邊坡巖體卸荷分帶性研究

朱容辰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司, 陜西西安 710043)

巖體的卸荷作用是巖體局部應力場發生變化引起的一種外動力地質作用,普遍存在于各類巖質邊坡中,巖體的卸荷作用是由多種因素決定的,因而卸荷作用的機制也是多種多樣的。地質條件不同,其形成機制不同,它們以各自的方式影響著巖體的工程地質特征[1]。考慮到卸荷巖體的一個主要特征是具有大量的卸荷裂隙,通過調查研究卸荷裂隙的各種指標,可以分析巖體的卸荷狀況,確定巖體卸荷深度并對巖體進行卸荷帶劃分[2]。結合西南某水電站高邊坡三疊系砂板巖的現場調查資料,對高邊坡巖體卸荷的本質、機理、巖體卸荷特征及影響谷坡巖體卸荷帶發育的因素,以及卸荷帶的劃分進行了探討,并選用定性判斷與定量測試相結合的方法,對巖體卸荷帶進行綜合劃分。

1 邊坡巖體卸荷作用

1.1 工程區地質背景

工程區位于青藏高原東南部,地貌區劃屬川西高原,緊鄰川西南高山區。區域構造格局為“川滇菱形斷塊”內的次級斷塊“雅江-理塘”菱形Ⅳ級斷塊中部。壩址區為橫向谷,河谷深切,呈略顯不對稱的“V”形峽谷,兩岸山體雄厚,谷坡陡峻,臨河坡高500～1 000 m。壩址區兩岸基巖以三疊系上統兩河口組中、下段(T3lh2、T3lh1)砂巖夾粉砂質板巖為主。巖石致密堅硬,巖體完整性較好,抗壓強度較高。壩址區無區域性斷裂(Ⅰ、Ⅱ級)通過,地質構造以次級小斷層、擠壓破碎帶、節理裂隙(裂隙密集帶)、巖脈(石英脈)為特征。另外,根據地勘實測,壩區地應力值較高,最高可達20～30 MPa左右。上述條件為邊坡巖體卸荷提供了物質條件與環境場。

1.2 卸荷作用本質

卸荷作用是邊坡巖體淺表生改造的一種重要外生營力。河谷開挖以后形成的臨空面或類臨空面為儲存在巖體中的高應變能提供了釋放空間。伴隨能量釋放,斜坡淺表部一定范圍內巖體應力調整,導致淺表部應力降低,而在坡體更深部位產生某種程度的應力集中,即產生所謂應力駝峰現象[3]。表部應力降低導致巖體回彈膨脹、結構松弛,造成巖體的卸荷。在這一過程中,巖體應力的降低將導致巖體松弛和原有的裂隙發生各種變化,形成新環境下的裂隙網絡,這些裂隙一部分是原有構造裂隙經改造而形成,一部分是微小裂隙擴張后的顯式裂隙,還有在應力環境和外動力環境下形成的新表生結構面——卸荷裂隙。在巖體卸荷、應力降低的過程中,隨著新的裂隙系統形成,也為外動力或風化營力提供了通道,加速巖體風化和應力的進一步降低。因此,巖體卸荷的本質是原巖應力降低,導致的結果是巖體結構松弛[4]。伴隨應力松弛,不同力學性質的巖體表現不同，軟巖類巖體往往表現為韌性變形或塑性流動,堅硬巖體表現為拉、剪應力作用下的結構面改造與新破裂產生。壩址區砂巖巖體具備儲存高應變能的能力。在河谷開挖后產生的卸荷作用應屬堅硬塊狀巖體在較高原巖應力下的卸荷。

1.3 卸荷作用機理

卸荷引起的應力降低實際包含兩個不同應力狀態區域[3，5]：一個是一向受壓、一向受拉的拉-壓應力組合區,位于近坡面一定深度范圍之內；一個是雙向受壓的壓-壓應力組合區,位于拉-壓應力組合區與應力集中區之間。并可按應力存在方式與卸荷破壞方式將斜坡淺表部巖體劃分為5個區域(如圖1)。

圖1 河谷應力場分布及卸荷裂隙機理示意

1.4 卸荷巖體特征

隨著河谷下切過程的進行,岸坡巖體向臨空面方向發生卸荷回彈變形,谷坡應力場將產生新的調整,形成河谷應力場；而伴隨這一過程,邊坡巖體也將產生一系列新的變形和破裂,以適應或達到新的平衡狀態,這就是巖體結構的表生改造。巖體結構的表生改造一般具有兩類形式,即原有構造或原生結構面的進一步改造,或新的表生破裂體系的形成。其結果是在河谷岸坡一定深度范圍內,形成類似于地下洞室圍巖“松動圈”的岸坡卸荷帶[3]。

