水利水电工程岩体力学参数综合取值方法探讨.pdf

第45卷第21期人民长江Vo1．45．No．212014年11月YangtzeRiverNov．，2014文章编号：1001—4179(2014)21—0020—05水利水电工程岩体力学参数综合取值方法探讨陈汉宝，黄定强，彭义峰，熊友平，江妤(1．湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉430064；2．中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074)摘要：在研究岩土工程有关规程规范和各种力学参数取值方法特点的基础上，提出了水利水电工程岩体力学参数综合取值方法。综合考虑工程规模和地质条件的复杂程度，将取值方法分为3个层次：对于地质条件简单的小型工程以及在项目规划、可研阶段，可采用野外地质调查和少量室内试验进行岩体分级、查表，经工程类比取得地质建议值；对于地质条件复杂的中型以上工程，初步设计阶段应开展原位试验，并采用工程经验类比法结合现场地质条件确定地质建议值；对于重要的大型工程应做专题研究。除了上述方法外，还可应用计算机模拟试验、人工神经网络法、模糊数学预测法等，慎重确定地质建议值。在施工阶段可利用监测资料开展反演分析，对岩体稳定性进行复核。结合工程经验指出了参数选取应用时应注意的问题。关键词：岩体力学参数；综合取值方法；工程规模；地质条件；水利水电工程中图法分类号：TU443文献标志码：A岩体力学参数的选取在水利水电工程坝基、边坡、数一直是岩体力学研究中的一个重要课题。总结国内洞室围岩稳定性评价中起着至关重要的作用。选择合外岩石工程力学参数取值研究现状，目前主要有以下理的岩体力学参数，对岩体的变形和稳定性做出评价几种方法。是水利水电工程设计和施工中工程技术人员最为关心(1)岩石力学试验法。根据室内和现场试验成的重点之一。工程实践中不乏由于对岩体力学参数认果，对试验值进行折减，或者采用优定斜率法确定建识不足造成的工程事故。岩体是受结构面控制的复杂议值。地质体，由于不规则结构面的存在，其力学特征呈现不(2)经验法和工程类比法。在试验数据不足的情均匀性和各向异性，节理之间的相互作用又使得岩体况下，参照《工程岩体分级标准》(GB50218—94)，《水的破坏机制十分复杂。利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)等规范本文全面归纳了国内外岩体力学参数选取的方以及《岩石力学参数手册》和该地区工程经验类比进法，在研究了有关规程规范和各种取值方法特点的基行参数取值。础上，针对中、小型水利水电工程规模小、设计周期短、(3)根据经验强度准则的取值法。经费有限、勘察试验工程量少的特点，提出了岩体力学(4)反演分析法。采用位移反分析、应力反分析、参数取值的综合方法和流程图，并结合工程实践经验混合反分析等进行参数取值。指出了岩体力学参数选取时应该注意的问题。(5)基于模糊数学和人工神经元网络方法预测的参数取值。1一般方法(6)计算机模型模拟试验的参数取值。岩体是地质历史的产物，它的力学特性往往与环(7)岩体分形分维理论、断裂损伤力学等其他方境因素和地质作用有关，如何取得有代表性的力学参法。收稿日期：2014—05—15基金项目：湖北省水利重点资助项目(HBSHLKY2012—09)作者简介：陈汉宝，男，副总工程师，教授级高级工程师，工程硕士，主要从事水利水电工程地质勘察工作。E—mail：469004510@qq．tom 第21期陈汉宝，等：水利水电工程岩体力学参数综合取值方法探讨211．1岩石力学试验法节理方向对工程影响的修正参数(R)，总评分RMR=尺l+R：+3+R4+尺5+6。根据该RMR的评分指标(1)室内试验。通过钻孔岩芯取样，利用室内岩块的单轴压缩试验确定岩石单轴抗压强度、弹性模量并对照一定的经验公式可以求取岩体的变形参数和强度参数。目前该方法在工程中应用较广较成熟，最为和泊松比。通过岩体的三轴压缩试验确定岩体的抗剪常用的是Hoek—Brown经验方法。强度一凝聚力和摩擦角。通过岩体卸围压试验研究岩巴顿岩体质量(Q)分类是挪威巴顿(Barton)等人体卸荷过程中的变形和能量变化特点，确定卸载时岩于1974年根据隧道工程的调查，提出的一个以岩体体的参数，如弹模、泊松比、凝聚力、摩擦角。RQD、节理面组数、节理面粗糙度、节理面蚀变程度、节(2)现场试验。