总结出来的坝基岩体工程地质分类方法和各种岩体力学参数的经验值,具有很高的可靠度,是经得起工程实践考验的。
《中小型水力发电工程地质勘察规范》(DL/T5410—2009)和《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)坝基岩体力学参数经验取值完全一样,见表1。
《中小型水利发电工程地质勘察规范》(DL/T5410—2009)和《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)给出坝基岩体允许承载力基本一致,是根据岩石单轴饱和抗压强度,结合岩体结构、裂隙发育程度做相应的折减后确定地质建议值,坝基岩体承载力经验取值可根据表2选取地质建议值或岩基承载力特征值。
从所给各参数表可看出,参数间间隔较大,在工程实际运用中给工程技术人员带来困惑,到底取多少,很盲目,大多数考虑到工程的安全性,一般都取规范所给值的下限,这样取值合理吗?值得怀疑。本文根据规范所给参数间的对应关系,通过数学拟合,将规范经验取值表变成数学表达式,以获得更加符合工程实际的岩体力学参数,即坝基岩体力学参数经验取值的数学对策,以避免工程实际运用时的盲目性,以便工程设计运用。
1 各参数之间的对应关系
根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)附录V坝基岩体工程地质分类表与表1相应参数的对应关系,通过数学拟合分析研究,可得到同种岩性和相同地质环境下,岩体的工程地质分类与岩体完整性系数、变形模量Ep(GPa)、抗剪断摩擦系数之间的关系如表3所示。
1.1 岩体呈层状结构时
见表3。
1.2 岩体呈非层状结构时
根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)附录V坝基岩体工程地质分类表可知岩体的弹性纵波速Vp(km/s)、岩体质量指标RQD(以小数计,如60%改写为0.6)、完整性系数Kv之间的对应关系见表5、表6。
根据《中小型水力发电工程地质勘察规范》(DL/T5410—2009)表E.2坝基岩体允许承载力经验取值表可的节理平均间距d(m)、折减系数ζ、完整性系数Kv之间的对应关系如下:
2 各参数之间的数学表达式
根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)附录V坝基岩体工程地质分类表及表1~表6通过数学拟合并用数学表达式表示出各参数之间的内在联系。各参数之间的数学表达式推导拟合过程从略,各表达式如下。
1)坝基岩体质量指标RQD、完整性系数Kv、岩体弹性纵波速Vp之间的关系。根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)附录V坝基岩体工程地质分类表中可以发现,坝基岩体质量指标RQD、完整性系数Kv、岩体弹性纵波速Vp之间有如下关系。
2)岩体变形模量Ep与完整性系数Kv之间的关系。
3)岩体完整性系数Kv与岩体抗剪断摩擦系数f′之间的关系。
根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)附录V坝基岩体工程地质分类表和表E.0.4坝基岩体抗剪断(抗剪)强度参数及变形参数经验值表中可以发现,岩体完整性系数Kv与岩体抗剪断摩擦系数f′之间具有较好的相关关系,如下:
4)岩体抗剪断、抗剪、变形模量及混凝土与基岩接触面抗剪断、抗剪强度参数之间的关系。
根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)表E.0.4坝基岩体抗剪断(抗剪)强度参数及变形参数经验值表中可以发现,岩体抗剪断、抗剪、变形模量及混凝土与基岩接触面抗剪断、抗剪强度参数之间具有较好的相关关系,如下表:
在实际工程应用中,只需根据规范要求,在由岩体的完整性系数Kv求岩体的变形模量Ep、岩体的抗剪断摩擦系数f′时,求得的数值对于软质岩应根据岩石的软化系数折减,然后再由折减后的岩体的抗剪断摩擦系数f′根据表14相应公式求得其它岩体力学参数。
5)坝基岩体允许承载力R与岩体完整性系数之间的关系。首先根据《中小型水力发电工程地质勘察规范》(DL/T5410—2009)表E.2坝基岩体允许承载力经验取值表可以通过数学的方法拟合出岩体完整性系数Kv与节理间距d(m)、确定岩体允许承载力的综合折减系数ζ之间的关系,最终得出岩体允许承载力R(MPa)与岩体单轴饱和抗压强度Rc(MPa)的表达式,见下表:
3 工程运用
老挝灯恩寨水电站坝址以上集水面积1454.2km2,引用流量100m3/s,初拟装机容量60MW,坝高92.5m,水库正常蓄水位初定为365.0m,对应正常水库总库容6.1亿m3,为坝后式开发电站。坝址区地层为中生代侏罗系上统~白垩系(J3-K):陆相粗细粒石英砂岩、长石石英砂岩、石英岩、砂砾岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩,主要分布于枢纽区及库区大部分地区。弱风化状态下室内抗压试验数据如下。
通过坝址区钻孔获得的岩体质量指标RQD、钻孔岩体弹性纵波速Vp测试、钻孔岩芯岩块弹性纵波速Vp测试及钻孔岩芯块度系数统计,最终获得岩体完整性系数Kv。通过各参数之间的数学关系式,运用Excel电子表格计算各参数相当方便,避免了对规范所提经验参数取值的盲目性,计算结果依据规范而来,计算结果直观、可靠。现以勘探钻孔ZK13为例计算结果如表17所示。
4 结论
1)通过坝基岩体工程地质分类表和坝基岩体抗剪断(抗剪)强度参数及变形参数经验值表各参数之间的相互关系,运用数学拟合出各参数之间的关系式,以便工程设计运用,拟合结果其相关性均较好,相关性系数越接近1,计算值越接近于真实值。
2)从分析研究拟合结果知,对于硬质岩应按岩体呈层状结构和非层状结构分别拟合求其各参数之间的关系式更合理。
3)根据规范所给参数间的对应关系,通过数学拟合,将规范经验取值表变成数学表达式,以获得更加符合工程实际的岩体力学参数,即坝基岩体力学参数经验取值的数学对策,以避免工程实际运用时的盲目性,以便工程设计运用。
参考文献
[1]中华人民共和国国家能源局.中小型水力发电工程地质勘察规范(DL/T5410—2009)[M].北京:中国电力版社,2009.
[2]中华人民共和国水利部.水利水电工程地质勘察规范(GB50487-2008)[M].北京:中国计划出版社出版,2009.