段开挖揭露坝基地层岩性主要为泥盆系下统（）砂砾岩类夹少量泥质板岩、砂质板岩等，岩层层面产状 ，。坝基强风化岩体主要分布于 以上的 断层带上盘内，断层带内砾岩透镜体及泥质板岩条带亦多呈强风化状，岩体较破碎破碎，多呈现碎裂结构，其中泥质板岩遇水易软化，工程性能较差；弱风化岩体则主要分布于 断层带下盘及 ，岩层多呈中厚层厚层状结构，该层岩体层厚较大，卸荷不明显。详见图 。图 大坝右岸 坝段开挖地质展示图坝址区 坝段坝基主要发育较大规模的 断层带，以及宽度多为 的级结构面第 期 柳，等：基于 准则和 法的海外水电工程边坡稳定性评价 等（集中发育于 高程，为 断层带的旁侧构造），其余以、级结构面为主，详见图 。断层 ，建基面揭露产状为 ，深部产状较陡，为 ，宽度约 ，由塑性挤入的泥质板岩条带、砾岩透镜体、构造角砾岩、碎粉岩、断层泥等组成，其中泥质板岩条带厚度一般 ，波状起伏，局部有分叉现象，带内塑性挤压现象较明显，多呈强风化薄片状，遇水极易软化泥化，开挖后有崩解现象；构造角砾岩、碎粉岩和断层泥多较疏松、潮湿，呈破碎质、软化状态，总体胶结较差。开挖揭露该断层主要由 坝段坝基向下游侧展布，在 高程被 断层带终止（见图）。图 右岸 和 断层带构造出露情况 准则估算岩体力学参数根据式（）式（），利用 强度准则可以估计出岩体的黏聚力 、内摩擦角 ，变形模量 。为方便工程应用，目前多采用 软件计算上述参数，如图 所示。图 软件界面（）取值根据 坝段内所有开挖揭露面的地质编录工作，并分别对 断层上盘岩体（）、断层下盘岩体（）典型岩性泥质板岩、粉砂质板岩、砾岩、砂岩等，取岩块试样开展了点荷载试验，试验结果见表 。表 岩石单轴抗压强度试验结果岩性风化程度 砂砾岩强风化 砂砾岩弱风化 砂砾岩微新 粉砂质板岩夹泥质板岩弱风化 粉砂质板岩夹泥质板岩微新 泥质板岩弱风化 泥质板岩微新 断层上盘岩体（砾岩，局部砂质板岩）断层下盘岩体（砾岩夹砂岩）断层带 （）值由于岩体节理发育，结构较差，风化底界浅，采用人工开挖，对岩体扰动程度较小，参考表 相关规定，按 取值。（）取值为常数，采取完整岩块后，在室内采用单轴、三轴压缩试验，可以获取该参数，海外现场无试验设备情况下，可以通过查询相关资料 得到该参数的经验值，坝段不同岩性 取值见表 。表 各类岩石 值岩性值砂砾岩 粉砂质板岩夹泥质板岩 泥质板岩 断层带 （）取值根据文献 等效内摩擦角 和等效黏聚力 计算方法 。()（）由式（），边坡高度取 ，岩体加权重度 ，计算得到 。（）值计算开挖后，在 坝段（见图 ）开展了详细的 评分，统计成果见表 。计算结果根据参数取值，通过 软件计算，得到各类岩体力学参数如表 所示。水利与建筑工程学报第 卷图 现场 统计表 坝段各类岩石 计算值岩性风化程度 值砂砾岩强风化 砂砾岩弱风化 砂砾岩微新 粉砂质板岩夹泥质板岩弱风化 粉砂质板岩夹泥质板岩微新 泥质板岩弱风化 泥质板岩微新 断层带 断层上盘岩体（砾岩，局部砂质板岩）断层下盘岩体（砾岩夹砂岩）表 各类岩体力学参数计算值岩性抗剪断强度 变形模量 强风化砂砾岩 弱风化砂砾岩 微新砂砾岩 弱风化粉砂质板岩夹泥质板岩 微新粉砂质板岩夹泥质板岩 弱风化泥质板岩 微新泥质板岩 断层带 断层上盘岩体 断层下盘岩体 边坡稳定性计算 计算理论主算程序采用中国水利水电科学研究院编制的“边坡稳定分析程序 ”，采用极限平衡 法进行稳定计算分析。法计算简图如图 所示。相关计算公式见式（）式（），假定条块的底面和侧面均达到极限平衡，则可通过静力平衡条件获得临界加速度。（）其中：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为第 条块底面上的有效凝聚力，；为第 条块底面上的有效内摩擦角，（）；为第 条块第 侧面上的有效凝聚力，；为第 条块第 侧面上的有效内摩擦角，（）；为第 条块第 侧面上的有效凝聚力，；为第 条块第 侧面上的有效内摩擦角，（）；为第 条块第 侧面上的孔隙水压力，；为第 条块第 侧面上的孔隙水压力，；为第 条块底面上的孔隙水压力，；为第 条块侧面上的法向力，；为第 条块侧面上的剪力，；为第 条块底面上的法向力，；为第 条块底面上的剪力，；为第 条块第 侧面的倾角，以铅垂线为起始线，顺时针为正，反之为负，（）；为第 条块第 侧面的倾角，以铅垂线为起始线，顺时针为正，反之为负，（）；为第 条块底面与水平面的夹角，（）；第 期 柳，等：基于 准则和 法的海外水电工程边坡稳定性评价为第 条块底面水平投影长度，；为第 条块第 侧面的长度，；为第 条块第 侧面的长度，；为水平方向地震临界加速度系数。