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摘要：为了对黑龙水电站大坝坝基岩体抗剪强度参数(值)做出确定，进而在大坝的设计，两岸坝肩抗力体的稳定性分析及在分析地下洞室围岩的稳定程度等方面提供依据，根据黑龙水电站坝址区岩体强度试验成果，结合试验点地质特征，对坝基岩体强度特性进行了分析，并合理选取强度标准值，最终确定出坝基岩体抗剪强度参数建议值。
关键词：坝基岩体；抗剪强度；参数取值；黑龙水电站
Abstract: in order to black dragon hydropower station dam foundation rock shear strength parameters (value), and then make a determined in the design of the dam, the dam shoulder resistance body stability analysis and on the analysis of the stability of surrounding rock of underground caverns degree offers a basis, according to the black dragon hydropower station dam site zone rock mass strength test results, with sites geological characteristics of dam foundation rock mass strength characteristics are analyzed, and the reasonable selection standard, and ultimately determine the strength of the dam foundation rock shear strength parameters suggest value.
Keywords: dam foundation rock mass; Shear strength; Parameter selection; Black dragon hydropower station
中圖分类号：TV74文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
一、前言
在大坝的设计过程中，大坝坝基岩体的抗剪强度作为大坝设计时不可或缺的重要数据，在基础处理工程量与工期中产生着很大的影响，并有可能在大坝形态和枢纽布置产生相关作用。在本着经济性好、安全性高的新型优质设计标准下，在客观实际的参数的具体选用上，又一次成为了大坝设计和研究的工作要点。大坝坝基岩体抗剪强度主要包括岩体自身抗剪断强度、混凝土与岩体胶合面抗剪断强度及主要结构面的抗剪强度。通常地，对坝基岩体抗剪强度的获取采用试验值打折的方法，但是由于试验方法(如室内三轴、室内中剪、现场大剪)与岩体特性(岩性、微观与宏观结构)的差异，想要从中建立一个定量的对应关系，可能性是微乎其微的。本文通过对黑龙水电站试验工程实例的分析，比较出试验值与建议值之间的关系，岩性对取值产生着决定性的控制作用，而c值主要受制于岩体结构。混凝土与岩体胶合面的抗剪强度对岩体结构的敏感性较岩体自身抗剪强度弱；坚硬完整岩体、裂隙密集岩体、碎块石体的应力应变特征上的变化，有着较为明显的过渡，因此其取值原则和适应工程的差别性同样有着较多的不同。
二、大坝岩体抗剪强度分析
岩性、结晶状况及岩体结构是影响岩体抗剪强度的主要因素。f值基本上为岩石的一个固有特性，主要与岩石的物质组成(基质或矿物成分、胶结物、颗粒大小等)有关。岩体的f值与抗压强度有较好的对应性，如黑龙水电站大坝板岩的单轴干、湿抗压强度分别为113 MPa～134 MPa和92 MPa～103MPa，岩石抗剪断强度试验值 f ′=1.95～1.98。岩体的c值受制于岩体的微观与宏观结构，即岩石的颗粒特征(成分、大小、形状、结晶)、胶结特征(成分、程度)与结构面特征(密度、充填物、产状)，特别是缓倾角裂隙。
对于岩体抗剪强度试验值的确定，主要是通过室内三轴、中剪、现场大剪这三种方法获取。在试验及工程应用实践表明，f ′值受试验方法的影响较小，但三轴试验的 c′值高出了很多。三轴试验的岩体受力条件与坝基情况有明显的出入，地质建议值及设计采用值多把中剪及现场大剪作为取值一般根据。