在這樣的應力環境下,卸荷帶巖體表現出：

①表部巖體崩塌、松動,地面開裂,嚴重者使斜坡巖體演化為變形體或滑坡。

②新的結構面產生,原有結構面在其尖端表現出裂紋擴展,一些近地表結構面張開拉裂,節理面夾泥或為其他次生物充填。

③在松弛的應力場、活躍的滲流場作用下，風化強烈且愈演愈烈,導致巖石某些礦物成分發生轉化,流失或質變。

④應力松弛使巖石孔隙加大、密度降低。

⑤巖石卸荷回彈,體積膨脹,力學性能降低,巖體位移明顯,在軟巖表現為塑性變形強烈,在硬巖表現為結構流變突出。

⑥RQD值、波速值降低,巖體結構松弛、完整性變差。

⑦地下水活躍,水-巖作用顯著,硐室開挖后引起圍巖滲水、滴水、流水、涌水。以上種種致使巖體變形加劇，力學參數降低，結構效應擴大，局部地段破壞，巖體整體性降低以及邊坡穩定性降低等。

根據卸荷程度,谷坡巖體卸荷可分為強卸荷帶與弱卸荷帶,在卸荷帶內側有時存在一個相當于應力增高帶的緊密擠壓帶。卸荷帶劃分依據主要考慮卸荷裂隙的規模、密集程度、次生充填及巖體松弛特性等[6]。可輔助參照一些測試數據,如地應力測試、點荷載試驗、聲波、氡氣測試等。實踐證明,調查人員地質對比的實踐經驗,往往起關鍵性作用。卸荷帶的界定和鑒別,還可從岸坡地應力場的變化和卸荷裂隙破裂機制加以區分。

1.5 影響谷坡巖體卸荷帶發育的因素

卸荷帶巖體的這種外在表現,在時間與空間上并不是均勻分布,這是由卸荷帶巖體內部自表及里應力漸次升高的分布特點決定的。影響河谷巖體卸荷的因素有應力特征、地形地貌、地層巖性、風化狀況、巖體結構、斷裂構造、地下水及地震因素、人類工程活動等,巖體卸荷正是在這諸多因素的共同作用下產生和發展，但這些因素有先有后,有主有次。大致來講,應力特征、地形地貌、地層巖性、巖體結構、構造發育特征等構成了谷坡巖體卸荷的先決條件,而風化狀況與地下水賦存條件則為在此先決條件下的后來因素。盡管如此,在進行具體問題具體分析時,仍不能因為影響巖體卸荷的因素有先后主次而將其割裂開來,它們共同作用,彼此之間有著天然聯系,是效應互動的統一體[6]。

2 卸荷分帶研究方法

目前,卸荷分帶有定性、定量和數值模擬三種方法。定性劃分是根據野外宏觀地質調查統計獲得的第一性資料和感性認識進行劃分,包括地表調查與平硐調查,是研究邊坡卸荷特征的基礎；定量研究則是通過工程類比,并結合具體工程實踐對表征卸荷的特征指標加以量化而得到不同卸荷帶的定量深度。本文用到的定量方法有：RQD測試、回彈測試、氡氣與聲波波速測試；數值模擬因其難以建立完全的地質力學模型和數值模型[3],而使其應用受到一定的限制,但也有其明顯的優點,即可從理論上、宏觀上、本質上對卸荷規律進行探討。本次研究主要從定性和定量兩方面對樞紐區邊坡巖體進行卸荷帶的劃分。

3 巖體卸荷特征指標調查

卸荷巖體發育的特征與表象為我們提供了野外宏觀調查巖體卸荷與分帶的重要依據,現場調查統計的主要內容包括：巖性與巖體結構特征、風化程度及卸荷拉裂程度等。

平硐開挖所形成的頂底板及左右兩壁實際上是從立體的角度為調查者展開了一張原始地質剖面圖,巖體從表部到深部的所有卸荷信息都被完整地記錄在這張剖面圖上。對平硐揭示的巖性與巖體結構特征，地下水出露及風化狀況等進行詳細的調查、統計、描述并歸納分析，是認識斜坡不同部位巖體卸荷帶發育特征、空間分布規律及不同卸荷帶劃分的必要手段。表1為左壩肩部分平硐的野外調查結果。

表1 左壩肩部分平硐巖體卸荷特征野外調查

壩區河谷近南北走向,對其兩岸邊坡各高程平硐中隨機節理進行調查統計,獲得的左岸2 352條、右岸2 086條節理及裂隙產狀資料,據此繪制節理等密圖(見圖2),觀察發現沿南北河谷走向,兩岸平行谷坡陡傾角節理有傾向岸外呈微弱對稱趨勢,這與岸坡卸荷裂隙發育不無關系。

