3岩体力学性质(张子兴)

洪水冲袭前后对比
不幸中的万幸
唯一在洪水中幸免于难的是瓦依昂大 坝本身。事后计算得知，滑坡引起的涌浪 对坝体形成的动荷载约为4000万kN，相当 于设计荷载的8倍。洪水过后，瓦依昂大坝 仅仅是右侧坝肩轻微受损，主体安然无恙 ，幸存的大坝拦住了部分泥石流，避免了 更大灾难的发生。 滑坡后第二天，瓦依昂大坝充满浑浊 的泥浆和堆积如山的滑坡体，足足高出坝 顶150米。
大坝现状
废弃的瓦依昂水库今天依然存在，只 是不再是原来的规模，只保留了一个很小 的供观赏的人工湖，完全失去了蓄能发电 的作用。
废弃的瓦里昂大坝
残存的瓦依昂水库
瓦依昂山谷中仍裸露的岩石
3.4 结构面的力学性质
1 引起工程岩体失稳破坏
为什么 要研究 结构面 的力学 性质？
2 控制岩体变形 3 控制地下水渗透
3.4.3 结构面的抗剪强度
低法向应力时的剪切，结构面有剪切位移和剪胀；高法 向应力时，凸台剪断，结构面的抗剪强度最终变成残余 抗剪强度。 凸台起伏形成的粗糙度和岩石强度对结构面的抗剪强度 起着重要作用。 Barton和Choubey(1977)提出结构面的抗剪强度公式：
JCS n tan JRC lg b n
灾后的瓦依昂大坝
不幸中的万幸
另外一个在鬼门关前转了一圈的是身 处瓦依昂水库北岸山坡的萨索镇（Casso） ，由于地势较高，滑坡体冲到小镇脚下仅 几十米的地方停了下来，全镇数千人因此 逃过一劫。大难不死的萨索人事后足足举 行了一个月的弥撒，并在每年的10月9日举 行纪念活动，感谢万能的上帝对小镇的庇 护，这一习俗沿袭至今。
3.4.2 剪切变形与剪切刚度
1)剪切变形两种类型 a.粗糙结构面（无充填物），剪应力上升较快，当剪应力达 到峰值后抗剪能力下降较大，并产生不规则的峰后变形或 滞滑现象。
b.平坦结构面（有充填物），初 始阶段剪切变形曲线斜率逐渐减 小，曲线没有明显的峰值出现， 最恒定。
3.4.2 剪切变形与剪切刚度
3.4.3 结构面的抗剪强度
结构面剪切过程中的力学机制比较复杂，构成结构面抗剪 强度的因素是多方面的，一般可用库仑准则表述：
c n tan
C, ф: 结构面上的粘结力 和摩擦角
n: 结构面上的法向应力 ф = фb + i ; фb: 岩石平坦 表面摩擦角; i : 结构面上 的凹台斜坡角;
3.4.2 剪切变形与剪切刚度
3）剪切变形方程 1975，卡尔哈维（Kalhaway)提出：

式中：m=1/k0,
k0:初始剪切刚度; n=1/τ0, τ0－产生较
m n t
t
大剪切位移时的剪应力渐近值 4）剪切变形特征 ①两种类型： a.坚硬、无充填物－脆性变形： 有明显的峰值、应力降 b.软弱、有充填物－塑性变形： 无明显的峰值、应力降
3.4.3 结构面的抗剪强度
结构面力学性质具有尺寸效应：

随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度时的位移量增 大； 由于尺寸的增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性破 坏转化； 尺寸加大，峰值剪胀角减小； 随结构面粗糙度减小，尺寸效应也减小。
建设中的瓦伊昂大坝
设计变更
50年代末正值世界核电开发的黄金时 代，核电具有更高、更稳定的发电量，这 无疑是比水电更大的诱惑。1957年4月，罗 马的政客们放了一个大卫星：大坝改成为 核电站配套服务的抽水蓄能电站，高度从 初始的230米增加到264. 6米，这样就使水 位上升到722.5米高程，不但在双曲拱坝中 首屈一指，而且成为世界第二高的大坝； 库容也增加到初始设计的三倍，达1.65亿 立方米。
4 影响岩体中应力分布
3.4.1 法向变形与法向刚度
在法向荷载作用下，岩石粗糙结构面的接触面积和接触点 数随荷载增大而增加，结构面间隙呈非线性减小，应力与 法向变形之间呈指数关系。 1） （Goodman,1974 ） 法向应力与法向变形的关系