现场抗剪试验获得岩体、软弱夹理水折减系数和应力折减系数等6个参数表达的岩体层、混凝土与岩石接触面抗剪(断)强度；现场变形试质量指标Q，作为岩体质量分类的依据。各个参数的验(刚性承压板法、狭缝法)获得岩体变形模量、弹性取值按照Q系统提供的表格，带有一定的经验性。Q模量及泊松比。还有现场声波测试评价岩体完整性系统分级只需进行现场调查，无需进行室内试验。等。现场试验是确定岩体强度参数最准确的方法，但对于中小型水利水电工程，在规划和可研阶段主由于通常不具备施作原位试验的条件，而且试验周期要是应用前两种规范分级方法，对于复杂地质条件和长、费用高，所以这种方法应用较少。大型工程，应采用多种方法进行比较。试验法是一种直接又可靠的方法，可以较好反映有学者对这几种岩体分级法进行了对比研究，发岩石特性。室内试验得到的是完整岩块的特性参数，现同一个工程岩体采用不同的分级法得出的岩体级别但存在“尺寸效应”。现场试验受条件限制，试件制备不完全相同，因此在应用岩体分级法确定参数时要注难免受到扰动，试验结果分散，不能直接采用。意，一种岩体分级法对应各自的参数表取值，不能混1．2工程岩体分级法淆。工程岩体分级法主要有：国标《工程岩体分级标1．3工程地质类比法准》、水利水电工程勘察规范的坝基和围岩工程地质工程地质类比法是利用大量已建工程的成功经验分类法、巴顿的Q系统分类法及比尼威斯基的RMR确定拟建工程的设计参数，是工程地质研究的传统方分类法。这些分类方法往往是定性描述与定量评价相法之一。类比法是应用相似原理，要求主要的工程地结合，采用多参数综合指标分级法给岩体进行评分和质条件基本相同或相似，这其中最主要的是岩性和地划分岩体级别，根据岩体级别并结合经验公式，给出岩体参数的范围值o。层时代(或层位)，其余还有地质构造(岩体完整性)、风化状态、应力条件、地下水等等。实际应用时应结合国标《工程岩体分级标准》选取岩石坚硬程度和具体工程的地质条件，在类比、分析、判断的基础上提岩体完整程度这两个因素确定岩体基本质量，将影响出合理参数。同时，在施工过程中，根据工程实际进展岩体工程特性的因素如地下水、初始应力、结构面走向情况和出现的问题，特别是根据现场观测结果，对设计与工程轴线方位等作为修正因素，实现工程岩体的分进行必要的调整和修改。类比的资料可以参考《岩石级，并提供了各级别岩体物理力学参数表和结构面抗力学参数手册》、《岩基抗剪强度参数》、《工程地质手剪断峰值强度表。册》、《水利水电工程地质手册》，以及地区工程经验《水利水电工程地质勘察规范》的附录V提供了(资料库、数据库)等等。坝基岩体工程地质分类表，主要分类因素也是岩石坚类比法完全依靠地质师所掌握的工程实例资料和硬程度和岩体完整程度，此外还有岩体纵波速度和钻他对工程岩体的经验判断，人为因素比较大，有时仅仅孔RQD值，并在附录E中提供了坝基岩体抗剪断(抗通过少量个别因素相比较而得到的参数，其结果可靠剪)强度参数及变形参数经验值表和结构面抗剪断性较差。然而该方法简单、方便、快捷，在中、小型水利(抗剪)强度参数经验值表，用于规划和可研阶段。应水电工程中应用较多。注意该表的注明是参数仅限于硬质岩，软质岩应根据软化系数进行折减。1．4经验强度准则取值法RMR(RockMassRating)工程岩体分类，也称地目前应用最多的是霍克一布朗(Hoek—Brown)经质力学分类，它是一种以定性为主的分级体系。分类验强度准则’。Hoek和Brown在大量岩体试验成指标RMR由6种指标组成：岩块强度(R．)、RQD值果统计分析的基础上，得到了裂隙岩体破坏经验强度(R)、节理间距(R)、节理条件(R)、地下水(R)、准则： 22人民长江1．6人工神经网络法及模糊数学预测法人工神经网络法是通过完成输入与输出问题的映，●●●●●』、●●●【射，自动建立复杂现象(系统)的模型并指出其控制规式中，。，，为破坏时的最大、最小主应力；为岩块律。该方法考虑了影响岩石力学参数的各种定性因==的单轴抗压强度；or为岩体抗拉强度；m，s为表征岩体素，应用人工神经网络进行训练，随着数据的积累不断3c一2／L地对样本集进行补充和完善，使参数取值结果不断趋坚硬程+度和完整性的参数，其取值范围在0．001～25和0～1之间。于合理。缺点是学习样本的选取具有很大的主观性。该准则综合考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态模糊数学预测法是考虑到影响岩体变形强度参数等多种因素的影响，可以确定裂隙岩体抗拉强度和的相关因素模糊不确定性，根据经验确定权重集及隶抗剪强度参数c、。