朱容辰

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 陜西西安 710043)

巖體的卸荷作用是巖體局部應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化引起的一種外動(dòng)力地質(zhì)作用,普遍存在于各類巖質(zhì)邊坡中,巖體的卸荷作用是由多種因素決定的,因而卸荷作用的機(jī)制也是多種多樣的。地質(zhì)條件不同,其形成機(jī)制不同,它們以各自的方式影響著巖體的工程地質(zhì)特征[1]。考慮到卸荷巖體的一個(gè)主要特征是具有大量的卸荷裂隙,通過(guò)調(diào)查研究卸荷裂隙的各種指標(biāo),可以分析巖體的卸荷狀況,確定巖體卸荷深度并對(duì)巖體進(jìn)行卸荷帶劃分[2]。結(jié)合西南某水電站高邊坡三疊系砂板巖的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料,對(duì)高邊坡巖體卸荷的本質(zhì)、機(jī)理、巖體卸荷特征及影響谷坡巖體卸荷帶發(fā)育的因素,以及卸荷帶的劃分進(jìn)行了探討,并選用定性判斷與定量測(cè)試相結(jié)合的方法,對(duì)巖體卸荷帶進(jìn)行綜合劃分。

1 邊坡巖體卸荷作用

1.1 工程區(qū)地質(zhì)背景

工程區(qū)位于青藏高原東南部,地貌區(qū)劃屬川西高原,緊鄰川西南高山區(qū)。區(qū)域構(gòu)造格局為“川滇菱形斷塊”內(nèi)的次級(jí)斷塊“雅江-理塘”菱形Ⅳ級(jí)斷塊中部。壩址區(qū)為橫向谷,河谷深切,呈略顯不對(duì)稱的“V”形峽谷,兩岸山體雄厚,谷坡陡峻,臨河坡高500～1 000 m。壩址區(qū)兩岸基巖以三疊系上統(tǒng)兩河口組中、下段(T3lh2、T3lh1)砂巖夾粉砂質(zhì)板巖為主。巖石致密堅(jiān)硬,巖體完整性較好,抗壓強(qiáng)度較高。壩址區(qū)無(wú)區(qū)域性斷裂(Ⅰ、Ⅱ級(jí))通過(guò),地質(zhì)構(gòu)造以次級(jí)小斷層、擠壓破碎帶、節(jié)理裂隙(裂隙密集帶)、巖脈(石英脈)為特征。另外,根據(jù)地勘實(shí)測(cè),壩區(qū)地應(yīng)力值較高,最高可達(dá)20～30 MPa左右。上述條件為邊坡巖體卸荷提供了物質(zhì)條件與環(huán)境場(chǎng)。

1.2 卸荷作用本質(zhì)

卸荷作用是邊坡巖體淺表生改造的一種重要外生營(yíng)力。河谷開(kāi)挖以后形成的臨空面或類臨空面為儲(chǔ)存在巖體中的高應(yīng)變能提供了釋放空間。伴隨能量釋放,斜坡淺表部一定范圍內(nèi)巖體應(yīng)力調(diào)整,導(dǎo)致淺表部應(yīng)力降低,而在坡體更深部位產(chǎn)生某種程度的應(yīng)力集中,即產(chǎn)生所謂應(yīng)力駝峰現(xiàn)象[3]。表部應(yīng)力降低導(dǎo)致巖體回彈膨脹、結(jié)構(gòu)松弛,造成巖體的卸荷。在這一過(guò)程中,巖體應(yīng)力的降低將導(dǎo)致巖體松弛和原有的裂隙發(fā)生各種變化,形成新環(huán)境下的裂隙網(wǎng)絡(luò),這些裂隙一部分是原有構(gòu)造裂隙經(jīng)改造而形成,一部分是微小裂隙擴(kuò)張后的顯式裂隙,還有在應(yīng)力環(huán)境和外動(dòng)力環(huán)境下形成的新表生結(jié)構(gòu)面——卸荷裂隙。在巖體卸荷、應(yīng)力降低的過(guò)程中,隨著新的裂隙系統(tǒng)形成,也為外動(dòng)力或風(fēng)化營(yíng)力提供了通道,加速巖體風(fēng)化和應(yīng)力的進(jìn)一步降低。因此,巖體卸荷的本質(zhì)是原巖應(yīng)力降低,導(dǎo)致的結(jié)果是巖體結(jié)構(gòu)松弛[4]。伴隨應(yīng)力松弛,不同力學(xué)性質(zhì)的巖體表現(xiàn)不同，軟巖類巖體往往表現(xiàn)為韌性變形或塑性流動(dòng),堅(jiān)硬巖體表現(xiàn)為拉、剪應(yīng)力作用下的結(jié)構(gòu)面改造與新破裂產(chǎn)生。壩址區(qū)砂巖巖體具備儲(chǔ)存高應(yīng)變能的能力。在河谷開(kāi)挖后產(chǎn)生的卸荷作用應(yīng)屬堅(jiān)硬塊狀巖體在較高原巖應(yīng)力下的卸荷。