n n s max n
t
式中： ：原位压力 max ：最大可能闭合量 s，t：与结构面几何特征、岩石力 学性质有关的两个参数
3.4.1 法向变形与法向刚度
法向刚度Kn （Goodman,1974）
2
K n 0 max n Kn Kn0 K n 0 max
式中Kn0：结构面的初始刚度 实质：每点的切线斜率
地质环境
坝址区主要地质问题为向斜褶皱裂隙 和断裂较发育。 裂隙主要有三组，一是层理和层理裂 隙，充填有极薄的泥化物；二是与河流流 向垂直的垂直裂隙；三是两岸岸坡卸荷裂 隙，重叠分布，形成深度为100～150m的卸 荷软弱带，这三组裂隙将岩体切割成 7m×12m×14m的斜棱形体。
地质环境
施工刚开始，工程人员就发现左坝肩岸坡 很不稳定，根据瓦依昂河谷地质结构，有学者 提出有产生深部滑坡的可能性，但设计师认为 深部滑坡不可能发生，施工照常进行，直到大 坝建成，仍未对岸坡的稳定性及发展趋势作出 明确判断。 不过设计师还是按常规考虑了水库可能发 生的各种灾害，如坝体破坏、滑坡等问题，并 在大坝下游及与居民点相近的地点设置了一系 列诸如防洪墙、泄洪道之类防洪减灾设施。
剪切变形曲线从形式上可划分成“弹性区”、剪应力峰 值区和“塑性区”。通过将弹性区单位变形的应力梯度 称为剪切刚度Kt。 2）剪切刚度Kt 剪切刚度：K
t
t
1974年Goodman提出：
Kt Kt 0 1 s
式中：Kt0－初始剪切刚度 τs－产生较大剪切位移 时的剪应力渐近值
3.4 结构面的力学性质
1 引起工程岩体失稳破坏
为什么 要研究 结构面 的力学 性质？ （意大利 瓦依昂 水库库岸滑坡） （中国 拓溪 水库 库岸滑坡） 2 控制岩体变形
3 控制地下水渗透
4 影响岩体中应力分布
地理环境
瓦依昂大坝位于意大利北部阿尔卑斯 山区皮亚韦（Piave）河的左岸支流瓦依昂 河上，距汇入皮亚韦河的瓦依昂河河口约 2km。距离最近的城市为瓦依昂市。 阿尔卑斯山区良好的森林覆盖和得天 独厚的气候条件，使得这里春夏秋三季雨 量充沛，山谷中河流淙淙，水利资源十分 丰富。
3.4.1 法向变形与法向刚度
2）班迪斯（Bandis,1984） 通过对大量的天然、不同 风化程度和表面粗糙程度 的非充填结构面进行试验 研究，提出了双曲线型法 向应力与法向变形的关系
n
a b n
n
式中：a、b为常数 法向刚度kn
n 1 Kn n (a bn ) 2
蓄 水 试 验 中 发 生 的 两 次 崩 岸
灾难降临
1962年底，国家电力公司（ENEL）从 SADE手中买下了瓦依昂水库，为尽早通过 验收，从1963年初开始，蓄水试验的步子 再一次加快。到4月份，库区水位突破700 米，达到702米；7月中旬，水位进一步增 至710米，某些控制观察点录得每天超过 0.5厘米的移动量；到8月份增加到每天0.8 厘米。到了9月初，水位提高至715米时， 位移速度已增至每天3.5厘米。
②风化结构面，峰值位移变大、剪切刚度变小
③随法向应力减小、剪切规模增大，剪切刚度减小
Байду номын сангаас
3.4.2 剪切变形与剪切刚度
4）剪胀现象与剪断现象
①岩石强度↑，爬坡角i↓，法向力N↓，发生剪胀现象(b)
②岩石强度↓，爬坡角i↑，法向力N↑，发生剪断现象(c) 结构面的剪切变形与岩石强度、结构面粗糙性和法向力有关。
第三章 岩体力学性质
3.4 结构面的力学性质
3.5 岩体的变形特性
3.6 岩体的强度特性
3.7 岩体的水力学性质
3.4 结构面的力学性质
上次课内容：
主要讲了岩体结构类型、岩体结构面的类型及其 形态
这节课接着讲： 结构面的力学性质、岩体的变形强度特征。 结构面力学性质主要包括三个方面： ①法向变形与刚度； ②剪切变形与刚度； ③抗剪强度。
灾难降临
