范健輝

摘 要：水電工程中大規(guī)模的壩基邊坡開挖卸載導(dǎo)致巖體完整性顯著降低，巖體力學(xué)性質(zhì)劣化，由此產(chǎn)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(zhì)量的認(rèn)識，有助于工程后續(xù)的設(shè)計和處理。本文通過分析卸荷分帶常用量化指標(biāo)，指出各指標(biāo)可能存在的局限性，并探討以卸荷應(yīng)變率為指標(biāo)的卸荷分帶法在新疆QBT水電站壩區(qū)工程中的應(yīng)用，依據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范對卸荷分帶法進(jìn)行驗證。結(jié)果表明：該方法具有良好的優(yōu)越性和可操作性。

關(guān)鍵詞：巖石力學(xué);巖體卸荷;應(yīng)變率;卸荷帶劃分

中圖分類號：TU452文獻(xiàn)標(biāo)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(huán)境擾動的主要形式。水利水電工程邊坡由于大規(guī)模開挖，破壞巖體中原有的應(yīng)力平衡，在應(yīng)力重新分布過程中，邊坡淺表部向臨空面方向發(fā)生卸荷回彈，使原有結(jié)構(gòu)面張開、滑移、擴(kuò)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(tài)和分帶情況，是長期保證工程安全的關(guān)鍵。

對邊坡巖體卸荷帶的研究，陳強等[1]以滲透系數(shù)的統(tǒng)計平均值作為巖體卸荷分帶的界線標(biāo)準(zhǔn)，分析了巖體卸荷分帶和巖體滲透性等級的對應(yīng)性。孫志云、鄭達(dá)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(biāo)，并進(jìn)行應(yīng)用對比，為工程實踐提供依據(jù)。

在當(dāng)前的工程中，巖體卸荷分帶的量化指標(biāo)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這種現(xiàn)狀給水利水電工程邊坡巖體的質(zhì)量評價和處理設(shè)計帶來了困擾。本文通過研究卸荷分帶多種量化指標(biāo)的應(yīng)用，分析各指標(biāo)的優(yōu)劣，并選用卸荷應(yīng)變率指標(biāo)對在建水電工程實例應(yīng)用，證明該方法的優(yōu)越性和可操作性。

2 常用量化指標(biāo)

對一個實際工程進(jìn)行卸荷帶劃分往往采用定性與定量相結(jié)合的方法。定性方法為地質(zhì)判斷。但定量方法如前文所述，所用的量化指標(biāo)并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前，水利水電工程在卸荷帶劃分上常用的量化指標(biāo)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(yīng)力應(yīng)變等。其中，最常用的是裂隙寬度、裂隙率等巖體結(jié)構(gòu)方面的量化指標(biāo)。這些量化指標(biāo)最能直觀地反映巖體的卸荷情況，是巖體卸荷的本質(zhì)體現(xiàn)。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(biāo)之一與巖體結(jié)構(gòu)指標(biāo)得出的分帶結(jié)果進(jìn)行對比驗證。這類指標(biāo)需要借助相應(yīng)的設(shè)備獲取，且探測范圍及巖坡存在的斷層等地質(zhì)現(xiàn)狀會對相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。與上述兩個指標(biāo)相比，水文方面的量化指標(biāo)呂榮值使用較少，雖然滲透系數(shù)能反映巖體裂隙的發(fā)育程度和卸荷程度，但影響滲透系數(shù)的因素較為復(fù)雜，且獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行的原位壓水試驗本身就存在較大誤差。國內(nèi)大部分水利水電工程均采用上文提到的量化指標(biāo)并參考規(guī)范進(jìn)行巖體卸荷帶的劃分。這些指標(biāo)更傾向于根據(jù)工程需要利用主觀經(jīng)驗判斷給定具體數(shù)值，缺少理論基礎(chǔ)，同時，人為判斷往往會因個人能力和經(jīng)驗產(chǎn)生誤差。

