亭子口電站結構面抗剪強度試驗及成果分析

肖本職

（長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室（重慶中心），重慶 400014）

亭子口電站結構面抗剪強度試驗及成果分析

肖本職

（長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室（重慶中心），重慶 400014）

亭子口水利樞紐工程壩址區位于紅層沉積巖體內，存在較多的各類結構面。通過對21組各類結構面進行原位直剪試驗，揭示了各結構面的抗剪強度特性。同時通過算術平均值以及圖解2種方法對各類結構面抗剪強度參數分別進行統計，所得到的統計成果總體相近。成果除可供本工程設計取值外，對于其它類似工程也具有較好的參考價值。

亭子口電站；結構面；抗剪強度；直剪試驗

1 工程背景

亭子口電站是嘉陵江干流梯級開發中的控制性樞紐工程，下距四川省蒼溪縣城15 km，兼具防洪、灌溉、發電、航運等綜合效益。樞紐工程主要包括大壩、廠房、升船機及灌渠首部等建筑物。設計為混凝土重力壩，壩頂高程466 m，壩軸線長1 108 m，最大壩高110 m［1］。

亭子口電站壩址出露地層為白堊系下統蒼溪組砂巖、粉砂巖、黏土巖，總厚度480 m，為軟硬相間不等厚的紅層巖體，巖體中分布有軟弱夾層。壩區下臥基巖為砂巖與泥巖軟硬相間的互層巖體，相變頻繁，壩基巖體以砂巖為主。在壩軸線左岸壩肩部位存在一古滑坡堆積體——大圓包崩滑體。該崩滑體體積較大，土體厚度較深，目前處于整體穩定狀態，僅前緣局部在暴雨時有少量滑移［1］。

亭子口電站工程勘察設計中將主要面臨4大巖土力學問題，即壩基抗滑穩定問題、變形穩定問題、高邊坡穩定問題以及大圓包崩滑體的處理與利用問題［2］。根據工程中需要解決的巖土力學問題，針對壩址區接露出的各種巖性及地質特征，對亭子口水利樞紐壩址區展開了一系列工程巖石（土）的物理力學性試驗研究。在上述主要的4個巖土力學問題中，各類結構面的抗剪特性直接涉及到壩基抗滑穩定問題、高邊坡穩定問題以及大圓包崩滑體的處理與利用問題。因此，各類結構面的抗剪特性參數是該樞紐工程的關鍵性參數。

亭子口電站壩址區主要存在且應重點關注的結構面有：①巖體層面；②Ⅱ類夾層（軟弱夾層），夾層主要為紫紅色黏土巖，薄層狀，厚2～5 cm，局部泥化；③Ⅲ類夾層（泥化夾層），夾層主要為紫紅色黏土巖，部分含灰綠色，薄層狀，厚2～5 cm，夾層面泥膜連續；④大圓包崩滑體原滑面。

針對上述各類結構面，從預可研階段到技術施工設計階段，共對21組各類結構面進行了原位直剪試驗。

2 試驗方法

對于巖體結構面，試驗按照行業標準《水利水電工程巖石試驗規程》（SL264—2001）［3］執行。根據平洞揭露的情況，沿結構面走向開挖試驗支洞。開挖試驗支洞時，其底板高出結構面50～60 cm，并打防震孔，減少爆破開挖對結構面的擾動。用人工制成長50 cm×寬50 cm×高35 cm的方形試體，剪切面積2 500 cm2左右，在剪切面預留2 cm，留出預剪口，立模并充填高強水泥砂漿。安裝法向和切向加荷系統及測量系統進行直剪試驗。試驗采用平推法，法向應力垂直作用于結構面，試驗最大法向應力按照工程設計應力的1.2倍施加，但以不破壞結構面性狀為原則按等差級數分別施加于各個試體上。試驗時，先對每個試體分3級施加預定法向應力且達到相對穩定后，再施加剪切應力。剪應力順結構面傾向而平行作用于結構面，且與法向應力垂直正交于剪切面中心。先進行抗剪斷試驗，然后在相同法向應力作用下進行剪切（摩擦）試驗。在整個試驗過程中，始終保持法向應力不變。試驗結束后，翻開試體進行地質描述和照像，描述結構面的性狀，充填物的性質、厚度、泥化程度及量測剪切面的起伏差、確定有效剪切面積。

對于大圓包崩滑體滑面，試驗按照《土工試驗規程》（SL237—1999）［4］執行。試驗分別在勘探平洞、勘探豎井以及地表探槽內進行。剪切面積為2 500 cm2左右。在人工修整好的試體周邊套上剪切盒，剪切盒與試樣之間的小縫隙填充土體。試驗采用平推法，剪切應力方向與滑坡推力方向一致。施加法向壓力后，讓土體在此壓力下進行壓縮。當壓縮變形達到相對穩定后，架設測試水平位移的百分表，并施加剪切應力。在整個剪切試驗過程中，始終保持法向壓力不變，最大垂直壓力按滑體上覆自重考慮。試驗結束后，翻開試體進行地質描述，描述土體的性狀及成份，并量測剪切面的起伏差、確定有效剪切面積。

