武 寧，李大樂

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)110006）

1 邊坡側(cè)向卸荷的規(guī)律

水電建設(shè)者們新修水利電力建筑設(shè)施，總寄希望大壩等建筑物地基選在新鮮完整的巖體上，然而巖體形成后淺表部往往受不同程度的風(fēng)化卸荷，于是人們開始研究利用部分的風(fēng)化卸荷巖體。卸荷包括側(cè)向卸荷和垂向卸荷，河谷邊坡巖體中發(fā)育有近于平行岸坡的陡傾角構(gòu)造，易向河谷的臨空方向卸荷，即側(cè)向卸荷巖體；而當(dāng)巖體近水平狀構(gòu)造發(fā)育時(shí)，當(dāng)河谷遭剝蝕，造成垂向卸荷。巖體近水平狀構(gòu)造卸荷非常普遍，其形式多樣，往往在河床以下近水平狀構(gòu)造垂向卸荷強(qiáng)烈，更為隱蔽，處理措施適當(dāng)可以節(jié)省工期和工程建設(shè)費(fèi)用。要弄清近水平狀構(gòu)造垂向卸荷的力學(xué)機(jī)制等，先總結(jié)一下岸坡側(cè)向卸荷的規(guī)律。

河谷總是上寬下窄，邊坡巖體側(cè)向卸荷往往也是上部水平深度較深，臨近河谷水平深度較淺。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為邊坡頂部暴露時(shí)間較早，河谷低高程下切時(shí)間較晚，邊坡卸荷是一個(gè)時(shí)間流變的問題。

河谷下切的形成史遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類歷史，動(dòng)輒上萬(wàn)年，河谷的高高程與低高程雖然下切形成時(shí)間相差很多，但卸荷完成的時(shí)間不需要那么長(zhǎng)，哪怕是低高程形成的河谷時(shí)間，云南省境內(nèi)瀾滄江上的小灣水電站壩基開挖完后不到一個(gè)月的時(shí)間，壩基出現(xiàn)寬大的卸荷就是一個(gè)很好的例證。

本文從力學(xué)機(jī)制加以解釋。河谷在未形成之前，河谷岸坡部分有巖石支撐，河谷岸坡部分受巖石（體）支撐反力（圖1（a））。當(dāng)河谷形成以后，支撐的反力消失了，岸坡受力等效圖（圖1（b）），表明邊坡的力受到了調(diào)整（當(dāng)然邊坡實(shí)際應(yīng)力調(diào)整演化要復(fù)雜得多）。

為了清楚地研究岸坡側(cè)向卸荷規(guī)律，取左岸岸坡巖體為脫離體（圖2（a））研究不同高程水平深度一樣的點(diǎn)受力情況，由于習(xí)慣的原因，將脫離體旋轉(zhuǎn)使其岸坡近水平（圖2（b）），圖2（a）第1 點(diǎn)鉛直深度比第2 點(diǎn)小，第1 點(diǎn)受鉛直方向力用1 v 表示，水平方向受力用1 h 表示，同樣，第2 點(diǎn)受鉛直方向力用2 v 表示，水平方向受力用2 h 表示，顯然，2 v 比1 v 大。

把圖2（b）中1 和2 兩點(diǎn)受力分解到垂直岸坡的方向，第1 點(diǎn)受力F1=，第2 點(diǎn)受力F2=，不 難 看 出，大，F(xiàn)2比F1 小，也就是說，在岸坡巖石（體）強(qiáng)度一樣的條件下，在河谷下切后，邊坡應(yīng)力調(diào)整，當(dāng)F1 達(dá)到第1點(diǎn)巖石（體）強(qiáng)度，巖體松弛破壞，此時(shí)第2點(diǎn)F2 還未達(dá)到巖石（體）的破壞強(qiáng)度，巖體就保持完整狀態(tài)，由于高程巖體側(cè)向卸荷水平深度較低高程岸坡巖體大，空氣和水容易滲透到卸荷巖體加劇風(fēng)化作用，所以其風(fēng)化規(guī)律也跟卸荷規(guī)律一致。

