馮學(xué)敏

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

除具有一般巖石高邊坡特征之外,高壩建基面(特別是在西南地區(qū))還有兩大特點(diǎn):一是巖體地質(zhì)條件復(fù)雜,一般存在大量的斷層、裂隙、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面,有的工程中還存在深部裂隙現(xiàn)象;二是開挖伴隨邊坡巖體的卸荷松弛現(xiàn)象。前者導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定分析及評(píng)價(jià)的復(fù)雜性;后者更是水電工程建設(shè)期建基面開挖最為關(guān)注的問(wèn)題之一,若認(rèn)識(shí)不足或者支護(hù)處理措施不當(dāng)則會(huì)引發(fā)建基面巖體嚴(yán)重?fù)p傷,不能滿足工程要求,且延誤工期、增加資金投入,甚至可能導(dǎo)致重大工程事故。

瀾滄江小灣水電工程(裝機(jī)容量 4200MW,拱壩高 292m,壩頂高程 1245m,拱壩建基面已于 2005年 11月開挖完成)拱壩建基面開挖至河谷時(shí),低高程部位(EL975m以下)壩基開挖以后,附近巖體初始地應(yīng)力最高超過(guò) 30MPa。由于應(yīng)力集中及高地應(yīng)力釋放,河床淺表巖體產(chǎn)生劇烈的卸荷松弛,裂隙張開明顯,變形指標(biāo)及強(qiáng)度下降,達(dá)不到建基面巖體質(zhì)量要求,必須繼續(xù)向下開挖,但是遭遇了進(jìn)一步的卸荷松弛問(wèn)題,最終最大超開挖深度達(dá) 2.5m,給工程設(shè)計(jì)方案、建設(shè)進(jìn)度及資金投入造成很大的不利影響。而在黃河上游的拉西瓦高拱壩(電站裝機(jī)容量 4200MW,設(shè)計(jì)壩高 250m,壩頂高程 2460m,拱壩建基面已于2006年初開挖完成)建基面開挖至河床附近時(shí)(設(shè)計(jì)建基面最低高程 2210m),為避免建基面巖體的爆破損傷和卸荷松弛,對(duì) 2215m高程以下確定按保護(hù)層開挖,并根據(jù)在 2215m坡腳布置的大量物探孔檢測(cè)資料,將原設(shè)計(jì)建基高程上抬 2m,即目前的 2212m。在開挖中注重開挖方式和工藝并及時(shí)錨固,保證了建基面的巖體質(zhì)量,現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)開挖后巖體裂隙大部分閉合,剝離程度輕微,鉆孔波速下降幅度很小,為一控制開挖卸荷松弛損壞較為成功的工程實(shí)例。

然而,不同的高壩工程具有自身特有的地質(zhì)構(gòu)造、地形、巖性、地應(yīng)力水平等客觀條件,應(yīng)對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)查研究并制定適宜的開挖方式和加固措施。工程實(shí)例表明,開展高壩復(fù)雜地質(zhì)條件下建基面開挖的卸荷松弛及穩(wěn)定性分析,研究建基面的合理選擇及科學(xué)施工,保證施工期邊坡穩(wěn)定和建基面巖體質(zhì)量,不僅對(duì)于工程建設(shè)具有現(xiàn)實(shí)而迫切的指導(dǎo)和參考意義,而且對(duì)于深入研究及發(fā)展卸荷巖體力學(xué)與巖石高邊坡穩(wěn)定性分析理論也具有重要意義。

2 開挖卸荷松弛與卸荷巖體力學(xué)

邊坡開挖卸荷松弛主要表現(xiàn)為邊坡坡面的回彈變形、裂面的張開與擴(kuò)展、巖體或土體的松動(dòng)等基本物理現(xiàn)象,以及新裂隙的產(chǎn)生、塑性區(qū)的形成或擴(kuò)展,邊坡局部或整體破壞解體等衍生破壞結(jié)果。

