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1、收稿日期： 作者简介：李维树(1963)，男，1992 年毕 业 于 武 汉 水 利 电 力 学 院 自 动 化 专 业 ， 现 任 高 级 工 程 师 ， 主 要 从 事 岩 土 力 学 试 验 研 究 方 面 的 工 作 。 E-mail： lws_大湾组页岩工程力学性质试验研究李维树 谭新 乐俊义(水利部岩土工程重点试验室；3.长江科学院 重庆岩基研究中心，重庆 400014)摘要：大 湾 组 页 岩 为 乌 江 银 盘 水 电 站 大 坝 基 础 的 主 要 持 力 岩 体 ， 本 文 对 预 可 研 和 可 研 阶 段 现 场 和 室 内 试 验 研 究 成 果 进行 了 归 纳 总
2、 结 ， 从 试 点 的 地 质 代 表 性 、 页 岩 的 破 坏 形 态 、 各 向 异 性 特 征 、 受 力 方 向 与 岩 层 之 间 作 用 关 系 ， 大 面 积 岩体 的 声 学 特 征 等 方 面 进 行 分 析 了 页 岩 的 变 形 特 性 、 岩 体 及 混 凝 土 与 岩 体 接 触 面 剪 切 强 度 特 性 、 页 岩 的 声 学 特 性 。 提 出了 页 岩 的 工 程 力 学 参 数 建 议 值 。关键词：乌江银盘水电站；大湾组页岩；工程力学性质；参数建议值1 前 言乌 江 银 盘 水 电 站 是 乌 江 干 流 开 发 的 第 11 梯 级 ，位 于 重 庆
3、 市 武 隆 县 境 内 。 主 要 由 挡 水 建 筑 物 （ 大 坝 ）、泄 水 建 筑 物 、 电 站 厂 房 和 通 航 建 筑 物 组 成 。 大 坝 为混 凝 土 重 力 坝 ， 最 大 坝 高 78.5m， 坝 顶 长 约 600m，电 站 装 机 容 量 600MW。 通航建筑物规模为 500t 级船闸。该 工 程 地 层 主 要 为 奥 陶 系 五 峰 组 、 临 湘 组 、 宝塔 组 、 十 字 铺 组 、 大 湾 组 、 红 花 园 组 、 分 乡 组 。 坝址 区 内 岩 体 软 硬 相 间 ， 层 理 明 显 ， 斜 向 谷 ， 断 层 、裂 隙 和 软 弱 结 构
4、面 比 较 发 育 。 大 湾 组 岩 层 总 厚 度233.9m， 其 中 （ O1d1） 厚 度 99.2m， 为 灰 绿 色 页 岩 夹薄 中 厚 层 含 泥 质 灰 岩 ， 上 部 夹 少 量 粉 砂 岩 ；（ O1d3） 厚 113.0m， 为 灰 灰 绿 色 页 岩 、 砂 岩 、 长石 石 英 砂 岩 及 少 量 薄 层 含 泥 质 灰 岩 ， 长 石 石 英 砂 岩及 砂 岩 相 变 较 大 。 该 工 程 岩 石 力 学 问 题 主 要 有 以 下三 个 方 面 1：（ 1） 软 硬 相 间 岩 体 变 形 稳 定 问 题 ： 软 岩 类 岩 层有 O1d1-3 、 O1d3
5、1 、O 3w及 S1Ln页岩层，硬岩类岩层有 O1d2、O 1d32 、O 1d33 、O 23 灰岩、砂岩。页岩在坝基出露长度约 378m，占大坝长度的 63。因此软岩的变形及软 硬 相 间 岩 体 不 均 匀 变 形 问 题 较 为 突出 ；（2）大坝深层抗滑稳定问题：大坝建基岩体主要由软岩和硬岩互层组成，页岩占有相当大的比例。坝 基 岩 层 倾向右岸偏下游，倾角 40，河流流向SW213，与岩层走向夹角 25,岩层向下游视倾角 22，岩体中发育 11 条类泥化剪切带，27 条 1类破碎夹泥剪切带，32 条 2类破碎剪切带，大坝存在深 层 抗 滑 稳 定 问 题 。（ 3） 高 边 坡