這里要說明的是河谷演化史比較復(fù)雜，各種數(shù)字模擬河谷岸坡應(yīng)力的方法和軟件比較多，文中的分析只是大致用來(lái)說明其岸坡巖體風(fēng)化卸荷的規(guī)律。

圖1 河谷成形前后岸坡受力示意圖

圖2 河谷形成之后左岸岸坡受力圖

2 河谷近水平狀構(gòu)造垂向卸荷的規(guī)律

河谷下切后，其河床受力必然發(fā)生變化，在河床一定深度的巖石（體）中產(chǎn)生應(yīng)力包，河床巖體容易松弛變形，特別是寬谷（U 谷）。圖1～2 分析岸坡側(cè)向卸荷的成因機(jī)制，把岸坡當(dāng)作板梁求解，岸坡高高程一端為自由端，而河床底部巖石（體）則是兩段固定，河床巖體中的構(gòu)造向上突起，形似背斜構(gòu)造（圖3）。強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，近水平狀構(gòu)造卸荷方向?yàn)殂U直方向。王蘭生教授等把近水平狀構(gòu)造的垂向卸荷在淺生改造歸類為隆起彎曲破裂型[1]。

在兩岸岸坡相對(duì)河谷高程不高時(shí)，則岸坡近水平狀的構(gòu)造在剖面上顯示，兩岸產(chǎn)狀不一致。用數(shù)學(xué)的方法能否預(yù)判其近水平狀構(gòu)造垂向卸荷的深度，不同的工程有不同的邊界條件和巖體的力學(xué)參數(shù)。河床下切改造跟地下洞室開挖類似，只不過，河床下切改造的輪廓顛倒了180°，改造后的河床成了一個(gè)巨大的天然“洞室”，此時(shí)河床成了“洞室”的頂拱（圖3），河床的近水平狀構(gòu)造垂向卸荷深度變成了“洞室”頂拱的安全埋高。有關(guān)安全埋高，請(qǐng)參閱《水平巖層隧洞頂拱安全埋高的工程地質(zhì)問題》[2]。

圖3 河床水平巖體卸荷數(shù)學(xué)模擬求解假定示意圖

3 工程實(shí)例概況

3.1 工程實(shí)例1

該工程壩址左右兩岸高程約480 m，河床高程約370 m，坡頂與河床相對(duì)高差100 m 左右。地層主要為三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）砂巖、泥巖夾煤線，產(chǎn)狀一般N25°～30°E/SE∠22°～28°，其構(gòu)造形式主要表現(xiàn)為順層發(fā)育的層內(nèi)擠壓帶（j），其擠壓帶寬度一般5～30 cm，主要由角礫巖、糜棱巖和斷層泥組成。該工程為混凝土重力壩，混凝土重力壩需查明壩基軟弱帶，對(duì)軟弱帶的勘探調(diào)查非常重視。壩軸線剖面表明，兩岸軟弱夾層和層面界線不在一條直線上，而該地區(qū)和壩基下無(wú)大的斷裂通過，筆者認(rèn)為是巖體近水平狀構(gòu)造的垂向卸荷造成的，而軟弱帶的形成可能又是巖體卸荷造成的。

3.2 工程實(shí)例2

該工程出露的地層主要為二疊系上統(tǒng)玄武巖組（P2β），屬海相噴發(fā)，地層傾向右岸，產(chǎn)狀N10°～20°W/SW∠70°～80°，與壩基有關(guān)構(gòu)造主要為錯(cuò)動(dòng)帶和節(jié)理。

為查明緩傾角結(jié)構(gòu)面的空間展布方向，前期進(jìn)行了鉆孔定向取芯和物探電視全景圖像拍攝，該工程為混凝土重力壩，勘探揭示表明，在左岸8 號(hào)、9號(hào)壩段1 175 m 高程附近結(jié)構(gòu)面向河床兩岸傾斜，形似背斜狀，顯示該處為卸荷松弛區(qū)。卸荷松弛的機(jī)理參建《有關(guān)火山破裂構(gòu)造的工程地質(zhì)問題—談官地電站壩基主要的工程地質(zhì)條件》一文[3]。