由于應(yīng)力釋放,巖體向臨空面方向發(fā)生卸荷回彈變形,能量的釋放導(dǎo)致斜坡淺表一定范圍巖體內(nèi)應(yīng)力的調(diào)整,淺表部位應(yīng)力降低,而坡體更深部位產(chǎn)生更大程度的應(yīng)力集中。由于表部應(yīng)力降低導(dǎo)致巖體回彈膨脹、結(jié)構(gòu)松弛,破壞巖體的完整性,并在集中應(yīng)力和殘余應(yīng)力作用下產(chǎn)生卸荷裂隙。巖體應(yīng)力的降低最直觀的表現(xiàn)是導(dǎo)致巖體松弛和原有的裂隙發(fā)生各種變化,形成新環(huán)境下的裂隙網(wǎng)絡(luò)。這些裂隙一部分是遷就原有構(gòu)造裂隙引張擴(kuò)大經(jīng)改造形成,有一些是微裂隙擴(kuò)展后的顯式裂隙,也有在新的應(yīng)力環(huán)境和外動(dòng)力環(huán)境下形成的裂隙。

通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等多手段的對(duì)比研究,對(duì)邊坡開挖卸荷松弛的力學(xué)特征及其工程作用形成以下基本認(rèn)識(shí):邊坡的開挖破壞了巖體原有的應(yīng)力平衡,并引起應(yīng)力場(chǎng)的調(diào)整,從而導(dǎo)致坡體松弛帶的形成;伴隨這一過(guò)程,在邊坡開挖面附近一定深度范圍內(nèi)的巖體因應(yīng)力場(chǎng)的急劇調(diào)整而使坡體應(yīng)力水平超出了巖體材料的抵抗能力,產(chǎn)生變形甚至破壞,其區(qū)內(nèi)巖體的物理力學(xué)特性產(chǎn)生弱化效應(yīng),并為風(fēng)化應(yīng)力、地下水等外動(dòng)力作用提供了通道,促進(jìn)了巖體的進(jìn)一步變形與破壞。

在一般巖體工程的巖體力學(xué)分析中,普遍應(yīng)用加載巖體力學(xué)的理論和方法,不加區(qū)別地應(yīng)用于處于加載的巖體工程和卸荷的巖體工程中。而許多工程實(shí)例卻說(shuō)明,現(xiàn)有加載巖體力學(xué)的研究成果與工程實(shí)際觀測(cè)資料有數(shù)量級(jí)的差距,并導(dǎo)致許多工程事故的發(fā)生。這主要是由計(jì)算分析時(shí)采用的加載力學(xué)數(shù)學(xué)模型與工程實(shí)際的卸荷力學(xué)條件不相吻合所致。不同類型的巖體工程具有不同性質(zhì)的巖體力學(xué)動(dòng)態(tài)條件,如地面工程中的基礎(chǔ)工程主要表現(xiàn)為加載,而邊坡工程則表現(xiàn)為卸荷。在加載和卸荷兩種力學(xué)條件下,巖體所表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)也是截然不同的,應(yīng)分別采用相應(yīng)的加載、卸荷分析理論,只有這樣才能與工程實(shí)際力學(xué)狀態(tài)相一致。

國(guó)內(nèi)學(xué)者哈秋舲[1-3]最早在 1997年提出卸荷非線性巖體力學(xué)的概念,在至今十余年的時(shí)間里,卸荷巖體力學(xué)理論已被眾多的專家、學(xué)者所接受,同時(shí)也獲得了一定的發(fā)展。卸荷巖體力學(xué)應(yīng)從工程總體實(shí)際出發(fā),考慮工程地質(zhì)條件和各向異性特征、工程的加載和卸荷力學(xué)動(dòng)態(tài)及相應(yīng)的宏觀巖體力學(xué)參數(shù)、本構(gòu)關(guān)系、力學(xué)準(zhǔn)則及分析計(jì)算力學(xué)軟件。目前,加載巖體力學(xué)的研究相對(duì)比較成熟,而卸荷巖體力學(xué)的研究卻處在初步階段,兩者的本質(zhì)區(qū)別在于應(yīng)力—應(yīng)變路徑不同。

