叶巴滩水电站深部破裂岩体波速特征

刘宇，韩刚，赵其华

(1.西华大学应用技术学院，成都 611930；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)



叶巴滩水电站深部破裂岩体波速特征

刘宇1，韩刚2，赵其华2

(1.西华大学应用技术学院，成都 611930；2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

摘要：揭示深部破裂岩体波速特征及深部破裂对岩体卸荷、损伤、完整性及弹性模量的影响,以叶巴滩水电站岸坡深部破裂为典型实例，开展深部破裂现象精细测绘与声波测试。研究表明：根据宏观地质特征与波速，可将深部破裂划分为轻微松弛型、中等松弛型、强烈松弛型；轻微松弛型深部破裂岩体纵波波速大于4 200 m/s，中等松弛型深部破裂岩体纵波波速3 000～4 500 m/s，强烈松弛型深部破裂岩体纵波波速小于3 000 m/s；轻微松弛型深部破裂对岩体卸荷程度、损伤程度、强度弱化影响较小，中等松弛型深部破裂次之，强烈松弛型深部破裂影响最为显著；轻微松弛型深部破裂岩体较完整，中等松弛型深部破裂岩体完整性差-较破碎；强烈松弛型深部破裂岩体已处于较破碎-破碎状态。

关键词：工程地质；深部破裂；声波波速；叶巴滩水电站

1引言

深部破裂(或称之为深部裂缝、深卸荷等)是我国西南深切河谷岸坡深部发育的岩体破裂现象。深部破裂以一系列间隔式发育的张性裂缝或松弛带为表现形式，不仅可劣化岩体强度、降低岩体质量，也可构成边坡内部地下水运移通道、潜在不稳定块体边界，从而影响岸坡岩体稳定性，已成为一类制约大型工程建设的主要工程地质问题。

国内围绕岩体深部破裂开展研究已有约30 a。基于大量水电工程建设过程中揭露的实例，众多学者从分布规律、变形特征、控制因素、地质力学模式、成因机制等方面展开研究，取得丰硕成果[1-13]，并逐渐认识到深部破裂是以特定的岩性与岩体结构为基础，在特殊的卸荷方式下形成的一种岩体破裂形式[14-15]。但不足的是，在深部破裂岩体可利用性，尤其是深部破裂岩体质量、力学性质等方面研究仍较为薄弱。

岩体内弹性波传播特征是岩石性质、岩体结构特征与赋存环境的综合反映[16]。弹性波速度能反映岩体力学属性，也是岩体质量划分的重要指标。波速测试作为一种快速、成熟、有效的方法已广泛应用于岩石高边坡表部松弛带厚度划分[17-22]、开挖硐室松动圈预测[23-24]、推测裂隙空间发育分布[25-27]、估计岩体变形与强度参数[28-29]、岩体质量评价[30]等方面，但应用于深部变形破裂岩体研究仍较少。

本文以金沙江叶巴滩水电站坝址区揭露的深部破裂为典型实例，在现场精细测绘的基础上，结合现场单孔声波波速测试，分析不同类型深部破裂岩体波速特征，进一步揭示深部破裂对岩体卸荷、损伤、完整性及强度的影响。所取得的成果可为深部破裂岩体质量等级划分、参数取值、可利用性及稳定性评价奠定基础。

2工程地质概况

叶巴滩水电站位于金沙江降曲河口以下约4.5 km河段上，金沙江由南至北流经坝区，河道顺直、岸坡高陡、河谷深切，河床高程约2 690 m。两岸山体雄厚，自然边坡相对高差大于500 m，左岸坡度约40°～55°，右岸坡度约40°～45°，呈基本对称“V”型河谷。

坝址区出露地层为华力西期花岗闪长岩，岩体坚硬，抗风化能力较强。强卸荷带水平深度一般约20～50 m，弱卸荷带水平深度一般约50～80 m。坝址区优势结构面可分为3组：EW/S∠60°，NE50°/NW∠75°，NW50°/NE∠75°。坝址区属中等地应力，最大主应力方向为NE60°～70°，最大主应力量级为15～20 MPa。但部分河床钻孔可见岩芯饼化现象，部分低高程平硐(左岸PD01，水平硐深122.5～126 m)也可见轻微片帮现象，说明局部地应力量级较高。

