建 劍 波

(河南省河口村水庫工程建設(shè)管理局，河南 濟(jì)源 454650)

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基于監(jiān)測的圍巖松弛變形特征研究

建 劍 波

(河南省河口村水庫工程建設(shè)管理局，河南 濟(jì)源 454650)

基于柱狀節(jié)理玄武巖圍巖應(yīng)力應(yīng)變及變形等監(jiān)測成果，系統(tǒng)地進(jìn)行了圍巖松弛變形演化規(guī)律和變形機(jī)制研究，初步建立了能量速率和單位變形力雙重指標(biāo)的圍巖安全評價體系，研究成果表明：開挖有利于釋放圍巖淺層節(jié)理變形所產(chǎn)生的能量，及時支護(hù)有利于控制圍巖變形所伴生的隱節(jié)理變形所產(chǎn)生的能量。

柱狀節(jié)理玄武巖，圍巖松弛，安全性狀，監(jiān)測信息

0 引言

玄武巖是火山熔巖的一類巖石，其受成巖過程和地質(zhì)構(gòu)造影響而發(fā)育成一種呈不規(guī)則或規(guī)則柱狀形態(tài)的原生張性構(gòu)造——柱狀節(jié)理。柱狀節(jié)理玄武巖內(nèi)部節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，在施工過程中受本身巖體自穩(wěn)能力差影響易發(fā)生巖體松弛、局部掉塊和垮塌現(xiàn)象[1]。

近幾年來，隨著大型水電站的建設(shè)，揭露了柱狀節(jié)理玄武巖對工程施工的影響和制約，引起學(xué)者諸多關(guān)注。陳旭等[2]對玄武巖柱狀節(jié)理成因性狀和巖體質(zhì)量評價進(jìn)行研究，徐衛(wèi)亞等[3,4]對柱狀節(jié)理巖體橫觀各向同性本構(gòu)關(guān)系、宏觀等效彈性模量、宏觀等效強(qiáng)度參數(shù)、尺寸效應(yīng)等進(jìn)行了研究，石安池等[5]對柱狀節(jié)理玄武巖巖體變形特性進(jìn)行了研究，王思敬等[6,7]對柱狀節(jié)理巖體真三軸模型試驗、抗剪強(qiáng)度參數(shù)尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究，朱道建等[8,9]對柱狀節(jié)理巖體變形和強(qiáng)度各向異性進(jìn)行了模型試驗研究，馮夏庭等[10-13]對柱狀節(jié)理玄武巖隧洞穩(wěn)定、破壞模式及力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了研究。

本文結(jié)合現(xiàn)場白鶴灘水電站右岸導(dǎo)流洞圍巖變形、錨固結(jié)構(gòu)受力等施工期監(jiān)測成果，采用現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值計算等方法，從柱狀節(jié)理玄武巖結(jié)構(gòu)、變形、力學(xué)等特性方面入手，研究其松弛變形演化規(guī)律和開挖支護(hù)效果，初步建立柱狀節(jié)理玄武巖圍巖松弛—開挖—支護(hù)協(xié)同的安全評價體系。其研究成果具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價值。

1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川寧南縣和云南巧家縣境內(nèi)，工程施工導(dǎo)流采用斷流圍堰、隧洞導(dǎo)流方式。導(dǎo)流洞采用城門洞型，洞身斷面尺寸為19 m×24 m(寬×高)。其隧洞分上、中、下等三層開挖，典型斷面和監(jiān)測布置情況如圖1所示。

2 柱狀節(jié)理玄武巖圍巖結(jié)構(gòu)特性

隧洞開挖后，圍巖呈現(xiàn)多個節(jié)理面相交構(gòu)成的不規(guī)則的柱狀節(jié)理立體網(wǎng)格，以四或五棱柱(塊體)為主，棱體長度一般在10 cm～25 cm，在緩傾角節(jié)理和層內(nèi)(間)裂隙帶切割下形成長度數(shù)十厘米～數(shù)米的柱體單元，如圖2所示。圍巖地質(zhì)鉆孔過程中，無法鉆取完整巖芯，均為破碎塊體，如圖3所示。

柱狀節(jié)理玄武巖圍巖節(jié)理柱體被節(jié)理、裂隙切割為不規(guī)則排列塊體，節(jié)理柱體間呈閉合或微張狀態(tài)，節(jié)理縫間無充填物，裂隙縫間破碎巖屑充填。卸荷后受法向張拉影響，節(jié)理巖體存在隱性節(jié)理結(jié)構(gòu)面張開與節(jié)理面、裂隙面貫通，分解為更小的不穩(wěn)定塊體。地質(zhì)鉆孔取芯巖芯較圍巖表面柱狀節(jié)理塊體小一些，也佐證了此情況。