3 試驗成果

3.1 成果整理方法

根據實測最大剪應力荷載值（峰值）、所施加正應力荷載值以及實測有效剪切面積，分別按式（1）、式（2）計算各試點法向應力和剪應力。

式中：σ為作用于剪切面上的法向應力（MPa）；τ為作用于剪切面上的剪應力（MPa）；p1，p2為作用于剪切面上的法向和切向載荷（N）；A為有效剪切面面積（mm）。

在τ－σ坐標系內繪制法向應力與剪應力強度關系曲線，建立庫侖方程，即

根據庫侖方程（3）確定其直剪強度參數值。

3.2 試驗成果整理

亭子口電站壩址區共完成各類結構面、滑面抗剪試驗21組，歷時10余年。其中壩址區各類巖體結構面16組，大圓包崩滑體滑面5組。在壩址區所完成的16組結構面直剪試驗中，巖體層面7組；Ⅱ類夾層3組；Ⅲ類夾層6組。由于亭子口電站壩址區下臥基巖為白堊系下統蒼溪組砂巖、粉砂巖、黏土巖互層巖體，軟硬相間，相變頻繁。因此巖體層面包括了巖屑砂巖／黏土巖、長石砂巖／黏土巖、長石砂巖／泥質粉砂巖、粉砂巖／黏土巖以及它們之間的上下盤互換等。為了便于統計分析，又將巖體層面總體劃分為硬巖／軟巖和軟巖／軟巖2個類別。硬巖／軟巖共進行了5組直剪試驗，軟巖／軟巖共進行了2組直剪試驗。

由于亭子口電站現場巖石力學試驗跨越了該項目建設過程的各個階段，試驗成果分散于各個階段的試驗報告中，將文獻［5－8］中巖體結構面試驗成果統計得到表1，將文獻［5］和文獻［9］中大圓包崩滑體滑面試驗成果統計得到表2。各類結構面直線試驗成果算術平均統計結果見表3，作圖法統計結果見表4。

4 分析及結語

表1、表2客觀真實地反映了亭子口電站壩址區各結構面直剪試驗的原貌，具有較好的代表性，同時也具有一定的離散性［10］。為了較全面地了解亭子口電站壩址區各類結構面的抗剪強度特性，需對各類結構面試驗成果作一個再統計再分析。

對于抗剪強度參數f，c值，有2種統計方法。一種是將f和c值分別進行直接算術平均（算術平均值法）［11］。另一種方法是將得到每一個f，c值的所有法向應力與剪應力峰值點重新建立庫侖方程，再根據新的庫侖方程式（3）確定直剪強度綜合參數值（作圖法）。

用第一種方法（算術平均值法）統計表1、表2得到表3。用第二種方法（作圖法）統計表1、表2得到表4。表3和表4存在一定差異，但總體上相近，都較好地反映出了各類結構面的抗剪強度特性。

通過表1、表2較全面較詳細地了解了各結構面的抗剪強度特性后，再通過表3或者表4或者結合表3及表4，即可進行各類結構面抗剪強度參數的地質建議值（或設計采用值）取值。由于影響結構面抗剪強度的因素很多而且復雜，在進行設計取值時還必須結合其它因素進行綜合考慮［12］，包括：建筑物等級、試驗成果的地質代表性、試驗及資料整理過程中的影響因素、工程類比情況等。

表1 巖體結構面直剪試驗成果Table 1 Results of direct shear tests on structural p lanes

表2 大圓包崩滑體滑面直剪試驗成果Table 2 Results of direct shear tests on the slip surface of Dayuanbao slidemass

表3 各類結構面直剪試驗成果算術平均統計結果Table 3 Statistics of direct shear test results of structural p lanes by m eans of arithmetic m ean value

表4 各類結構面試驗成果作圖法統計結果Table 4 Statistics of direct shear test results of structural p lanes by means of diagram s

［1］ 長江水利委員會.嘉陵江亭子口水利樞紐可行性研究報告——工程地質［R］.武漢：長江水利委員會，1995.（Changjiang Water Resources Commission.Report on the Feasibility of Tingzikou Hydraulic Project on Jial ing River：Engineering Geology［R］.Wuhan：Changjiang Water Resources Commission，1995.（in Chinese））

［2］ 何沛田，肖本職，吳相超.嘉陵江亭子口水利樞紐巖石力學試驗研究綜合報告［R］.武漢：長江科學院，

2007.（HE Pei tian，XIAO Ben zhi，WU Xiang chao. Comprehensive Report on Rock Mechanics Tests for Ting zikou Hydraulic Project in Jialing River［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2007.（in Chinese））

［3］ SL264—2001，水利水電工程巖石試驗規程［S］.北京：中國水利水電出版社，2001.（SL264—2001，Specifica tion for Rock Tests in Water Conservancy and Hydroelec tric Power Engineering［S］.Beijing：China Water Power Press，2001.（in Chinese））