3试验方法

3.1深部破裂现场测绘

采用逐条精测方式开展深部破裂现场测试，7个测绘指标与方法如下：

(1) 深部破裂空间位置：结合坝址区EW向勘探平硐建立空间直角坐标系(平硐硐向垂直于金沙江流向)。X轴为平硐延伸方向，左岸以E为正，右岸以W为正；Y轴沿硐壁高度，向上为正；Z轴为垂直平硐延伸方向，左岸以S为正，右岸以N为正。

(2) 深部破裂产状：同一深部破裂，在上、下游壁出现的相同高度布置一条测线，该测线走向即为深部破裂走向，倾角则至少选择3个测试点，测定其综合倾角。

(3) 破碎带物质：分为岩块、岩屑、石英脉、方解石脉、次生泥等，或为张开空缝，无破碎带物质。

(4) 张开宽度：采用钢卷尺测量，同一深部破裂至少选择3个测试点，测定其综合张开宽度。

(5) 地下水状态：分为滴水、渗水、潮湿、干燥等4个等级。

(6) 风化状态：分为强风化、弱风化、微风化、新鲜4个等级。

(7) 粗糙度：划分为平直光滑、平直粗糙、起伏光滑、起伏粗糙4类。

3.2单孔声波测试

深部破裂并非类似常规风化卸荷带内裂隙广泛、连续分布于边坡内部。因此，判断每孔波速值是否有效反映深部破裂对岩体的影响十分关键。为此，假定在平硐及硐周3～5 m范围内，深部破裂是近似平直的，即深部破裂在空间上是一个平面，声波孔则假定为一条空间直线(图1)。

图1　深部破裂与声波孔示意图

基于此，可利用空间平面与直线交点方程求解深部破裂与声波孔交点M的空间位置，若位于声波孔内1.0～2.0 m之间，则认为波速值有效。

4试验结果

共精细测绘深部破裂180余条[31]，在深部破裂发育平硐硐段逐点测试单孔声波波速，通过分析波速有效性，进一步筛选出有效波速值与相应测绘成果见表1。

该32条深部破裂反映出叶巴滩坝址区深部破裂的基本特征：

(1) 深部破裂在坝址区两岸均有发育，且分布数量大致相当。

(2) 深部破裂多位于距岸坡表面水平深度90～130 m之间，位于常规风化卸荷带以内，且高、中、低高程均有发育。

(3) 深部变形破裂总体优势方向与坝址区优势结构面方向近于一致，局部破裂面走向与坡面小角度相交，且破裂面倾角以中陡倾角为主。

乙肝前S1和乙肝两对半的关系显示,S1抗原阳性率和血清标志物之间为正相关性,如果血清标志物的传染性很强,那么检出S1的阳性率就越高,相反亦然。乙肝病毒前S1抗原可以对患者乙肝病毒感染情况给予体现,因此是临床中诊断乙肝的重要依据。

表1　叶巴滩水电站岸坡深部破裂特征统计表

注：左岸包括PD07(2 739.75 m)、PD15(2 742.72 m)、PD11(2 825.65 m)、PD19(2 843.58 m)、PD23(2 826.52 m)、PD21(2 911.43 m)；右岸包括PD50(2 899.63 m)、PD44(2 894.96 m)。括号内为高程。

5结果分析

5.1深部破裂分类

关于深部破裂类型，前人多以成因作为分类依据，如：将白鹤滩水电站深部破裂划分为继承性拉张型、新生性张剪型、错动扩张型[4]；将锦屏Ⅰ级水电站深部破裂划分为缓剪陡张型、缓倾张剪型、顺剪反张型、引张型[7]；将瀑布沟水电站深部破裂划分为拉(撕)裂型、剪胀型[12]等。

由于深部破裂是以特定的岩性与岩体结构为基础，在特殊的卸荷方式下形成的岩体破裂现象，松弛是深部破裂的本质特征。因此，采用工程地质特征结合纵波波速的方法表达岩体的松弛程度，将叶巴滩水电站岸坡深部破裂划分为轻微松弛型、中等松弛型、强烈松弛型。3种类型深部破裂特征如下：

(1) 轻微松弛型：在PD15、PD11、PD19、PD50可见，破裂面以陡倾角为主，走向与坝址区优势结构面平行，张开宽度均小于1 cm，且以小于1 mm居多，破碎带内可见岩屑、方解石脉，以潮湿-干燥为主，呈弱风化，纵波波速大于4 200 m/s，岩体松弛程度较弱(图2)。