3 高壩工程建基面開挖卸荷松弛的典型特征及分帶

3.1 典型特征分析

高壩工程建基面開挖卸荷松弛的典型表現(xiàn)主要有板裂、“蔥皮”(剝裂)、錯(cuò)動(dòng)回彈、蠕滑 、巖爆、河床底部基巖“起鼓”(隆起)、巖芯餅化甚至崩塌滑坡等。

在低高程壩基開挖及清撬過(guò)程中,?？梢妿r體“板裂”現(xiàn)象,巖體被近平行坡面的緩傾裂隙切割成板狀?！鞍辶选爆F(xiàn)象大體可以分為兩類:一是沿原有隱微裂紋導(dǎo)致板裂,裂隙追蹤原有隱微裂紋并隨時(shí)間發(fā)展,從而使得完整巖體被緩傾角結(jié)構(gòu)面切割成中厚層巖板,逐步開始松弛,所以這類松弛具有明顯的時(shí)間效應(yīng);二是新生裂隙導(dǎo)致巖塊板裂,當(dāng)開挖面平順時(shí),新生裂隙切割較薄的巖板,一般3～20cm,裂面較平直,總體產(chǎn)狀與開挖面一致,但傾角一般總是略小于開挖坡腳,裂面平直粗糙或在裂面下部臨空面附近有輕微傾向錯(cuò)動(dòng)擦痕,這類板裂現(xiàn)象一般在開挖過(guò)程中產(chǎn)生,時(shí)間效應(yīng)不明顯。

“蔥皮”現(xiàn)象是一種表層的巖體開挖卸荷剝裂現(xiàn)象,常見于較完整的塊狀巖體的淺表部,其典型特征為:(1)由卸荷裂隙切割的薄層巖片呈疊瓦式分布于完整或塊狀微新和新鮮巖石表層,薄層巖片的厚度一般在0.5～5cm,裂隙傾向坡外,傾角稍緩于坡腳,總體走向與坡面走向一致,裂隙兩端往往向上彎曲,影響深度不大,一般在20～30cm以內(nèi);(2)一般都是新生裂縫,沒有破壞滯后現(xiàn)象,裂隙多呈閉合—微張開狀,最大張開度一般不超過(guò) 5mm,部分有巖粉充填。從裂面特征可分為上、下兩段,下段起伏粗糙,顯示張性破壞;上端相對(duì)較緩,較為平直,顯示張剪性破壞特征。

錯(cuò)動(dòng)回彈和蠕滑是壩基巖體卸荷松弛中的常有現(xiàn)象,由于壩基開挖導(dǎo)致巖體應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞,巖體發(fā)生向臨空方向的回彈變形,同時(shí)進(jìn)行著巖體內(nèi)的應(yīng)力調(diào)整。巖體卸荷回彈程度的差異性是由巖體結(jié)構(gòu)的空間差異性、開挖面上巖體原始應(yīng)力狀態(tài)的差異、開挖面的規(guī)則程度以及臨空條件的差異所引起的。錯(cuò)動(dòng)回彈的表現(xiàn)形式包括:巖石在天然狀態(tài)下儲(chǔ)存的彈性變形量釋放;產(chǎn)生新的剪切、張開裂隙;沿已有的結(jié)構(gòu)面的錯(cuò)動(dòng)和擠壓;已有結(jié)構(gòu)面張開、擴(kuò)展等。由錯(cuò)動(dòng)回彈導(dǎo)致的巖體卸荷松弛發(fā)展到一定程度,巖體將發(fā)生沿結(jié)構(gòu)面的蠕滑松弛,導(dǎo)致較大范圍的表層巖體卸荷松動(dòng)。錯(cuò)動(dòng)回彈一般在河床部位壩基表現(xiàn)最為明顯。壩基開挖后建基面淺部巖體中的緩傾角～水平裂隙卸荷松弛回彈張開,在壩基巖體聲波檢測(cè)孔測(cè)試中孔口往往有漏水現(xiàn)象,表明建基面附近裂隙明顯張開,而這些裂隙在開挖前為閉合～微張狀態(tài)。