1.3 卸荷作用機(jī)理

卸荷引起的應(yīng)力降低實(shí)際包含兩個(gè)不同應(yīng)力狀態(tài)區(qū)域[3，5]：一個(gè)是一向受壓、一向受拉的拉-壓應(yīng)力組合區(qū),位于近坡面一定深度范圍之內(nèi)；一個(gè)是雙向受壓的壓-壓應(yīng)力組合區(qū),位于拉-壓應(yīng)力組合區(qū)與應(yīng)力集中區(qū)之間。并可按應(yīng)力存在方式與卸荷破壞方式將斜坡淺表部巖體劃分為5個(gè)區(qū)域(如圖1)。

圖1 河谷應(yīng)力場(chǎng)分布及卸荷裂隙機(jī)理示意

1.4 卸荷巖體特征

隨著河谷下切過(guò)程的進(jìn)行,岸坡巖體向臨空面方向發(fā)生卸荷回彈變形,谷坡應(yīng)力場(chǎng)將產(chǎn)生新的調(diào)整,形成河谷應(yīng)力場(chǎng)；而伴隨這一過(guò)程,邊坡巖體也將產(chǎn)生一系列新的變形和破裂,以適應(yīng)或達(dá)到新的平衡狀態(tài),這就是巖體結(jié)構(gòu)的表生改造。巖體結(jié)構(gòu)的表生改造一般具有兩類形式,即原有構(gòu)造或原生結(jié)構(gòu)面的進(jìn)一步改造,或新的表生破裂體系的形成。其結(jié)果是在河谷岸坡一定深度范圍內(nèi),形成類似于地下洞室圍巖“松動(dòng)圈”的岸坡卸荷帶[3]。

在這樣的應(yīng)力環(huán)境下,卸荷帶巖體表現(xiàn)出：

①表部巖體崩塌、松動(dòng),地面開(kāi)裂,嚴(yán)重者使斜坡巖體演化為變形體或滑坡。

②新的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生,原有結(jié)構(gòu)面在其尖端表現(xiàn)出裂紋擴(kuò)展,一些近地表結(jié)構(gòu)面張開(kāi)拉裂,節(jié)理面夾泥或?yàn)槠渌紊锍涮睢?/p>

③在松弛的應(yīng)力場(chǎng)、活躍的滲流場(chǎng)作用下，風(fēng)化強(qiáng)烈且愈演愈烈,導(dǎo)致巖石某些礦物成分發(fā)生轉(zhuǎn)化,流失或質(zhì)變。

④應(yīng)力松弛使巖石孔隙加大、密度降低。

⑤巖石卸荷回彈,體積膨脹,力學(xué)性能降低,巖體位移明顯,在軟巖表現(xiàn)為塑性變形強(qiáng)烈,在硬巖表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)流變突出。

⑥RQD值、波速值降低,巖體結(jié)構(gòu)松弛、完整性變差。

⑦地下水活躍,水-巖作用顯著,硐室開(kāi)挖后引起圍巖滲水、滴水、流水、涌水。以上種種致使巖體變形加劇，力學(xué)參數(shù)降低，結(jié)構(gòu)效應(yīng)擴(kuò)大，局部地段破壞，巖體整體性降低以及邊坡穩(wěn)定性降低等。

根據(jù)卸荷程度,谷坡巖體卸荷可分為強(qiáng)卸荷帶與弱卸荷帶,在卸荷帶內(nèi)側(cè)有時(shí)存在一個(gè)相當(dāng)于應(yīng)力增高帶的緊密擠壓帶。卸荷帶劃分依據(jù)主要考慮卸荷裂隙的規(guī)模、密集程度、次生充填及巖體松弛特性等[6]?？奢o助參照一些測(cè)試數(shù)據(jù),如地應(yīng)力測(cè)試、點(diǎn)荷載試驗(yàn)、聲波、氡氣測(cè)試等。實(shí)踐證明,調(diào)查人員地質(zhì)對(duì)比的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),往往起關(guān)鍵性作用。卸荷帶的界定和鑒別,還可從岸坡地應(yīng)力場(chǎng)的變化和卸荷裂隙破裂機(jī)制加以區(qū)分。