图2　轻微松弛型深部破裂特征

(2) 中等松弛型：在PD07、PD23可见，破裂面走向以NE20°～50°为主，且倾角多为中-陡倾角，破碎带内可见岩块、岩屑、灰褐色泥质条带，厚度一般大于1 cm，最大可达约30 cm，整体潮湿，风化状态较弱，呈弱风化-微风化，纵波波速3 000～4 500 m/s，岩体中等松弛(图3)。

图3　中等松弛型深部破裂特征

(3) 强烈松弛型：在PD44、PD21可见，破裂面走向较为散乱，但倾角仍以中-陡倾为主，张开宽度较大，一般大于1 cm，最大可达10 cm，表现为单纯空缝，整体潮湿，风化状态以微风化-新鲜为主，纵波波速小于3 000 m/s，岩体强烈松弛(图4)。

图4　强烈松弛型深部破裂特征

深部破裂张开宽度、纵波波速表明，不同类型深部破裂对岩体松弛程度的影响具有如下规律：轻微松弛型<中等松弛型<强烈松弛型。但值得注意的是，在风化状态上却表现出截然相反的特征，轻微松弛型>中等松弛型>强烈松弛型，这是由于轻微松弛型深部破裂多位于边坡上较大规模冲沟附近，受后期地下水改造作用所导致，有关其成因分析本文不再赘述，将另文分析讨论。

5.2与纵波波速有关的衍生系数

由岩体纵波波速衍生的系数是划分岩体卸荷程度、判断岩体完整性、量化岩体损伤与强度弱化程度的量化指标，包括：波速比λ、波速降η、完整性系数Kv等。

5.2.1波速比λ

波速比λ是衡量岩体卸荷程度、划分卸荷带的量化指标[32]，是卸荷岩体纵波波速(Vp)与新鲜无卸荷岩体纵波波速(Vpr)的比值：

(1)

现场波速测试过程中，新鲜无卸荷岩体纵波波速Vpr约为6 000 m/s。卸荷岩体纵波波速(Vp)采用深部破裂岩体现场实测波速值。

5.2.2波速降η

波速降η是衡量岩体开挖卸荷后岩体损伤程度的指标[33]，是岩体纵波波速降低量(Vpr-Vp)与无卸荷岩体纵波波速(Vpr)的比值：

(2)

5.2.3完整性系数Kv

完整性系数Kv是表征岩体内裂隙发育程度与岩体完整性的指标[32]，是卸荷岩体纵波波速(Vp)与新鲜无卸荷岩体纵波波速(Vpr)的比值的平方：

(3)

5.2.4弹性模量弱化率ζ

岩体的纵波波速能反映岩体的强度特征，根据广义虎克定律及弹性波动方程，可将岩体的纵波波速Vp用岩体弹性模量E、泊松比μ、密度ρ表示：

(4)

假定未出现深部破裂时，岩体弹性模量为Eum，岩体纵波波速为Vpr。出现深部破裂时，岩体弹性模量为Em，岩体纵波波速为Vp。进一步假定出现深部破裂前后岩体泊松比μ、密度ρ变化较小。则根据式(4)，则深部破裂出现前后岩体弹性模量的比值可用岩体弹性模量弱化率ζ(%)表示：

(5)

由式(5)可知，基于上述假定，在数值上，岩体的完整性系数与弹性模量弱化率相同，但具有不同的物理意义。

5.3深部破裂对岩体的影响

根据式(1)、(2)、(3)、(5)可分别计算出波速比λ、波速降η、完整性系数Kv与弹性模量弱化率ζ，结果见表2。已有研究并未从波速角度探讨深部破裂对岩体的影响，仅定性描述为纵波速度较周围岩体明显降低[32]。本文试图分析上述波速衍生系数，初步量化深部破裂对岩体卸荷、损伤、完整性及强度弱化程度。

统计分析表明，不同类型深部破裂岩体的波速衍生系数存在如下规律：

(1) 轻微松弛型：0.70<λ<0.98，0.02<η<0.29，0.50

(2) 中等松弛型：0.50<λ<0.76，0.24<η<0.50，0.25

(3) 强烈松弛型：0.41<λ<0.50，0.50<η<0.59，0.17

文献[32]对正常卸荷带岩体波速比做如下规定：强卸荷带波速比小于0.5、弱卸荷带波速比0.5～0.75。参考上述标准可知：在卸荷程度上，轻微松弛型深部破裂岩体属无卸荷状态，中等松弛型深部破裂岩体属弱卸荷状态，强烈松弛型深部破裂岩体属强卸荷状态。

