浅谈混凝土坝坝基岩体力学参数

1、浅谈混凝土坝坝基岩体力学参数中水东北勘测设计研究有限责任公司地质处二oo八年一月目 录1、坝基岩体力学参数2、SDJ21-78（试行）的补充规定送审稿的岩石工程分级3、送审稿对于坝体混凝土与基岩接触面抗剪参数的依据和确定。3.1依据3.2确定4、设计规范与勘察规范相比较4.1分类指标及岩体特征4.1.1分类指标4.1.2岩体特征4.2混凝土与岩体面抗剪参数5、坝体岩体抗剪强度试验值，建议值与地质规范相比较6、岩体变形模量试验7、小结1、坝基岩体力学参数混凝土坝基岩体与混凝土接触面和岩体抗剪参数表11。表11规范或资料名称岩体分类混凝土与岩体岩体变形模量f C(MPa)f C(MPa)E0(GP

2、a)混凝土重力坝设计规范SDJ21-78（试行）的补充规定送审稿。1984年9月I1.51.21.51.1>20II1.31.01.30.92010III1.20.91.20.7105IV0.90.70.70.352水利水电工程地质勘察规范（送审稿）1991年I1.51.31.51.31.61.42.52.0>20II1.31.11.31.11.41.22.01.52010III1.10.91.10.71.20.81.50.7105IV0.90.70.70.30.80.550.70.352V0.70.40.30.050.550.400.30.0520.2水利水电工程地质勘察规范（G

3、B50287-99）I1.50f >1.301.50C>1.301.60f >1.402.50C>2.00>20.0II1.30f >1.101.30C>1.101.40f >1.202.00C>1.5020.0E0>10.0III1.10f >0.901.10C>0.701.20f >0.801.50C>0.7010.0E0>5.0IV0.90f >0.700.70C>0.300.80f >0.550.70C>0.305.0E0>2.0V0.70f >0.400.30

4、C>0.050.55f >0.400.30vC>0.052.0E0>0.2混凝土重力坝设计规范（DL5108-1999）I1.501.301.501.301.601.402.502.00>20II1.301.101.301.101.401.202.001.502010III1.100.901.100.701.200.801.500.70105IV0.900.700.700.500.800.550.700.3052混凝土坝设计规范提出岩体与混凝土接触面抗剪断参数是根据I、II类岩体试验值（峰值平均值）打了折扣提出的，III、IV类岩体逐级下降。岩体抗剪断参数未见说明

5、，IIIV类围岩与公路设计规范基本一致。2、SD21-78（试行）的补充规定送审稿的岩石工程分级坝体混凝土与基岩接触面抗剪断参数计算值表21。表21序号岩土工程分级岩石综合评价基 岩 特 征抗剪断参数f C(MPa)1I很好的岩石完整的、新鲜的、致密坚硬的，裂隙不发育、厚层状的岩石；饱和抗压强度>1000Kg/cm2，变形模量>20×104Kg/cm2，声波纵波速>5000m/s。1.51.21.51.12II好的岩石完整的、新鲜的、坚硬的，微裂隙的、块状的、厚层状的岩石；饱和抗压强度6001000 Kg/cm2，变性模量10×10420×104

6、Kg/cm2，声波纵波速40005000m/s。1.31.01.30.93III中等岩石完整性较差的，微风化的、微裂隙的、块状的、层状的岩石；饱和抗压强度300600 Kg/cm2，变性模量5×10410×104Kg/cm2，声波纵波速35004500m/s。1.20.91.20.74IV较差的岩石完整性差的弱风化岩，弱裂隙的，较软弱的中厚层状的岩石或节理不发育但层理、片理较发育的薄层状的岩石；饱和抗压强度150300 Kg/cm2,变性模量2×1045×104Kg/cm2，声波纵波速25003500m/s。0.90.70.70.33、送审稿对于坝体混凝