在巖石建基面(或地下洞室)高應(yīng)力集中區(qū),若壓應(yīng)力過(guò)大,由于開挖巖體的應(yīng)力突然釋放,會(huì)以劇烈的形式爆發(fā),并往往伴有響聲和(或)巖片(塊)彈出,此即為“巖爆”現(xiàn)象。巖爆在地下洞室圍巖開挖中很普遍,在高邊坡開挖卸荷中也有發(fā)生,特別是在河谷底部有高應(yīng)力集中區(qū),建基面開挖后局部可見巖爆現(xiàn)象。

圖1為一組典型的小灣拱壩建基面開挖卸荷松弛的圖片[4],圖2則為一組典型的錦屏一級(jí)拱壩建基面開挖卸荷松弛的圖片。

圖1 小灣拱壩建基面開挖卸荷松弛破壞的典型組圖

3.2 開挖卸荷松弛分帶標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)大量測(cè)試及監(jiān)測(cè)資料分析歸納并按照工程習(xí)慣,一般將開挖卸荷松弛巖體分為三帶:松弛帶(或稱強(qiáng)松弛帶)、過(guò)渡帶(或稱弱松弛帶)和基本正常帶。

(1)松弛帶:巖體受到嚴(yán)重的擾動(dòng)、強(qiáng)烈卸荷松弛,并受到施工爆破及反復(fù)振動(dòng)損傷,彈性波速有明顯下降,聲波縱波波速比完整巖體降低 25%以上,其水平深度一般為0～6m。其主要特征是:①近坡體淺表部卸荷裂隙發(fā)育,巖體完整性差;②裂隙貫通性好,明顯張開,寬度在幾厘米至幾十厘米之間,內(nèi)充填巖屑或巖粉、碎塊石、植物根須,規(guī)模較大的卸荷裂隙內(nèi)部巖塊常見架空狀,部分裂隙可見明顯變位錯(cuò)落,時(shí)間稍長(zhǎng)后裂隙面普遍銹染;③雨季沿裂隙多有線狀流水或成串滴水;④每米洞段裂隙張開累計(jì)寬度大于2cm;⑤卸荷巖體波速與完整巖體波速比一般為0.6～0.8。

(2)過(guò)渡帶:巖體受到一定程度的擾動(dòng)和損傷,大體上與應(yīng)力、應(yīng)變分析中的塑性區(qū)相對(duì)應(yīng),巖體縱波波速與完整巖體相比下降約 15%,其水平深度一般為 5～12m。。其主要特征是:①?gòu)?qiáng)卸荷帶以里卸荷裂隙仍間斷發(fā)育的區(qū)段,巖體部分松弛;②裂隙張開,寬度在幾毫米至十幾毫米之間,裂隙內(nèi)局部可見充填巖屑或巖粉,時(shí)間稍長(zhǎng)后裂隙面輕微銹染;③雨季沿部分裂隙可見串珠狀滴水或較強(qiáng)滲水;④每米洞段裂隙張開累計(jì)寬度小于 2cm;⑤卸荷巖體波速與完整巖體波速比一般為 0.75～0.95。

(3)基本正常帶:巖體受到輕微擾動(dòng)和損傷,巖體較完整,性質(zhì)和強(qiáng)度基本保持不變,其水平深度一般為10～25m。

以上只是定性和半定量的標(biāo)準(zhǔn),具體的開挖卸荷松弛分帶的量化標(biāo)準(zhǔn)一般有:裂隙數(shù)量和開度;巖體縱波波速;透水性(單位吸水量呂榮值);拉應(yīng)變等。然而對(duì)于不同的工程,由于具體巖體條件不一,因而難以制定固定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。表1、2是二個(gè)典型工程的分帶標(biāo)準(zhǔn)。

表1 三峽工程永久船閘高邊坡的巖體卸荷松弛分帶(塊狀花崗巖)

