水利邊坡巖體卸荷特性及應(yīng)用

馮冠球

(深圳市水務(wù)工程檢測有限公司,廣東 深圳 518110)

0 引 言

巖體卸荷是指巖體在地質(zhì)作用或開挖影響下,巖體的應(yīng)力平衡遭到破壞,在巖體表面產(chǎn)生新的破裂體系或?qū)е略严独^續(xù)發(fā)展的現(xiàn)象。在交通、礦山、水利等邊坡工程中,巖體卸荷出現(xiàn)頻次較高,尤其是在水利水電工程中,巖體卸荷現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。

巖體卸荷會導(dǎo)致巖體的整體性、強(qiáng)度等發(fā)生改變,從而對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[1]。因此,邊坡巖體卸荷特性和卸荷帶的劃分受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。趙曉彥等[2]對邊坡的開挖過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分析了卸荷裂隙的產(chǎn)生原因,并提出一種全新的卸荷帶劃分方法。石安池等[3]運(yùn)用多種檢測手段,對三峽某水利邊坡的巖體卸荷特性進(jìn)行了研究,認(rèn)為卸荷帶可分為強(qiáng)、弱、微3種,并對不同卸荷帶中巖石的力學(xué)特性進(jìn)行了分析。王運(yùn)生等[4]對大量的鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,揭示了我國西部地區(qū)河谷從谷底應(yīng)力集中到形成卸荷帶的演變歷程,并在模型試驗(yàn)中再現(xiàn)了這一過程。孫云志等[5]對現(xiàn)有的卸荷帶劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了總結(jié)和討論,認(rèn)為卸荷帶的劃分應(yīng)以裂隙的寬度、累計寬度和波速比等作為標(biāo)準(zhǔn)。趙川等[6]對卸荷的巖體進(jìn)行了劃分,分別為剪切變形區(qū)、開挖擾動區(qū)以及應(yīng)力不變區(qū),并把巖土體的剪應(yīng)變增量作為卸荷區(qū)域劃分的標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述,目前在研究邊坡巖體卸荷問題時,主要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),對巖體卸荷特性和卸荷帶的劃分進(jìn)行分析。其中,最常用的現(xiàn)場測試方法主要是鉆孔聲波法和地震波法。鉆孔聲波法的前期準(zhǔn)備工作復(fù)雜,后期數(shù)據(jù)處理繁瑣;地震波法又比較依賴場地條件,給試驗(yàn)帶來許多不便。因此,本文采用一種更為簡便的方法,對邊坡巖體的卸荷帶進(jìn)行劃分。同時,對不同區(qū)域巖體的卸荷特性進(jìn)行分析,并根據(jù)波速測試和室內(nèi)試驗(yàn),對卸荷帶內(nèi)巖體的完整程度和巖體質(zhì)量進(jìn)行評價。

1 工程概況

大壩位于一峽谷地段的S形河灣區(qū)域,所在位置的巖石層主要為微晶灰?guī)r、頁巖及泥灰?guī)r。在地勢上,大壩兩岸差異較大,左岸邊坡地勢平緩,右岸邊坡地勢陡峭;左岸坡頂高程比右岸坡頂高程約高出1 000m。在高程小于700m的位置,兩岸邊坡地勢分布相對對稱,峽谷呈V字形,高寬比約1∶2。相關(guān)地質(zhì)勘查資料顯示,該地區(qū)的地質(zhì)條件較差,多處巖層間的剪切帶中存在地質(zhì)缺陷。此外,該處由于長期受水流沖刷和風(fēng)力侵蝕作用,邊坡巖體卸荷現(xiàn)象較為嚴(yán)重,存在多條卸荷裂隙,寬度大多在0.2～2cm范圍內(nèi),個別裂隙寬度達(dá)到10cm,填充有大量的碎石,整體穩(wěn)定性較差

2 檢測方法

傳統(tǒng)的鉆孔聲波檢測方法需要在平硐內(nèi)部設(shè)置大量鉆孔,不可避免地會對鉆孔附近的巖體再次造成擾動。此時檢測到的彈性波速與實(shí)際波速之間存在誤差,無法準(zhǔn)確反映出卸荷帶與彈性波速之間的關(guān)系。鑒于此,本文所采用的方法可直接在平硐內(nèi)墻上設(shè)置少量的折射波接收裝置,利用波速計算公式即可算出原狀巖體的波速,避免了被擾動巖體對最終結(jié)果的影響。