借鉴岩体开挖损伤区判据[33]，当波速降η大于0.1时，岩体就已经产生损伤。参考上述标准可知：除少部分产生损伤外，大部分轻微松弛型深部破裂对岩体损伤的影响较小，而中等松弛型深部破裂与强烈松弛型深部破裂使岩体产生较为明显损伤。

根据文献[32]可进一步判定深部破裂对岩体完整性的影响。轻微松弛型深部破裂对岩体完整性影响较小，属较完整岩体；中等松弛型深部破裂对岩体完整性影响较大，使岩体转化为完整性差-较破碎岩体；强烈松弛型深部破裂对岩体完整性影响最为明显，岩体已处于较破碎-破碎状态。

在强度弱化程度上，强烈松弛型深部破裂使岩体弹性模量弱化为未出现深部破裂的20%，中等松弛型深部破裂使岩体弹性模量弱化为25%～60%，轻微松弛型深部破裂对岩体弹性模量弱化程度较小。

表2　纵波波速相关衍生系数

6结论

本文以叶巴滩水电站坝址区岸坡深部破裂为典型实例，采用现场精细测绘、声波测试方法，分析不同类型深部破裂岩体波速特征，进一步揭示深部破裂对岩体卸荷、损伤、完整性及强度的影响，可以得到如下6点结论：

(1) 深部破裂宏观地质特征与声波纵波波速具有较好的对应性，波速可作为深部破裂类型划分的量化指标。根据宏观地质特征与波速，可将叶巴滩水电站坝址区深部破裂划分为3类：轻微松弛型、中等松弛型、强烈松弛型。

(2) 轻微松弛型深部破裂岩体纵波波速大于4 200 m/s，中等松弛型深部破裂岩体纵波波速3 000～4 500 m/s，强烈松弛型深部破裂岩体纵波波速小于3 000 m/s。

(3) 在卸荷程度上，轻微松弛型深部破裂对岩体影响较小，中等松弛型深部破裂使岩体处于弱卸荷状态，强烈松弛型深部破裂使岩体处于强卸荷状态。

(4) 在损伤程度上，轻微松弛型深部破裂岩体多属于无损岩体，中等松弛型深部破裂与强烈松弛型深部破裂使岩体产生明显损伤。

(5) 在完整性方面，轻微松弛型深部破裂岩体属较完整岩体，中等松弛型深部破裂岩体属完整性差-较破碎岩体，强烈松弛型深部破裂岩体已处于较破碎-破碎状态。

(6) 在强度弱化方面，强烈松弛型深部破裂使岩体弹性模量弱化为未出现深部破裂的20%，中等松弛型深部破裂使岩体弹性模量弱化为25%～60%，轻微松弛型深部破裂对岩体弹性模量弱化程度较小。

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ACOUSTIC CHARACTERISTICS OF ROCK MASS INCLUDING DEEP-SEATED CRACK OF YEBATAN HYDROPOWER STATION

LIU Yu1, HAN Gang2, ZHAO Qi-hua2

(1. Applied Technology School, Xihua University, Chengdu611930, China; 2.State Key Laboratory of Geo-Hazard Prevention and Geo-Environment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu610059,China)

Abstract:The sonic wave characteristics of deep-seated crack rock mass and influence about unloading degree, damage degree, intactness index of rock mass and elastic modulus has been discussed by field survey and acoustic test based on deep-seated crack of Yebatan hydropower station. Three types of deep-seated crack can be divided as weak relaxed deep-seated crack (WR), moderate relaxed deep-seated crack (MR) and intense relaxed deep-seated crack (IR) by engineering geological characteristics and sonic wave. The sonic wave of WR rock mass is more than 4 200 m/s, MR is between 3 000 m/s and 4 500 m/s, IR is less than 3 000 m/s. About influence on unloading degree, damage degree and elastic modulus, WR is weak, MR is moderate and IR is intense. The rock mass integrity including WR, MR and IR is better, poor and very bad respectively.

Key words：engineering geology; deep-seated crack; sonic wave velocity; Yebatan hydropower station

作者简介：刘宇(1988- )，女，湖北省荆门人，硕士，主要从事土木工程、地质工程方面的教学、科研工作。E-mail:liuyu-616@126.com

中图分类号：TV74；P642

文献标识码：A

基金项目：国家自然科学基金项目(41272333)；国家重点基础研究发展计划(973)项目(2011CB013501)

收稿日期：2015-11-03改回日期：2015-12-29

文章编号：1006-4362(2016)01-0059-06