龍?zhí)了畮靿沃啡芪g節(jié)理化巖體的工程特性研究

張 丙 先，馮 進(jìn) 偉，張 濤，周 新 開

(長(zhǎng)江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

龍?zhí)了畮靿沃坊鶐r為中厚-巨厚層狀灰?guī)r，節(jié)理發(fā)育，沿節(jié)理普遍發(fā)生溶蝕風(fēng)化，裂隙性溶蝕風(fēng)化帶厚40～60 m，屬典型的溶蝕節(jié)理化巖體。溶蝕節(jié)理化巖體的強(qiáng)度決定了設(shè)計(jì)方案和工程量，成為影響樞紐工程建設(shè)的關(guān)鍵因素。巖體的節(jié)理化是常見的地質(zhì)現(xiàn)象，相關(guān)學(xué)者做了大量的研究工作。節(jié)理巖體的影響因素方面，李建林等[1]開展了節(jié)理巖體三軸卸荷試驗(yàn)，研究了卸荷條件下節(jié)理巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、變形特征、強(qiáng)度特征和破壞模式；劉紅巖等[2]研究了節(jié)理巖體在凍融條件下的損傷破壞機(jī)制及其相應(yīng)的力學(xué)特性。節(jié)理巖體的分析方法主要包括試驗(yàn)[3]、數(shù)值分析[4-6]、三維激光掃描技術(shù)[7]和Hoek-Brown準(zhǔn)則及其改進(jìn)[8]。工程處理方面，張波等[9]研究了含交叉裂隙節(jié)理巖體的錨固效應(yīng)及破壞模式，倪衛(wèi)達(dá)等[10]提出一種考慮卸荷損傷的柱狀節(jié)理巖體開挖分析方法，Zhou等[11]提出了考慮節(jié)理巖體節(jié)理取向影響的損傷模型。

綜上可知，無論是對(duì)節(jié)理化巖體本身的研究還是考慮卸荷、凍融等作用的影響，在分析方法、工程處理以及模型建立等方面均取得了較大的進(jìn)展。溶蝕作用不同于卸荷、凍融等物理作用，屬于化學(xué)作用。溶蝕往往從節(jié)理面開始對(duì)巖體產(chǎn)生破壞，巖溶形態(tài)復(fù)雜，分布規(guī)律性差，因此疊加溶蝕作用的節(jié)理化巖體的工程性質(zhì)更為復(fù)雜。目前對(duì)溶蝕巖體的研究多集中在溶洞等巖溶現(xiàn)象方面[12]，而對(duì)龍?zhí)了畮靿沃范裕枰鉀Q的是兼具溶蝕作用的節(jié)理化巖體的強(qiáng)度問題。本文在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、綜合勘探的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)進(jìn)行了鉆孔壓水試驗(yàn)、聲波測(cè)試、鉆孔電視錄像、電磁波跨孔CT影像，對(duì)巖體中節(jié)理的成因機(jī)制、溶蝕風(fēng)化特征進(jìn)行了分析，對(duì)溶蝕節(jié)理化巖體進(jìn)行了原位試驗(yàn)。考慮到原位試驗(yàn)試體的尺寸相對(duì)偏小，巖體中溶蝕和節(jié)理的隨機(jī)分布存在缺陷，采用Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式[13-14]對(duì)溶蝕節(jié)理化巖體強(qiáng)度進(jìn)行了估算，并與原位試驗(yàn)成果進(jìn)行了對(duì)比分析。在此基礎(chǔ)上，基于巖體力學(xué)強(qiáng)度結(jié)合聲波波速、結(jié)構(gòu)面特征等綜合分析溶蝕節(jié)理化巖體質(zhì)量，進(jìn)而確定了巖體的利用及處理措施。評(píng)價(jià)方法和成果對(duì)類似工程具有借鑒意義。

1 壩址巖體節(jié)理的成因機(jī)制

1.1 壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景

龍?zhí)了畮靿沃肺挥诳挡馗咴瓥|南部之鹽源盆地北部的丘陵區(qū)，在大地構(gòu)造上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西北部的二級(jí)構(gòu)造單元鹽源麗江臺(tái)緣拗陷區(qū)中部鹽源“山”字型構(gòu)造脊柱部位。區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡受南北向推力的控制，形成了一系列北東及北西向延伸的寬緩褶皺。其中采石場(chǎng)向斜和石河壩背斜是分布于龍?zhí)了畮靿沃飞嫌魏拖掠蔚膬蓚€(gè)褶皺(見圖1)。