6、抗 滑 稳 定 问 题 ： 左 岸 人 工 边 坡 最 高达 118m， 其 中 左坝肩上游边坡 为 O1d 页岩，岩层走向 358，倾向 SW，倾角 39，为斜交顺向坡，边坡整体稳定性差。右 岸 人 工 边 坡 最 高 达 156m， 整体上为斜交逆向坡，边坡稳定主要由顺坡向发育的f1 断层和 NNE 组反倾向裂隙控制。预 可 行 性 研 究 阶 段 主 要 进 行 了 一 定 数 量 室 内 岩石 物 理 力 学 性 质 试 验 ， 但 页 岩 成 样 条 件 差 ， 遇 水 易崩 解 及 风 化 ， 岩 石 的 变 形 及 强 度 参 数 较 低 。 可 行 性研 究 阶 段 主 要 针
7、 对 各 个 地 层 岩 性 在 8 个 勘 探 平 洞 中开 展 了 岩 体 变 形 特 性 、 混 凝 土 与 基 岩 及 岩 体 本 身 的直 剪 强 度 、 剪 切 带 、 断 层 及 结 构 面 直 剪 强 度 参 数 、岩 体 的 声 学 特 性 试 验 研 究 2， 其 中 重 点 是 研 究 页 岩的 工 程 力 学 特 性 。对 于 一 个 地 质 条 件 较 为 复 杂 的 大 中 型 水 电 工 程 ，岩 石 力 学 参 数 的 正 确 分 析 与 合 理 取 值 是 决 定 建 筑 物稳 定 与 否 的 关 键 ， 为 此 ， 本 文 在 大 量 的 试 验 研 究 基
8、础 上 ， 从 试 点 的 地 质 代 表 性 、 建 筑 物 与 岩 层 之 间 作用 关 系 ， 岩 体 的 各 向 异 性 特 征 、 软 岩 的 破 坏 形 态 及等 方 面 进 行 深 入 的 分 析 ， 并 结 合 大 面 积 的 声 波 测 试评 价 大 范 围 岩 体 的 力 学 指 标 。2 页岩的工程力学性质 122.1 岩石物理力学性质该过程中页岩有含炭质页岩、砂质页岩和页岩，它们的孔隙率在 1.89%8.62之间，但大多数岩石的孔隙率在 5以上，属中高孔隙率岩石。页 岩 主 要 成 分 为 伊 利 石 ， 其 中 O1d3-1 中 含 20%绢云 母 和 绿 泥 石 ；
9、 O1d1-1 中 伊 利 石 含 量 85%， 绢 云 母 10% 2O1d1-3 中 伊 利 石 含 量 85%， 高 岭 石 13%。O1d2、O 1d1-2 、O 2+3、O 1h 含泥质灰岩湿抗压强度为 3482MPa，平均值 59.3MPa，变形模量35.8122.1GPa，平均值 79.3GPa，属于较坚硬岩石；O1d3-2、 O1d3-3 石英砂岩及粉细砂岩的湿抗压强度范围 72.5148.5MPa，平均值 103.9MPa，变形模量 32.793.4GPa，平均值 56.6GPa，属于坚硬岩石；S1Ln、O 3W、O 1d3-4 含炭质和砂质页岩的湿抗压强度范围 15.542
10、.7MPa，平均值 24.0MPa，变形模量7.639.5GPa，平均值 18.6GPa，属于较软岩； O1d1-3、O 1d3-1 和 O1d1-1 为普通页岩，其湿抗压强度范围7.721.3MPa，平均值 13.8MPa，变形模量7.1422.1GPa，平均值 13.8GPa，属于软岩。可见页岩的物理力学参数比坚硬岩石低得多，且页岩中所含成分不同，变形及强度参数也相差较大，同一地层页岩由于页岩的结构特点、试验时的条件等因素的影响参数差别也相当大。页岩是呈定向排列的强各向异性岩石，其页理面的倾角和作用力的方向，对强度特性的影响较为明显。由于该工程页岩的页理面倾角为3840，所以在外载荷作用下
11、，易沿页理面开裂破坏，页岩在取样、运输和加工过程中页理面受到一定程度的扰动，使力学参数偏低。而三轴试验说明，页岩在围压状态下的强度明显高于单轴抗压强度值。2.2 页岩变形特性预可研及可研阶段在 6 条勘探平洞中对页岩进行了 7 组 21 点的岩体变形试验，试验成果统计见表 1。表 1 坝基页岩变形及声波测试结果统计位置 风化程度 地层代号 变形模量 /GPa 弹性模量 /GPa 纵波波速 /km.s-1PD3# 弱风 化 O1d1-3 0.811.711.26 1.533.292.19 1.983.002.50PD1#、PD3#微风化 O1d3-1 2.608.044.593.289.526.
