張 丙 先,馮 進 偉,張 濤,周 新 開
(長江巖土工程總公司(武漢),湖北 武漢 430010)
龍?zhí)了畮靿沃坊鶐r為中厚-巨厚層狀灰?guī)r,節(jié)理發(fā)育,沿節(jié)理普遍發(fā)生溶蝕風化,裂隙性溶蝕風化帶厚40~60 m,屬典型的溶蝕節(jié)理化巖體。溶蝕節(jié)理化巖體的強度決定了設(shè)計方案和工程量,成為影響樞紐工程建設(shè)的關(guān)鍵因素。巖體的節(jié)理化是常見的地質(zhì)現(xiàn)象,相關(guān)學者做了大量的研究工作。節(jié)理巖體的影響因素方面,李建林等[1]開展了節(jié)理巖體三軸卸荷試驗,研究了卸荷條件下節(jié)理巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、變形特征、強度特征和破壞模式;劉紅巖等[2]研究了節(jié)理巖體在凍融條件下的損傷破壞機制及其相應(yīng)的力學特性。節(jié)理巖體的分析方法主要包括試驗[3]、數(shù)值分析[4-6]、三維激光掃描技術(shù)[7]和Hoek-Brown準則及其改進[8]。工程處理方面,張波等[9]研究了含交叉裂隙節(jié)理巖體的錨固效應(yīng)及破壞模式,倪衛(wèi)達等[10]提出一種考慮卸荷損傷的柱狀節(jié)理巖體開挖分析方法,Zhou等[11]提出了考慮節(jié)理巖體節(jié)理取向影響的損傷模型。
綜上可知,無論是對節(jié)理化巖體本身的研究還是考慮卸荷、凍融等作用的影響,在分析方法、工程處理以及模型建立等方面均取得了較大的進展。溶蝕作用不同于卸荷、凍融等物理作用,屬于化學作用。溶蝕往往從節(jié)理面開始對巖體產(chǎn)生破壞,巖溶形態(tài)復(fù)雜,分布規(guī)律性差,因此疊加溶蝕作用的節(jié)理化巖體的工程性質(zhì)更為復(fù)雜。目前對溶蝕巖體的研究多集中在溶洞等巖溶現(xiàn)象方面[12],而對龍?zhí)了畮靿沃范?,需要解決的是兼具溶蝕作用的節(jié)理化巖體的強度問題。本文在現(xiàn)場調(diào)查、綜合勘探的基礎(chǔ)上,重點進行了鉆孔壓水試驗、聲波測試、鉆孔電視錄像、電磁波跨孔CT影像,對巖體中節(jié)理的成因機制、溶蝕風化特征進行了分析,對溶蝕節(jié)理化巖體進行了原位試驗??紤]到原位試驗試體的尺寸相對偏小,巖體中溶蝕和節(jié)理的隨機分布存在缺陷,采用Hoek-Brown經(jīng)驗公式[13-14]對溶蝕節(jié)理化巖體強度進行了估算,并與原位試驗成果進行了對比分析。在此基礎(chǔ)上,基于巖體力學強度結(jié)合聲波波速、結(jié)構(gòu)面特征等綜合分析溶蝕節(jié)理化巖體質(zhì)量,進而確定了巖體的利用及處理措施。評價方法和成果對類似工程具有借鑒意義。
龍?zhí)了畮靿沃肺挥诳挡馗咴瓥|南部之鹽源盆地北部的丘陵區(qū),在大地構(gòu)造上位于揚子準地臺西北部的二級構(gòu)造單元鹽源麗江臺緣拗陷區(qū)中部鹽源“山”字型構(gòu)造脊柱部位。區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡受南北向推力的控制,形成了一系列北東及北西向延伸的寬緩褶皺。其中采石場向斜和石河壩背斜是分布于龍?zhí)了畮靿沃飞嫌魏拖掠蔚膬蓚€褶皺(見圖1)。
圖1 壩址區(qū)褶皺地質(zhì)剖面Fig.1 Geological profile of folds in the dam site area