而基于應(yīng)變率的卸荷分帶法是根據(jù)統(tǒng)計巖體力學(xué)[6]的能量可疊加理論提出的，其認(rèn)為卸荷過程釋放的能量可近似看作巖塊釋放的能量和結(jié)構(gòu)面釋放的能量的總和[7]。經(jīng)過推導(dǎo)簡化，可用結(jié)構(gòu)面累計張開位移量隨深度的變化率表示卸荷應(yīng)變率。因此，可以根據(jù)張開位移累計曲線的斜率變化對邊坡巖體進(jìn)行卸荷帶的劃分。

3 工程應(yīng)用

現(xiàn)以新疆QBT水電站壩區(qū)工程為例，采用上述方法對邊坡卸荷巖體進(jìn)行分帶，并和根據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范的分帶結(jié)果進(jìn)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(fā)育2組陡傾節(jié)理，其走向分別為NE50°～70°和NW290°～330°。淺部巖體普遍發(fā)生不同程度的松動卸荷現(xiàn)象。為探明下壩址區(qū)邊坡工程地質(zhì)條件及巖體卸荷松動現(xiàn)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(yīng)用及對比

現(xiàn)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(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)繪制隨硐深的裂隙累計張開量曲線，并根據(jù)曲線斜率劃分卸荷帶。需要注意的是，在調(diào)查統(tǒng)計過程中，發(fā)現(xiàn)坡體內(nèi)深部多處存在卸荷裂隙，這些裂隙使累計張開度曲線出現(xiàn)局部突跳。由于目前對深部卸荷成因機制的認(rèn)識和解釋尚不統(tǒng)一，且其工程處置手段也與一般卸荷不同，在確定卸荷應(yīng)變（即曲線斜率）時，暫將其納入?yún)^(qū)間平均化考慮，并據(jù)此確定曲線轉(zhuǎn)折點位置。分帶結(jié)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(yīng)變率來劃分邊坡卸荷區(qū)的方法是可靠的。

現(xiàn)根據(jù)水利水電勘察規(guī)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(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)，能獲得一種卸荷分帶結(jié)果;根據(jù)勘察報告的地質(zhì)特征描述進(jìn)行定性分析，能獲得另一種分帶結(jié)果。將這兩種結(jié)果同圖2中的劃分結(jié)果進(jìn)行對比。對比結(jié)果見表1。

從表1可知，基于卸荷應(yīng)變率劃分卸荷帶的方法與規(guī)范所劃分結(jié)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(xiàn)深部卸荷。對左、右岸卸荷帶劃分的研究，有助于巖體質(zhì)量分級，同時也將有利于加深對邊坡巖體性質(zhì)的認(rèn)知程度，為后期的邊坡穩(wěn)定性分析及開挖設(shè)計提供參數(shù)與建議。

綜上，在對新疆QBT水電站壩區(qū)工程卸荷分帶的實際應(yīng)用中，筆者發(fā)現(xiàn)該方法易于操作，且分帶結(jié)果符合實際，是一種可以普遍采用的方法。

4 結(jié)論

本文通過分析常用量化指標(biāo)的應(yīng)用情況，指出各指標(biāo)可能存在的局限性，通過比較，表明基于卸荷應(yīng)變率的卸荷分帶法理論基礎(chǔ)好且便于操作。此外，以新疆QBT水電站壩區(qū)工程為例，選取該工程兩岸具有代表性的平硐數(shù)據(jù)進(jìn)行卸荷分帶，并和依據(jù)水利水電勘察規(guī)范的分帶結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明：兩者具有較好的一致性?？梢?，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(xiàn)：

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

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

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

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

[5]李日運，劉田珂.岸坡應(yīng)力場及卸荷帶劃分量化指標(biāo)研究[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（2）：76-80.

[6]伍法權(quán).統(tǒng)計巖體力學(xué)原理[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1993.

[7]伍法權(quán)，劉彤，湯獻(xiàn)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(xué)與工程學(xué)報，2009（6）：1091-1098.

[8]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范：GB 50487—2008[S].北京：中國計劃出版社，2008.