馮冠球

(深圳市水務(wù)工程檢測(cè)有限公司,廣東 深圳 518110)

0 引 言

巖體卸荷是指巖體在地質(zhì)作用或開(kāi)挖影響下,巖體的應(yīng)力平衡遭到破壞,在巖體表面產(chǎn)生新的破裂體系或?qū)е略严独^續(xù)發(fā)展的現(xiàn)象。在交通、礦山、水利等邊坡工程中,巖體卸荷出現(xiàn)頻次較高,尤其是在水利水電工程中,巖體卸荷現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。

巖體卸荷會(huì)導(dǎo)致巖體的整體性、強(qiáng)度等發(fā)生改變,從而對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[1]。因此,邊坡巖體卸荷特性和卸荷帶的劃分受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。趙曉彥等[2]對(duì)邊坡的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究,分析了卸荷裂隙的產(chǎn)生原因,并提出一種全新的卸荷帶劃分方法。石安池等[3]運(yùn)用多種檢測(cè)手段,對(duì)三峽某水利邊坡的巖體卸荷特性進(jìn)行了研究,認(rèn)為卸荷帶可分為強(qiáng)、弱、微3種,并對(duì)不同卸荷帶中巖石的力學(xué)特性進(jìn)行了分析。王運(yùn)生等[4]對(duì)大量的鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,揭示了我國(guó)西部地區(qū)河谷從谷底應(yīng)力集中到形成卸荷帶的演變歷程,并在模型試驗(yàn)中再現(xiàn)了這一過(guò)程。孫云志等[5]對(duì)現(xiàn)有的卸荷帶劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了總結(jié)和討論,認(rèn)為卸荷帶的劃分應(yīng)以裂隙的寬度、累計(jì)寬度和波速比等作為標(biāo)準(zhǔn)。趙川等[6]對(duì)卸荷的巖體進(jìn)行了劃分,分別為剪切變形區(qū)、開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)以及應(yīng)力不變區(qū),并把巖土體的剪應(yīng)變?cè)隽孔鳛樾逗蓞^(qū)域劃分的標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述,目前在研究邊坡巖體卸荷問(wèn)題時(shí),主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)巖體卸荷特性和卸荷帶的劃分進(jìn)行分析。其中,最常用的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法主要是鉆孔聲波法和地震波法。鉆孔聲波法的前期準(zhǔn)備工作復(fù)雜,后期數(shù)據(jù)處理繁瑣;地震波法又比較依賴(lài)場(chǎng)地條件,給試驗(yàn)帶來(lái)許多不便。因此,本文采用一種更為簡(jiǎn)便的方法,對(duì)邊坡巖體的卸荷帶進(jìn)行劃分。同時(shí),對(duì)不同區(qū)域巖體的卸荷特性進(jìn)行分析,并根據(jù)波速測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)卸荷帶內(nèi)巖體的完整程度和巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 工程概況

大壩位于一峽谷地段的S形河灣區(qū)域,所在位置的巖石層主要為微晶灰?guī)r、頁(yè)巖及泥灰?guī)r。在地勢(shì)上,大壩兩岸差異較大,左岸邊坡地勢(shì)平緩,右岸邊坡地勢(shì)陡峭;左岸坡頂高程比右岸坡頂高程約高出1 000m。在高程小于700m的位置,兩岸邊坡地勢(shì)分布相對(duì)對(duì)稱(chēng),峽谷呈V字形,高寬比約1∶2。相關(guān)地質(zhì)勘查資料顯示,該地區(qū)的地質(zhì)條件較差,多處巖層間的剪切帶中存在地質(zhì)缺陷。此外,該處由于長(zhǎng)期受水流沖刷和風(fēng)力侵蝕作用,邊坡巖體卸荷現(xiàn)象較為嚴(yán)重,存在多條卸荷裂隙,寬度大多在0.2～2cm范圍內(nèi),個(gè)別裂隙寬度達(dá)到10cm,填充有大量的碎石,整體穩(wěn)定性較差

2 檢測(cè)方法

傳統(tǒng)的鉆孔聲波檢測(cè)方法需要在平硐內(nèi)部設(shè)置大量鉆孔,不可避免地會(huì)對(duì)鉆孔附近的巖體再次造成擾動(dòng)。此時(shí)檢測(cè)到的彈性波速與實(shí)際波速之間存在誤差,無(wú)法準(zhǔn)確反映出卸荷帶與彈性波速之間的關(guān)系。鑒于此,本文所采用的方法可直接在平硐內(nèi)墻上設(shè)置少量的折射波接收裝置,利用波速計(jì)算公式即可算出原狀巖體的波速,避免了被擾動(dòng)巖體對(duì)最終結(jié)果的影響。

2.1 基本原理

該方法可以成功運(yùn)用的前提是因?yàn)閹r體的擾動(dòng)層和未擾動(dòng)層的物理參數(shù)之間存在明顯的差異,兩者之間形成一個(gè)波阻界面。當(dāng)彈性波在巖體中傳播時(shí),彈性波會(huì)在波阻界面同時(shí)發(fā)生反射和折射,改變波的傳播路徑。該方法就是從實(shí)際接收到的、包含多種波形的實(shí)際波中分離出首波時(shí)刻,從而計(jì)算出原狀巖體的彈性波速。