主要結(jié)構(gòu)面為層間錯(cuò)動(dòng)帶（C）、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶（Lc）和節(jié)理裂隙。層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶較發(fā)育，主要隨機(jī)分布在各層中下部玄武巖內(nèi)，一般延伸長(zhǎng)20～60 m，主錯(cuò)面波狀起伏、粗糙，主錯(cuò)帶寬5～15 cm，由角礫、巖屑和石英綠簾石條帶組成，錯(cuò)動(dòng)帶普遍夾泥。

壩軸線剖面表明兩岸高高程650～700 m 巖流層不成一條直線，河床330～360 m 高程巖流層面界線、層間錯(cuò)動(dòng)帶、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶呈“背斜”狀。

4 近水平狀構(gòu)造垂向卸荷的勘察策劃與分析

近水平狀構(gòu)造垂向卸荷意味著結(jié)構(gòu)面中普遍夾泥，必須弄清了河谷近水平狀構(gòu)造垂向卸荷的深度，軟弱夾層的分布等，因此勘察過程中應(yīng)注意：

1）地質(zhì)調(diào)查以現(xiàn)象為主要線索，判斷與分析近水平狀構(gòu)造垂向卸荷問題。在地質(zhì)調(diào)查中應(yīng)注意岸坡兩岸是否有近水平狀構(gòu)造垂向卸荷現(xiàn)象，比如，兩岸近水平的構(gòu)造、長(zhǎng)大軟若綿、沉積巖（包括負(fù)變質(zhì)巖）中巖層層面、噴出巖的巖流層層面，火山構(gòu)造的節(jié)理面產(chǎn)狀是否有變化。進(jìn)一步通過調(diào)查，分析與判斷該部位的近水平狀構(gòu)造垂向卸荷問題及其程度。

2）針對(duì)性地選擇勘探方法與手段。在理解設(shè)計(jì)意圖的情況下，勘探布置應(yīng)進(jìn)行合理宏觀策劃與把控，如河床及其附近針對(duì)性布置勘探孔，查明其近水平構(gòu)造的分布規(guī)律，勘探查明具體手段則包括對(duì)單孔近水平結(jié)構(gòu)面采取定向取芯手段，物探中采用全景攝像的電子羅盤確定其層面的產(chǎn)狀等。

3）勘察成果的分析與工程運(yùn)用。近水平狀構(gòu)造垂向卸荷程度的不同直接關(guān)系到其相應(yīng)工程的處理方式。宏觀上，應(yīng)結(jié)合工程建筑物地基要求特點(diǎn)及現(xiàn)狀近水平狀構(gòu)造垂向卸荷現(xiàn)象進(jìn)行卸荷程度分區(qū)與分段，必要時(shí)應(yīng)開展分類條件下各區(qū)段的巖體工程地質(zhì)特性研究，并分析預(yù)測(cè)開挖條件下對(duì)各區(qū)段巖體工程性狀或條件的影響。原則上對(duì)于近水平狀構(gòu)造垂向卸荷程度較強(qiáng)～強(qiáng)烈的壩址選擇應(yīng)盡量避開這些卸荷松弛區(qū)域，在不能避讓時(shí)，應(yīng)盡量考慮少開挖加其它處理措施的方案，對(duì)于近水平狀構(gòu)造垂向卸荷程度輕微的區(qū)段，應(yīng)側(cè)重于預(yù)測(cè)其開挖條件下相應(yīng)的工程處理措施研究，達(dá)到工程既安全又經(jīng)濟(jì)的效果。

5 施工的處理措施及其探討

巖體條件是一個(gè)客觀實(shí)際，已研究得比較透徹，認(rèn)識(shí)了卸荷規(guī)律，就可以充分利用盡可能利用的巖體，減少工程投資和節(jié)約工期。近水平狀構(gòu)造垂向卸荷意味著巖體松弛，巖體中充填有次生泥。巖體卸荷松弛將降低巖體類別，進(jìn)而降低巖體的力學(xué)指標(biāo)，需采取有關(guān)的處理措施。

5.1 處理措施工程實(shí)例

不同情況需要處理的方式不同，實(shí)例1 中，兩岸山體相對(duì)河床壩基高程不高，近水平狀構(gòu)造垂向卸荷程度輕微。壩基處理主要針對(duì)軟弱夾層的刻槽，混凝土充填置換夾層。