圖1 壩址區(qū)褶皺地質(zhì)剖面Fig.1 Geological profile of folds in the dam site area

采石場(chǎng)向斜軸面走向近東西，北翼巖層傾向170°～195°，傾角30°～50°；南翼巖層傾向340°～10°，傾角50°～70°。核部地層巖性為三疊系上統(tǒng)下博達(dá)組(T3xb)泥灰?guī)r，兩翼地層巖性主要為三疊系中統(tǒng)白山組(T2b)灰?guī)r。

石河壩背斜軸面走向80°～95°，北翼陡于南翼，北翼巖層傾向15°～35°，傾角50°～70°，南翼巖層傾向170°～210°，傾角19°～30°。核部及兩翼地層巖性均為三疊系中統(tǒng)白山組(T2b)灰?guī)r。

1.2 巖體中節(jié)理的發(fā)育特征

龍?zhí)了畮靿沃肺挥诓墒瘓?chǎng)向斜與石河壩背斜的轉(zhuǎn)折部位，巖層傾向350°～10°，傾角50°～60°，呈中厚-巨厚層狀。巖體中節(jié)理發(fā)育，主要有5組節(jié)理(見圖2)，節(jié)理基本特征列于表1，其中以第1，2，3組節(jié)理較發(fā)育，沿節(jié)理面發(fā)育溶蝕風(fēng)化現(xiàn)象。

圖2 節(jié)理等密圖(上半球投影)Fig.2 Joint contour diagram(upper hemisphere projection)

表1 壩址巖體節(jié)理分組統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical table of joint grouping of rock mass at dam site

1.3 巖體中節(jié)理的成因機(jī)制

龍?zhí)了畮靿沃肺挥诓墒瘓?chǎng)向斜與石河壩背斜的轉(zhuǎn)折部位，巖體為灰?guī)r，屬硬質(zhì)巖。伴隨褶皺的形成，巖體發(fā)生脆性破裂，形成構(gòu)造節(jié)理(縱剪節(jié)理)，其中第1組節(jié)理與第2組、第3組節(jié)理呈緩、陡相交的“X”型共軛節(jié)理系。巖體中主要構(gòu)造節(jié)理的受力分析情況如圖3～4所示。由圖4可知，褶皺的壓應(yīng)力并非水平，而向北傾伏，傾伏角30°左右。

圖3 主要節(jié)理面赤平投影Fig.3 Major joint planes stereographic projection

圖4 壩址巖體受力示意Fig.4 Stress diagram of rock mass at dam site

2 溶蝕節(jié)理化巖體的工程特性

2.1 壩址巖體的溶蝕風(fēng)化特征

壩址巖體為灰?guī)r，屬硬質(zhì)巖。由于其位于褶皺轉(zhuǎn)折點(diǎn)，伴隨褶皺的形成，巖體在壓應(yīng)力作用下發(fā)生脆性破裂，導(dǎo)致巖體中節(jié)理發(fā)育，屬典型的節(jié)理化巖體(見圖5(a))。灰?guī)r亦屬可溶性巖石，節(jié)理成為溶蝕風(fēng)化營力的通道，地下水沿節(jié)理運(yùn)移，發(fā)生溶蝕風(fēng)化，并沿節(jié)理溶蝕擴(kuò)展，形成溶蝕風(fēng)化裂隙，成為典型的溶蝕節(jié)理化巖體，工程上將其劃分為裂隙性溶蝕風(fēng)化帶(見圖5(b))。

圖5 壩址節(jié)理化巖體溶蝕風(fēng)化現(xiàn)象Fig.5 Karst and weathering of jointed rock mass at dam site

據(jù)鉆孔、平硐揭露和鉆孔壓水試驗(yàn)、聲波測(cè)試、鉆孔電視錄像、電磁波跨孔CT影像等資料綜合分析，壩址巖體表層強(qiáng)烈溶蝕風(fēng)化帶厚度：兩岸為5～15 m，河床為0～2.0 m；裂隙性溶蝕風(fēng)化帶厚度：兩岸為50～60 m，聲波縱波速平均值為4 169 m/s；河床為40 m，聲波縱波速平均值為3 439 m/s。裂隙性溶蝕風(fēng)化巖體厚度較大，巖體中直徑大于1.0 m的溶洞多分布于2 350 m以上，洞徑在0.5～1.0 m的溶洞多布在高程2 335～2 348 m以上，溶蝕節(jié)理化巖體質(zhì)量自上而下差別不明顯。河床溶蝕風(fēng)化程度高于兩岸(見圖5)，這與通常河床風(fēng)化厚度和程度低于兩岸的情況相反。分析造成這種反常現(xiàn)象的原因?yàn)椋孩?節(jié)理發(fā)育程度相同，壩址巖體節(jié)理屬構(gòu)造節(jié)理，其發(fā)育程度在兩岸和河床差別不大；② 地下水作用不同，兩岸地下水位略高于河水位，巖體多處于干燥狀態(tài)，也就是說當(dāng)河流下切后，兩岸巖體的溶蝕風(fēng)化作用強(qiáng)度較低，而河床巖體由于地下水的常年入滲，溶蝕風(fēng)化作用強(qiáng)烈，因而造成河床溶蝕風(fēng)化程度高于兩岸的反常現(xiàn)象。

