陸泌鋒，鄧 輝，郝 浩，李安潤，李萬才

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

邊坡巖體卸荷是在河谷下切侵蝕作用下使巖體產(chǎn)生臨空面，破壞了巖體原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)，為了達(dá)到新的應(yīng)力平衡，邊坡巖體發(fā)生應(yīng)力重分布，使坡體淺表部產(chǎn)生應(yīng)力釋放，并朝臨空面產(chǎn)生卸荷回彈作用。在這一過程中，邊坡淺表部一定范圍內(nèi)的巖體因應(yīng)力降低而導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)松弛，在卸荷回彈作用的驅(qū)動(dòng)下使原有結(jié)構(gòu)面發(fā)生擴(kuò)展或錯(cuò)動(dòng)，并形成一部分新的破裂體系[1-2]。巖體卸荷產(chǎn)生裂隙使巖體的完整性遭到破壞，降低的巖體質(zhì)量，同時(shí)也為地下水和風(fēng)化營力等外動(dòng)力地質(zhì)作用提供了有利通道，進(jìn)一步破壞了巖體的完整性[3-5]。因此，巖體卸荷對邊坡的穩(wěn)定性及與其相關(guān)的巖石工程問題有重要的控制意義[6]。

在水利水電工程中，一般將邊坡巖體卸荷分為2種類型，即強(qiáng)卸荷和弱卸荷，對應(yīng)表現(xiàn)為強(qiáng)卸荷帶及弱卸荷帶。巖體卸荷分帶是水電工程建設(shè)中所面臨的常見問題之一。卸荷分帶是否合理不僅關(guān)乎水電工程安全，而且對于工程的設(shè)計(jì)和邊坡處理起著重要作用，有重大的經(jīng)濟(jì)效益和很高的實(shí)用價(jià)值[7]。雖然國內(nèi)外許多專家學(xué)者對巖體卸荷帶的劃分進(jìn)行了大量研究[8-9]，并取得了優(yōu)良成果，為工程所用。但目前巖體卸荷分帶量化指標(biāo)尚未完全統(tǒng)一，現(xiàn)常用的指標(biāo)主要包括：巖體塊度模數(shù)、裂隙密度及張開度[10]、巖石質(zhì)量指標(biāo)、變形模量、微應(yīng)變[11]、視電阻率、巖體彈性縱波速[12-13]等。在理論上也有根據(jù)邊坡卸荷巖體的氡異常特征來進(jìn)行卸荷帶的劃分[14]。此外，由于卸荷使巖體完整性遭到破壞，形成了一系列裂隙網(wǎng)絡(luò)，為地下水的滲透提供了通道。因此，利用壓水試驗(yàn)獲得的透水系數(shù)也可用來進(jìn)行卸荷帶的劃分[15]。

雖然目前在邊坡巖體卸荷帶的劃分上有眾多的量化指標(biāo)可以選擇，然而由于不同地域地質(zhì)條件的巨大差異性以及不同地質(zhì)條件下巖體卸荷的復(fù)雜性，在實(shí)際操作過程中，對巖體卸荷分帶有較強(qiáng)的人為性和不確定性。因此，巖體卸荷分帶量化指標(biāo)的選擇仍然是一個(gè)可以值得繼續(xù)深入研究的問題。本文在國內(nèi)外眾多研究基礎(chǔ)上，結(jié)合瀾滄江某大型水電站巖質(zhì)高邊坡的工程實(shí)際，對邊坡進(jìn)行大量地表平硐現(xiàn)場測量，選取合理指標(biāo)對卸荷帶進(jìn)行劃分，并用試驗(yàn)加以論證，為邊坡巖體卸荷帶的劃分提供了建議。

