水利水电工程高边坡卸荷裂隙探讨

2012-07-14张拥军

湖南水利水电 2012年2期

张拥军

（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市 410007）

在峡谷型河床两岸陡峻岸坡中常常存在一组近平行于岸坡的卸荷裂隙，由于卸荷裂隙呈张性，连续性好，切割深，致使坝肩边坡岩体，特别是浅、中部岩体与深部岩体间分离，导致岸坡岩体完整性差。由于卸荷裂隙透水性较强，是库水往下游渗漏的良好通道，易引起坝肩渗漏问题；此外，当作为拱坝坝肩时，由于坝体对坝肩产生一个向下游的推力，故须评价坝肩岩体是否存在沿卸荷裂隙面产生整体抗滑稳定问题。由此可以看出，卸荷裂隙在水利水电工程高陡边坡勘测中的地位十分突出，认识、研究卸荷裂隙对水利工程勘测设计非常必要。

1 卸荷裂隙的形成机理

由于受成岩环境及其所经历的内外动力地质作用的影响，岩体中存在着大量的原生及次生结构面，故岩体是一种具有初始损伤的地质体。这些结构面为地下水，空气、生物的活动提供了条件，使岩体的风化作用由此向结构面四周扩散，从而导致岩体力学强度降低。从微观看，岩体中这些结构面末端存在许多孤立的细微裂隙，这些细微裂隙由于受到岩块的相互约束而多不再发育。但是，由于后期受河流切割、人工开挖边坡等影响，岩体原有的应力场将发生改变，结构面上的拉、剪应力的大小和方向随之调整，同时在这些结构面的末端出现应力集中，当应力达到结构面极限应力或应变时，这些微观裂隙的数量急剧增加，裂隙长度不断扩展直至贯通，从而形成规模较大的卸荷裂隙。

2 卸荷裂隙发育的应力准则

考虑到岩体内部本身存在许多裂隙，在外部荷载作用下时，可按格里菲斯（Griffith）强度理论判别裂隙扩张时的临界应力条件[1]。

其中，σ1、σ3为作用在裂隙上的最大、最小主应力；σt为抗拉强度应力。

3 工程实例及岩体应力分析

湖北恩施青龙电站坝址两岸边坡陡峻，坡角70°～80°，基岩为三叠系下统大冶组（T1d）薄至中厚、厚层状微晶灰岩，岩层近横河向，倾上游，倾角5°～20°。坡面岩体为弱风化状，微风化岩体位于坡面以内（5～10）m。该工程两岸坝肩卸荷裂隙发育，左、右岸分别发育9条、4条卸荷裂隙，见附图。卸荷裂隙面起伏，呈张性，最大张开宽度达10 cm（Xz4），一般（1～5）cm，面上伴有溶蚀现象，中间半充填泥及母岩碎屑，雨天多滴水。卸荷裂隙面连续性好，切深大，最深处几乎近河床高程。

为估算坝肩两岸边坡应力分布情况，可利用ANSYS来进行分析，计算选用弹性物体模型，采用4节点进行网格划分，参数选用按：重度G=2 600 kPa/m3，弹性模量 E=20 GPa，泊松比 μ=0.23，重力加速度g=9.8来进行计算。

附图青龙电站卸荷裂隙分布图

计算表明：边坡浅中部的主应力迹线与坡面基本平行，中下部的最大主应力 σ1达（5～6）MPa，最小主应力小于 0.5 MPa，由于 σ1+σ3>0，应按式（1）进行判别，并能得出裂隙基本不再扩张的结论。

4 卸荷裂隙发育的基本规律

根据实践经验及数值计算，卸荷裂隙发育具有以下基本特征：

（1）高、陡坡卸荷裂隙易发育。这是由于高陡边坡的最大主应力（近竖向）随坡高的增大而增大，而最小主应力则变化不大，按式（1）可知裂隙在此条件下更容易扩张。

（2）卸荷裂隙一般平行于坡面，呈陡倾角状，如青龙电站的卸荷裂隙倾角一般65°～75°。

（3）卸荷裂隙的水平发育深度受坡高和坡度的影响。由式（1）可以看出，裂隙扩张受σ1、σ3两向应力影响，不同的坡高和坡度，直接影响坡内的应力分布，但基本规律是：σ3往坡内方向有呈增大趋势，故按式（1）可知，裂隙扩张的可能性越小。