采石場向斜軸面走向近東西,北翼巖層傾向170°~195°,傾角30°~50°;南翼巖層傾向340°~10°,傾角50°~70°。核部地層巖性為三疊系上統(tǒng)下博達組(T3xb)泥灰?guī)r,兩翼地層巖性主要為三疊系中統(tǒng)白山組(T2b)灰?guī)r。
石河壩背斜軸面走向80°~95°,北翼陡于南翼,北翼巖層傾向15°~35°,傾角50°~70°,南翼巖層傾向170°~210°,傾角19°~30°。核部及兩翼地層巖性均為三疊系中統(tǒng)白山組(T2b)灰?guī)r。
龍?zhí)了畮靿沃肺挥诓墒瘓鱿蛐迸c石河壩背斜的轉(zhuǎn)折部位,巖層傾向350°~10°,傾角50°~60°,呈中厚-巨厚層狀。巖體中節(jié)理發(fā)育,主要有5組節(jié)理(見圖2),節(jié)理基本特征列于表1,其中以第1,2,3組節(jié)理較發(fā)育,沿節(jié)理面發(fā)育溶蝕風化現(xiàn)象。
圖2 節(jié)理等密圖(上半球投影)Fig.2 Joint contour diagram(upper hemisphere projection)
表1 壩址巖體節(jié)理分組統(tǒng)計Tab.1 Statistical table of joint grouping of rock mass at dam site
龍?zhí)了畮靿沃肺挥诓墒瘓鱿蛐迸c石河壩背斜的轉(zhuǎn)折部位,巖體為灰?guī)r,屬硬質(zhì)巖。伴隨褶皺的形成,巖體發(fā)生脆性破裂,形成構(gòu)造節(jié)理(縱剪節(jié)理),其中第1組節(jié)理與第2組、第3組節(jié)理呈緩、陡相交的“X”型共軛節(jié)理系。巖體中主要構(gòu)造節(jié)理的受力分析情況如圖3~4所示。由圖4可知,褶皺的壓應(yīng)力并非水平,而向北傾伏,傾伏角30°左右。
圖3 主要節(jié)理面赤平投影Fig.3 Major joint planes stereographic projection
圖4 壩址巖體受力示意Fig.4 Stress diagram of rock mass at dam site
壩址巖體為灰?guī)r,屬硬質(zhì)巖。由于其位于褶皺轉(zhuǎn)折點,伴隨褶皺的形成,巖體在壓應(yīng)力作用下發(fā)生脆性破裂,導(dǎo)致巖體中節(jié)理發(fā)育,屬典型的節(jié)理化巖體(見圖5(a))。灰?guī)r亦屬可溶性巖石,節(jié)理成為溶蝕風化營力的通道,地下水沿節(jié)理運移,發(fā)生溶蝕風化,并沿節(jié)理溶蝕擴展,形成溶蝕風化裂隙,成為典型的溶蝕節(jié)理化巖體,工程上將其劃分為裂隙性溶蝕風化帶(見圖5(b))。
圖5 壩址節(jié)理化巖體溶蝕風化現(xiàn)象Fig.5 Karst and weathering of jointed rock mass at dam site
據(jù)鉆孔、平硐揭露和鉆孔壓水試驗、聲波測試、鉆孔電視錄像、電磁波跨孔CT影像等資料綜合分析,壩址巖體表層強烈溶蝕風化帶厚度:兩岸為5~15 m,河床為0~2.0 m;裂隙性溶蝕風化帶厚度:兩岸為50~60 m,聲波縱波速平均值為4 169 m/s;河床為40 m,聲波縱波速平均值為3 439 m/s。裂隙性溶蝕風化巖體厚度較大,巖體中直徑大于1.0 m的溶洞多分布于2 350 m以上,洞徑在0.5~1.0 m的溶洞多布在高程2 335~2 348 m以上,溶蝕節(jié)理化巖體質(zhì)量自上而下差別不明顯。