按照岩体的试验值提出建议值和设计采用值时，主要考虑的是工程安全裕度需求和尺寸效应及岩块和岩体之间性状所存在的差异。黑龙水电站在工程中的实际应用情况（见表1），因地质条件产生的差异，试验值与建议值之间的差别是显而易见的，工程中两者间的相互关系也有着明显的差别。在通常情况下，岩体抗剪强度建议值可以概化为τ键 =τ试（1−α1−α2−α3），α1为岩体风化修正系数，经验取值范围在0～0.2之间，对火成岩类较显著，对石英砂岩、灰岩等可忽略；α2为岩体完整性修正系数，经验取值范围为0.1～0.4之间；α3为安全裕度修正系数。
表1 云南省绿春县黑龙水电站工程混凝土与岩体抗剪（断）强度取值
通过对黑龙水电站的试验数据比较，可以得出岩体在抗剪强度建议值的确定上，考虑的因素主要有以下的两个方面：一是岩体风化状态，对于微新岩体而言，抗剪强度建议值主要考虑岩体结构因素修正；对于风化岩体而言，则要同时将风化岩体的折减修正和岩体结构修正考虑在内。二是岩体结构类型，对于破碎岩体(裂隙密集带、断层影响带)，应尽可能地采用现场大剪方法，现场大剪试验结果对岩体的实际强度有了一个基本的反映。
混凝土与岩体胶合面的抗剪强度与岩体及混凝土的抗剪强度及胶合面的形态有关。对于完整至较完整岩体，胶合面的抗剪强度通常相当于岩体抗剪强度的 80%～90%；对于完整性差至较差的岩体，胶合面的 f′值大约为岩体 f′值的 90%～110%，c′值约为岩体的90%～100%。当岩体较完整时，剪断面与胶合面多数吻合；而当岩体较破碎时，剪断面多数不沿胶合面形成，而是部分结合在胶合面、部分追随岩体内的结构面，并产生出较大的起伏。正是由于这一原因的出现，使胶合面抗剪强度与岩体结构之间的关系呈现出两个明显的特征：其一是在岩体破碎程度的不断提高过程中，胶合面抗剪强度与岩体抗剪强度之间的差别逐渐减小；其二破碎岩体与混凝土的胶合面抗剪强度接近甚至超过岩体自身的抗剪强度，这一点无论是工程应用还是试验成果都给出了证明。这表明岩体破碎到一定程度后，岩体与混凝土的胶合面不再是大坝稳定性的控制边界。
三、 岩体结构对应力应变及抗剪强度的影响
岩体结构是决定岩体变形特性的关键因素，也是影响岩体抗剪强度的重要因素。坚硬完整岩体呈现典型的弹性变形，碎块石堆积体呈现典型的压缩、不可逆变形。由于结构面的参与，岩体与岩块可能出现相差悬殊的应力应变特征。黑龙水电站的板岩岩块强度高，其应力应变关系呈现较典型的弹性特征，然而现场大量的声波测试和变形试验却给出了极不相称的结果：微新状岩体波速 4 000 m/s～5500 m/s，弱风化岩体波速2500 m/s～4500m/s，变形模量2 GPa～10GPa，即形成奇特的高强度低变形模量现象。通过对云南的多处现场调查后发现，黑龙水电站的板岩不仅显性裂隙十分发育，隐性裂隙也极其发育，并同时形成了地下热水的储存地和径流通道。
黑龙水电站岩体现场大剪σ-τ曲线呈现出明显的非线性趋势，曲线斜率由陡变缓，反映岩体的抗剪强度最初主要由岩块间的摩阻引起，随着正应力的提高和岩块嵌合逐渐紧密，岩块的c值作用逐渐增大。这种非线性现象与岩体的破碎程度密切相关，因而在裂隙密集带中比弱上岩体表现得更为突出。从图1还可以看到，黑龙水电站弱上岩体的抗剪强度比弱下带裂隙密集带岩体的抗剪强度高，表明对于坚硬、抗风化、硬性结构面为主的岩体(如石英砂岩、灰岩等)，岩体块度是影响抗剪强度的关键所在。因而在确定大坝坝基面时，可以针对坝高和坝型，应有选择地使用部分弱风化(甚至弱上) ，但相对较完整的岩体。
大坝坝基面的开挖设计过程中，时常会有岩体破碎需要加大挖深问题的出现，而且这给工程量、工期、枢纽布置和施工方案的确定上造成了被动的局面。从三轴试验与单轴试验的差异及抗剪强度与正应力的关系可以看出，岩体的抗剪强度与受力条件关系极大。当坝基面达到一定深度时，岩体的受力环境将逐渐由单轴向三轴转化，抗剪强度也将会出现显著提高，因此提高坝基岩体的围压是充分挖掘岩体自身强度的有效途径。在实际工程应用中，可在有效应力的提高上利用地下排水、基坑的提高上利用垂向应力回填开挖得以实现。
四、结束语
在选取岩体抗剪强度的建议值时，首先根据岩性、岩体结构做出折减，当岩体较完整时，混凝土与岩体胶合面的抗剪强度是大坝抗滑稳定的控制边界。当岩体破碎到一定程度后，胶合面的抗剪强度将接近甚至超过岩体自身的抗剪强度，这时胶合面不再是大坝抗滑稳定的边界。坚硬岩体的块度对抗剪强度具有决定性的作用，裂隙风化这时成为第二位的因素。破碎岩体的抗剪强度由岩块间的摩擦和岩块的c 值构成，提高岩体的围压是充分调动破碎岩体抗剪强度的关键。本文提供了坝基岩体参数论证选择较为系统的研究思路与方法，对于同类工程的生产实践具有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]曾纪全,贺如平,王建洪等.岩体抗剪强度试验成果整理及参数选取[J].地下空间与工程学报,2006(02).