7、土与基岩接触面抗剪断参数的依据和确定3.1依据1）将近年来及以往国内40个大、中型水利水电工程，百余组混凝土与基岩接触面统计，将表列f 、C值，若基岩内无软弱夹层或软弱结构面时，中等以上岩石与150#混凝土以上接触面的抗剪断强度比较集中f =1.01.5 ，C=3.015 Kg/cm2。C值较低者多数为软弱岩体，例如大化坝基的泥岩夹灰岩，八盘峡坝基的粘土质砂岩以及葛洲坝的粘土质粉砂岩等。2）梅剑云统计56个工程148组混凝土与坚硬岩石胶结面的试验资料，提出保证率95%时，f =1.251.52 ，C=12.4015.33 Kg/cm2。（I、II）3）英国哈兰法林克统计16个国家55组混凝土与

8、基岩基础面的抗剪试验，除去泥灰岩、强风化岩石、岩石节理或层理等很低且分散时，大多数f =1.01.5 ，C=416 Kg/cm2。4）前苏联尤何菲什曼统计了23个工程30组试验成果，f =1.01.5， C=416 Kg/cm2。5）美国垦务局77年“混凝土重力坝设计准则”，认为混凝土与岩石接触面及岩石内部的凝聚力和内摩擦力，都由实验和现场试验来测定，但仍以室内试验为主，现场只做少量节理面抗剪强度试验，还认为较完整岩石与混凝土之间的抗剪强度一般不是控制面，可以采用混凝土之间的指标f =1.0，C值为0.1混凝土抗压强度（一般说C值偏大，我国提出0.0650.070）。6）日本相当于我国中等及以

9、上岩石抗剪断强度f =0.81.43 C=2.04 MPa，（日本混凝土强度为300#，我国为150200#）。总体中等以上岩石的f 、C比较接近。3.2确定依据水利水电工程地质勘察规范GB50287-99、水利水电工程岩石试验规程Sl264-2001、水利水电坝基岩石开挖施工规范等规范岩块单轴饱和抗压强度大于600Kg/cm2，变形模量超过10×104Kg/cm2好岩石，前述坚硬岩石与混凝土胶结面的抗剪断强度指标f =1.251.52 ，C=12.4015.3 Kg/cm2（峰值平均值，下同）。将好岩石以上的岩石抗剪断指标上限值定为f =1.5 ，C=15 Kg/cm2，下限指标定

10、为f =1.0 ，C=9 Kg/cm2，其下限分别比平均值降低20%和27%。中等岩石的抗剪断指标7085%以上，f =1.0， C=8 Kg/cm2，下限值定为f =0.9，C=7 Kg/cm2。较差的岩石抗剪断指标下限值f =0.7， C=3 Kg/cm2，上限指标不超过中等岩石，这种岩体只能修中等高度中较低的坝和低坝，一般坝高40m以下的坝，即使取用较小的抗剪断和凝聚力，对坝的稳定起重要作用。4、设计规范与勘察规范相比较4.1分类指标及岩体特征4.1.1分类指标设计规范以岩块单轴饱和抗压强度（Rb），岩体变形模量（Er）及岩体纵波速度（Vp）为依据，而Vp要求偏高。地质规范以岩块单轴饱和

11、抗压强度（Rb），岩体变形模量（E0）为依据。把I类岩石的Rb >100 MPa，降为60 MPa。4.1.2岩体特征设计规范岩体工程分类，岩性特征见表41。表41岩体工程分类坝基岩体特征岩体基本参数变化范围类比值I致密坚硬的，裂隙不发育的，新鲜完整的、厚及巨厚层结构的岩体。裂隙间距大于100cm，无贯穿性的软弱结构面，稳定性好。如岩性较单一的岩浆岩及火山岩类，深变质岩（块状片麻岩、混合岩等）巨厚层沉积岩。具有各向同性的力学性质Rb>100MpaVp>5000m/sEr>2.0×104MPaII厚层砂岩、砾岩、未溶蚀的石灰岩、白云岩、石英岩、火山碎屑岩等。除局