河床溶蝕風化程度高于兩岸(見圖5),這與通常河床風化厚度和程度低于兩岸的情況相反。分析造成這種反常現(xiàn)象的原因為:① 節(jié)理發(fā)育程度相同,壩址巖體節(jié)理屬構(gòu)造節(jié)理,其發(fā)育程度在兩岸和河床差別不大;② 地下水作用不同,兩岸地下水位略高于河水位,巖體多處于干燥狀態(tài),也就是說當河流下切后,兩岸巖體的溶蝕風化作用強度較低,而河床巖體由于地下水的常年入滲,溶蝕風化作用強烈,因而造成河床溶蝕風化程度高于兩岸的反?,F(xiàn)象。
龍?zhí)了畮靿沃坊規(guī)r呈中厚-巨厚層狀,但巖體中節(jié)理發(fā)育,主要有5組節(jié)理,節(jié)理相互切割破壞了巖體的完整程度,呈鑲嵌結(jié)構(gòu)。溶蝕風化作用使節(jié)理擴展,甚至形成巖溶洞穴,進一步破壞了巖體的完整程度,呈塊裂結(jié)構(gòu),局部呈碎裂結(jié)構(gòu)。因此,原本中厚-巨厚層狀且屬于硬質(zhì)巖的灰?guī)r,因發(fā)育節(jié)理及溶蝕風化使其完整程度和整體強度降低,不均勻性變差,導(dǎo)致壩址巖體產(chǎn)生一系列工程地質(zhì)問題。
壩址溶蝕節(jié)理化巖體厚度達50~60 m,是壩址利用的主要巖體。為了查明巖體的工程性質(zhì),在壩址鉆孔內(nèi)進行了聲波測試和電視錄像;兩岸分不同高程布置了3層平硐,平硐中選取典型地段進行原位變形和剪切試驗各18點。壩址溶蝕節(jié)理化巖體物理力學參數(shù)列于表2。彈性波波速值是巖體堅硬程度、完整程度及嵌合緊密程度等工程地質(zhì)性質(zhì)的綜合指標[15],壩址巖體聲波縱波速為3 200~4 200 m/s,完整性系數(shù)為0.28~0.48,巖體破碎-完整性差,反映了節(jié)理及溶蝕風化對巖體強度的損傷、巖體的抗剪強度和變形指標相對完整巖體明顯降低。
表2 壩址溶蝕節(jié)理化巖體物理力學參數(shù)Tab.2 Physical and mechanical parameters of karst and jointed rock mass at dam site
采用建立在GSI基礎(chǔ)上的Hoek-Brown經(jīng)驗公式[16]估算溶蝕節(jié)理化巖體強度參數(shù),計算參數(shù)取值及計算結(jié)果列于表3。
表3 溶蝕節(jié)理化巖體強度計算成果Tab.3 Calculation results of karst and jointed rock mass
基于建立在GSI基礎(chǔ)上的Hoek-Brown經(jīng)驗公式計算結(jié)果與原位試驗成果比較情況列于表4。由表4可知:Hoek-Brown經(jīng)驗公式計算得到的凝聚力c值、變形模量E0值與原位試驗成果接近,而摩擦系數(shù)f明顯偏小,僅為原位試驗值的0.38倍??紤]到原位抗剪試驗試體的尺寸僅50 cm×50 cm,相對于壩基明顯偏小,而Hoek-Brown經(jīng)驗公式計算得到的摩擦系數(shù)f值可理解為節(jié)理和巖橋提供的摩擦力按面積加權(quán)平均后的結(jié)果[17],因而摩擦系數(shù)f值較小,可能更符合實際情況。
表4 Hoek-Brown經(jīng)驗公式計算結(jié)果和原位試驗成果比較Tab.4 Comparison of results by Hoek-Brown empirical formula and in situ test
