大规模岩体开挖卸荷现象及其力学模式分析

任爱武,伍法权,王东,范永波,陈运飞(.中国科学院地质与地球物理研究所,北京0009;.北京市勘察设计研究院有限公司,北京00038)

大规模岩体开挖卸荷现象及其力学模式分析

任爱武1,伍法权1,王东1,范永波1,陈运飞2
(1.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029;2.北京市勘察设计研究院有限公司,北京100038)

以世界上在建第二高拱坝——小湾坝基现场开挖工程为依托,对大规模岩体开挖卸荷现象的特征和表现出的规律,及其卸荷力学机制进行了探讨。通过现象描述、工程地质分析和力学分析相结合的手段,对小湾坝基开挖现象进行分析,归纳出了卸荷现象的表现规律,并提出相应力学模式合理解释了小湾坝基开挖的卸荷现象。最终得到如下结论:①小湾坝基开挖卸荷现象表现出多样性,并且在地貌特征和发生位置上具有明显的规律性;②结合河谷应力场特征,对小湾坝基开挖卸荷现象进行分析,并相应地提出了剪胀、纵弯曲张裂、错动板裂和上拱张裂等力学模式,合理地解释了小湾坝基开挖产生的卸荷现象;③板裂现象是高应力区发现的一种比较特殊的卸荷现象,它的产生需要比较苛刻的地质和力学条件。

工程地质;小湾电站;大规模岩体开挖;卸荷现象;力学模式

20世纪70年代,国内外岩石力学学者对岩体在卸荷状态下的变形破坏开展了较系统的研究。张倬元、王士天等指出我国长江葛洲坝基础开挖过程中所观测到的沿平缓软弱夹层发生的向临空方向的剪切滑移,是一种典型的差异卸荷回弹现象[1];王兰生教授提出的“浅生时效构造”,也是一种与卸荷有直接关系的新概念[2];王思敬[3]提出卸荷裂隙的生成发育主要表现为归从、追踪、迁就和新裂4种方式;黄润秋[4,5]将卸荷裂隙分为两类,第Ⅰ类是直接由边坡卸荷拉应力环境所导致的卸荷裂隙,第Ⅱ类是剪切松弛产生的卸荷裂隙;吴刚、王贤能、李天斌、沈军辉、张黎明等通过岩石力学试验研究,指出卸荷状态下岩石的破坏以张剪型破坏为主[6～10]:这些研究使得对岩体卸荷现象的成因机制有了进一步的认识。

近年来我国水电工程事业的飞速发展,水电工程建设向着更高、更大的方向发展[11],从而也产生了一系列新的问题。本文以小湾坝基开挖工程为研究对象,从开挖卸荷后表现出的地貌特征和发生位置对坝基开挖卸荷现象进行研究,归纳出大规模岩体开挖卸荷现象表现的特征和规律,并提出了相应的力学模式,对卸荷现象产生的原因和机制进行了探讨。

1 工程概况

小湾水电站坝址位于澜沧江中游云南省临沧地区凤庆县与大理州南涧县交界的河段上,拟建库区河道总体流向基本为SN方向。设计坝型为双曲拱坝,坝高292 m,拱端最大底宽约73 m,分为43个坝段,从开口线到建基面开挖边坡高达600～687 m,坝基最大开挖深度达130 m,为目前在建的第二高拱坝。

坝址区基岩为中-深变质岩系。主要岩石类型有:黑云花岗片麻岩和角闪斜长片麻岩。新鲜-微风化黑云花岗片麻岩、角闪斜长片麻岩均属坚硬至极坚硬的块状岩石。区内主要发育3组结构面,南北向陡倾结构面组,产状近SN;东西向片理面组,产状N70°-85°W,NE∠75°-90°;顺坡向中缓倾角组,产状为近SN,W∠32°-45°,或近SN,E∠32°-45°。结构面呈剖面“X”型分布,但同一部位很少成对出现。另外,小湾坝区处于滇西三江地区,位于我国最复杂的板内构造部位——青藏高原的东南缘,是印度板块向中国大陆NE向挤压作用的前沿地带。受多期构造的影响,区内地应力复杂,根据现场实测地应力资料,小湾坝区最大主应力方向为SN,最大主应力σ1量值一般为22～35 MPa,局部出现应力集中现象,σ1量值44～57 MPa。

2 坝基岩体开挖卸荷现象

2.1 台错现象

台错现象是小湾坝基开挖后发育较普遍的一种卸荷现象。从建基面可以看到,开挖卸荷后在坝基上部及中部均发现有类似台阶状微地貌。这些台阶大小高低不一,个别高度可以达到1～2 m。它们一般由一个平行于坡面的缓面和一个后缘陡面组成,个别由缓面、陡面和侧向切割面组成,台阶间距受控于后缘陡面的间距,如图1所示。现场调研结果显示,后缘陡面为一组SN向陡倾结构面,结构面平直光滑,一般新鲜个别锈染。缓面为顺坡向中缓倾角组,产状为近SN,W∠32°45°,或近SN,E∠32°45°,这组结构面平直粗糙,缓面上有错动痕迹,或者有小陡坎。