3 柱狀節(jié)理玄武巖圍巖變形特性

結(jié)合柱狀節(jié)理玄武巖隧洞開挖出現(xiàn)的掉塊、局部垮塌等可能危及工程建設(shè)的情況，在柱狀節(jié)理玄武巖洞段選取三段設(shè)定開挖支護(hù)A區(qū)、開挖無支護(hù)B區(qū)和預(yù)裂爆破支護(hù)C區(qū)等可能出現(xiàn)的施工方案，布設(shè)監(jiān)測設(shè)施以研究圍巖松弛變形演化規(guī)律及支護(hù)措施效果。

3.1 圍巖開挖有支護(hù)工況

柱狀節(jié)理玄武巖洞段在圍巖開挖支護(hù)A區(qū)在2013年2月中層開挖后布設(shè)多點(diǎn)位移計，其洞室邊墻典型曲線如圖4所示。

從圖4可見，柱狀節(jié)理玄武巖隧洞最大變形在下層開挖后突變約19 mm，錨桿支護(hù)后增幅約3 mm，2013年8月混凝土襯砌后變形增幅減緩但仍在增加，變形增幅約8 mm，現(xiàn)階段變形呈波動趨穩(wěn)。

3.2 圍巖開挖無支護(hù)工況

柱狀節(jié)理玄武巖洞段在圍巖開挖無支護(hù)B區(qū)在2013年1月上層開挖后布設(shè)多點(diǎn)位移計，其洞室邊墻典型曲線如圖5所示。

從圖5可見，柱狀節(jié)理玄武巖隧洞最大變形在中層開挖后突變約9 mm，下層開挖后突變約30 mm，錨桿支護(hù)后增幅約2 mm，2013年8月混凝土襯砌后變形趨緩，變形增幅約5 mm，現(xiàn)階段變形基本穩(wěn)定。

4 柱狀節(jié)理玄武巖圍巖力學(xué)特性

在柱狀節(jié)理玄武巖選定A,B,C區(qū)布設(shè)位移計同時，在其相應(yīng)部位安裝埋設(shè)錨桿應(yīng)力計，以研究柱狀節(jié)理玄武巖圍巖松弛圍巖結(jié)構(gòu)受力演化規(guī)律和支護(hù)措施效果。

圍巖開挖有支護(hù)工況。柱狀節(jié)理玄武巖洞段在圍巖開挖支護(hù)A區(qū)在拱肩下(上邊墻)和邊墻中層開挖底部(下邊墻)于2013年1月上層開挖后布設(shè)錨桿應(yīng)力計，其洞室邊墻上、下部位典型曲線如圖6所示。

從圖6可見，柱狀節(jié)理玄武巖隧洞錨桿最大應(yīng)力在中層開挖突變約65 MPa和55 MPa，在下層開挖后突變約90 MPa和180 MPa，錨桿支護(hù)及混凝土襯砌后增幅較小，現(xiàn)階段錨桿應(yīng)力基本趨穩(wěn)。

5 柱狀節(jié)理玄武巖圍巖松弛演化規(guī)律及變形機(jī)制

自然山體在隧洞未施工前受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地下水等因素影響，處于自然應(yīng)力動態(tài)調(diào)整過程，一旦受隧洞施工影響，自身應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，柱狀節(jié)理玄武巖亦不例外。在爆破開挖、錨桿支護(hù)、混凝土襯砌等因素影響下，隧洞圍巖自身應(yīng)力動態(tài)調(diào)整，使其達(dá)到一個新的應(yīng)力平衡。

白鶴灘水電站導(dǎo)流隧洞采用城門洞型，洞身斷面尺寸為19 m×24 m(寬×高)。在柱狀節(jié)理玄武巖洞段選取三段設(shè)定開挖支護(hù)A區(qū)、開挖無支護(hù)B區(qū)和預(yù)裂爆破支護(hù)C區(qū)等可能出現(xiàn)的施工方案。導(dǎo)流隧洞經(jīng)爆破開挖、支護(hù)、混凝土襯砌等施工后，其典型圍巖變形隨深度變化曲線如圖7所示。

從圖7可見，導(dǎo)流隧洞柱狀節(jié)理玄武巖圍巖變形隨深度增加而減小。開挖支護(hù)區(qū)圍巖變形收斂范圍較小，預(yù)裂爆破支護(hù)次之，開挖無支護(hù)最大。這說明其一柱狀節(jié)理玄武巖自身穩(wěn)定性較差；其二開挖支護(hù)有利于控制變形收斂范圍；其三預(yù)裂爆破有利于控制圍巖整體變形；其四開挖無支護(hù)和預(yù)裂爆破不利于控制變形收斂范圍。

