周黎明，肖國強，王法剛，付代光

（長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010）

1 工程概況

姚家坪水利樞紐工程位于清江上游竹園坪至姚家坪峽谷河段內(nèi)，設(shè)計壩高180多 m，水庫總庫容4.4億 m3，裝機容量為240 MW，平均發(fā)電量為6.264億k W·h。該工程以防洪和發(fā)電為主，屬于一等大（2）型水利水電工程。大壩壩址處在清江上的一個“S”形的河彎處，在腰部的直線距離約為1 000 m，流向為NE55°。壩軸線所在谷底的寬度約為100 m，壩區(qū)出露的基巖地層為二疊系上統(tǒng)大隆組（P2d）、三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）、嘉陵江組（T1j）薄至中厚層微晶灰?guī)r夾頁巖和泥灰?guī)r條帶。

大壩壩址右岸位于朝東巖，最高點高程為1 571 m；左岸位于涼風臺，最高點高程約為570 m；兩岸相對高程約為1 000 m。左右岸坡的形態(tài)存在較大差異，其中左岸邊坡相對比較平緩，右岸邊坡相對陡峭險峻，在760 m高程以下的部分，兩岸呈現(xiàn)出對稱的“V”形峽谷狀態(tài)，高度和寬度之比約為1∶2。前期的地質(zhì)調(diào)查資料已經(jīng)表明壩址地質(zhì)條件相對較差，存在巖體層間剪切帶等地質(zhì)缺陷。巖體卸荷較嚴重，其裂隙普遍卸荷張開溶蝕，寬度一般0.2～2 c m，少數(shù)寬達數(shù)10 c m，多充填碎石土，自然穩(wěn)定狀況較差［1］。

巖體風化主要是受大氣、水及生物接觸而產(chǎn)生，巖體卸荷是受重力、地質(zhì)構(gòu)造和人工開挖等作用使內(nèi)部應力釋放而造成，兩者都會破壞邊坡巖體的完整性，降低巖體的堅硬程度等力學參數(shù)指標［2-3］。本文研究內(nèi)容主要包括采用小排列折射波法進行邊坡風化卸荷帶的劃分；根據(jù)平洞地質(zhì)素描和波速測試資料分析高邊坡巖體卸荷帶的風化卸荷特征；按照國家工程巖體分級標準，根據(jù)平洞波速測試和室內(nèi)巖石力學試驗求取卸荷區(qū)巖體的BQ值，并獲得其分布規(guī)律，從而達到充分了解和掌握該工程邊坡巖體的穩(wěn)定條件的目的。

2 測試方法

邊坡風化卸荷帶的測試方法主要包括地震波法和鉆孔聲波法。在邊坡表面進行的地震波測試受場地條件限制，只能在坡度較緩、植被較少的邊坡開展工作；鉆孔聲波法需要在平洞內(nèi)鉆孔，試驗時要向孔中注水，前期準備工作復雜。為解決上述問題，本文采用在地震波法基礎(chǔ)上改進的小排列折射波法，通過在邊坡不同高程試驗平洞內(nèi)的邊墻上進行巖體彈性波波速測試，獲得邊坡從外部到內(nèi)部的巖體波速分布曲線，再依據(jù)波速隨坡距分布特點劃分出邊坡巖體不同卸荷帶區(qū)間。由于邊坡試驗平洞的開挖過程造成了平洞邊緣巖體的松動，松動層內(nèi)巖體的波速不是邊坡巖體的實際波速。因此，如何克服松動層波速的干擾，獲得位于松動層下部的原狀巖體波速，求出真實的邊坡卸荷帶與波速分布關(guān)系曲線，這是劃分邊坡巖體卸荷帶的關(guān)鍵問題。

為解決這一問題，主要采用的測試方法包括在邊坡表面進行的地震波法和在邊坡試驗平洞內(nèi)部進行的鉆孔聲波法。在邊坡表面進行地震波測試受場地條件限制，只能在坡度較緩、植被較少的邊坡開展工作；鉆孔聲波法需要在平洞內(nèi)鉆孔，試驗時還要向孔中注水，前期準備工作復雜，造價較高，同時鉆孔法聲波數(shù)據(jù)量大，每個單孔內(nèi)要先劃分出松動層和未擾動層原巖區(qū)間，數(shù)據(jù)處理復雜，提交成果時間較長。針對上述情況，筆者所在單位長江科學院在國內(nèi)首先提出“一激雙收法”［4］和“小排列折射波法”［5］的概念，較早地將該方法應用在水電工程的邊坡卸荷帶劃分中。小排列折射波法既可以在平洞內(nèi)測試，又不需要鉆孔，只需在平洞邊墻上布置測線進行測試，就能消除松動層巖體干擾的影響，直接計算出邊坡內(nèi)部原狀巖體的真實波速，從而為邊坡卸荷帶劃分提供有效的參考依據(jù)。