表2 小灣工程拱壩建基面巖體卸荷松弛分帶(花崗片麻巖)

圖2 錦屏一級(jí)拱壩建基面開挖卸荷松弛破壞的典型組圖

拉西瓦工程壩址為堅(jiān)硬塊狀花崗巖,對(duì)拱壩建基面開挖巖體提出了“松弛度”的概念,從而對(duì)卸荷松弛進(jìn)行分帶。松弛度提出的依據(jù)是孔內(nèi)典型縱波波速,其定義為:

松弛度越大表明巖體受到卸荷松弛影響越明顯,反之亦然。

基于松弛度的定義,拉西瓦的開挖卸荷分帶標(biāo)準(zhǔn)如下:

強(qiáng)松弛帶:R＞50%

中等松弛帶:30%≤R＜50%

過(guò)渡帶:20%≤R＜30%

基本正常帶:R＜20%

4 開挖卸荷松弛的機(jī)理分析

巖石建基面開挖卸荷松弛的過(guò)程的定性描述見圖3。

若將卸荷松弛破壞分為板裂和剪切破壞兩大類,以下則分別對(duì)其破壞機(jī)理作一初步探討和分析。

如圖 4所示,邊坡開挖卸荷松弛板裂破壞的機(jī)理為:邊坡巖體受中緩傾角結(jié)構(gòu)面的切割,巖體本身呈板層狀結(jié)構(gòu),由于開挖后臨空面上σ3=0,板狀巖體受雙向應(yīng)力狀態(tài)擠壓而向建基面外部回彈彎曲,按照彈性理論,板梁一旦發(fā)生過(guò)大的彎曲則被折斷破壞,過(guò)大的順坡向應(yīng)力(即最大主應(yīng)力σ1)可使得邊坡淺表部位巖體發(fā)生平行坡面的破裂和層間分離。當(dāng)應(yīng)力大于劈裂薄板的抗彎強(qiáng)度時(shí)即被壓彎折斷,表現(xiàn)為起鼓類型的卸荷破壞,或是裂隙的擴(kuò)張。其破壞失穩(wěn)機(jī)制類似于桿件的歐拉失穩(wěn)。

圖3 巖石邊坡開挖卸荷松弛過(guò)程示意

圖4 巖石邊坡開挖卸荷松弛的應(yīng)力狀態(tài)

對(duì)于剪切破壞(錯(cuò)動(dòng)回彈、蠕滑)類型,可用應(yīng)力圓和莫爾 —庫(kù)侖強(qiáng)度理論來(lái)初步探討其機(jī)理。由于開挖臨空面上不承受應(yīng)力,因此是主平面。按巖石力學(xué)的慣例以壓應(yīng)力為正,臨空面即為最小主平面,因此σ3=0。很顯然,開挖過(guò)程就是使原有受力的面變成σ3=0的最小主平面的過(guò)程。當(dāng)然實(shí)際上在開挖面附近σ3降到 0有個(gè)過(guò)程,而在應(yīng)力調(diào)整過(guò)程中保留有一定的殘余應(yīng)力。同時(shí),一般來(lái)說(shuō)在這個(gè)過(guò)程中,順開挖面的應(yīng)力即σ1變化相對(duì)較小,有時(shí)還會(huì)因?yàn)閼?yīng)力調(diào)整或應(yīng)力集中而增大,分析中暫且認(rèn)為不變。那么很明顯,如圖 5所示,開挖過(guò)程中,應(yīng)力圓由小變大迅速擴(kuò)張,σ1-σ3即剪應(yīng)力增大,按照莫爾—庫(kù)侖強(qiáng)度理論,當(dāng)應(yīng)力圓增大到觸及甚至突破庫(kù)侖強(qiáng)度外包線時(shí),巖體即發(fā)生破壞。

