基于應變率的邊坡巖體卸荷分帶應用

范健輝

摘 要：水電工程中大規模的壩基邊坡開挖卸載導致巖體完整性顯著降低，巖體力學性質劣化，由此產生一系列工程問題。邊坡巖體卸荷帶的劃分有利于加深對邊坡巖體質量的認識，有助于工程后續的設計和處理。本文通過分析卸荷分帶常用量化指標，指出各指標可能存在的局限性，并探討以卸荷應變率為指標的卸荷分帶法在新疆QBT水電站壩區工程中的應用，依據水利水電工程地質勘察規范對卸荷分帶法進行驗證。結果表明：該方法具有良好的優越性和可操作性。

關鍵詞：巖石力學;巖體卸荷;應變率;卸荷帶劃分

中圖分類號：TU452文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）29-0083-03

Abstract： The large-scale excavation and unloading of dam foundation slope in hydropower engineering results in a significant reduction of rock integrity and deterioration of rock mechanical properties， resulting in a series of engineering problems. The division of unloading zone of slope rock mass is helpful to deepen the understanding of rock mass of slope and to the subsequent design and treatment of engineering. This paper pointed out the limitations of each index by analyzing the commonly used index of unloading zoning， and discussed the application of unloading zoning method with unloading strain rate index in the dam area of Xinjiang QBT Hydropower Station. The unloading zoning method was validated according to the geological investigation criterion of water conservancy and Hydropower engineering. The results showed that the method had good superiority and maneuverability.

Keywords： rock mechanics;rock mass unloading;strain rate;division of unloading zone

1 研究背景

大型工程開挖是人類工程活動對巖體環境擾動的主要形式。水利水電工程邊坡由于大規模開挖，破壞巖體中原有的應力平衡，在應力重新分布過程中，邊坡淺表部向臨空面方向發生卸荷回彈，使原有結構面張開、滑移、擴展并形成新的破裂體系。在實際工程中，合理判斷邊坡巖體的卸荷狀態和分帶情況，是長期保證工程安全的關鍵。

對邊坡巖體卸荷帶的研究，陳強等[1]以滲透系數的統計平均值作為巖體卸荷分帶的界線標準，分析了巖體卸荷分帶和巖體滲透性等級的對應性。孫志云、鄭達等[2-5]提出以張開裂隙寬度、張開裂隙累計寬度、波速比等作為卸荷帶劃分的量化指標，并進行應用對比，為工程實踐提供依據。

在當前的工程中，巖體卸荷分帶的量化指標沒有統一的標準。這種現狀給水利水電工程邊坡巖體的質量評價和處理設計帶來了困擾。本文通過研究卸荷分帶多種量化指標的應用，分析各指標的優劣，并選用卸荷應變率指標對在建水電工程實例應用，證明該方法的優越性和可操作性。

2 常用量化指標

對一個實際工程進行卸荷帶劃分往往采用定性與定量相結合的方法。定性方法為地質判斷。但定量方法如前文所述，所用的量化指標并沒有統一標準。目前，水利水電工程在卸荷帶劃分上常用的量化指標有張開裂隙寬度、張開裂隙累計寬度、裂隙間距、張開裂隙率、RQD值、縱波波速、波速比、視電阻率、呂榮值和應力應變等。其中，最常用的是裂隙寬度、裂隙率等巖體結構方面的量化指標。這些量化指標最能直觀地反映巖體的卸荷情況，是巖體卸荷的本質體現。物探方面的彈性波速比和視電阻率也常用于巖體卸荷帶的劃分，往往作為指標之一與巖體結構指標得出的分帶結果進行對比驗證。這類指標需要借助相應的設備獲取，且探測范圍及巖坡存在的斷層等地質現狀會對相關數據產生影響。與上述兩個指標相比，水文方面的量化指標呂榮值使用較少，雖然滲透系數能反映巖體裂隙的發育程度和卸荷程度，但影響滲透系數的因素較為復雜，且獲取數據進行的原位壓水試驗本身就存在較大誤差。國內大部分水利水電工程均采用上文提到的量化指標并參考規范進行巖體卸荷帶的劃分。這些指標更傾向于根據工程需要利用主觀經驗判斷給定具體數值，缺少理論基礎，同時，人為判斷往往會因個人能力和經驗產生誤差。

而基于應變率的卸荷分帶法是根據統計巖體力學[6]的能量可疊加理論提出的，其認為卸荷過程釋放的能量可近似看作巖塊釋放的能量和結構面釋放的能量的總和[7]。經過推導簡化，可用結構面累計張開位移量隨深度的變化率表示卸荷應變率。因此，可以根據張開位移累計曲線的斜率變化對邊坡巖體進行卸荷帶的劃分。