6 結(jié)語

本文從柱狀節(jié)理玄武巖結(jié)構(gòu)、應(yīng)力應(yīng)變及變形等特征入手，深入系統(tǒng)地研究了柱狀節(jié)理玄武巖圍巖松弛演化規(guī)律和變形機(jī)制，并初步探討了通過能量速率和單位變形力進(jìn)行圍巖安全性狀評價研究，得到結(jié)論如下：

1)柱狀節(jié)理玄武巖圍巖自穩(wěn)能力較差，圍巖變形隨深度增加而減小。開挖支護(hù)方式施工有利于控制變形收斂范圍，預(yù)裂爆破有利于控制圍巖整體變形，開挖無支護(hù)和預(yù)裂爆破不利于控制變形收斂范圍。

2)柱狀節(jié)理玄武巖圍巖支護(hù)后臨空圍巖形成拱圈，有利于吸收圍巖變形所釋放的能量。預(yù)裂爆破有效阻止圍巖淺層節(jié)理變形，但不利于控制后期圍巖變形所伴生的隱節(jié)理變形。開挖有利于釋放圍巖淺層節(jié)理變形所產(chǎn)生的能量，及時支護(hù)有利于控制圍巖變形所伴生的隱節(jié)理變形所產(chǎn)生的能量。

[1] 王紅彬，郝憲杰，李邵軍，等.白鶴灘柱狀節(jié)理巖體幾何結(jié)構(gòu)特征與卸荷松弛特性分析[J].土工基礎(chǔ)，2015,29(3)：84-88.

[2] 陳 旭,許 模,康小兵,等.玄武巖柱狀節(jié)理成因性狀研究及其對巖體質(zhì)量的影響[J].地質(zhì)找礦論叢,2008,23(3):260-263.

[3] 狄圣杰,徐衛(wèi)亞,王 偉,等.柱狀節(jié)理巖體橫觀各向同性本構(gòu)關(guān)系研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,40(6):881-887.

[4] 閆東旭,徐衛(wèi)亞,王 偉,等.柱狀節(jié)理巖體宏觀等效彈性模量尺寸效應(yīng)研究[J].巖土工程學(xué)報,2012,34(2):243-250.

[5] 石安池，唐鳴發(fā)，周其健.金沙江白鶴灘水電站柱狀節(jié)理玄武巖巖體變形特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27(10)：2079-2086.

[6] 劉海寧,王俊梅,王思敬.白鶴灘柱狀節(jié)理巖體真三軸模型試驗研究[J].巖土力學(xué),2010,31(S1):163-171.

[7] 劉順桂,池永翔,王思敬,等.柱狀節(jié)理玄武巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)尺寸效應(yīng)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2009,17(3):367-370.

[8] 朱道建，楊林德，蔡永昌.柱狀節(jié)理巖體各向異性特性及尺寸效應(yīng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(7)：1405-1414.

[9] 朱道建，楊林德，蔡永昌.柱狀節(jié)理巖體壓縮破壞過程模擬及機(jī)制分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(4)：716-724.

[10] 郝憲杰，馮夏庭，李邵軍，等.柱狀節(jié)理玄武巖隧洞破壞模式及其力學(xué)機(jī)制模擬[J].巖土力學(xué)，2015,36(3)：837-846.

[11] 向天兵,馮夏庭,江 權(quán),等.大型洞室群圍巖破壞模式的動態(tài)識別與調(diào)控[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011,30(5):871-883.

[12] 吳文平,馮夏庭,張傳慶,等.深埋硬巖隧洞圍巖的破壞模式分類與調(diào)控策略[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011,30(9):1782-1802.

[13] 江 權(quán)，馮夏庭，樊義林，等.柱狀節(jié)理玄武巖各向異性特性的調(diào)查與試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32(12)：2527-2535.

Rock loosening deformation and security characters of columnar jointed basalt based on monitoring information fusion

Jian Jianbo

(HenanHekouVillageReservoirEngineeringConstructionManagementBureau，Jiyuan454650,China)

Based on the monitoring results of columnar jointed basalt rock stress and strain deformation, the research systematic studied the evolution of rock loosening deformation and deformation mechanism, initially established a surrounding rock safety evaluation system with energy rate and unit deformation force double indexes. The research shows that: excavation is conducive to release the energy that generated by shallow surrounding rock joints deformation, timely support can help control energy generated by hidden joints deformation which produced by surrounding rock deformation.

columnar jointed basalt, rock loosening, security characters, monitoring information

1009-6825(2017)09-0074-03

2017-01-14

建劍波(1981- )，男，工程師

TU433

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