[2]胡卸文,黄润秋,徐志文.西南某电站坝区岩体强度参数选取的工程地质研究[J].水文地质工程地质,1996(01).
[3]田野.碎块体的力学性质[A].见:王德厚.长江科学院科技论文精选[C].北京:中国科学技术出版社,2001.
关键词：坝基岩体；抗剪强度；参数取值；黑龙水电站
Abstract: in order to black dragon hydropower station dam foundation rock shear strength parameters (value), and then make a determined in the design of the dam, the dam shoulder resistance body stability analysis and on the analysis of the stability of surrounding rock of underground caverns degree offers a basis, according to the black dragon hydropower station dam site zone rock mass strength test results, with sites geological characteristics of dam foundation rock mass strength characteristics are analyzed, and the reasonable selection standard, and ultimately determine the strength of the dam foundation rock shear strength parameters suggest value.
Keywords: dam foundation rock mass; Shear strength; Parameter selection; Black dragon hydropower station
中圖分类号：TV74文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
一、前言
在大坝的设计过程中，大坝坝基岩体的抗剪强度作为大坝设计时不可或缺的重要数据，在基础处理工程量与工期中产生着很大的影响，并有可能在大坝形态和枢纽布置产生相关作用。在本着经济性好、安全性高的新型优质设计标准下，在客观实际的参数的具体选用上，又一次成为了大坝设计和研究的工作要点。大坝坝基岩体抗剪强度主要包括岩体自身抗剪断强度、混凝土与岩体胶合面抗剪断强度及主要结构面的抗剪强度。通常地，对坝基岩体抗剪强度的获取采用试验值打折的方法，但是由于试验方法(如室内三轴、室内中剪、现场大剪)与岩体特性(岩性、微观与宏观结构)的差异，想要从中建立一个定量的对应关系，可能性是微乎其微的。本文通过对黑龙水电站试验工程实例的分析，比较出试验值与建议值之间的关系，岩性对取值产生着决定性的控制作用，而c值主要受制于岩体结构。混凝土与岩体胶合面的抗剪强度对岩体结构的敏感性较岩体自身抗剪强度弱；坚硬完整岩体、裂隙密集岩体、碎块石体的应力应变特征上的变化，有着较为明显的过渡，因此其取值原则和适应工程的差别性同样有着较多的不同。
二、大坝岩体抗剪强度分析
岩性、结晶状况及岩体结构是影响岩体抗剪强度的主要因素。f值基本上为岩石的一个固有特性，主要与岩石的物质组成(基质或矿物成分、胶结物、颗粒大小等)有关。岩体的f值与抗压强度有较好的对应性，如黑龙水电站大坝板岩的单轴干、湿抗压强度分别为113 MPa～134 MPa和92 MPa～103MPa，岩石抗剪断强度试验值 f ′=1.95～1.98。岩体的c值受制于岩体的微观与宏观结构，即岩石的颗粒特征(成分、大小、形状、结晶)、胶结特征(成分、程度)与结构面特征(密度、充填物、产状)，特别是缓倾角裂隙。
对于岩体抗剪强度试验值的确定，主要是通过室内三轴、中剪、现场大剪这三种方法获取。在试验及工程应用实践表明，f ′值受试验方法的影响较小，但三轴试验的 c′值高出了很多。三轴试验的岩体受力条件与坝基情况有明显的出入，地质建议值及设计采用值多把中剪及现场大剪作为取值一般根据。
按照岩体的试验值提出建议值和设计采用值时，主要考虑的是工程安全裕度需求和尺寸效应及岩块和岩体之间性状所存在的差异。黑龙水电站在工程中的实际应用情况（见表1），因地质条件产生的差异，试验值与建议值之间的差别是显而易见的，工程中两者间的相互关系也有着明显的差别。在通常情况下，岩体抗剪强度建议值可以概化为τ键 =τ试（1−α1−α2−α3），α1为岩体风化修正系数，经验取值范围在0～0.2之间，对火成岩类较显著，对石英砂岩、灰岩等可忽略；α2为岩体完整性修正系数，经验取值范围为0.1～0.4之间；α3为安全裕度修正系数。