属度，在此基础上进行岩体力学参数预测。该方法实Hoek—Brown法估算公式：质就是把岩石与岩体力学指标之间的比例系数当作模糊子集，依据经验进行模糊综合评判确定一个最佳模ormc：盯c糊折减系数的问题，从定量上考虑影响力学参数的各~=arctanlAB(一)](2)种模糊因素，但在运用上不是很成熟，仍借助于经验。，r＼。，1．7其他方法c=Ao-(o-)一[A(旦一)一]orcc除上述方法外，还有一些其他方法可以用来确定式中，A、BT是与岩体质量有关的系数，根据RMR岩体强度参数，如：计算机模拟、声波测试技术、岩体分及Q值确定；为岩体单轴抗压强度；C、为岩体形分维理论、断裂损伤力学、统计数学等方法卜。的抗剪断强度指标。2岩体力学参数综合取值1980年，Hoek根据Bieniawski提供的数据建立了岩体变形模量E与RMR的关系式：岩体力学参数取值方法有很多，由于岩体的不连续性、各向异性和非均匀性等特有属性以及岩体结构f12月MR!一10。。当R>50时(＼3)，【E=10当R≤50时的复杂性，使各种取值方法存在局限性，至今还没有一种令人满意的取值方法。实际工作中应该综合应用这另外还有巴顿的结构面抗剪强度取值经验准则。些方法，互相验证，取长补短。笔者基于上述岩体力学1．5反演分析法参数的取值方法，并结合工程的规模和地质条件的复反演分析法是利用现场所测得的位移等数值反求杂程度，在满足规程规范的前提下提出了岩体力学参岩体力学参数，包括位移反分析、应力反分析、混合反数综合取值方法(详见图1)。该方法针对地质条件简分析等。其中位移反分析方法是根据现场实测的位移单的小型工程、地质条件复杂的中型以上工程、重要的值，采用解析法、有限元等方法以及弹性、弹塑性等本大型工程和参数敏感的工程分为以下3个层次。构模型进行求解。位移反分析的方法主要分为两类：(1)第一层次。对于地质条件简单的小型工程，直接逼近法和逆过程法。由于围岩本构关系的复杂或项目规划、可研阶段，可采用野外地质调查和钻孔取性，目前的逆过程方法的位移反分析研究计算大都采样室内抗压试验一进行岩体分级、查表一获得抗剪强用了线弹性等假设，设岩体为均值各向同性，而天然岩度和变形模量范围值，通过相似工程类比，调整、修正体地质条件复杂，这样与工程实际情况相去甚远。取得地质建议值；或者采用RMR分类和Hoek—Brown反分析方法在边坡稳定分析中应用较多。反分析经验强度准则公式计算，参考类似工程修正后得到地时稳定系数取值为：蠕动挤压阶段宜采用1．00～质建议值。1．05，初滑阶段宜采用0．95～1．00。滑带土抗剪强度(2)第二层次。对于地质条件复杂的中型以上工(c，)参数反演分析的方法分为单参数反演和双参数程，如重力坝、拱坝，结构面影响坝基、坝肩稳定，初步反演两种。前者假定一个参数已知的前提下，反算另设计阶段应布置原位抗剪和变形试验，参考类似工程，外一个参数，通常选择对滑坡稳定性影响较敏感的作结合现场地质条件进行调整，必要时由地质、试验和设为未知参数。后者在反演中有两个未知的参数，通常计三方共同研究确定设计采用值。选择两个距主滑动面等距的剖面建立极限平衡方程求(3)第三层次。对于重要的大型工程和参数敏感解，此外，还可以做参数的敏感性分析。的工程，应做专门研究，除运用上述方法外，还应开展 第21期陈汉宝，等：水利水电工程岩体力学参数综合取值方法探讨23计算机模拟试验、人工神经网络法、模糊数学预测法内岩石试验查规范，与现场地质调查结合不紧密。抗等，慎重确定地质建议值。在施工阶段可以利用监测剪强度和变形参数是混凝土坝稳定计算最重要的参资料进行反演分析，复核岩体稳定性，及时修改设计和数，对工程安全和造价影响很大。然而规范给出的值施工方法，确保工程安全。范围较大，勘察报告仅仅依据规范提供的参数表取值总之，地质调查和岩石力学试验是基础，是岩体分是远远不够的。中等规模以上和地质条件复杂的工程级、经验估算及数值模拟的前提，因此应重视野外第一应进一步开展分析论证工作，结合现场地质条件调查，手资料的收集，并注意取样、试验成果代表性问题，使在岩体分级基础上，运用有关理论和经验公式，例如霍地质建议值符合现场实际。克一布朗(Hoek—Brown)经验强度准则公式等，并参野外地质调查ll取样试验I’考已建工程经验取值，必要时与地质、试验和设计专业共同会商，合理确定参数。(3)在软岩地区建混凝土坝要特别注意，如页岩、千枚岩及白垩一第三系泥岩等，由于岩性软弱，构造发育，岩体强度较低，工程安全裕度小，岩体力学参数取值对工程安全和经济性影响大，甚至影响方案的成立。