从发生的位置来看,台错现象主要发生在坝基中部及上部,在坝基底部则鲜有发现。很显然这是由坝区结构面和应力条件联合作用的结果。

2.2 弯折现象

在坝基中下部建基面上,发现有弯折破裂现象。这类卸荷现象表现为,岩体呈薄层板状弯曲折断,如图2所示。板状岩体从板的中部张开断裂,从现场调研结果看,弯折现象一般沿平行于坡面的缓倾结构面发生,这些结构面平直粗糙,个别锈染有充填物;个别弯折现象则是在高地应力作用下,产生新生裂隙面而产生的,这种弯折现象发生时,有噼里啪啦的破断声,并且发生时间较短。

图1 台错现象Fig.1 Step type

图2 弯折现象Fig.2 Bend type

2.3 板裂现象

板裂现象是存在于高地应力区的一种特殊的卸荷现象,在锦屏一级水电站和小湾电站施工现场均有发现。在小湾开挖现场,这种现象主要发现于坝基底部河谷河床两侧。从图3中,可以明显看到:岩体呈薄层板状剥离,剥离面新鲜,有小陡坎。同时剥离多层,从外到里,层厚逐渐减小。

2.4 底拱现象

在小湾电站河谷底部开挖槽内,发现了长大的卸荷裂隙。卸荷裂隙大致平行于河谷谷底,裂隙中心处微向上弯曲,呈向上拱的样子。在长大裂隙核部,有细小裂隙发育形成菱形结环。这些卸荷裂隙成组出现,裂隙间距从上至下逐渐减小。如图4所示。

以上是从地貌特征的角度,对小湾开挖卸荷现象进行的描述和归纳;对于产生卸荷现象的原因和本质,则需要从工程地质和力学机制分析的角度做进一步的分析。

图3 板裂现象Fig.3 Plate fracture type

图4 底拱现象Fig.4 Floor heaven type

3 坝基岩体开挖卸荷力学模式

开挖引起河谷应力场的调整是一个复杂的力学过程,在总体上表现为两岸的挤压、谷底的上拱。每一种卸荷现象都是各种力学机制综合作用的结果,单一的从剪切和拉张的角度来对卸荷裂隙的特征进行分类总结,并不能完全综合反映岩体开挖卸荷特征。准确地把握卸荷现象的本质,需要对岩体卸荷特征进行工程地质和力学机制联合分析。通过对卸荷现象的工程地质和力学机制分析,结合开挖后河谷应力场特征,提出剪胀、纵弯曲张裂、错动板裂和上拱张裂等几种力学模式。

3.1 剪胀模式

采用赤平投影方法,对组成台错现象台阶的3组结构面产状进行分析,发现在3组结构面的切割作用下容易产生不稳定块体。在小湾坝区,主要表现为受SN向陡倾结构面、EW向陡倾片理面、SN向缓倾结构面3组主控结构面的影响,岩体被结构面切割成为断续连接的分离体,在重力和平行坡表的地应力作用下,沿后缘陡倾结构面发生拉张破坏,沿SN向顺坡向缓倾结构面的作用下发生剪切错动破坏,如图5。EW向陡倾片理面主要起到切割作用。

剪胀模式受控于两个因素:岩体结构和地应力。其中岩体结构起到主控作用,在剪胀的发展过程中,卸荷裂隙遵循迁就、归从、追踪原有裂隙的卸荷裂隙发育规律,祁生文、伍法权等将剪胀模式进一步细化为缓剪陡张、顺剪引张、缓倾张剪和引张等几种模式[12]。

3.2 纵弯曲张裂模式

从弯折现象的地质特征,可以分析得出板状岩体受到了挤压错动的作用。根据河谷应力场的特征,开挖卸荷后,最大主应力方向大致平行于坡表,致使岩体沿底部平行于坡表的缓倾结构面,或者沿主应力方向产生近似平行坡表的结构面,发生类似于材料力学中板的弯曲;并且在上下挤压的作用下,板的中间发生弯曲张裂的破坏现象,如图6。这种弯折发生时间一般较短,并伴随有破裂声。从现场可以看到,弯折现象张破裂位置岩石较破碎,有从上到下的楔形裂隙。纵弯曲张裂多发育在建基面中下部高应力区。

图5 剪张模式Fig.5 Shear expansion mode

图6 纵弯曲张裂模式图Fig.6 Longitutinally bendtensional fracture mode

3.3 错动板裂模式

板裂现象是高地应力区发现的比较特殊的一种卸荷现象。为了更加深入地了解其实质,对板裂现象的特征做进一步的分析。卸荷后岩体呈薄层板状,说明岩性坚硬致密;卸荷面上的陡坎说明,在卸荷产生的过程中产生了错动。显然,在开挖卸荷后,岩体在向上卸荷回弹和向下错的共同作用下(如图7),产生了板裂现象。比较板裂的力学模式与纵弯曲张裂的模式可以发现,这是在力学机制相似的情况下,产生的两种不同的现象。显然,板裂的产生需要更加苛刻的力学和地质条件。

