水利水電工程高邊坡卸荷裂隙探討

張擁軍

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長沙市 410007）

在峽谷型河床兩岸陡峻岸坡中常常存在一組近平行于岸坡的卸荷裂隙，由于卸荷裂隙呈張性，連續(xù)性好，切割深，致使壩肩邊坡巖體，特別是淺、中部巖體與深部巖體間分離，導(dǎo)致岸坡巖體完整性差。由于卸荷裂隙透水性較強(qiáng)，是庫水往下游滲漏的良好通道，易引起壩肩滲漏問題；此外，當(dāng)作為拱壩壩肩時(shí)，由于壩體對(duì)壩肩產(chǎn)生一個(gè)向下游的推力，故須評(píng)價(jià)壩肩巖體是否存在沿卸荷裂隙面產(chǎn)生整體抗滑穩(wěn)定問題。由此可以看出，卸荷裂隙在水利水電工程高陡邊坡勘測(cè)中的地位十分突出，認(rèn)識(shí)、研究卸荷裂隙對(duì)水利工程勘測(cè)設(shè)計(jì)非常必要。

1 卸荷裂隙的形成機(jī)理

由于受成巖環(huán)境及其所經(jīng)歷的內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用的影響，巖體中存在著大量的原生及次生結(jié)構(gòu)面，故巖體是一種具有初始損傷的地質(zhì)體。這些結(jié)構(gòu)面為地下水，空氣、生物的活動(dòng)提供了條件，使巖體的風(fēng)化作用由此向結(jié)構(gòu)面四周擴(kuò)散，從而導(dǎo)致巖體力學(xué)強(qiáng)度降低。從微觀看，巖體中這些結(jié)構(gòu)面末端存在許多孤立的細(xì)微裂隙，這些細(xì)微裂隙由于受到巖塊的相互約束而多不再發(fā)育。但是，由于后期受河流切割、人工開挖邊坡等影響，巖體原有的應(yīng)力場(chǎng)將發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)面上的拉、剪應(yīng)力的大小和方向隨之調(diào)整，同時(shí)在這些結(jié)構(gòu)面的末端出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到結(jié)構(gòu)面極限應(yīng)力或應(yīng)變時(shí)，這些微觀裂隙的數(shù)量急劇增加，裂隙長度不斷擴(kuò)展直至貫通，從而形成規(guī)模較大的卸荷裂隙。

2 卸荷裂隙發(fā)育的應(yīng)力準(zhǔn)則

考慮到巖體內(nèi)部本身存在許多裂隙，在外部荷載作用下時(shí)，可按格里菲斯（Griffith）強(qiáng)度理論判別裂隙擴(kuò)張時(shí)的臨界應(yīng)力條件[1]。

其中，σ1、σ3為作用在裂隙上的最大、最小主應(yīng)力；σt為抗拉強(qiáng)度應(yīng)力。

3 工程實(shí)例及巖體應(yīng)力分析

湖北恩施青龍電站壩址兩岸邊坡陡峻，坡角70°～80°，基巖為三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）薄至中厚、厚層狀微晶灰?guī)r，巖層近橫河向，傾上游，傾角5°～20°。坡面巖體為弱風(fēng)化狀，微風(fēng)化巖體位于坡面以內(nèi)（5～10）m。該工程兩岸壩肩卸荷裂隙發(fā)育，左、右岸分別發(fā)育9條、4條卸荷裂隙，見附圖。卸荷裂隙面起伏，呈張性，最大張開寬度達(dá)10 cm（Xz4），一般（1～5）cm，面上伴有溶蝕現(xiàn)象，中間半充填泥及母巖碎屑，雨天多滴水。卸荷裂隙面連續(xù)性好，切深大，最深處幾乎近河床高程。

為估算壩肩兩岸邊坡應(yīng)力分布情況，可利用ANSYS來進(jìn)行分析，計(jì)算選用彈性物體模型，采用4節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，參數(shù)選用按：重度G=2 600 kPa/m3，彈性模量 E=20 GPa，泊松比 μ=0.23，重力加速度g=9.8來進(jìn)行計(jì)算。