3 工程應用

現以新疆QBT水電站壩區工程為例，采用上述方法對邊坡卸荷巖體進行分帶，并和根據水利水電工程地質勘察規范的分帶結果進行對比。

3.1 工程概況

新疆QBT水電站壩址位于布爾津河干流中游峽谷段，地勢總體北高南低。主要發育2組陡傾節理，其走向分別為NE50°～70°和NW290°～330°。淺部巖體普遍發生不同程度的松動卸荷現象。為探明下壩址區邊坡工程地質條件及巖體卸荷松動現象，在左、右岸不同高程共開挖了25條平硐。

3.2 卸荷分帶法的應用及對比

現選取左岸的PDX12-5、PDX12-9及右岸的PDX12-4、PDX12-8為代表性平硐（見圖1），利用精測線法測得的結構面數據繪制隨硐深的裂隙累計張開量曲線，并根據曲線斜率劃分卸荷帶。需要注意的是，在調查統計過程中，發現坡體內深部多處存在卸荷裂隙，這些裂隙使累計張開度曲線出現局部突跳。由于目前對深部卸荷成因機制的認識和解釋尚不統一，且其工程處置手段也與一般卸荷不同，在確定卸荷應變（即曲線斜率）時，暫將其納入區間平均化考慮，并據此確定曲線轉折點位置。分帶結果見圖2。

忽略深部卸荷的影響，可見AB段卸荷要明顯大于BC段。由此可以判斷，基于卸荷應變率來劃分邊坡卸荷區的方法是可靠的。

現根據水利水電勘察規范[8]，以張開寬度≥1cm為強卸荷帶界限，≥0.1cm為弱卸荷帶界限，分析測得的結構面數據，能獲得一種卸荷分帶結果;根據勘察報告的地質特征描述進行定性分析，能獲得另一種分帶結果。將這兩種結果同圖2中的劃分結果進行對比。對比結果見表1。

從表1可知，基于卸荷應變率劃分卸荷帶的方法與規范所劃分結果相比具有較好的一致性。左岸中部的卸荷邊界差異不大，強卸荷底邊界范圍6～10m，弱卸荷帶底邊界范圍40～50m;右岸中部的卸荷邊界差異也不大，強卸荷底邊界范圍18～24m，弱卸荷帶底邊界范圍45～65m。兩岸部分平硐均出現深部卸荷。對左、右岸卸荷帶劃分的研究，有助于巖體質量分級，同時也將有利于加深對邊坡巖體性質的認知程度，為后期的邊坡穩定性分析及開挖設計提供參數與建議。

綜上，在對新疆QBT水電站壩區工程卸荷分帶的實際應用中，筆者發現該方法易于操作，且分帶結果符合實際，是一種可以普遍采用的方法。

4 結論

本文通過分析常用量化指標的應用情況，指出各指標可能存在的局限性，通過比較，表明基于卸荷應變率的卸荷分帶法理論基礎好且便于操作。此外，以新疆QBT水電站壩區工程為例，選取該工程兩岸具有代表性的平硐數據進行卸荷分帶，并和依據水利水電勘察規范的分帶結果進行對比，結果表明：兩者具有較好的一致性。可見，該方法是一種理論完善、易于操作、符合實際的方法，是一種可以普遍采用的方法。

參考文獻：

[1]陳強，聶德新，潘思祎，等.滲透系數作為巖體卸荷分帶量化指標的研究[J].水文地質工程地質，2011（4）：48-53

[2]鄭達，黃潤秋.高邊坡巖體卸荷帶劃分的量化研究[J].水文地質工程地質，2006（5）：9-12.

[3]孫云志，黃潤秋.谷坡巖體卸荷帶劃分量化指標研究[J].巖石力學與工程學報，2012（S2）：3942-3949.

[4]馬宇，任光明，羅軼，等.巖質斜坡卸荷分帶量化指標與應用研究[J].人民長江，2013（7）：33-36.

[5]李日運，劉田珂.岸坡應力場及卸荷帶劃分量化指標研究[J].華北水利水電大學學報（自然科學版），2014（2）：76-80.

[6]伍法權.統計巖體力學原理[M].武漢：中國地質大學出版社，1993.

[7]伍法權，劉彤，湯獻良，等.壩基巖體開挖卸荷與分帶研究：以小灣水電站壩基巖體開挖為例[J].巖石力學與工程學報，2009（6）：1091-1098.

[8]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.水利水電工程地質勘察規范：GB 50487—2008[S].北京：中國計劃出版社，2008.