［4］ SL237—1999，土工試驗規程［S］.北京：中國水利水電出版社，1999.（SL237—1999，Specification of Soil Test［S］.Beijing：China Water Power Press，1999.（in Chinese））

［5］ 肖本職，何沛田，劉將忠.嘉陵江亭子口水利樞紐初步設計階段巖石力學試驗研究報告（一）［R］.武漢：長江科學院，2006.（XIAO Ben zhi，HE Pei tian，LIU Jiang zhong.Research Report of Rock Mechanics Tests for Tingzikou Hydraulic Project on Jialing River in Con ceptual Design Stage（1）［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2006.（in Chinese））

［6］ 肖本職，何沛田，劉將忠.嘉陵江亭子口水利樞紐初步設計階段巖石力學試驗研究報告（二）［R］.武漢：長江科學院，2007.（XIAO Ben zhi，HE Pei tian，LIU Jiang zhong.Research Report of Rock Mechanics Tests for Tingzikou Hydraulic Project on Jialing River in Con ceptual Design Stage（2）［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2007.（in Chinese））

［7］ 肖本職，何沛田，劉將忠.嘉陵江亭子口水利樞紐初步設計階段巖石力學補充試驗報告［R］.武漢：長江科學院，2008.（XIAO Ben zhi，HE Pei tian，LIU Jiang zhong.Supplementary Report of Rock Mechanics Tests for Tingzikou Hydraulic Project on Jialing River in Con ceptual Design Stage［R］.Wuhan：Yangtze River Scien tific Research Institute，2008.（in Chinese））

［8］ 郭喜峰，劉將忠.亭子口水利樞紐技施設計階段壩區巖體結構面原位直剪試驗研究報告［R］.武漢：長江科學院，2011.（GUO Xi feng，LIU Jiang zhong.Re search Report of In situ Shearing Tests for Structural Plane in Dam Site of Tingzikou Power Station in Detailed Design Stage［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Re search Institute，2011.（in Chinese））

［9］ 肖本職，劉將忠.嘉陵江亭子口水利樞紐大圓包崩滑體滑面抗剪補充試驗報告［R］.武漢：長江科學院，

2009.（XIAO Ben zhi，LIU Jiang zhong.Supplementary Report of Shearing Tests for Slide Planes of Dayuanbao Slide Mass for Tingzikou Hydraulic Projecton Jialing Riv er［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Insti tute，2009.（in Chinese））

［10］肖本職，何沛田，劉將忠，等.亭子口水電站大圓包崩滑體滑面抗剪強度參數確定［J］.地下空間與工程學報，2008，4（6）：1091－1096.（XIAO Ben zhi，HE Pei tian，LIU Jiang zhong，et al.Determination of Shear Strength Parameters of Slide Surface of Dayuanbao Slide Mass at Tingzikou Power Station［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2008，4（6）：1091－1096.（in Chinese））

［11］鄭穎人，時衛民，劉文平，等.三峽庫區滑坡穩定性分析中幾個問題的研究［J］.重慶建筑，2005，（6）：37－ 42.（ZHENG Ying ren，SHIWei min，LIUWen ping，et al.Study on Some Engineering Problems of Slope Stabili ty Analysis in Three Georges Reservoir Zone［J］.Chongqing Architecture，2005，（6）：37－42.（in Chi nese））

［12］梁俊勛，覃再肯.南寧市某滑坡的滑動成因及滑面抗剪強度指標的確定［J］.城市勘測，2006，（2）：67－70.

（LIANG Jun xun，QIN Zai ken.Analyzing the Cause of a Slope Sliding in Nanning City and Determining the Shear Strength Parameters of the Sliding Surface［J］.Ur ban Geotechnical Investigation＆Surveying，2006，（2）：67－70.（in Chinese） ）

（編輯：姜小蘭）

Tests and Result Analysis on the Shear Strength of Structural Planes at Tingzikou Hydropower Station

XIAO Ben zhi
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources（Chongqing Center），Yangtze River Scientific Research Institute，Chongqing 400014，China）

The dam site of Tingzikou Power Station is located in red bed sedimentary rocks area，and there aremany structural planes in this area.Through in situ direct shear tests on 21 sets of typical structural planes，the shear strength properties of the structural planes were revealed.Furthermore，statistics of the shear strength parameters were obtained bymeans of arithmeticmean value and diagram.The statistical results by the twomethods are similar in general.The research findings not only serve as the basis for the design of this project，but also could be taken as reference for other similar projects.

Tingzikou power station；structural plane；shear strength；direct shear tests

TU45

A

1001－5485（2013）11－0043－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2013.12.008

2012－11－29；

2013－01－17

肖本職（1966－），男，重慶墊江人，高級工程師，主要從事巖石物理力學試驗、檢測及地應力測量等方面的工作，（電話）023－88192720（電子信箱）benzhi＿xiao＠126.com。