巴顿结构面抗剪强度公式在马来西亚沐若水电站的运用

第２６卷第５期　２０１２年１Ｏ月　资源环境与工程　巴顿结构面抗剪强度公式在马来西亚　沐若水电站的运用　贺金明　，徐明辉　，马丹旋　，曹　建　（１．长江三峡勘测研究院有限公司，湖北武汉４３００７４；２．长江水利委员会长江科学院，湖北武汉４３００１２）　摘要：利用回弹仪测取结构面的硬度，估算其单轴抗压强度ＪＣＳ；利用钢卷尺测算结构面的起伏度，估　算其粗糙度ＪＲＣ；运用Ｂａｒｔｏｎ提出的结构面抗剪强度公式计算出沐若水电站建坝岩体中缓倾角硬性结构面　的抗剪强度值。　关键词：缓倾角硬性结构面；单轴抗压强度；粗糙度；基本摩擦角；抗剪强度　中图分类号：Ｐ５４２；ＴＵ４５２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７１—１２１１（２０１２）０５—０５４２—０３　０　引言　沐若水电站坝址位于马来西亚砂捞越州拉让河　其中：　，＝（　６—２０）＋２０×（ｒ／Ｒ）　（３）　（ＲＮａｎｇ　Ｒｉｖｅｒ）支流沐若河（Ｍｕｒｕｍ　Ｒｉｖｅｒ）上，坝体为　碾压混凝土重力坝，设计坝高１４１　ｍ，建坝岩体主要为　第三系贝拉加（Ｂｅｌａｇａ）组Ｐｅｌａｇｕｓ　１０亚段（Ｐ　】　）浅灰　色厚层一巨厚层砂岩，岩石完整性好，但岩体中缓倾角　式中：　，——风化裂隙岩壁岩体残余摩擦角；ｒ——风　化岩体回弹仪数；　——新鲜岩体回弹仪数。　巴顿对公式（２）进一步的求解，公式如下：　＝　（４）　Ｏｒ结构面发育，多为呈刚性接触无任何充填的硬性结构　面，为了获取其抗剪强度值，现场对３５条缓倾角硬性　结构面进行试验、计算分析。　＝ｔａｎ（ＪＲＣ　ｘ　ｌｏｇＩｏ（Ｊ￣ＳＣ　）一　×　（ＪＲＣ　０ｇｌ　０（　）　）　）　由库伦一摩尔公式求解，公式如下¨ｊ：　Ｃ　＝丁一　×ｔａｎｑ￣　（５）　（６）　１　计算原理　利用回弹仪、钢卷尺、地质罗盘等工具进行现场试　验，获取缓倾角硬性结构面（即岩块问呈刚性接触的无　充填的结构面）的ＪＣＳ值、ＪＲＣ值，运用Ｂａｒｔｏｎ公式计　算缓倾角硬性结构面的抗剪强度值。　１．２计算参数的确定　１．２．１基本摩擦角　的确定　坝基岩体主要为ＩＩＩ、ＩＶ类，根据沐若水电站岩体物　理力学试验成果ｏ，Ｐｅｌａｇｕｓ　１０亚段（Ｐ，ｍ）新鲜砂岩在　。　此方法仅适用于无充填的硬性结构面，对一些充　填软弱物质的结构面须进行专门的直剪试验。　１．１计算公式　Ｂａ￣ｏｎ提出的结构面抗剪强度计算公式如下：　ｒ：　ｔａｎ饱和状态下单位重量为２５　ｋＮ／ｍ　，强风化状态下单位重　量为２３　ｋＮ／ｍ　，坝基新鲜岩体基本摩擦角　：３５．６。。　１．２．２结构面粗糙度ＪＲＣ的确定　现场测定３５条裂隙的轮廓曲线长度Ｌ　（ｍ）及裂　（　ＪＲＣ×ｌｏｇｌ０（　））　（１）　面起伏度Ｒ　（ｍｉｌ１），根据Ｂａｒｔｏｎ直边图法（图１）确定　粗糙度ＪＲＣ，计算结果见表１及表２。　１．２．３　结构面单轴抗压强度ＪＣＳ的确定　式中：７－——剪应力；ｏｒ　——正应力；　——新鲜岩体基　本摩擦角；ＪＲＣ——裂隙面粗糙度系数；ＪＣＳ——裂隙　岩壁岩体单轴抗压强度。　根据沐若水电站岩石物理力学试验成果，可知建　坝岩石单位重量为２４　ｋＮ／ｍ　。　现场采用回弹仪测定了２２条弱风化裂隙和１３条　对于风化裂隙，可将公式（１）修正如下：　＝　×ｔａｎ（　，＋．－ＲＣ　ｘ　ｌｏｇｌＯ（Ｊ￣ＳＣ　／）　（２）　其加权平均数作为结构面岩壁计算硬度。根据Ｂａ￣ｏｎ　新鲜裂隙的岩壁硬度，每条裂隙测ｌ６～２Ｏ组数据，以　收稿日期：２０１２—０６—２８；改回日期：２０１２—０８—１５　作者简介：贺金明（１９８２一），男，助理工程师，地质工程专业，从事工程地质勘察工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｉｎｐｅｎｇｈｅ８２＠１６３．ｃｏｍ　ｏ边智华、余美万等，马来西亚沐若水电站岩体力学试验及勘探孔物探测试报告，长江水利委员会长江科学院，２０１０。　第５期　０　Ｏ　０　们　加　０　０　０　０　０　贺金明等：巴顿结构面抗剪强度公式在马来西亚沐若水电站的运用　４，　２　Ｏ　日ｕｌ，营　５　４　３　２　旧碟　１　５　４　３　仉　２　０　５４３　：　岩石抗压强度平均高差　一一　＿一：，　／　ｆ，　。　／　／　。，，’　　，／／　，　，　，　Ｊ　，　，　乏　；　：；　，。，，　，，　ｆ，．