图 法计算简图 计算荷载在边坡稳定验算时，荷载主要为基本荷载、特殊荷载，具体如下：（）基本荷载：根据本工程实际情况，主要包括自重、水压力和外荷载。自重：边坡岩体不存在外水压力时，浸润线以上应采用天然重度和天然强度，浸润线以下则采用饱和重度和饱和强度。孔隙水压力：（重度）（土条高度）（孔压系数），在正常和地震两种工况下，根据钻探过程确定的地下水位，确定边坡上孔隙水压力及孔压系数。作用在边坡表面的外荷载：主要包括支护结构提供的阻滑力、锚固力等外力。（）特殊荷载：主要为地震荷载、强降雨后边坡孔隙水压力增大等荷载。地震荷载：边坡稳定分析中采用拟静力法，基岩水平向地震加速度可按 考虑。暴雨对孔隙水压力的影响：考虑瞬时集中暴雨滞留下渗效应，假定滑面条分块体下部的 作为饱水状态计算。计算工况实际计算时，考虑三种工况，分别为持久工况（正常运行工况 天然地下水位）；短暂工况（暴雨或水位骤降，孔压系数取 ）；偶然工况（地震作用）。计算条件及参数根据 计算成果，对比中国规范经验值 ，发现基于 的 强度准则估算的 值相差不大，摩擦系数 和变形模量 均偏低。综合分析后，给出岩土体物理力学参数建议值如表 所示。表 综合岩土物理力学参数建议值层号分层名称重度 （）饱和重度 （）抗剪断（抗剪）强度 覆盖层 全风化砾岩、砂岩 强风化砾岩、砂岩 弱风化砾岩、砂岩 微风化及新鲜砾岩、砂岩 断层带 其他断层带 计算剖面选取坝轴线附近顺坡向 剖面及顺河向 剖面作为计算剖面，剖面位置如图 。图 计算剖面位置图 结果分析根据前述计算方法和地质参数，由地质编录资料可知，根据结构面产状与临空面产状之间的关系，并未发现不利的结构面或结构面组合。计算 剖面在上部滑动、下部滑动、整体滑动以及局部滑动情况的稳定性最小安全系数。计算 剖面在沿上部断层带滑动和沿下部断层带滑动情况下的最小安全系数。计算结果见表 。根据南俄 水电站大坝右岸边坡地质条件的实际情况，设计时按持久工况 、短暂工况 、偶然工况 进行控制。计算结果表明：在正常运行工况、水位骤降、暴雨及地震工况下，边坡稳定均满足规范 要求。结论（）海外工程建设中，针对岩体参数的取值，中国规范经验值认可度低，在当地技术条件差，无法开展大规模现场试验时，利用基于 法的 强度准则估算岩体力学参数，是一种可行的方法。水利与建筑工程学报第 卷表 边坡稳定计算成果计算工况持久状况正常运行工况短暂状况水位骤降暴雨偶然状况地震作用备注 剖面 剖面上部滑动 滑弧 下部滑动 滑弧 整体滑动 滑弧 局部滑动 滑弧 上部断层滑动 控制性滑面 上部断层滑动 控制性滑面（）根据 计算成果，对比中国规范经验值，采用基于 法的 强度准则估算的岩体力学参数，估算得到的黏聚力 值和中国规范经验值相差不大，摩擦系数 和变形模量 均偏低。（）通过 法的 强度准则获取的岩体力学参数，结合国内规范经验参数，综合提出边坡稳定性计算参数，对工程坝基边坡在不同工况下代表性剖面的稳定性进行定量计算，计算结果表明：在正常运行工况、水位骤降、暴雨及地震工况下，边坡稳定均满足规范要求。参考文献：杨贤，张晓凤 水电工程岩体变形模量的确定方法 西北水电，（）：朱金龙 海甸峡水电站软岩坝基物理力学参数建议值的选取 西北水电，（）：，柏俊磊 基于 神经网络的岩体力学参数反演及边坡整体稳定分析 西北水电，（）：周念清，杨楠，汤亚绮，等 基于 准则确定核电工程场地岩体力学参数 吉林大学学报（地球科学版），（）：，黄秋枫，胡海浪，李建林 岩体质量参数 ，值确定及其对岩体强度影响研究 西北水电，（）：李鹏 准则在软岩中硬岩坝基岩体力学指标参数选取中的应用 以陕西省延安市龙安水利枢纽工程为例 西北水电，（）：袁永才，王美霞，石少帅，等 基于 准则的山岭隧道围岩力学参数估计 地下空间与工程学报，（）：吴松，魏作安，杨永浩 基于 准则的岩体力学参数估算及其工程应用 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