岩质高边坡岩体卸荷分带量化研究

2019-11-08陆泌锋李安润李万才

人民珠江 2019年10期

陆泌锋，邓辉，郝浩，李安润，李万才

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059)

边坡岩体卸荷是在河谷下切侵蚀作用下使岩体产生临空面，破坏了岩体原来的应力平衡状态，为了达到新的应力平衡，边坡岩体发生应力重分布，使坡体浅表部产生应力释放，并朝临空面产生卸荷回弹作用。在这一过程中，边坡浅表部一定范围内的岩体因应力降低而导致岩体结构松弛，在卸荷回弹作用的驱动下使原有结构面发生扩展或错动，并形成一部分新的破裂体系[1-2]。岩体卸荷产生裂隙使岩体的完整性遭到破坏，降低的岩体质量，同时也为地下水和风化营力等外动力地质作用提供了有利通道，进一步破坏了岩体的完整性[3-5]。因此，岩体卸荷对边坡的稳定性及与其相关的岩石工程问题有重要的控制意义[6]。

在水利水电工程中，一般将边坡岩体卸荷分为2种类型，即强卸荷和弱卸荷，对应表现为强卸荷带及弱卸荷带。岩体卸荷分带是水电工程建设中所面临的常见问题之一。卸荷分带是否合理不仅关乎水电工程安全，而且对于工程的设计和边坡处理起着重要作用，有重大的经济效益和很高的实用价值[7]。虽然国内外许多专家学者对岩体卸荷带的划分进行了大量研究[8-9]，并取得了优良成果，为工程所用。但目前岩体卸荷分带量化指标尚未完全统一，现常用的指标主要包括：岩体块度模数、裂隙密度及张开度[10]、岩石质量指标、变形模量、微应变[11]、视电阻率、岩体弹性纵波速[12-13]等。在理论上也有根据边坡卸荷岩体的氡异常特征来进行卸荷带的划分[14]。此外，由于卸荷使岩体完整性遭到破坏，形成了一系列裂隙网络，为地下水的渗透提供了通道。因此，利用压水试验获得的透水系数也可用来进行卸荷带的划分[15]。

虽然目前在边坡岩体卸荷带的划分上有众多的量化指标可以选择，然而由于不同地域地质条件的巨大差异性以及不同地质条件下岩体卸荷的复杂性，在实际操作过程中，对岩体卸荷分带有较强的人为性和不确定性。因此，岩体卸荷分带量化指标的选择仍然是一个可以值得继续深入研究的问题。本文在国内外众多研究基础上，结合澜沧江某大型水电站岩质高边坡的工程实际，对边坡进行大量地表平硐现场测量，选取合理指标对卸荷带进行划分，并用试验加以论证，为边坡岩体卸荷带的划分提供了建议。

1 工程概括

拟建的澜沧江某水电站位于西藏昌都地区，边坡为岩质高边坡，自然边坡高达1 000余m，且河谷狭窄，总体上表现为对称的“V”字型河谷。该水电站有上、中、下3个坝址，本文选取上坝址右岸边坡为研究对象。研究区地形陡峻，自然坡度一般为45°～55°。出露的地层主要为三叠系中统竹卡组(T2z)灰、深灰色英安岩，在上游低高程缓坡一带分布有崩坡堆积块碎石夹砂土，厚度较薄。区域内地下水类型主要为基岩裂隙水和第四系孔隙水，水力坡降为22.3%～43.6%。据现场地质调查，上坝址右岸发育有2条韧性剪切带(①-1、①-2)，韧性剪切带①-1位于岸坡中高程部位，宽度为50～130 m，总体产状为N60°W/SW∠75°；韧性剪切带①-2位于岸坡高高程部位，宽度为30～80 m，总体产状为N65°W/SW∠70°。韧性剪切带为地壳深部构造应力的产物，在应力的强烈剪切和挤压下，使剪切带中部分英安岩发生动力变质作用而糜棱化，形成糜棱化英安岩。此外，岸坡中发育有多条中小型断层，其产状多与韧性剪切带近平行，可推断这些断层与剪切带同属古构造应力的产物。因研究区所处的特殊地理环境，使岸坡基岩在卸荷、冻融及风化等综合作用下，形成了规模和厚度不等的碎裂松动岩体，松动岩体多呈碎裂～散体结构，普遍分布于3 000 m以上高程，且随高程的增加分布越深，稳定性也越差。