表1 云南省绿春县黑龙水电站工程混凝土与岩体抗剪（断）强度取值
通过对黑龙水电站的试验数据比较，可以得出岩体在抗剪强度建议值的确定上，考虑的因素主要有以下的两个方面：一是岩体风化状态，对于微新岩体而言，抗剪强度建议值主要考虑岩体结构因素修正；对于风化岩体而言，则要同时将风化岩体的折减修正和岩体结构修正考虑在内。二是岩体结构类型，对于破碎岩体(裂隙密集带、断层影响带)，应尽可能地采用现场大剪方法，现场大剪试验结果对岩体的实际强度有了一个基本的反映。
混凝土与岩体胶合面的抗剪强度与岩体及混凝土的抗剪强度及胶合面的形态有关。对于完整至较完整岩体，胶合面的抗剪强度通常相当于岩体抗剪强度的 80%～90%；对于完整性差至较差的岩体，胶合面的 f′值大约为岩体 f′值的 90%～110%，c′值约为岩体的90%～100%。当岩体较完整时，剪断面与胶合面多数吻合；而当岩体较破碎时，剪断面多数不沿胶合面形成，而是部分结合在胶合面、部分追随岩体内的结构面，并产生出较大的起伏。正是由于这一原因的出现，使胶合面抗剪强度与岩体结构之间的关系呈现出两个明显的特征：其一是在岩体破碎程度的不断提高过程中，胶合面抗剪强度与岩体抗剪强度之间的差别逐渐减小；其二破碎岩体与混凝土的胶合面抗剪强度接近甚至超过岩体自身的抗剪强度，这一点无论是工程应用还是试验成果都给出了证明。这表明岩体破碎到一定程度后，岩体与混凝土的胶合面不再是大坝稳定性的控制边界。
三、 岩体结构对应力应变及抗剪强度的影响
岩体结构是决定岩体变形特性的关键因素，也是影响岩体抗剪强度的重要因素。坚硬完整岩体呈现典型的弹性变形，碎块石堆积体呈现典型的压缩、不可逆变形。由于结构面的参与，岩体与岩块可能出现相差悬殊的应力应变特征。黑龙水电站的板岩岩块强度高，其应力应变关系呈现较典型的弹性特征，然而现场大量的声波测试和变形试验却给出了极不相称的结果：微新状岩体波速 4 000 m/s～5500 m/s，弱风化岩体波速2500 m/s～4500m/s，变形模量2 GPa～10GPa，即形成奇特的高强度低变形模量现象。通过对云南的多处现场调查后发现，黑龙水电站的板岩不仅显性裂隙十分发育，隐性裂隙也极其发育，并同时形成了地下热水的储存地和径流通道。
黑龙水电站岩体现场大剪σ-τ曲线呈现出明显的非线性趋势，曲线斜率由陡变缓，反映岩体的抗剪强度最初主要由岩块间的摩阻引起，随着正应力的提高和岩块嵌合逐渐紧密，岩块的c值作用逐渐增大。这种非线性现象与岩体的破碎程度密切相关，因而在裂隙密集带中比弱上岩体表现得更为突出。从图1还可以看到，黑龙水电站弱上岩体的抗剪强度比弱下带裂隙密集带岩体的抗剪强度高，表明对于坚硬、抗风化、硬性结构面为主的岩体(如石英砂岩、灰岩等)，岩体块度是影响抗剪强度的关键所在。因而在确定大坝坝基面时，可以针对坝高和坝型，应有选择地使用部分弱风化(甚至弱上) ，但相对较完整的岩体。
大坝坝基面的开挖设计过程中，时常会有岩体破碎需要加大挖深问题的出现，而且这给工程量、工期、枢纽布置和施工方案的确定上造成了被动的局面。从三轴试验与单轴试验的差异及抗剪强度与正应力的关系可以看出，岩体的抗剪强度与受力条件关系极大。当坝基面达到一定深度时，岩体的受力环境将逐渐由单轴向三轴转化，抗剪强度也将会出现显著提高，因此提高坝基岩体的围压是充分挖掘岩体自身强度的有效途径。在实际工程应用中，可在有效应力的提高上利用地下排水、基坑的提高上利用垂向应力回填开挖得以实现。
四、结束语
在选取岩体抗剪强度的建议值时，首先根据岩性、岩体结构做出折减，当岩体较完整时，混凝土与岩体胶合面的抗剪强度是大坝抗滑稳定的控制边界。当岩体破碎到一定程度后，胶合面的抗剪强度将接近甚至超过岩体自身的抗剪强度，这时胶合面不再是大坝抗滑稳定的边界。坚硬岩体的块度对抗剪强度具有决定性的作用，裂隙风化这时成为第二位的因素。破碎岩体的抗剪强度由岩块间的摩擦和岩块的c 值构成，提高岩体的围压是充分调动破碎岩体抗剪强度的关键。本文提供了坝基岩体参数论证选择较为系统的研究思路与方法，对于同类工程的生产实践具有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]曾纪全,贺如平,王建洪等.岩体抗剪强度试验成果整理及参数选取[J].地下空间与工程学报,2006(02).
[2]胡卸文,黄润秋,徐志文.西南某电站坝区岩体强度参数选取的工程地质研究[J].水文地质工程地质,1996(01).
[3]田野.碎块体的力学性质[A].见:王德厚.长江科学院科技论文精选[C].北京:中国科学技术出版社,2001.