1 工程概括

擬建的瀾滄江某水電站位于西藏昌都地區(qū)，邊坡為巖質(zhì)高邊坡，自然邊坡高達(dá)1 000余m，且河谷狹窄，總體上表現(xiàn)為對稱的“V”字型河谷。該水電站有上、中、下3個(gè)壩址，本文選取上壩址右岸邊坡為研究對象。研究區(qū)地形陡峻，自然坡度一般為45°～55°。出露的地層主要為三疊系中統(tǒng)竹卡組(T2z)灰、深灰色英安巖，在上游低高程緩坡一帶分布有崩坡堆積塊碎石夾砂土，厚度較薄。區(qū)域內(nèi)地下水類型主要為基巖裂隙水和第四系孔隙水，水力坡降為22.3%～43.6%。據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，上壩址右岸發(fā)育有2條韌性剪切帶(①-1、①-2)，韌性剪切帶①-1位于岸坡中高程部位，寬度為50～130 m，總體產(chǎn)狀為N60°W/SW∠75°；韌性剪切帶①-2位于岸坡高高程部位，寬度為30～80 m，總體產(chǎn)狀為N65°W/SW∠70°。韌性剪切帶為地殼深部構(gòu)造應(yīng)力的產(chǎn)物，在應(yīng)力的強(qiáng)烈剪切和擠壓下，使剪切帶中部分英安巖發(fā)生動(dòng)力變質(zhì)作用而糜棱化，形成糜棱化英安巖。此外，岸坡中發(fā)育有多條中小型斷層，其產(chǎn)狀多與韌性剪切帶近平行，可推斷這些斷層與剪切帶同屬古構(gòu)造應(yīng)力的產(chǎn)物。因研究區(qū)所處的特殊地理環(huán)境，使岸坡基巖在卸荷、凍融及風(fēng)化等綜合作用下，形成了規(guī)模和厚度不等的碎裂松動(dòng)巖體，松動(dòng)巖體多呈碎裂～散體結(jié)構(gòu)，普遍分布于3 000 m以上高程，且隨高程的增加分布越深，穩(wěn)定性也越差。

壩址出露的地層巖性為英安巖，是一種硬性巖石，能較好地存儲(chǔ)彈性勢能，在卸荷時(shí)更有利于卸荷回彈，加上研究區(qū)常伴有高地應(yīng)力的特點(diǎn)，更決定邊坡巖體卸荷的強(qiáng)烈性和復(fù)雜性，因此合理對壩址區(qū)邊坡巖體進(jìn)行卸荷分帶具有實(shí)際的工程意義。

2 邊坡卸荷分帶量化指標(biāo)的選擇

研究表明，邊坡巖體中的裂隙密度一般都會(huì)隨著水平深度的增大而逐漸減小，至一定深度后趨于穩(wěn)定，裂隙的張開度也表現(xiàn)為在坡體淺表部開度較大，隨深度的增大逐漸減小并趨于閉合[16]。因?yàn)榱严稊?shù)量和裂隙張開度是河谷下切過程中巖體卸荷反彈并疊加風(fēng)化作用而形成，在邊坡一定水平深度范圍內(nèi)廣泛發(fā)育，至一定深度后就比較趨于穩(wěn)定，是邊坡卸荷的核心表現(xiàn)，最能直觀地反映邊坡的卸荷狀況。因此這2個(gè)量化指標(biāo)是在進(jìn)行邊坡巖體卸荷分帶中首要選取的指標(biāo)。另外，地震縱波波速也可間接用來進(jìn)行卸荷帶的劃分，因?yàn)榈卣鸩ㄋ僭谶B續(xù)彈性介質(zhì)中傳播較快，而由于邊坡淺表部裂隙發(fā)育且張開度較大，波在傳播過程中會(huì)受阻而導(dǎo)致波速降低，因此地震縱波波速也是一個(gè)合理的量化指標(biāo)。綜上，本文考慮裂隙張開度、裂隙密度、張開裂隙密度及地震縱波波速來進(jìn)行邊坡卸荷分帶，這4個(gè)指標(biāo)是能通過地表平硐直接獲得的量化指標(biāo)，也是水利水電工程中最常用的量化指標(biāo)。

3 邊坡卸荷帶劃分

為了獲得較為詳盡的裂隙統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對上壩址右岸邊坡數(shù)個(gè)地表平硐中的裂隙數(shù)量、張開裂隙數(shù)量及裂隙張開度進(jìn)行仔細(xì)現(xiàn)場測量，對獲得的上千條裂隙數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，限于篇幅，現(xiàn)以右壩肩邊坡上的地表平硐PDJ04為例來說明卸荷帶的劃分情況，并通過綜合考慮地震波縱波速來最終確定卸荷分帶狀況。