1.5 影響谷坡巖體卸荷帶發(fā)育的因素

卸荷帶巖體的這種外在表現(xiàn),在時(shí)間與空間上并不是均勻分布,這是由卸荷帶巖體內(nèi)部自表及里應(yīng)力漸次升高的分布特點(diǎn)決定的。影響河谷巖體卸荷的因素有應(yīng)力特征、地形地貌、地層巖性、風(fēng)化狀況、巖體結(jié)構(gòu)、斷裂構(gòu)造、地下水及地震因素、人類工程活動(dòng)等,巖體卸荷正是在這諸多因素的共同作用下產(chǎn)生和發(fā)展，但這些因素有先有后,有主有次。大致來(lái)講,應(yīng)力特征、地形地貌、地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造發(fā)育特征等構(gòu)成了谷坡巖體卸荷的先決條件,而風(fēng)化狀況與地下水賦存條件則為在此先決條件下的后來(lái)因素。盡管如此,在進(jìn)行具體問(wèn)題具體分析時(shí),仍不能因?yàn)橛绊憥r體卸荷的因素有先后主次而將其割裂開(kāi)來(lái),它們共同作用,彼此之間有著天然聯(lián)系,是效應(yīng)互動(dòng)的統(tǒng)一體[6]。

2 卸荷分帶研究方法

目前,卸荷分帶有定性、定量和數(shù)值模擬三種方法。定性劃分是根據(jù)野外宏觀地質(zhì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)獲得的第一性資料和感性認(rèn)識(shí)進(jìn)行劃分,包括地表調(diào)查與平硐調(diào)查,是研究邊坡卸荷特征的基礎(chǔ)；定量研究則是通過(guò)工程類比,并結(jié)合具體工程實(shí)踐對(duì)表征卸荷的特征指標(biāo)加以量化而得到不同卸荷帶的定量深度。本文用到的定量方法有：RQD測(cè)試、回彈測(cè)試、氡氣與聲波波速測(cè)試；數(shù)值模擬因其難以建立完全的地質(zhì)力學(xué)模型和數(shù)值模型[3],而使其應(yīng)用受到一定的限制,但也有其明顯的優(yōu)點(diǎn),即可從理論上、宏觀上、本質(zhì)上對(duì)卸荷規(guī)律進(jìn)行探討。本次研究主要從定性和定量?jī)煞矫鎸?duì)樞紐區(qū)邊坡巖體進(jìn)行卸荷帶的劃分。

3 巖體卸荷特征指標(biāo)調(diào)查

卸荷巖體發(fā)育的特征與表象為我們提供了野外宏觀調(diào)查巖體卸荷與分帶的重要依據(jù),現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)的主要內(nèi)容包括：巖性與巖體結(jié)構(gòu)特征、風(fēng)化程度及卸荷拉裂程度等。

平硐開(kāi)挖所形成的頂?shù)装寮白笥覂杀趯?shí)際上是從立體的角度為調(diào)查者展開(kāi)了一張?jiān)嫉刭|(zhì)剖面圖,巖體從表部到深部的所有卸荷信息都被完整地記錄在這張剖面圖上。對(duì)平硐揭示的巖性與巖體結(jié)構(gòu)特征，地下水出露及風(fēng)化狀況等進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查、統(tǒng)計(jì)、描述并歸納分析，是認(rèn)識(shí)斜坡不同部位巖體卸荷帶發(fā)育特征、空間分布規(guī)律及不同卸荷帶劃分的必要手段。表1為左壩肩部分平硐的野外調(diào)查結(jié)果。

表1 左壩肩部分平硐巖體卸荷特征野外調(diào)查

壩區(qū)河谷近南北走向,對(duì)其兩岸邊坡各高程平硐中隨機(jī)節(jié)理進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì),獲得的左岸2 352條、右岸2 086條節(jié)理及裂隙產(chǎn)狀資料,據(jù)此繪制節(jié)理等密圖(見(jiàn)圖2),觀察發(fā)現(xiàn)沿南北河谷走向,兩岸平行谷坡陡傾角節(jié)理有傾向岸外呈微弱對(duì)稱趨勢(shì),這與岸坡卸荷裂隙發(fā)育不無(wú)關(guān)系。

圖2 左壩肩及右壩肩裂隙極點(diǎn)等密圖

4 壩區(qū)巖體宏觀卸荷特征

根據(jù)卸荷程度,谷坡巖體卸荷可分為強(qiáng)、弱卸荷帶。其判別依據(jù)見(jiàn)表2。

表2 強(qiáng)、弱卸荷帶的劃分依據(jù)