12、部地段外，整体稳定性较好（包括裂隙发育，经过灌浆处理的岩体）。具有各向同性的力学性质Rb=100 MPa 60 MPaVp=5000m/s4000m/sEr=2.0×104MPa1.0×104MPaIII中等坚硬的、完整性较差的、裂隙发育的弱风化次块状、镶嵌状岩体；中厚层状结构岩体。裂隙间距为50cm30cm。岩体稳定性受结构面控制。如风化的I类岩；石灰岩、砂岩、砾岩及均一性较差的熔结凝灰岩、集块岩等（作为坝基，必须进行专门性地基处理）。力学特性不均一差异较大，明显受结构面控制Rb=60 MPa 30 MPaVp=4000m/s3000m/sEr=1.0×104M

13、Pa0.5×104MPaIV完整性较差的、裂隙发育、强度较低的、强风化的碎裂及互层状岩体；中薄层状结构岩体，裂隙间距小于30cm砂岩、泥灰岩、粉砂岩、凝灰岩、云母片岩、千枚岩等，岩体整体强度和稳定性较低。力学特性显著不均一Rb=30 MPa 15 MPaVp=3000m/s2000m/sEr=0.5×104MPa0.2×104MPa地质规范坝基岩体工程地质分类见勘察规范附录L（略）。两个规范岩体分类岩体特征差别如下：I类岩石设计规范要求Rb>100MPa ，裂隙面间距大于100cm，为新鲜岩石。地质规范要求Rb>60MPa，结构面间距大于100cm或一

14、般为10050cm。II类岩石设计规范要求Rb=10060MPa，裂隙面间距10050cm，为微风化岩石。地质规范要求Rb>60MPa或Rb=6030MPa，要求岩体结构特征同I类，具备相同力学性质，结构面间距10050cm或5030cm。III类岩石设计规范要求Rb=6030MPa，裂隙间距5030cm，为弱风化岩石。地质规范将III类岩石分为III1和III2。Rb>60MPa；III1类结构面间距5030cm，岩体较完整，岩体中分布有缓倾角或倾角（坝肩）的软弱结构面或存在影响坝基或坝肩稳定的楔体或棱体；III2类结构面间距3010cm，岩体完整性差，岩体抗滑，变形受结构面的抗

15、剪强度控制。Rb=6030MPa：III1类岩体结构特征基本同II类；III2类结构面间距5030cm，多闭合，岩块间嵌合力较好，贯穿性结构面不多见。Rb>15MPa：III类结构面间距大于100cm，岩体呈各向同性力学特征。IV类岩石设计规范要求Rb=3015MPa，裂隙间距小于30cm，为强风化岩。地质规范将IV类岩石分为IV1和IV2。Rb>60MPa；IV1类结构面间距3010cm或小于10cm，存在不稳定岩体，不宜作高坝地基；IV2类结构面间距小于10cm，多张开，夹碎屑和泥，岩块向嵌合力弱，不宜作高坝坝基。Rb=6030MPa；IV1类结构面间距3010cm或小于10c

16、m，存在不稳定岩体，不宜作高坝坝基；IV2类结构面间距小于10cm，结构面张开，岩块向嵌合力差，不宜作高坝坝基。Rb>15MPa IV类结构面间距3010cm或Rb<15MPa IV类结构面5030cm，均不宜作高坝坝基。4.2混凝土与岩体接触面抗剪断参数设计规范（送审稿）各类岩石工程分级抗剪断参数不衔接，有重复现象。例如I级岩石f =1.51.2， C=1.51.1MPa；II级岩石f =1.31.0 ，C=1.30.9 MPa；造成使用时可以产生不确定性。例如f =1.3 ，C=1.2 MPa，按指标可定为I级或II级。地质规范各类岩体抗剪断参数能衔接，不产生重复现象。例如I类