2.1 基本原理

由于平洞巖體的松動層和未擾動層之間存在密度、波速、泊松比和彈性模量等物理參數(shù)的差異，形成了一個彈性波波阻抗界面，構(gòu)成了小排列折射波法應用的地球物理前提條件。人工激發(fā)的彈性波在邊坡巖體內(nèi)部傳播過程中，當遇到波阻抗界面，會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，傳播路徑由此發(fā)生改變。小排列折射波法就是通過從包含直達波、反射波和折射波的實際波形中讀取首波時刻，計算邊坡內(nèi)部未擾動層原狀巖體波速的一種測試方法。

在松動層與未擾動層的波阻抗界面以上，松動層巖體波速為V1，界面以下未擾動層巖體波速為V2，有V2＞V1。在2層介質(zhì)模型中，彈性波將以直達波、反射波和折射波3種形式進行傳播（見圖1）。

圖1 彈性波傳播路徑示意圖Fig.1 Route of elastic wave propagation

在平洞松動層巖體內(nèi)的反射波和直達波傳播波速均為V1，其中直達波由于傳播距離最短，因此最先被接收。折射波在松動層巖體內(nèi)以波速V1傳播，在波阻抗界面處則以在未擾動層原狀巖體中的波速V2沿界面前行。由此可知，只有根據(jù)折射波所在的路徑才能計算出原狀巖體波速。由于V2＞V1，當偏移距布置達到合適的距離時，折射波將以初至的形態(tài)比直達波更早被接收到。

關(guān)于折射波到達時的計算，以1點發(fā)射2道接收作為算例進行分析，第1接收道初至波到達時間T1和第2接收道的初至波到達時間T2分別為：

由式（1）和式（2）可以導出

當?shù)篱g距X較小時，平洞邊墻表面起伏較小，可以近似認為L3＝L4，式（3）可寫成

式中：T1為第1道折射波到達時間，T2為第2道折射波到達時間，單位為us，可以通過直接讀取首波初至時刻獲得；X為2個接收傳感器之間的距離。因此，利用式（4）可計算出隧洞邊墻上的2個接收道間未擾動層原狀巖體的波速V2。

2.2 試驗布置及過程

本次試驗由外向內(nèi)沿洞壁布置一條測線，在測線上布置1個激發(fā)點和2個檢波器，檢波器的間距為1 m，偏移距為3.0～5.0 m。

一個完整小排列折射波法測試過程包括：首先采用人工錘擊，多次疊加后，根據(jù)2個檢波器測得的初至波到達時間差計算出相應巖體段的波速；然后將2個檢波器位置互換，在另一端激發(fā)，以相同方法計算出這段巖體波速，將前后2次測試所獲得的波速平均值作為該段巖體的波速，能有效消除因平洞洞壁表面起伏所引起的計算誤差；最后在完成一個排列測試后，將2個檢波器沿測線同步移動1 m，進行第2個排列測試。依次類推，直至完成平洞內(nèi)整條測線的測試。

3 邊坡卸荷帶劃分

邊坡卸荷帶劃分依據(jù)來源于平洞內(nèi)未擾動層原狀巖體波速測試結(jié)果。本次開展小排列折射波測試的平洞分布在壩址左右岸的不同高程處。由于右岸邊坡陡峭，左岸邊坡較緩且坡面較長，故在右岸選擇4＃，7＃，8＃共3個平洞測試，在左岸選擇6＃，11＃，21＃，25＃共4個平洞測試。根據(jù)邊坡內(nèi)部未擾動層原狀巖體波速與平洞距離的關(guān)系曲線劃分出邊坡巖體卸荷帶分布圖，見圖2和圖3，分別為左右邊坡的平洞波速和洞距的典型關(guān)系曲線代表。通過與相關(guān)工程的類比［5-6］，本次邊坡卸荷帶劃分的定量標準為：從新鮮巖體到微弱風化卸荷帶，巖體彈性波平均波速下降范圍在15%～25%之間；從微弱風化卸荷帶到強風化卸荷帶，巖體彈性波平均波速下降范圍在20%～30%之間。

圖2 4＃和11＃平洞波速與洞距分布曲線Fig.2 Curves of wave velocity with depth in adit PD4＃and PD11＃