5 邊坡卸荷帶的綜合劃分

壩址區(qū)不同工程部位邊坡的巖體結(jié)構(gòu)及卸荷破裂方式不同,為了較準(zhǔn)確的劃分邊坡的卸荷帶,必須結(jié)合各種測(cè)試數(shù)據(jù)與巖體結(jié)構(gòu)的分帶性方面作綜合分析。下面以左壩肩邊坡巖體卸荷帶劃分為例做綜合分析。

左壩肩邊坡受巖體結(jié)構(gòu)控制,變形破壞模式以楔形滑移拉裂型為主,局部存在滑移拉裂及滑移壓致拉裂型等。本處邊坡布置有PD03、PD05、PD07、PD09、PD011、PD13及PD25等平硐,現(xiàn)以PD05平硐為例,對(duì)左壩肩邊坡卸荷帶進(jìn)行綜合劃分。

由圖3可知,在15～20 m、28～39 m和105～110 m洞段有幾個(gè)明顯的表生改造帶,15～20 m及28～39 m處的卸荷裂隙內(nèi)充填巖屑及次生泥,滲水,一般張開(kāi)0.5～2 cm,局部達(dá)3 cm；105～110 m處傾坡外裂隙較發(fā)育,微張,局部有變形松動(dòng)跡象；110 m以后裂隙相對(duì)不發(fā)育,巖體微新,據(jù)此定性劃分強(qiáng)卸荷界限為39 m,弱卸荷界限為110 m。

波速測(cè)試在15～20 m、28～33 m及局部相應(yīng)硐段也對(duì)應(yīng)為波速低值區(qū),回彈測(cè)試曲線在10～36 m、47～53和105～124 m為低值區(qū),與結(jié)構(gòu)展示圖有一定出入,但大體相對(duì)應(yīng),RQD測(cè)試曲線在0～13 m、15～20、23～36 m為低值區(qū),與氡異常值測(cè)試曲線有較好的對(duì)應(yīng)性,與定性劃分的強(qiáng)卸荷界限較吻合,故將強(qiáng)卸荷帶劃分為0～39 m較為合理。107 m以后,RQD測(cè)試曲線值總體較高,氡異常值很低,趨近于零,則將39～110 m段定為弱卸荷段是比較符合實(shí)際的。其次,無(wú)卸荷段的回彈低值可能與巖性有關(guān)。

根據(jù)上述卸荷帶的綜合分析可以看出,總體上卸荷帶定性劃分與定量測(cè)試有著較好的一致性,但由于存在地質(zhì)工程師認(rèn)識(shí)水平的差異,使部分平硐的卸荷帶劃分存在誤差,這主要是不同的個(gè)體認(rèn)知存在差異,且定性劃分方案僅是從裂隙的張開(kāi)度、充填物等表象進(jìn)行劃分,而通過(guò)定量測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)劃分卸荷帶的人為因素較小,是更科學(xué)的方法。通過(guò)定量、半定量指標(biāo)的引入和測(cè)試成果,結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)、變形破裂跡象等的深入分析,進(jìn)行綜合劃分的邊坡卸荷分帶特征如表3所示。

表3 左壩肩平硐卸荷帶綜合劃分一覽 m

6 結(jié)論

圖3 PD05平硐巖體結(jié)構(gòu)剖面及各測(cè)試曲線對(duì)比

(1)卸荷帶的分布范圍與高程有關(guān),平硐所處高程越高,其強(qiáng)弱卸荷帶范圍均比低高程與之對(duì)應(yīng)平硐卸荷帶范圍要深。因?yàn)檫吰孪虏渴艿焦鹊椎募s束作用,應(yīng)力釋放及調(diào)整較為困難,故卸荷帶發(fā)育深度較淺；隨著向坡頂高程的增加,應(yīng)力釋放與調(diào)整可以充分進(jìn)行,故卸荷帶發(fā)育深度會(huì)逐漸增加。

(2)卸荷帶分布范圍與地貌有關(guān),同一高程處,所處山脊部位平硐卸荷范圍一般大于所處山凹處平硐卸荷范圍。

(3)定性劃分是以巖體裂隙條數(shù)、裂隙開(kāi)度或裂隙充填次生夾泥或其他次生充填物厚度等表象作為劃分的依據(jù),而定量測(cè)試數(shù)據(jù)是以巖體完整性系數(shù)RQD、回彈值測(cè)試、氡氣異常值與聲波波速測(cè)試為依據(jù),通過(guò)定量、半定量指標(biāo)的引入和測(cè)試成果,結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)、變形破裂跡象等定性分析,有利于對(duì)巖體卸荷帶進(jìn)行客觀合理的綜合劃分。

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