附圖 青龍電站卸荷裂隙分布圖

計(jì)算表明：邊坡淺中部的主應(yīng)力跡線與坡面基本平行，中下部的最大主應(yīng)力 σ1達(dá)（5～6）MPa，最小主應(yīng)力小于 0.5 MPa，由于 σ1+σ3>0，應(yīng)按式（1）進(jìn)行判別，并能得出裂隙基本不再擴(kuò)張的結(jié)論。

4 卸荷裂隙發(fā)育的基本規(guī)律

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算，卸荷裂隙發(fā)育具有以下基本特征：

（1）高、陡坡卸荷裂隙易發(fā)育。這是由于高陡邊坡的最大主應(yīng)力（近豎向）隨坡高的增大而增大，而最小主應(yīng)力則變化不大，按式（1）可知裂隙在此條件下更容易擴(kuò)張。

（2）卸荷裂隙一般平行于坡面，呈陡傾角狀，如青龍電站的卸荷裂隙傾角一般65°～75°。

（3）卸荷裂隙的水平發(fā)育深度受坡高和坡度的影響。由式（1）可以看出，裂隙擴(kuò)張受σ1、σ3兩向應(yīng)力影響，不同的坡高和坡度，直接影響坡內(nèi)的應(yīng)力分布，但基本規(guī)律是：σ3往坡內(nèi)方向有呈增大趨勢(shì)，故按式（1）可知，裂隙擴(kuò)張的可能性越小。

（4）斷層、節(jié)理裂隙等對(duì)卸荷裂隙發(fā)育起著一定的制約作用。當(dāng)巖體內(nèi)部裂隙較發(fā)育時(shí)，坡內(nèi)應(yīng)力將在各裂隙的端部集中，從而使單個(gè)應(yīng)力的數(shù)值減小，降低了巖體破裂的可能性，如青龍電站的左岸較右岸卸荷裂隙發(fā)育。

（5）卸荷裂隙的發(fā)育與工程區(qū)原始地應(yīng)力有關(guān)。每個(gè)工程區(qū)具有不同的應(yīng)力特征，它將與自重應(yīng)力形成的邊坡內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行矢量疊加，共同對(duì)巖體內(nèi)部裂隙的擴(kuò)張產(chǎn)生影響。根據(jù)ANSYS計(jì)算出的青龍電站坡內(nèi)應(yīng)力，并按格里菲斯應(yīng)力準(zhǔn)則來判別發(fā)現(xiàn)，坡內(nèi)應(yīng)力還達(dá)不到裂隙擴(kuò)張的臨界應(yīng)力條件，因此，卸荷裂隙的形成可能還與某一地質(zhì)時(shí)期的地應(yīng)力有關(guān)。

5 卸荷裂隙的常用勘察手段

（1）平硐。由于現(xiàn)今無法獲知卸荷裂隙形成時(shí)的地應(yīng)力及地貌特征，因此很難精確計(jì)算當(dāng)時(shí)坡內(nèi)的應(yīng)力情況，故無法預(yù)測(cè)卸荷裂隙的水平發(fā)育深度等問題，而平硐可直觀的觀測(cè)卸荷裂隙發(fā)育位置、水平發(fā)育深度，張開度，充填及膠結(jié)情況，地下水活動(dòng)等，并可為現(xiàn)場(chǎng)巖基試驗(yàn)提供場(chǎng)地。平硐布置一般應(yīng)垂直坡體方向，同時(shí)應(yīng)根據(jù)壩高特點(diǎn)布置一層或多層平硐，各層平硐間距30 m左右，頂層平硐布置在壩頂偏下部位，底層平硐布置在近河床部位。平硐深度應(yīng)按硐內(nèi)觀測(cè)的卸荷裂隙發(fā)育程度及工程對(duì)壩肩巖體的要求決定。