波速與洞距分布曲線呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，即波速隨著洞距的增加，越往邊坡深部發(fā)展波速值越大，具有一種增大的趨勢。當達到某一距離處時，波速出現(xiàn)一個明顯的突變點。對于在該位置波速出現(xiàn)突變點的原因，經(jīng)分析主要是由于原狀巖體中存在密集分布的節(jié)理裂隙帶或該處巖體受到風化卸荷作用的影響。第1類原因?qū)е滦^(qū)域內(nèi)巖體波速減?。坏?類原因根據(jù)風化卸荷影響程度和位置不同，在靠近邊坡表面段，風化卸荷作用較強，巖體波速值降低較多；在遠離邊坡表面的試驗段，風化卸荷作用較小，巖體波速值降低較小。因此，隨著距離邊坡表面越來越遠，波速值呈現(xiàn)出變大的趨勢，直到最后趨向于穩(wěn)定的狀態(tài)。

根據(jù)波速與洞深關(guān)系曲線圖的結(jié)果，將姚家坪壩址邊坡巖體劃分為強風化卸荷帶、微弱卸荷帶和新鮮巖體3部分。關(guān)于不同卸荷帶厚度及波速分布情況見表1。由表1可以看出，整個邊坡巖體波速的范圍為1 650～5 000 m／s；波速平均值范圍為2 800～4 720 m／s。根據(jù)表1結(jié)果，繪制姚家坪邊坡卸荷帶分布示意圖（圖3）。

由圖3中可以發(fā)現(xiàn)，左岸邊坡上部強風化卸荷帶厚度33 m左右，弱卸荷帶42 m左右；中部強風化卸荷帶厚度23 m左右，弱卸荷帶54 m左右；底部強風化卸荷帶厚度29 m左右，弱卸荷帶42 m左右。右岸邊坡上部強風化卸荷帶厚度18 m左右，弱卸荷帶21 m左右；中部強風化卸荷帶厚度30 m左右，弱卸荷帶30 m；底部強風化卸荷帶厚度22 m左右，弱卸荷帶14 m左右。左岸卸荷帶厚度大于右岸，與左岸邊坡形態(tài)較緩、右岸邊坡形態(tài)陡峭的自然地質(zhì)條件相對應。

表1 邊坡卸荷帶劃分及巖體波速測試結(jié)果Table 1 Partition of unloading zone and result of wave velocity test

圖3 邊坡巖體風化卸荷帶分布示意圖Fig.3 Sketch of unloading zones in slope rock mass

4 邊坡巖體風化卸荷特征

姚家坪邊坡是由節(jié)理巖體構(gòu)成的邊坡，在成巖建造、構(gòu)造改造和淺表改造過程，伴隨著一系列的風化、卸荷和變形破壞后，形成了一定厚度的風化卸荷帶是必然的［7］。

4.1 邊坡巖體風化卸荷特征

平洞地質(zhì)素描和波速測試資料顯示姚家坪高邊坡巖體卸荷帶及新巖體有以下表現(xiàn)特征：

（1）強風化卸荷帶卸荷裂隙發(fā)育，且普遍張開，寬2 c m左右，最寬可達10 c m，充填角礫、巖屑及次生泥，普遍滲水至滴水，巖體松弛，多呈碎裂結(jié)構(gòu)。左右岸強卸荷水平深度一般為20～30 m，最大可達33 m。聲波速度變化較大，左岸巖體平均波速值范圍為2 710～2 870 m／s，右岸巖體平均波速值范圍為2 660～2 990 m／s。

（2）微弱卸荷帶微小裂隙和卸荷裂隙都比較發(fā)育，裂隙呈微張狀態(tài)，部分長大裂隙張開，寬0.2 c m左右，內(nèi)部充填少量碎屑和泥土，偶爾出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。巖體松弛度較輕，以塊狀結(jié)構(gòu)和鑲嵌結(jié)構(gòu)為主。兩岸弱卸荷水平深度一般在14～60 m，最大可達61 m。聲波速度變化較大，左岸巖體平均波速值范圍為3 400～3 760 m／s，右岸巖體平均波速值范圍為3 370～3 940 m／s。

（3）新鮮巖體結(jié)構(gòu)較完整，表面較光滑，存在局部的微細節(jié)理裂隙。聲波波速變化不大，左岸巖體平均波速值范圍為4 430～4 720 m／s，右岸巖體平均波速值范圍為4 420～4 550 m／s，新巖體的波速隨邊坡高程增加有減小趨勢，反映了姚家坪邊坡巖體上部較軟，中部和底部較硬的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