圖5 邊坡開挖卸荷松弛的應(yīng)力圓及庫(kù)侖強(qiáng)度外包線

5 錦屏一級(jí)拱壩建基面開挖卸荷松弛數(shù)值分析

5.1 有限元模型

計(jì)算范圍為順河向取 800m,橫河向從河谷中央向兩岸各取 500m,共 1000m,模型底板高程取為1300m。建基面邊坡有限元網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)總數(shù)132686,單元總數(shù) 294057,其中開挖單元數(shù)63681。模型中考慮了左 、右岸發(fā)育的 f2、f5、f8、f42-9、f13、f14、f18和煌斑巖脈 X及邊坡淺表部位的強(qiáng)、弱卸荷帶。

5.2 爆破影響的考慮

在巖體開挖過(guò)程中,由于爆破振動(dòng)及應(yīng)力釋放等原因,近臨空面的部位形成爆破松弛區(qū)和卸荷松弛區(qū)。爆破松弛區(qū)主要受爆破振動(dòng)和表層強(qiáng)卸荷的雙重影響,表現(xiàn)為巖體中產(chǎn)生新的裂隙,原有的結(jié)構(gòu)面大量張開和位錯(cuò),巖體力學(xué)參數(shù)有較大降低,深度一般不超過(guò) 5m。卸荷松弛區(qū)則主要受卸荷的影響,主要表現(xiàn)為原有的結(jié)構(gòu)面的張開與位錯(cuò),巖體力學(xué)參數(shù)降低幅度較小,深度一般不超過(guò) 20m。

從劃分有限元模型網(wǎng)格和巖體參數(shù)取值的角度并參照類似工程經(jīng)驗(yàn),本文研究的爆破松弛區(qū)取2.5m深(從開挖面計(jì)),卸荷松弛區(qū)取 10m深(從開挖面計(jì))。1670m高程以上爆破松弛區(qū)的材料參數(shù)降半個(gè)巖級(jí),卸荷松弛區(qū)的材料參數(shù)降 1/4個(gè)巖級(jí);1670m高程以下爆破松弛區(qū)的材料參數(shù)降一個(gè)巖級(jí),卸荷松弛區(qū)的材料參數(shù)降半個(gè)巖級(jí)。

5.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

基于加錨節(jié)理巖體流變模型[5-6],采用 D-P等面積圓屈服準(zhǔn)則,考慮根據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力反演得到的壩址區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng),采用筆者提出的巖石極限拉應(yīng)變卸荷松弛判別準(zhǔn)則[7],利用三維彈粘塑性有限元法程序?qū)﹀\屏一級(jí)拱壩建基面開挖施工過(guò)程及其卸荷松弛效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

根據(jù)筆者提出的巖體極限拉應(yīng)變計(jì)算公式[7]及工程類比,取錦屏一級(jí)建基面開挖巖體極限拉伸應(yīng)變?yōu)?2.0×10-4,若計(jì)算得到的某點(diǎn)最大主拉應(yīng)變超過(guò)該值,則認(rèn)為可能發(fā)生卸荷松弛。

圖6是開挖完成時(shí)建基面的最大主應(yīng)變分布等值線圖。分析表明,有 4個(gè)區(qū)域可能將會(huì)發(fā)生松弛(圖 7中粗線條所示):(1)左岸建基面上游側(cè) f5斷層出露點(diǎn)(1730m高程)與下游側(cè)1705m高程點(diǎn)連線,至 f2斷層出露線(上游 1665m高程、下游1695m高程)之間的梯形區(qū)域;(2)左岸建基面上游側(cè) f2斷層出露點(diǎn)(1665m高程)與下游側(cè) 1610m高程點(diǎn)連線,至河床之間的梯形區(qū)域;(3)右岸 f18斷層出露線(上游 1590m高程、下游 1620m高程)至河床之間的梯形區(qū)域;(4)右岸建基面上游側(cè) f14斷層出露點(diǎn)(1710m高程)與 f18斷層出露線之間(上游 1590m高程、下游 1620m高程)的三角形區(qū)域。