實(shí)例2 中開挖發(fā)育的斷層和錯(cuò)動(dòng)帶有F8，fx3706，fxh10-4，fxh10-5，fx8-3，fx7-6，f7-3，fx10-6 等。左岸8 號(hào)、9 號(hào)壩段處于近水平狀構(gòu)造垂向卸荷的地應(yīng)力釋放區(qū)，其斷層的特點(diǎn)如下：

fxh10-4，產(chǎn)狀N20°～40°E/SE∠10°～20°，壩0+60～下游段出露，面波狀起伏，斷層面上具有明顯的擦痕，擦痕方向S15°～20°E。錯(cuò)動(dòng)帶寬5～20 cm，局部可達(dá)30 cm，帶內(nèi)主要物質(zhì)為青灰色斷層泥、巖塊、巖屑及少量糜棱巖，部分段分布有黃色次生泥，斷層泥及次生泥處于飽水狀態(tài)，具有隔水作用，沿錯(cuò)動(dòng)帶頂面局部有地下水滲出，錯(cuò)動(dòng)帶類型為泥夾巖屑型。

fxh10-5，性狀同fxh10-4（fxh10-5 與fxh10-4可能為同一條錯(cuò)動(dòng)帶），壩0-20～0+60m 出露。其中，-020～0-04 m段分為2條，產(chǎn)狀N70°E/SE30°，帶寬10～20 cm，主要由次生泥、巖屑組成，帶內(nèi)物質(zhì)松散，錯(cuò)動(dòng)帶類型為泥夾巖屑型。0-04～0+8 m段，錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)狀EW/S∠10～15°，帶寬5～15 cm，主要由次生泥、巖屑組成，帶內(nèi)物質(zhì)松散，錯(cuò)動(dòng)帶類型為泥夾巖屑型。0+8～0+60 m 段，錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)狀EW/S∠10°～15°，帶寬10～30 cm，最寬達(dá)50 cm，主要由次生泥、巖屑組成，帶內(nèi)物質(zhì)松散，錯(cuò)動(dòng)帶類型為泥夾巖屑型。

陡傾角錯(cuò)動(dòng)帶有fx8-3，fx7-6，fx7-3，fx10-6，其產(chǎn)狀N5o～30°W/SW ∠70°～85°，帶寬20～50 cm 不等，局部5～10 cm，主要由壓碎巖、角礫糜棱巖、巖屑及次生泥組成，錯(cuò)動(dòng)帶力學(xué)類型為巖屑夾泥型、巖塊巖屑型兩類。

這些錯(cuò)動(dòng)帶的共同特點(diǎn)就是張開夾次生泥，顯示巖體存在明顯的卸荷松弛，屬弱卸荷巖體。該工程壩基處理措施主要是對(duì)不滿足大壩對(duì)地基要求的巖體部分進(jìn)行下挖處理，對(duì)其它錯(cuò)動(dòng)帶進(jìn)行刻槽處理，對(duì)影響壩體穩(wěn)定的不利組合塊體進(jìn)行清除或加強(qiáng)處理，對(duì)地基巖體進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。

特別針對(duì)9 號(hào)壩段發(fā)育有fxh10-4，fxh10-5 緩傾角錯(cuò)動(dòng)帶，延伸較長(zhǎng)，性質(zhì)較差，抗滑穩(wěn)定問題突出，對(duì)9 號(hào)壩段采取了由原設(shè)計(jì)的1 186.00 m 高程整體下挖至1 175.00 m 高程。8 號(hào)壩段建基面高程1 200.00 m，壩高雖大于100 m，且fxh10-4 和fxh10-5 在壩基下通過，考慮到下游有山體作為抗力體，僅對(duì)不滿足壩基抗滑穩(wěn)定的Ⅲ2 類巖體進(jìn)行了挖除，對(duì)7—9 號(hào)壩段在高程1 245 m 以下并縫，9 號(hào)、10 號(hào)壩段在高程1 214 m 以下采取并縫處理措施。

fx8-3，fx7-6，fx7-3，fx10-6 其間的巖類雖為Ⅲ1 類，但其間節(jié)理及其小錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育，對(duì)巖體強(qiáng)度起著決定性的控制作用，受其錯(cuò)動(dòng)帶影響，5—8號(hào)壩段fx8-3 上游壩踵部位巖體不滿足建壩要求，因此進(jìn)行了缺陷槽開挖處理。