2.1 基本原理

該方法可以成功運(yùn)用的前提是因?yàn)閹r體的擾動層和未擾動層的物理參數(shù)之間存在明顯的差異,兩者之間形成一個波阻界面。當(dāng)彈性波在巖體中傳播時,彈性波會在波阻界面同時發(fā)生反射和折射,改變波的傳播路徑。該方法就是從實(shí)際接收到的、包含多種波形的實(shí)際波中分離出首波時刻,從而計算出原狀巖體的彈性波速。

圖1為彈性波在雙層介質(zhì)模型中的傳播路徑示意圖。在該模型中,彈性波主要分為3種形式,即直達(dá)波、反射波、折射波。其中,擾動層中的波速為V1,未擾動層中的波速為V2,兩者之間的大小關(guān)系為V2>V1。

圖1 彈性波傳播示意圖

3種波形中,反射波和直達(dá)波只會在擾動層的巖體中傳播,傳播速度均為V1,且直達(dá)波的傳播距離要小于反射波的傳播距離,所以直達(dá)波會先被接收。折射波則是先在擾動層中以速度V1傳播,到達(dá)波阻界面后,以速度V2在波阻界面上傳播。因此,只能根據(jù)折射波的傳播路徑計算出未擾動巖體中的波速。因?yàn)閂2>V1,當(dāng)接收點(diǎn)布置在合適位置時,就能夠首先接收到折射波。

以圖1中的模型為例,在激發(fā)點(diǎn)處同時發(fā)出兩道彈性波,接收點(diǎn)1接收到第一個波形時的時間為T1,接收點(diǎn)2接收到第一道波形的時間為T2,則T1和T2的計算公式如下:

(1)

(2)

由此可以推出:

(3)

當(dāng)接收點(diǎn)間的距離X很小時,平硐墻面上的起伏就可忽略不計。此時有L3=L4,所以式(3)可改寫為:

(4)

因此,根據(jù)式(4)即可計算出彈性波在未擾動巖層中的傳播速度V2。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)過程中,在平硐壁上設(shè)置一條測線,測線上設(shè)有一個激發(fā)點(diǎn)和兩個接收點(diǎn),接收點(diǎn)之間的距離為1m,偏移距離約4m。具體檢測步驟如下:

1)采用人工激發(fā)的方式在激發(fā)點(diǎn)發(fā)出入射波,根據(jù)兩個接收點(diǎn)獲得第一個波形的時間差,計算出彈性波在巖體中的傳播速度。

2)在接收點(diǎn)的另外一側(cè)進(jìn)行激發(fā),按照上述方法再次計算出彈性波的傳播速度。

3)計算出兩次測得的波速平均值,消除硐面起伏所產(chǎn)生的誤差。

4)將激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)沿測線向硐內(nèi)平移1m,重復(fù)上述步驟,直到完成整個平硐內(nèi)的波速檢測。

3 巖體卸荷帶的劃分

由于該大壩邊坡右岸地勢陡峭,而左岸地勢相對平緩,因此本次測試在右岸對4#、7#、8#平硐進(jìn)行檢測,在左岸對6#、11#、21#、25#平硐進(jìn)行檢測。按照彈性波在未擾動巖層中的傳播速度和平硐深度之間的關(guān)系曲線,對大壩邊坡的巖體卸荷帶進(jìn)行劃分。本文中卸荷帶的劃分標(biāo)準(zhǔn)定為:全新巖體到微、弱卸荷帶的波速下降幅度為15%～25%;微、弱卸荷帶到強(qiáng)卸荷帶的波速下降幅度為20%～30%。

圖2分別為左岸和右岸平硐中波速與洞身之間的關(guān)系曲線。從圖2可以看出,隨著平硐深度的增加,越靠近邊坡內(nèi)部,波速值越大,波速上升的趨勢也比較平緩。當(dāng)硐深達(dá)到某一值時,波速值會產(chǎn)生突變,其主要原因有兩個:①該處巖體中存在較多的裂隙帶,此時會導(dǎo)致巖體中的波速降低。②該處受到巖體卸荷的影響,在邊坡表面,卸荷作用明顯,波速值的下降幅度較大;而在邊坡內(nèi)部,卸荷作用不明顯,波速值的下降幅度較小。因此,試驗(yàn)檢測到的波速值會隨著硐深的增加而增加,直至趨于穩(wěn)定。

圖2 波速與硐深之間的關(guān)系曲線

根據(jù)現(xiàn)場平硐試驗(yàn)的結(jié)果,將大壩邊坡巖體劃分為3種:強(qiáng)卸荷帶,微、弱卸荷帶,全新巖體。不同卸荷帶的分布和巖體的波速值見表1。巖體中的波速值范圍1 650～5 000m/s,波速平均值分布在2 800～4 720m/s之間。