6 高壩建基面選擇及開挖方式的啟示

6.1 建基面選擇的啟示

傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為,高拱壩的建基面往往必須為新鮮完整的巖體,然而工程實(shí)踐及本文研究表明,新鮮完整巖體的建基面埋深大、地應(yīng)力水平較高,開挖容易產(chǎn)生卸荷松弛,巖體質(zhì)量及完整性急劇降低,反而不能滿足建基面巖體質(zhì)量要求。因此,建基面的選擇應(yīng)充分考慮開挖卸荷松弛的影響,不能一味追求Ⅰ、Ⅱ級(jí)巖體。總體來(lái)講,建基面選定原則按照地應(yīng)力水平分為兩種情形:(1)對(duì)于地應(yīng)力水平偏低的巖性河床,一般其風(fēng)化底界線低于卸荷底界線,建基面宜開挖至弱風(fēng)化層,而弱卸荷巖層不宜作為控制性高程,如溪洛渡高拱壩工程;(2)對(duì)于高地應(yīng)力巖性的河床,其卸荷深度往往大于風(fēng)化深度,建基面可確定于弱卸荷或者微新巖層,確定原則為:①鉆孔餅芯不明顯,即地應(yīng)力不是過(guò)高,數(shù)量指標(biāo)為最大主應(yīng)力小于 20～25MPa;②可容許巖體有裂隙存在,但不張開、不貫通且無(wú)風(fēng)化夾泥,數(shù)量指標(biāo)為開度小于3～5mm;③容許有一定透水性,但應(yīng)滿足可灌漿條件,數(shù)量指標(biāo)在 10～20L/min·m·m之間,固結(jié)灌漿試驗(yàn)應(yīng)能表明灌后巖體強(qiáng)度及變形模量滿足建基面要求。如錦屏一級(jí)拱壩工程的鉆孔巖芯表明1555～1560m高程段餅芯明顯,雖為微新巖層,但地應(yīng)力過(guò)高,從而將建基面確定在 1580m高程(為弱卸荷層,裂隙面有銹染但無(wú)風(fēng)化夾泥且開度不大)較為合理,開挖后也表明河床建基面的卸荷松弛并未如預(yù)料的強(qiáng)烈。

圖6 開挖完成時(shí)建基面最大主應(yīng)變分布等值線(10-5)

圖7 建基面松弛分布區(qū)域示意

6.2 河床建基面開挖方式的建議

河床建基面是地應(yīng)力水平較高和應(yīng)力包集中的部位,也是建基面巖體質(zhì)量較為敏感和關(guān)鍵的部位。通過(guò)總結(jié)工程實(shí)踐和本課題的研究,對(duì)其開挖方式提出如下認(rèn)識(shí)和建議:(1)開挖至河床建基面時(shí)應(yīng)預(yù)留 5～10m的保護(hù)層,一方面避免開挖爆破對(duì)建基面巖體質(zhì)量的過(guò)度損傷;另一方面可以在保護(hù)層中布置物探監(jiān)測(cè)孔,加強(qiáng)測(cè)試和監(jiān)測(cè),及時(shí)了解河床建基面的巖體情況和地應(yīng)力水平,可視實(shí)際情況適當(dāng)抬高原設(shè)計(jì)建基面高程,如拉西瓦高拱壩工程原設(shè)計(jì)建基面高程為 2210m,實(shí)際開挖至 2212m。(2)河床建基面部位應(yīng)采用開槽預(yù)裂爆破的開挖方式,最大限度地減小爆破對(duì)巖體的擾動(dòng)和損傷。(3)預(yù)錨對(duì)于限制巖體松弛裂縫的張開擴(kuò)展具有一定作用,因此可視施工條件在河床部位實(shí)行先錨后挖的施工時(shí)序,先挖后錨的部位也應(yīng)及時(shí)支護(hù)以限制裂紋時(shí)效擴(kuò)展。(4)在河床部位及接近河床建基面某些區(qū)段可適當(dāng)進(jìn)行分層小梯段開挖,以盡量緩和開挖卸荷松弛程度。(5)河床與兩岸的坡腳銜接部位應(yīng)開挖成弧形,不宜開挖成尖角以避免應(yīng)力集中引起巖體強(qiáng)烈卸荷松弛。

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