ｆ，　，／　．，　一一　／，／　一：一　／　，　，　，　一＝ｒ一　一：　／／　，　，　一，’　一一　　？　／ｒ　猊　，　『｜　——＿　，；；；　；　；，　／，／　，　ｒ／　　，　一一一一　Ｊ　，　　　，　，　，　，，，　，ｙ．　ｒｒ，，Ｊ　；　ｚ＿　，　，，　／　Ｊ　，　ｒ　肋　ｒ／ｒ／　／ｒ　，，　，　，　／￣．／１　／，　，。／，　，．　／　ｒ　＿ｒ　Ｊ，　，　Ｊ　／，　　Ｉ，一　７ｔ　，　一　／　／　／，　／厂　．／　。　ｒ一一　／　／　／ｚ　／　／’　／’　ｒ　／　一一一一　一　／　／，　Ｉ　，　ｒ　，ｌ　，　，　，ｒ　，，　　。，　，　．　／　／　／　＝，ｓ　雠嘿　暴井　ｒ　一ｒ　／　／　枷珈瑚　瑚　如鲫　∞　如　帅　如　加　／　．　０．１　０．２　０．３　０．５　ｌ　２　３　４　５　１０　轮廓曲线长觑。／ｍ　图１　根据裂面起伏度估算粗糙度ＪＲＣ　０　１０　２０　３０　４０　：５０　６０　Ｆｉｇ．１　Ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｊｏｉｎｔ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　直边图方法（图２）确定单轴抗压强度ＪＣＳ，计算结果见　０　１０　２０　３Ｏ　４０　５０　６Ｏ　表１及表２。　＿ｚ　２计算成果　图２根据裂面硬度估算单轴抗压强度ＪＣＳ　岩体缓倾角硬性结构面所受正应力ｏｒ　大小主要受　Ｆｉｇ．２　Ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｊｏｉｎｔ　ｃｍｎｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　坝体自身法向应力的影响，根据大坝混凝土试验成果ｏ，　与现场原位抗剪试验结果对比可知，利用回弹仪　其单位重量约为２３　ｋＮ／ｍ３，坝高１４１　ｍ，ｏｒ　取值约为　采取计算结构面单轴抗压强度ＪＣＳ所需数据误差小，　３　ＭＰａ。　故反映出．厂值较真实；利用钢卷尺粗略测算结构面的　依据公式（４）、（６），弱风化缓倾角硬性结构面抗　起伏度，估算其粗糙度系数ＪＲＣ误差较大，反映出ｃ　剪强度计算结果见表１，新鲜缓倾角硬性结构面抗剪　值偏差大，应利用精密测量仪器测算结构面的起　强度计算结果见表２。　伏度。　３计算结果分析　４结语　由表１和表２试验数据可知，沐若水电站建坝岩　本文利用现场测试的数据，通过巴顿计算方法，估　体中弱风化缓倾角硬性结构面抗剪强度平均值ｆ＝　０．８８　ＭＰａ，ｃ＝０．７１　ＭＰａ；新鲜缓倾角硬性结构面抗剪　算出沐若水电站建坝岩体中缓倾角硬性结构面的抗剪　强度平均值．厂＝１．０３　ＭＰａ，ｃ＝０．５７　ＭＰａ。　强度参数，为坝基抗滑稳定计算提供参考依据。　前期对二组弱风化缓倾角无充填硬性结构面（各　本文所述方法较现场直剪试验方法具有简捷、工　五点）进行过现场原位抗剪试验，其抗剪强度参数值分　期短、成本低的特点，在工程应用中有较好的使用意　别为．厂＝０．７６　ＭＰａ，ｃ＝０．０３　ＭＰａ和ｆ＝０．８３　ＭＰａ，ｃ＝　义，在具体采取数据过程中，应利用较精密测量仪器，　０．１７　ＭＰａ。　最大限度减少误差。　ｏ陈鑫等，马来西亚沐若水电站碾压混凝土工艺性试验报告，马来西亚沐若项目建设部工程管理部，２０１０。　资源环境与工程　２０１２鱼　表１　弱风化结构面试验数据统计表　Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｄａｔａ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ　ｗｅａｔｈｅｒｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｐｌａｎｅ　表２新鲜结构面试验数据统计表　Ｔａｂｌｅ　２　Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｄａｔａ　ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｆｒｅｓｈ　ｓｔｕｃｔｕｒａｌｒ　ｐｌａｎｅ　参考文献：　［１］　水力发电工程地质手册［ｓ］．北京：中国水利水电出版社　２０１１：３１３．　