3.4 上拱张裂模式

图8显示了发生底拱现象的力学模式。根据河谷地应力场的特征,河谷底部受到两侧的挤压应力的作用,致使谷底岩体有上拱的趋势,而河谷底部的开挖卸荷则进一步加剧这一作用过程。在这一复合应力的作用下,小湾坝基底部向上拱起,并产生如图5所示的长大卸荷裂隙。另外,小湾坝基底部最大开挖宽度达73 m,为产生长大的卸荷裂隙提供了空间。

图7 错动板裂模式图Fig.7 Slipping-plate fracture mode

图8 上拱张裂模式图Fig.8 Heaven-tensional fracture mode

4 结论

(1)根据小湾坝基开挖后的地貌特征以及卸荷现象发生的位置,将小湾坝基大规模岩体开挖的卸荷现象归纳为台错、弯折、板裂和底拱。

(2)通过工程地质和力学机制分析,提出了坝基岩体开挖卸荷现象的相应的力学模式,包括:剪胀、纵弯曲张裂、错动板裂和上拱张裂等,合理地解释了大规模坝基岩体开挖的卸荷现象。

(3)板裂现象是高应力区发现的一种比较特殊的卸荷现象,它的产生需要比较苛刻的条件。

致谢:

本次研究工作得到了昆明院的汤献良总工程师,杨梅江队长,向东辉、刘东勇工程师,以及黄河勘测规划设计有限公司工程物探研究院王旭明高级工程师,长江科学院尹健民博士、艾凯工程师的全力支持,另外也要感谢云南省水利水电勘测设计研究院的姜顺龙主任,梁为邦主任,刘家伟、缪王虎工程师的帮助。

[1]张倬元,王兰生,王士天.工程地质分析原理[M].北京:地质出版社,1994.

[2]王兰生,李天斌,赵其华.浅生时效构造与人类工程[M].北京:地质出版社,1994.

[3]王思敬.坝基岩体稳定分析[M].北京:科学出版社, 1988.

[4]黄润秋,王士天,张倬元,等.中国西南地壳浅表层动力学过程及其工程环境效应研究[M].成都:四川大学出版社,2001.

[5]黄润秋,严明,陈龙生,等.复杂反倾向岩质高边坡深部裂缝形成机理分析[J].成都理工学院学报,2001, 28(增刊):321-327.

[6]吴刚.完整岩体卸荷坡坏的模型试验研究[J].实验力学,1997,12(4):549-555.

[7]王贤能,黄润秋.岩石卸荷坡坏特征与岩爆效应[J].山地研究,1998,16(4):281-285.

[8]李天斌,王兰生.卸荷应力状态下玄武岩变形坡坏特征的试验研究[J].岩石力学与工程学报,1993,12 (4):321-327.

[9]沈军辉,王兰生,王清海,等.卸荷岩体的变形破裂特征[J].岩石力学与工程学报,2003,22(12):2028-2031.

[10]张黎明,王在泉,王建新,等.岩石卸荷坡坏的试验研究[J].四川大学学报(工程科学版),2006,38(3):35-37.

[11]陈德基,王军怀,余永志,等.三峡永久船闸高边坡稳定性几个问题的分析[J].人民长江,2002,33(6):5-13.

[12]祁生文,伍法权.锦屏一级水电站普斯罗沟左岸深部裂缝变形模式[J].岩土力学,2002,23(6):817-820.

(编辑:赵卫兵)

REN Ai-wu1,WU Fa-quan1,WANG Dong1,FAN Yong-bo1,CHEN Yun-fei2

(1.Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China; 2.Beijing Institute Engineering Construction LTD.,Beijing 100038,China)

Analysis on Unloading Phenomenon of Rock Excavation and Its Mechanics Model of Xiaowan Power Station

The Xiaowan Power Station is the second highest arch dam in the world under construction.The height of the dam is about 292 m.The maximum excavated depth of dam foundation is 130 m.Large-scale excavation in the dam foundation of Xiaowan Power Station has brought intensive unloading phenomenon.The research purpose of this paper is to understand the rule and get mechanics model of unloading phenomenon.After excavation,the regularities can be found on landform characteristics and locations.In this paper the unloading phenomenon of Xiaowan is concluded into five types:step type,bend type,debark onion type,plate fracture type and floor heave type.Then the five types are analyzed by the methods of engineering geology and mechanics.Finally,four mechanical models are got,and the unloading phenomena of Xiaowan can be explained reasonably by those models.

engineering geology;Xiaowan Hydropower Station;large scale rock excavation;unloading phenomenon;mechanics model

TU457

A

1001-5485(2009)05-0034-03

2008-08-29;

2009-01-05

任爱武(1980-),男,河南洛阳人,博士研究生,主要从事高地应力、大型地下洞室的研究,(电话)010-82998713(电子信箱)Lc rw@163.com。