（4）断层、节理裂隙等对卸荷裂隙发育起着一定的制约作用。当岩体内部裂隙较发育时，坡内应力将在各裂隙的端部集中，从而使单个应力的数值减小，降低了岩体破裂的可能性，如青龙电站的左岸较右岸卸荷裂隙发育。

（5）卸荷裂隙的发育与工程区原始地应力有关。每个工程区具有不同的应力特征，它将与自重应力形成的边坡内应力进行矢量叠加，共同对岩体内部裂隙的扩张产生影响。根据ANSYS计算出的青龙电站坡内应力，并按格里菲斯应力准则来判别发现，坡内应力还达不到裂隙扩张的临界应力条件，因此，卸荷裂隙的形成可能还与某一地质时期的地应力有关。

5 卸荷裂隙的常用勘察手段

（1）平硐。由于现今无法获知卸荷裂隙形成时的地应力及地貌特征，因此很难精确计算当时坡内的应力情况，故无法预测卸荷裂隙的水平发育深度等问题，而平硐可直观的观测卸荷裂隙发育位置、水平发育深度，张开度，充填及胶结情况，地下水活动等，并可为现场岩基试验提供场地。平硐布置一般应垂直坡体方向，同时应根据坝高特点布置一层或多层平硐，各层平硐间距30 m左右，顶层平硐布置在坝顶偏下部位，底层平硐布置在近河床部位。平硐深度应按硐内观测的卸荷裂隙发育程度及工程对坝肩岩体的要求决定。

（2）钻探。钻探主要是通过观察岩心及压水试验来揭露卸荷裂隙。由于卸荷裂隙较一般裂隙的规模大，连通性好，透水性强，故钻孔压水试验成果将出现异常波动。此外，坡高而河床较窄时，河床区的应力集中明显，河床表部卸荷回弹裂隙往往比较发育，并且该层对坝基稳定和渗漏影响较大，故钻孔可以作为平硐的有益补充来揭露该层的厚度，以决定合适的建基面深度和坝基处理方案。

（3）连通性试验。当需要确定某卸荷裂隙的延伸情况，或各层平硐中卸荷裂隙的对应情况时，可进行连通性试验。

6 卸荷裂隙对水电工程的主要影响及处理

（1）对边坡稳定的影响。边坡的稳定性主要受结构面组合的控制，由于卸荷裂隙顺河发育，且一般都延伸较长，贯通性好，切深大，呈张性，多无胶结，故卸荷裂隙破坏了边坡岩体的完整性，切断了内侧岩体对边坡表部岩体的约束，是一组极具影响的结构面。在横河向或斜河向节理裂隙、开挖面以及层面的共同组合下，容易产生不稳定组合体，直接影响边坡的稳定性。此时应分析不稳定体的主要结构面组合形式，可采用锚杆等进行处理[2]。

（2）对坝肩渗漏的影响。卸荷裂隙顺边坡发育，延伸性好，呈张性，经常是无充填或半充填一些泥质及母岩碎屑，因此连通性好，是地下水运移的良好通道，常引起坝肩渗漏问题。此时可设计专用的灌浆平硐，对不满足防渗要求区进行一排或多排帷幕灌浆处理。

（3）对坝肩稳定的影响。青龙电站为拱坝，库水作用下大坝对坝肩岩体产生一个顺河的推力及垂直河流的压应力，前者可能造成坝肩岩体顺卸荷裂隙面产生滑动，后者则可能使张开的裂隙面受压闭合，这两种应变对拱坝的稳定都是致命的，应重点复核。工程设计时，对浅部的卸荷裂隙应予以清除，对可能有影响的中、深部卸荷裂隙，则可采用固结灌浆，预应力锚索、预应力锚梁等进行处理[3]。