坝址出露的地层岩性为英安岩，是一种硬性岩石，能较好地存储弹性势能，在卸荷时更有利于卸荷回弹，加上研究区常伴有高地应力的特点，更决定边坡岩体卸荷的强烈性和复杂性，因此合理对坝址区边坡岩体进行卸荷分带具有实际的工程意义。

2 边坡卸荷分带量化指标的选择

研究表明，边坡岩体中的裂隙密度一般都会随着水平深度的增大而逐渐减小，至一定深度后趋于稳定，裂隙的张开度也表现为在坡体浅表部开度较大，随深度的增大逐渐减小并趋于闭合[16]。因为裂隙数量和裂隙张开度是河谷下切过程中岩体卸荷反弹并叠加风化作用而形成，在边坡一定水平深度范围内广泛发育，至一定深度后就比较趋于稳定，是边坡卸荷的核心表现，最能直观地反映边坡的卸荷状况。因此这2个量化指标是在进行边坡岩体卸荷分带中首要选取的指标。另外，地震纵波波速也可间接用来进行卸荷带的划分，因为地震波速在连续弹性介质中传播较快，而由于边坡浅表部裂隙发育且张开度较大，波在传播过程中会受阻而导致波速降低，因此地震纵波波速也是一个合理的量化指标。综上，本文考虑裂隙张开度、裂隙密度、张开裂隙密度及地震纵波波速来进行边坡卸荷分带，这4个指标是能通过地表平硐直接获得的量化指标，也是水利水电工程中最常用的量化指标。

3 边坡卸荷带划分

为了获得较为详尽的裂隙统计数据，对上坝址右岸边坡数个地表平硐中的裂隙数量、张开裂隙数量及裂隙张开度进行仔细现场测量，对获得的上千条裂隙数据进行统计分析，限于篇幅，现以右坝肩边坡上的地表平硐PDJ04为例来说明卸荷带的划分情况，并通过综合考虑地震波纵波速来最终确定卸荷分带状况。

图1是对右坝肩边坡平硐PDJ04内裂隙张开宽度进行的统计。由图可知，0～14 m为碎裂松动岩体分布范围，裂隙过于密集而未进行裂隙统计；14～100 m左右，该段范围内广泛发育张开度大于5 cm的裂隙，裂隙张开度随硐深表现出先增大后减小再增大的现象，局部出现数条张开宽度10～20 cm的张拉、剪切型卸荷裂隙，累计张开度呈现出快速增大的趋势，很明显14～100 m范围内卸荷强烈，因此可将该段定为强卸荷带。100～150 m左右，该段范围主要发育张开度为1～5 cm的裂隙，局部张开度可大于5 cm，且累计张开宽度曲线总体上较为平缓，因此可将100～150 m划分为弱卸荷带，150 m以后则为未卸荷带。

图1 平硐PDJ04裂隙张开度统计

图2为平硐PDJ04中裂隙数量和张开裂隙数量与硐深的关系。从图中可以看出，随着平硐深度的加大，裂隙数量和张开裂隙数量整体上呈现出减小的趋势，裂隙数量最终趋于一个较为稳定的值，而张开裂隙数量则逐渐趋于零。该平硐中15～95 m左右的裂隙数量及张开裂隙数量都较多，因此可将该段划分为强卸荷带；95～160 m左右的裂隙数量及张开裂隙数量相对减少且基本保持稳定，可将该段定为弱卸荷带；160 m以后划分为未卸荷带。

图2 平硐PDJ04裂隙数量、张开裂隙数量与硐深关系

图3为平硐PDJ04地震波纵波速曲线。由图可见，0～14 m为碎裂松动岩体区域，未进行波速测试；14～94 m范围内纵波速较低，基本保持在2 000～3 000 m/s之间，波速平均值为2 555 m/s；94～157 m范围内纵波速明显上升，波速主要维持在3 000～5 000 m/s之间，局部下降幅度较大，平均值为4 066 m/s；157 m以后波速多保持在4 000～5 000 m/s之间，平均值为4 188 m/s。因此，通过地震波纵波速测量，可将14～94 m划分为强卸荷带，94～157 m划分为弱卸荷带，157 m之后为未卸荷带。