17、岩体：1.50f >1.3 1.50C>1.3 MPa，II类岩体1.30f >1.10 1.30C>1.10 MPa。I、II类岩体抗剪断参数比设计规范有所提高，III、IV类岩体基本相同。5、坝基岩石抗剪强度试验值，建议值与地质规范相比较。水利水电工程地质勘察规范（GB50287-1999）P55混凝土坝基底面与基岩面的抗剪断强度或抗剪强度取值应符合下列规定：1）当试件呈脆性破坏时，坝基抗剪断强度取值：拱坝应采用峰值强度的平均值作为标准值；重力坝应采用概率分布的0.2分值作为标准值或采用峰值强度的小值平均值作为标准值，或采用优定斜率法的下限作为标准值。抗剪强度应采用

18、比例极限强度作为标准值。2）标准值应根据基础底面和基岩接触面剪切破坏性状、工程地质条件和岩体应力进行调整，提出地质建议值。3）对新鲜、坚硬的岩浆岩，在岩性、起伏差和试件尺寸相同的情况下，也可采用坝基混凝土标号的6.07.0%估算凝聚力。4）规划、可行性研究阶段当坝基岩体力学参数试验资料不足时，可根据表D.0.3结合地质条件进行折减,选用地质建议值。现将地质勘察规范发颁前有关电站坝体岩体抗剪强度试验值，建议值与地质规范比较。5.1临江坝址坝基混凝土与岩石抗剪断在平洞内进行3组试验，计15块试件。岩性为侏罗系安山碎屑凝灰岩，为坚硬岩石，岩石多呈弱风化状态。节理以较发育为主。具脆性破坏特征，由于C值

19、较高，剪断时剪切位移仅0.3mm。试验成果见表51。表51试件编号抗剪断强度试件混凝土抗压强度（MPa）f C(MPa)30511.651.4026.423.7Cp=26.930621.651.6516.726.1Cp=21.9630431.331.7017.425.8Cp=23.2用解析法和最小二乘法计算抗剪断平均值和小值平均值，见表52。表52计算方法抗剪断强度平均值抗剪断强度小值平均值f C(MPa)f C(MPa)解析法1.521.601.761.18最小二乘法1.631.481.850.94建议值见表53。表53试件编号抗剪断强度变形模量(GPa)f C(MPa)河床、漫滩1.201

20、.008左、右岸1.100.805试验点基本为III类岩体，f 值（小值平均值）偏高，不宜采用，C值偏于安全。5.2白山水电站拱坝。坝基岩石为太古界混合岩，岩石呈微风化新鲜状态。混凝土与岩体抗剪断试验成果见表5。表54试验地点试件尺寸（cm）试验组数起伏差（mm）抗剪断强度备注f C(MPa)室 内20×2035101.243.10平均值现 场50×5055101.192.50综合整理值50×5055101.001.20综合整理值（断后剪）设计采用值：微风化新鲜岩石f =1.13，C=1.04MPa；微风化新鲜岩石f =0.75，C=0；弱风化岩f =0.65，C

21、 =0。坝基为II类岩体，C值采用值偏低；微风化新鲜岩石抗剪指标是以往采用的最高值。5.3棉花滩水电站福建省永定县境内，拱坝，最大坝高115m。坝基岩石为燕山三期黑云母花岗岩。混凝土与岩体抗剪断试验成果见表55。表55组合方式组 序混凝土编号峰 值比例极限f C(MPa)f C(MPa)混凝土弱风化岩体1210#1.611.081.120.352150#1.221.080.760.403250#1.671.00混凝土微风化岩体4150#1.311.401.040.355150#1.091.300.700.756150#1.081.42.0780.80混凝土与岩体抗剪断强度算术平均值见表56表5

22、6 值 别组 合峰 值比例极限f C(MPa)f C(MPa)混凝土/弱风化1.501.050.940.38混凝土/微风化1.161.370.840.63混凝土与岩体抗剪（断）强度建议值见表57。表57度程化风体岩号标砼别值抗 剪抗 剪 断f C (MPa)f C(MPa)150#200#250#150#/250#150#200#250#150#/250#弱风化0.650.670.6801.001.101.201.1微风化0.680.700.7201.051.151.251.2新鲜0.720.740.7501.101.201.301.3混凝土与岩体抗剪断试验，混凝土强度对不同风化程度的C值是不