2.2 節(jié)理及溶蝕風(fēng)化對(duì)巖體質(zhì)量的影響

龍?zhí)了畮靿沃坊規(guī)r呈中厚-巨厚層狀，但巖體中節(jié)理發(fā)育，主要有5組節(jié)理，節(jié)理相互切割破壞了巖體的完整程度，呈鑲嵌結(jié)構(gòu)。溶蝕風(fēng)化作用使節(jié)理擴(kuò)展，甚至形成巖溶洞穴，進(jìn)一步破壞了巖體的完整程度，呈塊裂結(jié)構(gòu)，局部呈碎裂結(jié)構(gòu)。因此，原本中厚-巨厚層狀且屬于硬質(zhì)巖的灰?guī)r，因發(fā)育節(jié)理及溶蝕風(fēng)化使其完整程度和整體強(qiáng)度降低，不均勻性變差，導(dǎo)致壩址巖體產(chǎn)生一系列工程地質(zhì)問題。

2.3 溶蝕節(jié)理化巖體的試驗(yàn)成果

壩址溶蝕節(jié)理化巖體厚度達(dá)50～60 m，是壩址利用的主要巖體。為了查明巖體的工程性質(zhì)，在壩址鉆孔內(nèi)進(jìn)行了聲波測(cè)試和電視錄像；兩岸分不同高程布置了3層平硐，平硐中選取典型地段進(jìn)行原位變形和剪切試驗(yàn)各18點(diǎn)。壩址溶蝕節(jié)理化巖體物理力學(xué)參數(shù)列于表2。彈性波波速值是巖體堅(jiān)硬程度、完整程度及嵌合緊密程度等工程地質(zhì)性質(zhì)的綜合指標(biāo)[15]，壩址巖體聲波縱波速為3 200～4 200 m/s，完整性系數(shù)為0.28～0.48，巖體破碎-完整性差，反映了節(jié)理及溶蝕風(fēng)化對(duì)巖體強(qiáng)度的損傷、巖體的抗剪強(qiáng)度和變形指標(biāo)相對(duì)完整巖體明顯降低。

表2 壩址溶蝕節(jié)理化巖體物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Physical and mechanical parameters of karst and jointed rock mass at dam site

2.4 基于Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式的強(qiáng)度估算

采用建立在GSI基礎(chǔ)上的Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式[16]估算溶蝕節(jié)理化巖體強(qiáng)度參數(shù)，計(jì)算參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果列于表3。

表3 溶蝕節(jié)理化巖體強(qiáng)度計(jì)算成果Tab.3 Calculation results of karst and jointed rock mass

2.5 Hoek-Brown計(jì)算結(jié)果與原位試驗(yàn)成果對(duì)比

基于建立在GSI基礎(chǔ)上的Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與原位試驗(yàn)成果比較情況列于表4。由表4可知：Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的凝聚力c值、變形模量E0值與原位試驗(yàn)成果接近，而摩擦系數(shù)f明顯偏小，僅為原位試驗(yàn)值的0.38倍。考慮到原位抗剪試驗(yàn)試體的尺寸僅50 cm×50 cm，相對(duì)于壩基明顯偏小，而Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的摩擦系數(shù)f值可理解為節(jié)理和巖橋提供的摩擦力按面積加權(quán)平均后的結(jié)果[17]，因而摩擦系數(shù)f值較小，可能更符合實(shí)際情況。

表4 Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果和原位試驗(yàn)成果比較Tab.4 Comparison of results by Hoek-Brown empirical formula and in situ test

2.6 溶蝕節(jié)理化巖體質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

龍?zhí)了畮靿沃穾r體既具有較密集的成組節(jié)理，也有隨機(jī)分布的節(jié)理與裂隙，而且沿節(jié)理裂隙普遍發(fā)生溶蝕風(fēng)化。節(jié)理及溶蝕風(fēng)化在很大程度上降低了巖體強(qiáng)度，因此難以用單一的力學(xué)指標(biāo)評(píng)價(jià)巖體的質(zhì)量。基于巖體力學(xué)強(qiáng)度結(jié)合聲波波速、結(jié)構(gòu)面特征等綜合分析巖體質(zhì)量，分析成果列于表5。