此时水库中仅有5000万立方米蓄水， 不到设计库容的1/3。横向滑落的滑坡体在 水库的东、西两个方向上产生了两个高达 250米的涌浪：东面的涌浪沿山谷冲向水库 上游，将上游10公里以内的沿岸村庄、桥 梁悉数摧毁；西面的涌浪高于大坝150米， 翻过大坝冲向水库下游，由于坝下游河道 太狭窄，越坝洪水难以迅速衰减，致使涌 浪前峰到达下游峡谷出口时仍然高达70米 。洪水涌入皮亚韦河，彻底冲毁了下游沿 岸的1个市镇和5个村庄。
水库实验性蓄水时岸坡发生大规模裂缝
灾难开端
1959年秋天，瓦依昂大坝竣工，1960 年2月水库开始试验性蓄水。原本相对稳定 的岩层在巨大的水压下开始渗水，水和岩 层深处的粘土发生作用，坡体开始变得不 稳定。同年10月，当水位到达635米时，左 岸地面出现一道长达1800～2000m的M形裂 缝，随后发生了局部崩塌，塌方体积达70 万立方米，坝前出现高达10米的涌浪。
灾难降临
ENEL企图降低位移速度，开始缓慢降 低水位至705米，但从9月28开始瓦依昂地 区普降大雨，进一步恶化了岸坡结构，所 以位移不但没有降低，反而继续增加，至 每天超过20厘米的惊人水平。瓦依昂山谷 中发出奇怪的声音，水库里的水也变得浑 浊，山脚下的公路在两年的时间里移动了 半米多。当地政府发出警告，惶恐不安的 村民开始陆续逃离家园，然而这一切已经 太晚太晚。
地理环境
瓦依昂山谷独特的地理条件，成为实现上 述构想的最佳地点：山谷呈葫芦型，谷口 狭窄便于修建大坝；山谷内腹宽阔、深度 大，能最大程度地多蓄水。根据规划，瓦 依昂大坝的坝身高达230米。
刚 竣 工 时 的 瓦 依 昂 大 坝
地质环境
数千万年前这里是一片海洋，形成了 石灰岩和粘土相互层叠的结构，石灰岩层 间的粘土层在受水浸润时极易形成泥浆， 使岩层间的摩擦力降低，存在导致滑坡的 隐患。
逃 过 一 劫 的 萨 索 镇 （ 左 上 角 ）
问题归责
由于滑坡涉及的范围太大，当地地质水文情 况又极为复杂，要彻底弄清滑坡滑动机理及原因 并不是件容易的事情。但毫无疑问，贪婪是导致 灾难的罪魁祸首.建设方在明知地质查勘不充分、 地质人员素质不高的情况下仍然一意孤行，利润 的诱惑同样是一个重要原因。如果不是贪婪，大 坝的高度就不会是后来的264.6米，而是最初设计 的230米，对边坡的浸泡就不会有后来那么严重的 灾难后果，至少滑坡的规模会大幅下降；即便大 坝加高，发现滑坡苗头及时停止蓄水，而不是急 于通过验收，也可以挽救上下游数千人的生命。
灾难降临
从滑坡开始到灾难发生，整个过程不 超过7分钟，共有1900余人在这场灾难中丧 命，700余人受伤。巨大的空气冲击波使电 站地下厂房内的行车钢梁发生扭曲剪断， 将廊道内的钢门推出12米，正在厂房内值 班和住宿的60名技术人员除1人幸存外，其 余全部死亡；正在坝顶监视安全的设计者 、工程师和工人们无一幸免。
灾难降临
1963年10月9号22点39分。连日大雨今 天刚刚停息，瓦依昂水库南坡一块南北宽 超过500米、东西长约2000米、平均厚度约 250米的巨大山体忽然发生滑坡，超过2.7 亿立方米的土石以100公里的时速呼啸着涌 入水库，随即又冲上对面山坡，达到数百 米的高度，整个时间不超过45秒，发出的 巨大轰鸣声几十公里以外都能听见。
式中，JCS是结构面的抗压强度，φb是岩石表面的 基本摩擦角，JRC为结构面粗糙性系数。
3.4.3 结构面的抗剪强度
JCS n tan JRC lg b n
JRC在0-20间变化:
平坦近平滑结构面为5; 平坦起伏结构面为10; 粗糙起伏结构面为20;
灾难开端
一个月后水位上升到652米，崩塌滑坡再 次发生，岸坡位移速度达到每天3.5厘米，恐 惧万分的水电站工人连夜撤离，蓄水随后停止 ，水位被降至600米以下，位移随即减少至0.3 厘米/天左右。 设计部门认为，水位上升引起孔隙水压力 上升是造成滑坡发生的关键因素，并认定降低 水位上升速度可以阻止滑坡发展。在接下来的 2年时间里，这一措施有一定成效，但岸坡位 移也随之时大时小，始终无法彻底消除。