23、一样的，如果混凝土与弱风化岩体的C值是混凝土强度的0.040.07倍，平均为0.05倍，而混凝土与微风化岩体的C值是混凝土强度的0.09倍。混凝土与弱风化岩石抗剪断试验C=1.01.08MPa，建议值采用1.1MPa偏高。f 值是试验值的0.680.82，平均为0.74。 混凝土与微风化岩抗剪断试验，f 值是试验值（150#混凝土）的0.800.97，平均为0.91，其余值（200#、250#混凝土）是按类比法建议的。混凝土与新鲜岩石抗剪断试验及各类岩石的抗剪断试验的强度建议值均是按经验或类比法提供的。岩体直剪试验在平洞内对弱、微风化岩体各作了组，由于断裂面凸凹不平，而引起的咬合力，成果普遍偏

24、大，无法使用。岩体抗剪断强度建议值见表58表58岩体风化程度抗剪强度f C(MPa)弱风化1.202.00微风化1.402.50新 鲜1.503.00C值建议值偏高。5.4石龙水电站混凝土重力坝，最大坝高43。坝基岩石为弱风化熔岩凝灰岩，岩质坚硬。坝基岩体抗剪指标建议值：混凝土岩石f =1.1，C=1.0 MPa；岩石岩石f =1.2 ，C=1.9 MPa。岩石岩石的C值偏高。5.5沙溪口水电站福建闽江支流西溪上，混凝土重力坝，最大坝高40m。前震旦系云母石英片岩，混凝土岩体建议值f =1.11.2，C=0.91.0MPa，云母石英片岩片理面建议值f =0.60，C=2.0 MPa，C值偏高。

25、5.6长江三峡水利枢纽混凝土重力坝，最大坝高175m。坝区基岩为前震旦系闪云斜长花岗岩。坝基混凝土与岩体、岩体与岩体抗剪断试验及岩体变性模量试验成果如下：混凝土岩体：f =1.21.5，C=1.52.0MPa；岩体岩体 f =1.802.17，C=1.151.62MPa；变性模量（3040）GPa。抗剪强度建议值见表59表59基岩状态抗剪断强度抗剪强度f C(MPa)f C (MPa)混凝土与微风化、新鲜岩石0.951.051.301.500.750.85混凝土与弱风化下带岩石0.850.950.801.00新鲜或微风化岩体1.001.201.502.00弱风化下带岩体1.001.101.00

26、1.30三峡坝基按岩石强度，抗剪断强度及岩体变形模量主要为I、II类岩体。混凝土岩体抗剪断强度建议值：f =0.851.05是试验值的70%，基本为III类岩体；C=0.81.5MPa是试验值的5375%，为I、III类岩体，两者不协调。岩体岩体抗剪断强度建议值：f =1.001.20是试验值的5556%，为III类岩体；C=1.02.0MPa，是试验值的87127%，取值标准不一致，C值偏高。是90年代资料，后期是否有变化，情况不清。5.7丰满水电站混凝土重力坝，35#坝段，坝高75m。坝基混凝土/岩体抗剪断强度试验值：f =0.9，C=0.89MPa。采用值：f =0.65，C=0.60M

27、Pa，分别为试验值的72%和67%。Kc=2.412.62。5.8拉西瓦水电站青海省黄河上游，拱坝，坝高250m。为印支期花岗岩。坝基岩体/岩体、混凝土/岩体抗剪断试验成果见表510。表510类 别组号抽样混凝土平均抗压强度（Kg/cm2）峰 值比例极限f C( Kg/cm2)f C( Kg/cm2)混凝土/岩体12551.2101.055混凝土/岩体22901.491.132.5岩体/岩体11.2410.8039岩体/岩体21.6701.2814坝基花岗岩体强度参数建议值见表511表511 参数建议值岩体分类抗剪断强度抗剪强度f C( Kg/cm2)f C (Kg/cm2)I类 微风化新鲜完