表5 壩址溶蝕節(jié)理化巖體綜合分析Tab.5 Comprehensive analysis on karst and jointed rock mass at dam site

3 溶蝕節(jié)理化巖體的利用與處理

3.1 壩基巖體的利用與處理

溶蝕節(jié)理化巖體基本質(zhì)量分級(jí)為Ⅲ級(jí)，壩基巖體工程地質(zhì)分類屬AⅣ類。溶蝕節(jié)理化巖體呈裂隙性溶蝕風(fēng)化狀態(tài)，巖體呈塊裂結(jié)構(gòu)，沿裂隙溶蝕風(fēng)化，局部存在溶洞。巖體處于圍壓情況下，巖體承載力可滿足中等壩高大壩地基的要求，但巖體完整性差，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注壩基不均勻變形。處理措施為深開挖、全面沖洗、回填溶洞、固結(jié)灌漿，以提高壩基巖體完整性和抗變形能力。

3.2 地下洞室圍巖的利用與處理

隧洞圍巖類別屬Ⅳ類，穩(wěn)定性差。節(jié)理密集段和溶蝕發(fā)育段可能發(fā)生塌落、變形，處理措施為清除軟弱充填物及強(qiáng)烈溶蝕風(fēng)化帶，然后進(jìn)行回填和灌漿；一般節(jié)理化巖體破壞模式為結(jié)構(gòu)面切割形成不穩(wěn)定的塊體，支護(hù)措施為系統(tǒng)錨桿、噴混凝土。

3.3 開挖邊坡的處理措施

溶蝕節(jié)理化巖體中巖溶洞穴、溶蝕結(jié)構(gòu)面相互組合，對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利。根據(jù)調(diào)查，邊坡現(xiàn)狀整體穩(wěn)定，局部見塊體失穩(wěn)的形跡。預(yù)測(cè)邊坡開挖時(shí)失穩(wěn)模式主要為結(jié)構(gòu)面切割形成不穩(wěn)定的塊體，需分級(jí)開挖，及時(shí)采取噴錨支護(hù)措施，局部巖溶發(fā)育段進(jìn)行回填并灌漿。

4 結(jié) 論

(1) 龍?zhí)了畮靿沃饭?jié)理化巖體的形成是在褶皺構(gòu)造背景下，灰?guī)r受壓力作用發(fā)生脆性破裂。節(jié)理成為溶蝕風(fēng)化營力的通道，地下水沿節(jié)理運(yùn)移并溶蝕擴(kuò)展，形成典型的溶蝕節(jié)理化巖體。

(2) 灰?guī)r屬于硬質(zhì)巖，呈中厚-巨厚層狀，但因發(fā)育節(jié)理及溶蝕風(fēng)化使其完整程度和整體強(qiáng)度降低且不均勻，巖體的力學(xué)指標(biāo)相對(duì)完整巖體明顯降低。原位抗剪試驗(yàn)試體的尺寸相對(duì)偏小，對(duì)溶蝕節(jié)理化巖體適用性較差，Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則在估算巖體強(qiáng)度方面可操作性較強(qiáng)，計(jì)算得到的力學(xué)參數(shù)比較符合實(shí)際情況。

(3) 壩址巖體既具有較密集的成組節(jié)理，也有隨機(jī)分布的節(jié)理與裂隙，而且沿節(jié)理普遍發(fā)生溶蝕風(fēng)化，局部發(fā)育溶洞。節(jié)理及溶蝕風(fēng)化在很大程度上損傷了巖體強(qiáng)度，處于圍壓狀況下，可滿足中等壩高大壩對(duì)地基的要求，但存在壩基不均勻變形問題；作為地下洞室圍巖，除了結(jié)構(gòu)面切割形成不穩(wěn)定的塊體，節(jié)理密集段和溶蝕發(fā)育段還易發(fā)生塌落、變形；開挖邊坡失穩(wěn)模式主要為結(jié)構(gòu)面切割形成不穩(wěn)定的塊體。

(4) 壩基溶蝕節(jié)理化巖體處理措施為深開挖、全面沖洗、回填溶洞、固結(jié)灌漿，以提高壩基巖體完整性和抗變形能力；地下洞室圍巖、開挖邊坡處理措施主要為噴錨支護(hù)，局部節(jié)理密集段和溶蝕發(fā)育段進(jìn)行回填并灌漿。