奋斗水电站花岗岩原位试验研究

范 永，洪文彬

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130061）

0 引言

随着中国经济的快速发展，各类能源和基础设施建设的步伐正在加快。露天开采、能源、交通、水利水电工程等领域的区域稳定性，往往对整个工程的安全性、可行性和经济性起着控制作用[1,2]。

坝基岩体的强度和完整性是影响大坝安全的关键因素之一[3]，合理确定坝基岩体力学参数是大坝工程稳定分析和安全评价的基础。现场岩石试验是研究岩体变形破坏机理、评价工程岩体力学性质和解决复杂岩体工程问题的主要方法。

1 研究区概况

奋斗水库行政区划属于黑龙江省穆棱市，距穆棱镇东南14.10 km的穆棱河干流上游，水库为大（2）型水库，属Ⅱ等工程。正常蓄水位为382.00 m，死水位为362.00 m，设计洪水位为383.80 m，校核洪水位为385.85 m，死库容为0.12×108m3，设计总库容为1.65×108m3，水库总库容为1.91×108m3。

试验选择在有花岗岩出露的区域进行。工程区揭示的侵入岩主要为华力西中晚期侵入岩（γ42-3），花岗岩与硅化碎裂黑云母二长花岗岩在坝轴线部位相间分布，花岗岩主要分布于坝址左坝肩至0+228及0+280~0+379，在右坝肩零星分布。

试验区域揭露地层为弱风化的花岗岩，为古生界华力西中晚期，其中花岗岩为灰色，中粒结构，块状构造，主要由斜长石、钾长石和石英组成，中硬，主要发育陡倾角节理，岩体较完整-较破碎。与建基面相比，无论是岩体质量还是埋藏深度，试验区域的岩体均弱于建基面的岩体，对坝基变形、抗滑稳定和渗流稳定有较大影响。下文旨在研究右坝肩花岗岩基面上的剪切特征。

2 方法

2.1 仪器及设备

研究所使用的主要仪器及设备包括试样处理设备、反作用力装置、法向载荷系统、剪切载荷系统、测量系统及校正系统。其中，反力装置采用锚杆提供反力荷载。

2.2 试验区清理

1）试验场地处理

为了准确选取具有代表性的试验段及试验点，需对试验场地开挖遗留的碎石进行清理，清理方式采用机械清理和人工清理的方式。

2）直剪试验处理

水平推进法是用于岩体直剪试验的方法。在试验过程中，施加在试样上的法向载荷方向与剪切面垂直，试样的推力方向与预定的剪切方向一致。样品周围的岩石表面平整，与预定的剪切面在同一平面上。根据试样的加工要求，为了减少试样的干扰，该研究采用了分步处理的方法，总共设立了5个测试点，具体处理方法参照DL/T 5368-2007《水电水利工程岩石试验规程》。

2.3 岩体直剪试验

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，其表达式：

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

在人工浸水条件下，采用水平推进法进行岩体直剪试验。剪切荷载方向与工程水推力方向基本一致。根据采集的数据，奋斗水电站工程地基应力为1.44 MPa。因此，该研究等分5级，相差0.29 MPa。初步确定各级应力分别为0.29，0.58，0.86，1.15，1.44 MPa。实际的正常载荷随试样的面积而变化，但它不影响最终的试验结果（参考）。通过不同法向应力下的试验，得到相应的剪应力，进而得到抗剪强度的力学参数。根据DL/T 5368-2007对试验结果进行综合分类，绘制相应的曲线图，并列出试验成果。

3 抗剪试验结果

直剪试验设置编号为Yτ02-01~Yτ02-05的5个测试点，图1显示了各点的剪应力和剪切位移的关系曲线。在整理试验结果的过程中，综合分析岩石剪切面特征的基础上，采用最小二乘法确定岩石峰值的剪切力及其相应的强度参数。试验结果见表1，法向应力-剪应力的拟合曲线见图2和图3。

图1 剪应力和剪切位移的关系曲线

根据Yτ02试验数据，结合图1和试验后剪切面性状的描述，可知剪切破坏模式为脆性破坏，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。根据图2，3可知，虽受断层、节理、裂隙分布的影响，下覆基岩剪切面局部有差别，致使部分试验点略有偏差，如Yτ02-01从现场试验点的照片和地质素描图可知，这两个试验点试件内部节理裂隙发育，Yτ02-01点共有5条节理裂隙穿过，试验后测试点破碎，因此，这个试验点结果较小，但整体能够代表该段岩体破坏特征。

图2 抗剪断正应力-剪应力曲线

4 结语

了解花岗岩的剪切变形特性对水电工程具有重要意义。在此次岩体抗剪试验中，对奋斗水电站右坝肩花岗岩进行了一组5个试验点的岩体抗剪试验，各试验点的变形规律基本符合实测岩体的实际情况。但由于地质构造和岩性分布等原因，试验断面的选择和试验点的布置受到限制。因此，试验结果在整个工程范围内的宏观表述具有一定的局限性。