巴顿Q分类软岩地区一般不适合建中、高混凝土坝，万一要建，就应该投入一定的勘探和试验工作量，慎重研究和分析岩体分级查表Il经验强度准则(霍克一布朗等)论证，并留有一定安全裕度。工程地质类比(查手册、数据库、信息库)(4)应考虑定值计算与可靠度问题。实际勘察设范围值计工作中，是由地质专业提供参数，设计人员进行计算。地质部门依据试验成果，结合地质条件和个人经验判断，提出地质建议值。设计一般直接采用地质建模糊数学预测议值进行计算。问题是设计计算方法与地质模型是否一致，地质参数的可靠性或安全阈值是多少，即有多少安全储备。近十几年来国内外广泛开展了重力坝可靠图1岩体力学经验参数综合取值流程度研究。结构可靠性分析是以概率理论为基础，采用极限状态设计方法，以可靠指标度量结构或工程的可3应注意的问题靠性，比定值法不考虑参数的偏差有明显的优越之处。反思多年来我们所做的中小型水利水电工程勘察可靠度计算需要提供与大坝有关的各类荷载、材料和设计，在岩石力学参数取值方面应注意以下问题：地基强度的统计特征值(均值、标准差、变异系数等)(1)在前期勘察时对设计意图不甚了解，设计方及分布类型，对地质参数的离散性进行评价。案不十分明确，加之勘察周期短，对地质条件的调查和(5)试验是基础。如何看待试验成果，地质专业分析不够深入，对试验只是要求做常规的内容，以室内人员常常抱怨试验参数不准，造成的原因有几个方面，试验为主，取样数量不足，成果代表性差，使得方案比一是取样的代表性问题，或者原位试验选点问题，要考选时难以取舍。虑岩性、风化程度、构造等影响，对试验点做专门设计按照有关规范，“小型水电工程岩土参数(取值)和布置；又譬如有的砂岩与页岩互层，页岩岩芯破碎取可在现场简易测试和必要的室内试验的基础上以类比样困难，取样只能做砂岩的抗压强度试验，成果偏大；为主。”“中型水电工程岩土测试以室内试验为主，必倾斜岩层抗压首先沿层面剪切破坏，成果偏小。二是要时可采用大型野外原位试验。”对于拱坝和重力试验中的误差，应采用数理统计法整理试验成果，在充坝要特别注意，对影响坝基、坝肩稳定的岩土体及软弱分论证的基础上舍去不合理的离散值。对于原位抗剪结构面可视需要开展原位试验工作。尤其是软岩和完试验，要了解试验点的岩性、构造、风化及地下水等因整性差的岩石，软弱结构面发育，且结构面对岩体稳定素对成果的影响。另外，试件制备时难免受到扰动，一性不利，岩体稳定性的判别对工程影响很关键，这需要般要求安排2组以上试验，以便对比和分析。慎重研究，应在地质调查的基础上，布置适当的原位试(6)确定参数时要处理好主观判断与客观评价的验，并采取多种方法合理确定岩体力学参数。关系。前述的岩体分级法、工程类比法及经验判据法(2)勘察报告中抗剪强度和变形参数仅仅根据室(强度准则公式)都属于经验法，其取值时的人为因素 人民长江2014年和个人经验对结果影响很大，实际操作中应尽量避免地质条件简单的小型工程、地质条件复杂的中型以上人为因素干扰，从地质条件的客观出发，分别按不同因工程、重要的大型工程三个层次。针对具体的工程应素对参数进行修正，减少取值的随意性。当选择合理的方法来确定岩体力学参数。水利水电工(7)加强施工监测，利用监测资料进行“动态设程岩体力学经验参数综合取值研究对水利水电工程坝计、信息化施工”。由于工程地质条件的复杂性和不基、边坡、地下结构稳定性研究和计算具有重要理论意确定性，地质勘探、试验、计算分析方法的局限性，我们义和现实意义。对工程岩体性状变化的认识有一定程度的不确定性。(2)中小型水利水电工程具有规模小、设计周期在施工中要加强岩体性状的监测，及时分析和判断，调短、勘察试验工作量有限的特点，在详细地质调查和少整、修改设计和施工方法，以保证施工安全和工程安量室内试验的基础上进行岩体分级，参考已建工程的全。尤其是隧洞施工支护，要根据发现的新情况及时成功经验类比确定岩体力学参数是一种简单、快捷而修改设计，即采取“动态设计、信息化施工”，既要确保有效的方法。结合工程经验指出了水利水电工程岩体工程安全，又不能造成浪费。力学参数取值时应该注意的问题，可以供相关的工程(8)利用已建工程进行类比确定岩体力学参数是技术人员参考。我们常用的方法。但是没有一个工程的地质条件是完参考文献：全相同的，而我们个人掌握的资料有限，每个人的经验[1]周火明，孔祥辉．水利水电工程岩石力学参数取值问题与对策[J]．长江科学院院报，2006，23(4)：36—40．