12、013.213.683.44PD5# 微风 化 O1d3-1 1.9310.494.59 4.0814.137.30 3.433.673.55PD7# 弱风 化 O1d1-3 0.542.231.06 1.713.822.37 2.673.342.89PD6# 微新 O1d3-1 7.729.518.74 13.2714.2413.88 3.723.803.76PD8# 微新 S1Ln 10.4025.1017.05 16.5230.5323.28 3.514.384.03注：分子为范围值，分母为平均值。O1d1-3、O 1d3-1 页岩在平洞内呈层状分布，层间夹薄层灰岩或者砂岩，层理间胶结程
13、度和页理面的发育程度直接影响岩体的完整性。结合试点地质情况分析，新鲜完整且页理面不发育的页岩，以及下伏灰岩或者砂岩的情况下其变形模量在7.710.5GPa；较完整且页理面较发育的页岩，其变形模量在 4.45.1GPa；较破碎且页理面发育、层间有钙质或者泥质充填的页岩，其变形模量在1.93.3GPa。新鲜完整较完整含炭质、砂质页岩的变形模量为 10.425.1GPa。在进行变形试验的同时，在试点周围布置钻孔进行声波测试，了解变形参数与波速之间的关系，为评价大范围岩体的变形特性提供依据。变形模量与波速之间具有较好的函数关系： VpeE12.074.2.3 页岩的声学特性在 5 条勘探的洞壁上钻孔进
14、行声波测试，按照地层进行波速统计。5 条勘探平洞中 O2+3 、O 1d2 、O 1d3-2 地层岩性较为单一，为灰岩或者砂岩，波速范围为 4.085.88km/s；O 1d1-1、O 1d1-3、O 1d3-1、 O1d3-4 以页岩为主夹薄层灰岩或者砂岩，波速范围2.945.39km/s。对坝址区铅直方向的 36 个钻孔按照岩性分类统计岩体的波速：O 1d1-1、O 1d1-3、O 1d3-1 层页岩3.253.66km/s ， S1Ln、O 3w 层页岩3.383.95km/s ，属类岩体； O1d3-4 层页岩3.563.70km/s ，属类岩体。从岩体变形试点附近的铅直钻孔和对应部位
15、的水平钻孔声波测试，对于页岩，平行于层面方向（水平方向）的波速为 4.34km/s，与页理面斜交（铅直方向）的波速平均值为 3.49km/s，说明页岩在不同方向的波速有显著的差别。二者的比值为0.81。为了研究页岩的各向异性特点，在 PD5 平洞对 O1d3-1 层完整新鲜的页岩中布置了 9 个钻孔，钻孔方向与页理面平行，钻孔与钻孔之间平行，采用跨孔法测试各个钻孔之间的波速，32 条测线统计结果见表 2。可见，平行页理面方向波速范围值4.075.00km/s，平均值 4.62km/s，垂直页理面方向波速范围值 2.753.15km/s，平均值 2.98km/s，与页理面有 2766交角的波速介
16、于二者之间，波速范围值 3.044.72km/s，平均值 3.66km/s。VP 垂 /VP平 =0.65，VP 垂 /VP 交 =0.79。从波速角度说明页岩具有明显的各向异性特征。 表 2 微新页岩不同方向声波测试统计成果3波速/km.s -1层位 平行页理面 垂直页理面 与页理面斜交（27 66）O1d3-1 4.075.004.62 2.753.152.98 3.044.723.66注：分子为范围值，分母为平均值。坝区平洞中波速值近似水平方向，与岩层之间有一定的交角，地质钻探孔及变形试点钻孔波速为铅直方向，与岩层之间有约 40交角。2.4 混凝土与页岩接触面直剪强度参数混凝土与页岩接触面直剪试验成果见表 3。破坏形态为沿接触面脆性破坏，但由于页岩裂隙较发育，试点面形成较多的凹坑，破坏后混凝土面起伏不平，起伏差明显比混凝土与硬质之间的破坏面大