圖1為彈性波在雙層介質(zhì)模型中的傳播路徑示意圖。在該模型中,彈性波主要分為3種形式,即直達(dá)波、反射波、折射波。其中,擾動(dòng)層中的波速為V1,未擾動(dòng)層中的波速為V2,兩者之間的大小關(guān)系為V2>V1。

圖1 彈性波傳播示意圖

3種波形中,反射波和直達(dá)波只會(huì)在擾動(dòng)層的巖體中傳播,傳播速度均為V1,且直達(dá)波的傳播距離要小于反射波的傳播距離,所以直達(dá)波會(huì)先被接收。折射波則是先在擾動(dòng)層中以速度V1傳播,到達(dá)波阻界面后,以速度V2在波阻界面上傳播。因此,只能根據(jù)折射波的傳播路徑計(jì)算出未擾動(dòng)巖體中的波速。因?yàn)閂2>V1,當(dāng)接收點(diǎn)布置在合適位置時(shí),就能夠首先接收到折射波。

以圖1中的模型為例,在激發(fā)點(diǎn)處同時(shí)發(fā)出兩道彈性波,接收點(diǎn)1接收到第一個(gè)波形時(shí)的時(shí)間為T(mén)1,接收點(diǎn)2接收到第一道波形的時(shí)間為T(mén)2,則T1和T2的計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

由此可以推出:

(3)

當(dāng)接收點(diǎn)間的距離X很小時(shí),平硐墻面上的起伏就可忽略不計(jì)。此時(shí)有L3=L4,所以式(3)可改寫(xiě)為:

(4)

因此,根據(jù)式(4)即可計(jì)算出彈性波在未擾動(dòng)巖層中的傳播速度V2。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)過(guò)程中,在平硐壁上設(shè)置一條測(cè)線(xiàn),測(cè)線(xiàn)上設(shè)有一個(gè)激發(fā)點(diǎn)和兩個(gè)接收點(diǎn),接收點(diǎn)之間的距離為1m,偏移距離約4m。具體檢測(cè)步驟如下:

1)采用人工激發(fā)的方式在激發(fā)點(diǎn)發(fā)出入射波,根據(jù)兩個(gè)接收點(diǎn)獲得第一個(gè)波形的時(shí)間差,計(jì)算出彈性波在巖體中的傳播速度。

2)在接收點(diǎn)的另外一側(cè)進(jìn)行激發(fā),按照上述方法再次計(jì)算出彈性波的傳播速度。

3)計(jì)算出兩次測(cè)得的波速平均值,消除硐面起伏所產(chǎn)生的誤差。

4)將激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)沿測(cè)線(xiàn)向硐內(nèi)平移1m,重復(fù)上述步驟,直到完成整個(gè)平硐內(nèi)的波速檢測(cè)。

3 巖體卸荷帶的劃分

由于該大壩邊坡右岸地勢(shì)陡峭,而左岸地勢(shì)相對(duì)平緩,因此本次測(cè)試在右岸對(duì)4#、7#、8#平硐進(jìn)行檢測(cè),在左岸對(duì)6#、11#、21#、25#平硐進(jìn)行檢測(cè)。按照彈性波在未擾動(dòng)巖層中的傳播速度和平硐深度之間的關(guān)系曲線(xiàn),對(duì)大壩邊坡的巖體卸荷帶進(jìn)行劃分。本文中卸荷帶的劃分標(biāo)準(zhǔn)定為:全新巖體到微、弱卸荷帶的波速下降幅度為15%～25%;微、弱卸荷帶到強(qiáng)卸荷帶的波速下降幅度為20%～30%。

圖2分別為左岸和右岸平硐中波速與洞身之間的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖2可以看出,隨著平硐深度的增加,越靠近邊坡內(nèi)部,波速值越大,波速上升的趨勢(shì)也比較平緩。當(dāng)硐深達(dá)到某一值時(shí),波速值會(huì)產(chǎn)生突變,其主要原因有兩個(gè):①該處巖體中存在較多的裂隙帶,此時(shí)會(huì)導(dǎo)致巖體中的波速降低。②該處受到巖體卸荷的影響,在邊坡表面,卸荷作用明顯,波速值的下降幅度較大;而在邊坡內(nèi)部,卸荷作用不明顯,波速值的下降幅度較小。因此,試驗(yàn)檢測(cè)到的波速值會(huì)隨著硐深的增加而增加,直至趨于穩(wěn)定。

圖2 波速與硐深之間的關(guān)系曲線(xiàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)平硐試驗(yàn)的結(jié)果,將大壩邊坡巖體劃分為3種:強(qiáng)卸荷帶,微、弱卸荷帶,全新巖體。不同卸荷帶的分布和巖體的波速值見(jiàn)表1。巖體中的波速值范圍1 650～5 000m/s,波速平均值分布在2 800～4 720m/s之間。