由以上分析可以看出，左岸的風化深度無論是低高程還是高高程，大部分大于右岸；左岸的卸荷深度無論是低高程還是高高程也是大部分大于右岸對應的卸荷深度。這與左岸陡峭、右岸較緩的地形地質(zhì)條件相關(guān)。對處于不同高程的巖體，風化卸荷深度分布情況表現(xiàn)出了明顯的不同：左岸的中高程巖體風化卸荷深度明顯高于高高程和低高程的風化卸荷深度，特別是低高程表現(xiàn)最低；右岸也出現(xiàn)了類似的情況，即低高程的風化卸荷深度明顯低于高高程和中高程的風化卸荷深度，且以高高程為最大，其次為中高程（如圖4所示）。這一特點推斷與岸坡巖體的巖性、結(jié)構(gòu)、地貌和地形等特征相關(guān)聯(lián)。

圖4 邊坡巖體卸荷深度與高程關(guān)系Fig.4 Relation bet ween unloading depth and elevation of slope rock mass

4.2 邊坡巖體質(zhì)量評價

巖體波速主要取決于巖體的密度、孔隙率、壓力、含水量和溫度等因素的變化。巖體經(jīng)過風化卸荷作用后上述物理因素發(fā)生改變，從而導致波速變化。同時，由于巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度不同，導致不同巖體的密度、孔隙率和含水量等因素有所區(qū)別，因此完整程度不同的巖體的彈性波波速具有一定的差異，利用這一差別可以定量評價巖體的完整性。

工程巖體質(zhì)量的影響因素分別是巖體的完整程度和堅硬程度。巖體的完整程度受巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度影響，反映了巖體的不連續(xù)性和破碎程度。巖石的堅硬程度受巖石的結(jié)構(gòu)、礦物成分和風化卸荷程度影響，反映了巖石的強度性質(zhì)［8］?！豆こ處r體分級標準（GB50218—94）》［9］對國內(nèi)外多個巖體分級方法進行了總結(jié)，在大量工程實踐基礎(chǔ)上，為了突出工程巖體的基本質(zhì)量，以上述的巖體完整程度和巖石堅硬程度為定量評價指標，并依據(jù)計算結(jié)果將工程巖體劃分為I～V級。巖體基本質(zhì)量指標BQ通過式（5）獲得，在此基礎(chǔ)上進行工程巖體質(zhì)量的劃分。

式（5）中：RC為巖石單軸抗壓強度；KV為巖體完整性系數(shù)，KV＝（Vpm／Vpr）2，其中Vpm為巖體縱波波速，Vpr為巖石縱波波速。姚家坪邊坡巖體波速最大值為5 000 m／s，最小值為1 650 m／s，平均值為2 800～4 720 m／s，反映出巖體的完整程度。巖體室內(nèi)巖石力學性質(zhì)試驗共進行68組，抗壓強度范圍值為19.6～134.0 MPa，反映出巖塊的堅硬程度不同。

在7個試驗平洞內(nèi)的巖體彈性波縱波測試和室內(nèi)巖石抗壓強度試驗成果基礎(chǔ)上，對巖體的完整性系數(shù)KV和巖體基本質(zhì)量指標BQ進行了計算，并繪制出了邊坡左右岸巖體質(zhì)量BQ與邊坡距的關(guān)系曲線（見圖5）。巖體基本質(zhì)量級別表明：姚家坪壩址邊坡強卸荷風化帶巖體一般為Ⅳ級以上，微弱卸荷風化帶巖體質(zhì)量為Ⅲ級，新巖體為Ⅱ級或Ⅲ級。

圖5 邊坡巖體質(zhì)量與坡距關(guān)系曲線Fig.5 Curves of rock mass quality vs.slope’s distance

5 結(jié) 論

（1）姚家坪壩址邊坡巖體劃分為強風化卸荷帶、微弱卸荷帶和新巖體3部分。左右岸邊坡巖體波速的范圍為1 650～5 000 m／s；波速平均值范圍為2 800～4 720 m／s。

（2）左岸邊坡強風化卸荷帶平均厚度29 m左右，弱卸荷帶平均厚度46 m左右。右岸邊坡強風化卸荷帶平均厚度23 m左右，弱卸荷帶平均厚度22 m左右。左岸卸荷帶厚度大于右岸。

（3）邊坡強卸荷風化帶巖體一般為Ⅳ級以上，微弱卸荷風化帶巖體質(zhì)量為Ⅲ級，新鮮巖體為Ⅱ級或Ⅲ級。

（4）利用小排列折射波法提供的巖體波速參數(shù)進行邊坡卸荷帶區(qū)間定量評價，并結(jié)合工程地質(zhì)學對邊坡風化卸荷特征進行定性分析，是一種有效的邊坡穩(wěn)定分析方法。

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