表1 巖體波速檢測結(jié)果及卸荷帶劃分

大壩兩岸邊坡巖體卸荷帶的劃分情況見圖3。從圖3可以看出,大壩邊坡左岸的中部強(qiáng)卸荷帶厚度約23m,右岸的中部強(qiáng)卸荷帶厚度約30m,該處左岸的卸荷帶厚度小于右岸的卸荷帶厚度;而在其他檢測區(qū)域內(nèi),左岸的卸荷帶厚度均要大于右岸的卸荷帶厚度,這與兩岸邊坡的地勢分布情況相吻合。

圖3 巖體卸荷帶分布圖

4 巖體卸荷特性及巖體質(zhì)量評價

4.1 巖體卸荷特性

地質(zhì)勘探和波速檢測的結(jié)果顯示,兩岸巖體強(qiáng)卸荷帶中張開裂隙比較多,寬度多為2cm,最寬的裂隙達(dá)到10cm,裂隙中有填充碎巖屑、礫石和泥沙,而且有水滲出。兩岸強(qiáng)卸荷帶厚度分布在20～30m范圍內(nèi),最大處達(dá)到33m。在該區(qū)域,波速的變化幅度明顯,右岸的波速范圍值為2 660～2 990m/s,左岸的波速范圍值為2 710～3 760m/s。

微、弱卸荷帶中也有較多的卸荷裂隙,但張開程度不大,寬度多為0.2cm,部分裂隙中填充有碎巖屑,滲水現(xiàn)象也不明顯。兩岸微、弱卸荷帶厚度分布在14～60m范圍內(nèi),最大處達(dá)到61m。在該區(qū)域,波速的變化幅度也比較明顯,右岸的波速范圍值為3 370～3 940m/s,左岸的波速范圍值為3 400～3 760m/s。

全新巖體的結(jié)構(gòu)完整,僅在少部分區(qū)域存在細(xì)小裂隙。在該區(qū)域,波速會隨著高程的增加而減小,但波速變化幅度不大,右岸的波速范圍值為4 420～4 550m/s,左岸的波速范圍值為4 430～4 720m/s。

通過上述分析可以看出,左岸的卸荷帶厚度要明顯大于右岸的卸荷帶厚度,這是由兩岸的地勢差異所造成的。圖4為不同高程處卸荷帶厚度的變化情況。隨著高程的變化,卸荷帶厚度也有明顯的變化,其中兩岸低高程處的卸荷帶厚度,明顯低于中高程和高高程處卸荷帶的厚度。

圖4 不同高程處卸荷帶厚度的分布情況

4.2 巖體質(zhì)量評價

彈性波在巖體中的傳播速度與巖體的完整程度密切相關(guān),當(dāng)巖體發(fā)生卸荷現(xiàn)象時,巖體的完整性和物理特性會隨之改變。因此,可以根據(jù)試驗(yàn)中檢測到的彈性波波速值來判斷巖體的完整程度。將巖體的完整性和堅硬程度作為評價指標(biāo),按照式(5)計算得到巖體的質(zhì)量指標(biāo),然后對巖體質(zhì)量進(jìn)行評價。

BQ=3RC+250KV+90

(5)

式中:RC為單軸抗壓強(qiáng)度,室內(nèi)試驗(yàn)測得的巖石單軸抗壓強(qiáng)度為21～130MPa;KV為巖體的完整性系數(shù),表征巖體的完整性。

圖5為大壩兩岸巖體的BQ值與平硐深度間的關(guān)系曲線。從圖5可以看出,該大壩邊坡強(qiáng)卸荷帶區(qū)域內(nèi)巖體等級達(dá)到Ⅳ級以上,微、弱卸荷帶區(qū)域內(nèi)的巖體等級為Ⅲ級,全新巖體的等級為Ⅱ～Ⅲ級。

圖5 巖體BQ值與平硐深度的關(guān)系

5 結(jié) 論

1)大壩右岸邊坡的強(qiáng)卸荷帶厚度約23m,微、弱卸荷帶厚度約22m;左岸邊坡的前卸荷帶厚度約29m,微、弱卸荷帶厚度約46m。左岸的卸荷帶厚度普遍大于右岸的卸荷帶厚度。

2)大壩邊坡強(qiáng)卸荷帶區(qū)域內(nèi)巖體等級達(dá)到Ⅳ級以上,微、弱卸荷帶區(qū)域內(nèi)的巖體等級為Ⅲ級,全新巖體的等級為Ⅱ～Ⅲ級。

3)本文所提出的試驗(yàn)方法,不僅克服了現(xiàn)有檢測方法的不便之處,還可以準(zhǔn)確評價對邊坡巖體的卸荷帶和卸荷特性,是一種便捷有效的檢測方法。