圖2 左壩肩及右壩肩裂隙極點等密圖

4 壩區巖體宏觀卸荷特征

根據卸荷程度,谷坡巖體卸荷可分為強、弱卸荷帶。其判別依據見表2。

表2 強、弱卸荷帶的劃分依據

5 邊坡卸荷帶的綜合劃分

壩址區不同工程部位邊坡的巖體結構及卸荷破裂方式不同,為了較準確的劃分邊坡的卸荷帶,必須結合各種測試數據與巖體結構的分帶性方面作綜合分析。下面以左壩肩邊坡巖體卸荷帶劃分為例做綜合分析。

左壩肩邊坡受巖體結構控制,變形破壞模式以楔形滑移拉裂型為主,局部存在滑移拉裂及滑移壓致拉裂型等。本處邊坡布置有PD03、PD05、PD07、PD09、PD011、PD13及PD25等平硐,現以PD05平硐為例,對左壩肩邊坡卸荷帶進行綜合劃分。

由圖3可知,在15～20 m、28～39 m和105～110 m洞段有幾個明顯的表生改造帶,15～20 m及28～39 m處的卸荷裂隙內充填巖屑及次生泥,滲水,一般張開0.5～2 cm,局部達3 cm；105～110 m處傾坡外裂隙較發育,微張,局部有變形松動跡象；110 m以后裂隙相對不發育,巖體微新,據此定性劃分強卸荷界限為39 m,弱卸荷界限為110 m。

波速測試在15～20 m、28～33 m及局部相應硐段也對應為波速低值區,回彈測試曲線在10～36 m、47～53和105～124 m為低值區,與結構展示圖有一定出入,但大體相對應,RQD測試曲線在0～13 m、15～20、23～36 m為低值區,與氡異常值測試曲線有較好的對應性,與定性劃分的強卸荷界限較吻合,故將強卸荷帶劃分為0～39 m較為合理。107 m以后,RQD測試曲線值總體較高,氡異常值很低,趨近于零,則將39～110 m段定為弱卸荷段是比較符合實際的。其次,無卸荷段的回彈低值可能與巖性有關。

根據上述卸荷帶的綜合分析可以看出,總體上卸荷帶定性劃分與定量測試有著較好的一致性,但由于存在地質工程師認識水平的差異,使部分平硐的卸荷帶劃分存在誤差,這主要是不同的個體認知存在差異,且定性劃分方案僅是從裂隙的張開度、充填物等表象進行劃分,而通過定量測試數據來劃分卸荷帶的人為因素較小,是更科學的方法。通過定量、半定量指標的引入和測試成果,結合巖體結構、變形破裂跡象等的深入分析,進行綜合劃分的邊坡卸荷分帶特征如表3所示。

表3 左壩肩平硐卸荷帶綜合劃分一覽 m

6 結論

圖3 PD05平硐巖體結構剖面及各測試曲線對比

(1)卸荷帶的分布范圍與高程有關,平硐所處高程越高,其強弱卸荷帶范圍均比低高程與之對應平硐卸荷帶范圍要深。因為邊坡下部受到谷底的約束作用,應力釋放及調整較為困難,故卸荷帶發育深度較淺；隨著向坡頂高程的增加,應力釋放與調整可以充分進行,故卸荷帶發育深度會逐漸增加。

(2)卸荷帶分布范圍與地貌有關,同一高程處,所處山脊部位平硐卸荷范圍一般大于所處山凹處平硐卸荷范圍。

(3)定性劃分是以巖體裂隙條數、裂隙開度或裂隙充填次生夾泥或其他次生充填物厚度等表象作為劃分的依據,而定量測試數據是以巖體完整性系數RQD、回彈值測試、氡氣異常值與聲波波速測試為依據,通過定量、半定量指標的引入和測試成果,結合巖體結構、變形破裂跡象等定性分析,有利于對巖體卸荷帶進行客觀合理的綜合劃分。

[1]侯智斌.東莊水利工程樞紐區砂頁巖巖體卸荷特征[J].陜西水利水電,2000,16(3):4-6

[2]王 毅,聶德新,任光明.一種高邊坡巖體卸荷分帶方法的探討[J].工程地質學報,2004,12(1):83-86

[3]黃潤秋,張倬元,王士天,等.中國西南地殼淺表層動力學過程及其工程環境效應[M].成都：四川大學出版社,2001

[4]Yoshinka Naoto. The role of plastic deformation in normal loading and unloading cycles[J]. Journal of Geophysical Reasearch.B.Solid Earth and Planets, 1994,99(8)：15561-15568

[5]黃潤秋,林 峰,陳德基.巖質高邊坡卸荷帶形成及其工程性狀研究[J].工程地質學報,2001,9(3)：228-229

[6]王蘭生.巖體卸荷與水電工程[J].工程地質學報,2000,16(2)：145-155