图3 平硐PDJ04地震波速曲线

以上4个量化指标所划分的卸荷带基本上能保持一致，综合考虑4个指标最终将强卸荷带底界定为100 m，弱卸荷带底界定为155 m。按照此方法可将边坡上其他平硐内的卸荷带进行划分，从而确定整个边坡的卸荷分带，图4为用此方法划分的坝肩边坡卸荷带，由图可见，强卸荷带宽度明显比弱卸荷带宽度大，且卸荷带宽度有随高程的增加而增大的趋势。

图4 上坝址右坝肩边坡卸荷分带

4 试验论证

4.1 试验准备

卸荷作用会导致岩体内部产生许多裂隙，使其力学参数有一定程度的降低，越接近坡表，卸荷作用越强烈，岩体内部产生的裂隙越多，从而岩石强度越低，因此可通过力学试验来验证边坡岩体卸荷分带的合理性，其中单轴抗压试验是最简单和最直接的一种力学试验方法。笔者从所分各卸荷带中取多个岩块磨制成高10 cm、直径5 cm的岩样，以进行单轴抗压试验。试验开始前先对岩样进行筛选，即剔除外观有明显缺陷的岩样，并通过波速测试，挑选出各卸荷带波速值相近的岩样，以保证每组岩样的均一性，最终组成3组试样，每组4个。为了让试验结果更精确，减小高径比因素的影响，对试验结果进行修正，修正公式为：

(1)

式中Rc——标准单轴抗压强度值，MPa；R——任意高径比的单轴抗压强度值，MPa；d——试件直径，mm；h——试件高，mm。

4.2 试验结果分析

在对单轴抗压试验结果进行修正后，得出各卸荷带岩样的单轴抗压强度范围值，其中强卸荷带岩样的强度为28.76～53.84 MPa，弱卸荷带岩样的强度为48.12～85.35 MPa，未卸荷带岩样强度为77.83～153.42 MPa。从强度范围值可以看出，相邻卸荷带之间的抗压强度值虽有较小程度的叠加，但彼此间还是有较大的差异。研究区边坡岩体卸荷的复杂性决定了不可能将各卸荷带划分完全精确，因此本文所划分的卸荷带具有一定的合理性，可为工程借鉴。

根据试验结果也可求出各卸荷带岩样的单轴抗压强度平均值，强卸荷带、弱卸荷带和未卸荷带岩样的强度平均值分别为41.51、65.43、110.26 MPa。从强卸荷岩体至弱卸荷岩体，单轴抗压强度平均值增长了57.62%；弱卸荷岩体至未卸荷岩体，单轴抗压强度平均值增长了68.52%。本次试验所得到的抗压强度平均值表明了卸荷作用的加剧，将导致岩体强度的降低。

图5为各卸荷带岩样应力～应变曲线，从图中可以看出，强卸荷带岩样裂隙压密阶段比较明显，而弱卸荷带和未卸荷岩样的裂隙压密阶段不太明显，原因主要是强卸荷带岩体由与卸荷回弹作用产生了一系列的卸荷裂隙及岩体内部的微裂隙，且裂隙走向与轴压方向垂直或呈大角度相交，因此在试验过程中与轴压垂直或大角度相交的裂隙会被压密；而弱卸荷与未卸荷岩体内部的裂隙较少，因此该阶段表现得不太明显。此外，试验中各个卸荷带岩样在达到峰值强度前，应力～应变曲线上都存在一定的齿状现象，即应力在某一时刻突然稍微下降，随后又马上上升。该现象表明岩样内存在与轴压方向小角度相交的为裂隙，且裂隙面凹凸不平，在轴压作用下，岩块沿微裂隙发生局部滑移，颗粒间相互翻滚和转动，应力稍微下降，微裂隙移动一定位置后，凹凸面重新结合，应力又开始积累，表现为应力的上升。