（责任编辑：张娅）　Ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂａｒｔｏｎ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｐｌａｎｅ　Ｓｈｅａｒ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ｆｏｒｍｕｌａ　ｉｎ　Ｍｕｒｕｍ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ，Ｍａｌａｙｓｉａ　ＨＥ　Ｊｉｎｍｉｎｇ　，ＸＵ　Ｍｉｎｇｈｕｉ　，ＭＡ　Ｄａｎｘｕａｎ　，ＣＡＯ　Ｊｉａｎ　（１．Ｔｈｒｅｅ　Ｇｏｒｇｅｓ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ　４３００７４；　２　Ｔｈｅ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，￣ｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ａｃａｄｅｎｏｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｅｓ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ　４３００１２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｒｅｓｉｌｉｏｍｅｔｅｒ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｐｌａｎｅａｎｄ　ｔｈｅ　ｊｏｉｎｔ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　，（ＪＣＳ）ｗａｓ　ｅｓｔｉｍａｔｅｄ；ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｔａｐｅ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ　ｗａｖｉｎｅｓｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｊｏｉｎｔ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ　（ＪＲＣ）ｗａｓ　ｅｓｔｉｍａｔｅｄ；ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｐｌａｎｅ　ｓｈｅａＦ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｗｈｉｃｈ　ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ　ｂｙ　Ｂａｒｔｏｎ　Ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔ０　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｒｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｐｌａｎｅ　ｗｉｔｈ　ｌｏｗ　ｔｏ　ｍｉｄｄｌｅ　ｄｉｐ　ａｎｇｌｅ　ｉｎ　ｒｏｃｋ　ｍａｓｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｄａｍ　０ｆ　ｔｈｅ　Ｍｕｒｕｍ　ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈａｒｄ　ｓｔｕｃｔｒｕｒａｌ　ｐｌａｎｅ　ｗｉｔｈ　ｌｏｗ　ｄｉｐ　ａｎｇｌｅ；ｊｏｉｎｔ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｊｏｉｎｔ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ；ｂａｓｉｃ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ；ｓｈｅａｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