圖1是對右壩肩邊坡平硐PDJ04內(nèi)裂隙張開寬度進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)。由圖可知，0～14 m為碎裂松動(dòng)巖體分布范圍，裂隙過于密集而未進(jìn)行裂隙統(tǒng)計(jì)；14～100 m左右，該段范圍內(nèi)廣泛發(fā)育張開度大于5 cm的裂隙，裂隙張開度隨硐深表現(xiàn)出先增大后減小再增大的現(xiàn)象，局部出現(xiàn)數(shù)條張開寬度10～20 cm的張拉、剪切型卸荷裂隙，累計(jì)張開度呈現(xiàn)出快速增大的趨勢，很明顯14～100 m范圍內(nèi)卸荷強(qiáng)烈，因此可將該段定為強(qiáng)卸荷帶。100～150 m左右，該段范圍主要發(fā)育張開度為1～5 cm的裂隙，局部張開度可大于5 cm，且累計(jì)張開寬度曲線總體上較為平緩，因此可將100～150 m劃分為弱卸荷帶，150 m以后則為未卸荷帶。

圖1 平硐PDJ04裂隙張開度統(tǒng)計(jì)

圖2為平硐PDJ04中裂隙數(shù)量和張開裂隙數(shù)量與硐深的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著平硐深度的加大，裂隙數(shù)量和張開裂隙數(shù)量整體上呈現(xiàn)出減小的趨勢，裂隙數(shù)量最終趨于一個(gè)較為穩(wěn)定的值，而張開裂隙數(shù)量則逐漸趨于零。該平硐中15～95 m左右的裂隙數(shù)量及張開裂隙數(shù)量都較多，因此可將該段劃分為強(qiáng)卸荷帶；95～160 m左右的裂隙數(shù)量及張開裂隙數(shù)量相對減少且基本保持穩(wěn)定，可將該段定為弱卸荷帶；160 m以后劃分為未卸荷帶。

圖2 平硐PDJ04裂隙數(shù)量、張開裂隙數(shù)量與硐深關(guān)系

圖3為平硐PDJ04地震波縱波速曲線。由圖可見，0～14 m為碎裂松動(dòng)巖體區(qū)域，未進(jìn)行波速測試；14～94 m范圍內(nèi)縱波速較低，基本保持在2 000～3 000 m/s之間，波速平均值為2 555 m/s；94～157 m范圍內(nèi)縱波速明顯上升，波速主要維持在3 000～5 000 m/s之間，局部下降幅度較大，平均值為4 066 m/s；157 m以后波速多保持在4 000～5 000 m/s之間，平均值為4 188 m/s。因此，通過地震波縱波速測量，可將14～94 m劃分為強(qiáng)卸荷帶，94～157 m劃分為弱卸荷帶，157 m之后為未卸荷帶。

圖3 平硐PDJ04地震波速曲線

以上4個(gè)量化指標(biāo)所劃分的卸荷帶基本上能保持一致，綜合考慮4個(gè)指標(biāo)最終將強(qiáng)卸荷帶底界定為100 m，弱卸荷帶底界定為155 m。按照此方法可將邊坡上其他平硐內(nèi)的卸荷帶進(jìn)行劃分，從而確定整個(gè)邊坡的卸荷分帶，圖4為用此方法劃分的壩肩邊坡卸荷帶，由圖可見，強(qiáng)卸荷帶寬度明顯比弱卸荷帶寬度大，且卸荷帶寬度有隨高程的增加而增大的趨勢。

圖4 上壩址右壩肩邊坡卸荷分帶

4 試驗(yàn)論證

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

卸荷作用會(huì)導(dǎo)致巖體內(nèi)部產(chǎn)生許多裂隙，使其力學(xué)參數(shù)有一定程度的降低，越接近坡表，卸荷作用越強(qiáng)烈，巖體內(nèi)部產(chǎn)生的裂隙越多，從而巖石強(qiáng)度越低，因此可通過力學(xué)試驗(yàn)來驗(yàn)證邊坡巖體卸荷分帶的合理性，其中單軸抗壓試驗(yàn)是最簡單和最直接的一種力學(xué)試驗(yàn)方法。筆者從所分各卸荷帶中取多個(gè)巖塊磨制成高10 cm、直徑5 cm的巖樣，以進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)。試驗(yàn)開始前先對巖樣進(jìn)行篩選，即剔除外觀有明顯缺陷的巖樣，并通過波速測試，挑選出各卸荷帶波速值相近的巖樣，以保證每組巖樣的均一性，最終組成3組試樣，每組4個(gè)。為了讓試驗(yàn)結(jié)果更精確，減小高徑比因素的影響，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，修正公式為：