28、整块状岩体1.230401.10II类 微风化块状岩体1.125301.00III微风化弱风化块状碎裂岩体0.810150.60未给出混凝土/岩体抗剪（断）强度的建议值，C值过低，按混凝土强度6.5%计算，其C值为16.618.9 Kg/cm2，原因不清。岩体/岩体抗剪断强度I、II类岩体f 值偏低，C值偏高；岩体/岩体抗剪强度f 值I、II类岩体国内未超过0.8。5.9宁夏某水库混凝土重力坝，坝基为厚层砂岩，薄层灰岩、页岩互层。混凝土与岩石现场抗剪试验成果见表12。表512类 别抗剪强度抗剪断强度f C (Kg/cm2)f C( Kg/cm2)混凝土/砂岩0.961.031.507.80混凝

29、土/灰岩0.882.111.258.78结合现场试验，并参照国内类似工程的经验，其混凝土、岩石之间抗剪参数计算值为：f =0.59， C=0。按抗剪断强度f 值基本为II类岩体，但C值偏低，为III类岩体。抗剪强度f 的计算值为试验值的6167%。6.岩体变形模量试验6.1临江坝址在坝址左、右岸304#307#平洞进行4组岩体变形模量试验，计16块试件。岩体为侏罗系安山碎屑凝灰岩，局部为蚀变凝灰岩和角砾凝灰岩，岩体呈弱风化状态。采用圆形刚性承压板，直径50cm，压力为0.4、0.8、1.2、1.6、2.0MPa 5个压力阶段。岩体变形特征：0.4、0.8MPa压力阶段，残余/全变形平均值为0.

30、65和0.51，为塑弹性变形；1.2、1.6、2.0MPa压力阶段，残余/全变形平均值为0.44、0.42、0.37，为弹塑性变形，以起始压力和最终压力E0值相比较，除304-E10（为断层带）提高17.2%，其余均下降，最多下降69.2%。305-E1、304-E9、304-E103点，E0（压力为2.0MPa）=0.6880.848GPa，主要是岩体破碎，裂隙张开13mm，充填泥夹碎屑，或遇缓倾角断层。其余13点E0（压力为2.0MPa）=3.43613.38GPa，平均值为6.13GPa，属III类围岩。坝基灌浆后，变形模量一般能提高30%。E0建议值：左右岸5GPa，漫滩、河床8GPa

31、。岩体开挖后存在应力重分布和局部松动，但如试验初始压力偏低，变形较小，得出较大的E0值，在临江，桓仁抽水蓄能，拉西瓦均已发现此问题，提供的资料必须和设计应力相结合。6.2棉花滩水电站变形模量布置22试验点，最大压力6.0MPa1）断层破碎带断层泥夹糜棱岩（或全风化岩）2个试验点。E0=0.070.15GPa，建议值<0.10GPa。角砾岩、碎裂岩5个试验点。E0=1.41.97GPa，建议值13GPa。2）弱风化岩类5个试验点，E0=3.1915.66GPa，平均值6.97GPa，建议值510GPa。3）微风化、新鲜岩类10个试验点。E0=5.641.99GPa，平均值13.25GPa。

32、弱风化岩类E0值建议采用10GPa偏高。微风化、新鲜岩类按E0值总体为II类岩体，按试验值I、II类各占20%，III类占60%，因此E0值的大小不完全决定于岩体的风化状态，而同时决定于裂隙的发育程度和产状等。6.3拉西瓦水电站坝基岩体变形模量25个点，采用静力法千斤顶试验，承压板直径为4050cm。压力从1316 Kg/cm2开始，直至6072 Kg/cm2，分成5个压力阶段。未受重分布应力和岩体松弛影响的点，大多从第三个循环开始，变形模量才趋于稳定，此时的应力量级已达2440 Kg/cm2，而低于此级应力条件下，随应力不同，岩体反映出不同的变形模量。拱坝在不同位置，对岩体压应力不可能相同，当压应力大于或小于24