千差万别，往往仅通过少量个别因素相比较而获得参[2]刘汉东，姜彤，黄志全，等．岩体力学参数优选理论及应用[M]．郑数，人为因素的干扰较大，其结果可靠性较差。应多参州：黄河水利出版社，2006．考类似工程，并不断积累工程经验。多年来笔者所在[3]张绍民，刘丰收，毕晓东．工程岩体分类方法在小浪底工程中的应单位在湖北省水利水电工程勘测设计中做了大量的岩用[J]．岩土力学，2007，28(11)：2480—2484．体物理力学室内外试验和原位测试，积累了丰富的实[4]唐学军，曹文贵．岩体工程力学参数的确定方法及应用[J]．黄金学报，1999，1(4)：314—317．践经验。[5]伍佑伦，许梦国．根据工程岩体分级选择岩体力学参数的探讨4结论[J]．武汉科技大学学报：自然科学版，2002，25(1)：22—23．[6】中华人民共和国水利部．SLS5—2005中小型水利水电工程地质(1)岩体力学参数的合理确定是水利水电工程中勘察规范[S]．北京：中国人民大学出版社，2005．的一项基础工作，直接关系到坝基、边坡、地下洞室工[7]姜平，孟伟．基于岩体质量分级的岩石力学参数研究[J]．三峡大程的安全性和经济性。由于岩体具有不均匀性、不连学学报：自然科学版，2005，26(5)：424—427．[8]寇雪莲．工程岩体力学参数研究现状评述[J]．西部探矿工程，续性和随时间变化的特性，准确确定岩体力学参数是2008，(9)：33—36．非常困难的。在研究了有关规程规范和各种取值方法[9]汪小刚，董育坚．岩基抗剪强度参数[M]．北京：中国水利水电出特点的基础上，针对工程的重要性程度和地质条件的版社．2010．复杂程度提出了岩体力学参数的综合取值方法，分为(编辑：赵凤超)DiscussiononcomprehensivedeterminationmethodsforrockmassmechanicalparametersinhydropowerprojectsCHENHanbao，HUANGDingqiang，PENGYifeng一，XIONGYouping，JIANGYu(1．HubeiProvincialWaterResourcesandHydropowerPlanningSurveyandDesignInstitute，Wuhan430064，China；2．Engineer—ingFacuIty，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430074，China)Abstract：Thecomprehensivevaluedeterminationmethodforhydropowerengineeringcanbedividedintothreelayersonthebasisoftheprojectsizeaswellasgeologycomplexity．Fortheprojectscharacterizedassmallscaleandsimplegeologicalcondi—tionorfortheplanningandfeasibilityresearchstage，therockmassparameterscanbedeterminedbyengineeringgeologicalanal—ogymethodandsupplementedbyrockmassclassificationthroughfieldgeologicalsurveyandafewlaboratorytests．Forthepro—jectwithmediumscaleandcomplexgeologicalconditions，thein—situtestingshouldbecarriedoutduringthepreliminarydesignphase，andtherockmassparametersshouldbedeterminedbyengineeringgeologicalanalogy．Forlarge—sizedproject，thenon-ographicstudyisnecessarybesidestheabovementionedmethod．Keywords：rockmechanicsparameters；comprehensivevaluedetermination；engineeringscale；geologicalcondition；hydro—powerprojects