(1)

式中Rc——標(biāo)準(zhǔn)單軸抗壓強(qiáng)度值，MPa；R——任意高徑比的單軸抗壓強(qiáng)度值，MPa；d——試件直徑，mm；h——試件高，mm。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在對單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正后，得出各卸荷帶巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度范圍值，其中強(qiáng)卸荷帶巖樣的強(qiáng)度為28.76～53.84 MPa，弱卸荷帶巖樣的強(qiáng)度為48.12～85.35 MPa，未卸荷帶巖樣強(qiáng)度為77.83～153.42 MPa。從強(qiáng)度范圍值可以看出，相鄰卸荷帶之間的抗壓強(qiáng)度值雖有較小程度的疊加，但彼此間還是有較大的差異。研究區(qū)邊坡巖體卸荷的復(fù)雜性決定了不可能將各卸荷帶劃分完全精確，因此本文所劃分的卸荷帶具有一定的合理性，可為工程借鑒。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果也可求出各卸荷帶巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度平均值，強(qiáng)卸荷帶、弱卸荷帶和未卸荷帶巖樣的強(qiáng)度平均值分別為41.51、65.43、110.26 MPa。從強(qiáng)卸荷巖體至弱卸荷巖體，單軸抗壓強(qiáng)度平均值增長了57.62%；弱卸荷巖體至未卸荷巖體，單軸抗壓強(qiáng)度平均值增長了68.52%。本次試驗(yàn)所得到的抗壓強(qiáng)度平均值表明了卸荷作用的加劇，將導(dǎo)致巖體強(qiáng)度的降低。

圖5為各卸荷帶巖樣應(yīng)力～應(yīng)變曲線，從圖中可以看出，強(qiáng)卸荷帶巖樣裂隙壓密階段比較明顯，而弱卸荷帶和未卸荷巖樣的裂隙壓密階段不太明顯，原因主要是強(qiáng)卸荷帶巖體由與卸荷回彈作用產(chǎn)生了一系列的卸荷裂隙及巖體內(nèi)部的微裂隙，且裂隙走向與軸壓方向垂直或呈大角度相交，因此在試驗(yàn)過程中與軸壓垂直或大角度相交的裂隙會(huì)被壓密；而弱卸荷與未卸荷巖體內(nèi)部的裂隙較少，因此該階段表現(xiàn)得不太明顯。此外，試驗(yàn)中各個(gè)卸荷帶巖樣在達(dá)到峰值強(qiáng)度前，應(yīng)力～應(yīng)變曲線上都存在一定的齒狀現(xiàn)象，即應(yīng)力在某一時(shí)刻突然稍微下降，隨后又馬上上升。該現(xiàn)象表明巖樣內(nèi)存在與軸壓方向小角度相交的為裂隙，且裂隙面凹凸不平，在軸壓作用下，巖塊沿微裂隙發(fā)生局部滑移，顆粒間相互翻滾和轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)力稍微下降，微裂隙移動(dòng)一定位置后，凹凸面重新結(jié)合，應(yīng)力又開始積累，表現(xiàn)為應(yīng)力的上升。

a)強(qiáng)卸荷帶圖5 各卸荷帶巖樣應(yīng)力～應(yīng)變曲線

b)弱卸荷帶

c)未卸荷續(xù)圖5 各卸荷帶巖樣應(yīng)力～應(yīng)變曲線

5 結(jié)論

a) 邊坡巖體卸荷導(dǎo)致新的裂隙體系產(chǎn)生，或沿原有結(jié)構(gòu)面剪切錯(cuò)動(dòng)，破壞了巖體的完整性，降低了巖體質(zhì)量，同時(shí)為地下水及風(fēng)化作用提供可有利條件。

b) 本文在國內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，選取裂隙張開度、裂隙數(shù)量張開裂隙數(shù)量及地震波縱波速等量化指標(biāo)來進(jìn)行邊坡卸荷帶的劃分，這4個(gè)指標(biāo)的變化都表現(xiàn)為隨水平深度的增加而逐漸降低或趨于穩(wěn)定。

c) 通過室內(nèi)單軸抗壓試驗(yàn)對劃分的卸荷帶進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果證明了卸荷分帶的合理性，因此可將這4個(gè)量化指標(biāo)作為巖質(zhì)高邊坡卸荷帶劃分的依據(jù)，具有較大的實(shí)用價(jià)值。