工程實(shí)例2 中所揭露的近水平狀構(gòu)造垂向卸荷不在河床中間部位，原來(lái)左岸構(gòu)造較發(fā)育，巖體強(qiáng)度較低，應(yīng)力集中。

5.2 處理措施有關(guān)探討

對(duì)于河床近水平狀構(gòu)造垂向卸荷強(qiáng)烈的巖體開挖，有時(shí)開挖后，容易造成新的人為卸荷，一旦產(chǎn)生了新的卸荷巖體，即使灌漿也達(dá)不到天然巖體的強(qiáng)度，而強(qiáng)卸荷巖體必須挖除，那么要采取既要挖除不滿足建壩要求的巖體，又要做到使其下部巖體不能產(chǎn)生卸荷回彈。建議：

1）大型巨型工程比如像溪洛渡電站、向家壩電站前期進(jìn)行了河床基覆界面以下的過河隧洞勘探，可利用前期勘探的隧洞進(jìn)行錨固處理后，再進(jìn)行開挖。錨固力當(dāng)然等于建基面上覆巖體（包括覆蓋層和河水）的重力，再適當(dāng)加以安全系數(shù)即可。

2）對(duì)于沒有進(jìn)行河床底部以下的過河隧洞勘探，那么，可否在壩基開挖前，在河床建基面松弛巖體內(nèi)預(yù)先實(shí)現(xiàn)錨索孔鉆孔，在大壩開挖后即時(shí)進(jìn)行錨索支護(hù)，該方法其優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)便，減少卸荷回調(diào)的時(shí)間，這正如多級(jí)馬道邊坡開挖在開挖一兩級(jí)馬道先進(jìn)行支護(hù)后方能下一級(jí)馬道開挖一樣，以避免邊坡整體松弛后再支護(hù)的弊端。

此外，針對(duì)近水平狀構(gòu)造垂向卸荷巖體開挖應(yīng)采用適宜的施工工藝，如采用小藥量的爆破控制技術(shù)，并即使實(shí)施預(yù)應(yīng)力錨桿系統(tǒng)等。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著一帶一路的水電建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大，世界上很多河流亟待開發(fā)，還有很多水庫(kù)、電站需要修建，不僅要認(rèn)識(shí)邊坡側(cè)向卸荷規(guī)律和掌握對(duì)邊坡卸荷巖體的處理措施，也更應(yīng)該很好地認(rèn)識(shí)河谷巖體垂向卸荷規(guī)律和掌握對(duì)此處理措施，在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的舞臺(tái)上更有優(yōu)勢(shì)，在合同簽訂中注意到要怎樣勘探，與此產(chǎn)生怎樣的費(fèi)用，在勘探中應(yīng)該運(yùn)用什么方法與手段，在施工中遇到該現(xiàn)象采取怎樣的最優(yōu)和最可靠的處理措施，以確保工程建設(shè)安全與經(jīng)濟(jì)。

本文未對(duì)近水平狀構(gòu)造垂向卸荷巖體處理措施的適宜性、開挖與支護(hù)時(shí)機(jī)等進(jìn)行深入研究，對(duì)于水平構(gòu)造很發(fā)育河谷岸坡及河床，垂向卸荷現(xiàn)象很明顯，地質(zhì)勘察中很容易發(fā)現(xiàn)。由于河流下切，河床以下普遍存在應(yīng)力包，相似的河谷，其風(fēng)化卸荷深度不一樣，在某種情況下來(lái)說是垂向卸荷影響的結(jié)果，對(duì)水平構(gòu)造不發(fā)育的河谷，前期怎樣認(rèn)識(shí)水平構(gòu)造垂向卸荷，工程建設(shè)中河床下挖，垂向卸荷有怎樣表現(xiàn)，等等這些問題，希望后來(lái)者在工程運(yùn)用中加以更深入和廣泛的研究與探索，以更好地服務(wù)于工程建設(shè)。