表1 巖體波速檢測(cè)結(jié)果及卸荷帶劃分

大壩兩岸邊坡巖體卸荷帶的劃分情況見(jiàn)圖3。從圖3可以看出,大壩邊坡左岸的中部強(qiáng)卸荷帶厚度約23m,右岸的中部強(qiáng)卸荷帶厚度約30m,該處左岸的卸荷帶厚度小于右岸的卸荷帶厚度;而在其他檢測(cè)區(qū)域內(nèi),左岸的卸荷帶厚度均要大于右岸的卸荷帶厚度,這與兩岸邊坡的地勢(shì)分布情況相吻合。

圖3 巖體卸荷帶分布圖

4 巖體卸荷特性及巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

4.1 巖體卸荷特性

地質(zhì)勘探和波速檢測(cè)的結(jié)果顯示,兩岸巖體強(qiáng)卸荷帶中張開(kāi)裂隙比較多,寬度多為2cm,最寬的裂隙達(dá)到10cm,裂隙中有填充碎巖屑、礫石和泥沙,而且有水滲出。兩岸強(qiáng)卸荷帶厚度分布在20～30m范圍內(nèi),最大處達(dá)到33m。在該區(qū)域,波速的變化幅度明顯,右岸的波速范圍值為2 660～2 990m/s,左岸的波速范圍值為2 710～3 760m/s。

微、弱卸荷帶中也有較多的卸荷裂隙,但張開(kāi)程度不大,寬度多為0.2cm,部分裂隙中填充有碎巖屑,滲水現(xiàn)象也不明顯。兩岸微、弱卸荷帶厚度分布在14～60m范圍內(nèi),最大處達(dá)到61m。在該區(qū)域,波速的變化幅度也比較明顯,右岸的波速范圍值為3 370～3 940m/s,左岸的波速范圍值為3 400～3 760m/s。

全新巖體的結(jié)構(gòu)完整,僅在少部分區(qū)域存在細(xì)小裂隙。在該區(qū)域,波速會(huì)隨著高程的增加而減小,但波速變化幅度不大,右岸的波速范圍值為4 420～4 550m/s,左岸的波速范圍值為4 430～4 720m/s。

通過(guò)上述分析可以看出,左岸的卸荷帶厚度要明顯大于右岸的卸荷帶厚度,這是由兩岸的地勢(shì)差異所造成的。圖4為不同高程處卸荷帶厚度的變化情況。隨著高程的變化,卸荷帶厚度也有明顯的變化,其中兩岸低高程處的卸荷帶厚度,明顯低于中高程和高高程處卸荷帶的厚度。

圖4 不同高程處卸荷帶厚度的分布情況

4.2 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)

彈性波在巖體中的傳播速度與巖體的完整程度密切相關(guān),當(dāng)巖體發(fā)生卸荷現(xiàn)象時(shí),巖體的完整性和物理特性會(huì)隨之改變。因此,可以根據(jù)試驗(yàn)中檢測(cè)到的彈性波波速值來(lái)判斷巖體的完整程度。將巖體的完整性和堅(jiān)硬程度作為評(píng)價(jià)指標(biāo),按照式(5)計(jì)算得到巖體的質(zhì)量指標(biāo),然后對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

BQ=3RC+250KV+90

(5)

式中:RC為單軸抗壓強(qiáng)度,室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得的巖石單軸抗壓強(qiáng)度為21～130MPa;KV為巖體的完整性系數(shù),表征巖體的完整性。

圖5為大壩兩岸巖體的BQ值與平硐深度間的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖5可以看出,該大壩邊坡強(qiáng)卸荷帶區(qū)域內(nèi)巖體等級(jí)達(dá)到Ⅳ級(jí)以上,微、弱卸荷帶區(qū)域內(nèi)的巖體等級(jí)為Ⅲ級(jí),全新巖體的等級(jí)為Ⅱ～Ⅲ級(jí)。

圖5 巖體BQ值與平硐深度的關(guān)系

5 結(jié) 論

1)大壩右岸邊坡的強(qiáng)卸荷帶厚度約23m,微、弱卸荷帶厚度約22m;左岸邊坡的前卸荷帶厚度約29m,微、弱卸荷帶厚度約46m。左岸的卸荷帶厚度普遍大于右岸的卸荷帶厚度。

2)大壩邊坡強(qiáng)卸荷帶區(qū)域內(nèi)巖體等級(jí)達(dá)到Ⅳ級(jí)以上,微、弱卸荷帶區(qū)域內(nèi)的巖體等級(jí)為Ⅲ級(jí),全新巖體的等級(jí)為Ⅱ～Ⅲ級(jí)。

3)本文所提出的試驗(yàn)方法,不僅克服了現(xiàn)有檢測(cè)方法的不便之處,還可以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)對(duì)邊坡巖體的卸荷帶和卸荷特性,是一種便捷有效的檢測(cè)方法。