（2）鉆探。鉆探主要是通過觀察巖心及壓水試驗(yàn)來揭露卸荷裂隙。由于卸荷裂隙較一般裂隙的規(guī)模大，連通性好，透水性強(qiáng)，故鉆孔壓水試驗(yàn)成果將出現(xiàn)異常波動(dòng)。此外，坡高而河床較窄時(shí)，河床區(qū)的應(yīng)力集中明顯，河床表部卸荷回彈裂隙往往比較發(fā)育，并且該層對(duì)壩基穩(wěn)定和滲漏影響較大，故鉆孔可以作為平硐的有益補(bǔ)充來揭露該層的厚度，以決定合適的建基面深度和壩基處理方案。

（3）連通性試驗(yàn)。當(dāng)需要確定某卸荷裂隙的延伸情況，或各層平硐中卸荷裂隙的對(duì)應(yīng)情況時(shí)，可進(jìn)行連通性試驗(yàn)。

6 卸荷裂隙對(duì)水電工程的主要影響及處理

（1）對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。邊坡的穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面組合的控制，由于卸荷裂隙順河發(fā)育，且一般都延伸較長，貫通性好，切深大，呈張性，多無膠結(jié)，故卸荷裂隙破壞了邊坡巖體的完整性，切斷了內(nèi)側(cè)巖體對(duì)邊坡表部巖體的約束，是一組極具影響的結(jié)構(gòu)面。在橫河向或斜河向節(jié)理裂隙、開挖面以及層面的共同組合下，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定組合體，直接影響邊坡的穩(wěn)定性。此時(shí)應(yīng)分析不穩(wěn)定體的主要結(jié)構(gòu)面組合形式，可采用錨桿等進(jìn)行處理[2]。

（2）對(duì)壩肩滲漏的影響。卸荷裂隙順邊坡發(fā)育，延伸性好，呈張性，經(jīng)常是無充填或半充填一些泥質(zhì)及母巖碎屑，因此連通性好，是地下水運(yùn)移的良好通道，常引起壩肩滲漏問題。此時(shí)可設(shè)計(jì)專用的灌漿平硐，對(duì)不滿足防滲要求區(qū)進(jìn)行一排或多排帷幕灌漿處理。

（3）對(duì)壩肩穩(wěn)定的影響。青龍電站為拱壩，庫水作用下大壩對(duì)壩肩巖體產(chǎn)生一個(gè)順河的推力及垂直河流的壓應(yīng)力，前者可能造成壩肩巖體順卸荷裂隙面產(chǎn)生滑動(dòng)，后者則可能使張開的裂隙面受壓閉合，這兩種應(yīng)變對(duì)拱壩的穩(wěn)定都是致命的，應(yīng)重點(diǎn)復(fù)核。工程設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)淺部的卸荷裂隙應(yīng)予以清除，對(duì)可能有影響的中、深部卸荷裂隙，則可采用固結(jié)灌漿，預(yù)應(yīng)力錨索、預(yù)應(yīng)力錨梁等進(jìn)行處理[3]。

7 結(jié)語

本文從卸荷裂隙產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)，在引用格里菲斯（Griffith）關(guān)于裂隙擴(kuò)張時(shí)的臨界應(yīng)力判別條件的基礎(chǔ)上，利用ANSYS軟件計(jì)算了湖北青龍電站邊坡內(nèi)應(yīng)力分布情況，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了卸荷裂隙發(fā)育規(guī)律。同時(shí)，總結(jié)了卸荷裂隙對(duì)水利水工工程的主要影響及處理措施，對(duì)工程建設(shè)具有一定的參考意義。

1肖樹芳 楊淑碧.巖體力學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社，1987.

2楊延毅 巖質(zhì)邊坡卸荷裂隙加固錨桿的增韌止裂機(jī)制與效果分析[J].水利學(xué)報(bào)，1994,(6).

3錦屏一級(jí)水電站左岸深部卸荷裂隙的加固方案及數(shù)值模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(12).