龍?zhí)了畮靿沃穾r體既具有較密集的成組節(jié)理,也有隨機分布的節(jié)理與裂隙,而且沿節(jié)理裂隙普遍發(fā)生溶蝕風化。節(jié)理及溶蝕風化在很大程度上降低了巖體強度,因此難以用單一的力學指標評價巖體的質(zhì)量。基于巖體力學強度結(jié)合聲波波速、結(jié)構(gòu)面特征等綜合分析巖體質(zhì)量,分析成果列于表5。
表5 壩址溶蝕節(jié)理化巖體綜合分析Tab.5 Comprehensive analysis on karst and jointed rock mass at dam site
溶蝕節(jié)理化巖體基本質(zhì)量分級為Ⅲ級,壩基巖體工程地質(zhì)分類屬AⅣ類。溶蝕節(jié)理化巖體呈裂隙性溶蝕風化狀態(tài),巖體呈塊裂結(jié)構(gòu),沿裂隙溶蝕風化,局部存在溶洞。巖體處于圍壓情況下,巖體承載力可滿足中等壩高大壩地基的要求,但巖體完整性差,應(yīng)重點關(guān)注壩基不均勻變形。處理措施為深開挖、全面沖洗、回填溶洞、固結(jié)灌漿,以提高壩基巖體完整性和抗變形能力。
隧洞圍巖類別屬Ⅳ類,穩(wěn)定性差。節(jié)理密集段和溶蝕發(fā)育段可能發(fā)生塌落、變形,處理措施為清除軟弱充填物及強烈溶蝕風化帶,然后進行回填和灌漿;一般節(jié)理化巖體破壞模式為結(jié)構(gòu)面切割形成不穩(wěn)定的塊體,支護措施為系統(tǒng)錨桿、噴混凝土。
溶蝕節(jié)理化巖體中巖溶洞穴、溶蝕結(jié)構(gòu)面相互組合,對邊坡穩(wěn)定性不利。根據(jù)調(diào)查,邊坡現(xiàn)狀整體穩(wěn)定,局部見塊體失穩(wěn)的形跡。預(yù)測邊坡開挖時失穩(wěn)模式主要為結(jié)構(gòu)面切割形成不穩(wěn)定的塊體,需分級開挖,及時采取噴錨支護措施,局部巖溶發(fā)育段進行回填并灌漿。
(1) 龍?zhí)了畮靿沃饭?jié)理化巖體的形成是在褶皺構(gòu)造背景下,灰?guī)r受壓力作用發(fā)生脆性破裂。節(jié)理成為溶蝕風化營力的通道,地下水沿節(jié)理運移并溶蝕擴展,形成典型的溶蝕節(jié)理化巖體。
(2) 灰?guī)r屬于硬質(zhì)巖,呈中厚-巨厚層狀,但因發(fā)育節(jié)理及溶蝕風化使其完整程度和整體強度降低且不均勻,巖體的力學指標相對完整巖體明顯降低。原位抗剪試驗試體的尺寸相對偏小,對溶蝕節(jié)理化巖體適用性較差,Hoek-Brown強度準則在估算巖體強度方面可操作性較強,計算得到的力學參數(shù)比較符合實際情況。
(3) 壩址巖體既具有較密集的成組節(jié)理,也有隨機分布的節(jié)理與裂隙,而且沿節(jié)理普遍發(fā)生溶蝕風化,局部發(fā)育溶洞。節(jié)理及溶蝕風化在很大程度上損傷了巖體強度,處于圍壓狀況下,可滿足中等壩高大壩對地基的要求,但存在壩基不均勻變形問題;作為地下洞室圍巖,除了結(jié)構(gòu)面切割形成不穩(wěn)定的塊體,節(jié)理密集段和溶蝕發(fā)育段還易發(fā)生塌落、變形;開挖邊坡失穩(wěn)模式主要為結(jié)構(gòu)面切割形成不穩(wěn)定的塊體。
(4) 壩基溶蝕節(jié)理化巖體處理措施為深開挖、全面沖洗、回填溶洞、固結(jié)灌漿,以提高壩基巖體完整性和抗變形能力;地下洞室圍巖、開挖邊坡處理措施主要為噴錨支護,局部節(jié)理密集段和溶蝕發(fā)育段進行回填并灌漿。