大規(guī)模巖體開(kāi)挖卸荷現(xiàn)象及其力學(xué)模式分析

任愛(ài)武,伍法權(quán),王東,范永波,陳運(yùn)飛(.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京0009;.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京00038)

大規(guī)模巖體開(kāi)挖卸荷現(xiàn)象及其力學(xué)模式分析

任愛(ài)武1,伍法權(quán)1,王東1,范永波1,陳運(yùn)飛2
(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京100029;2.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京100038)

以世界上在建第二高拱壩——小灣壩基現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖工程為依托,對(duì)大規(guī)模巖體開(kāi)挖卸荷現(xiàn)象的特征和表現(xiàn)出的規(guī)律,及其卸荷力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了探討。通過(guò)現(xiàn)象描述、工程地質(zhì)分析和力學(xué)分析相結(jié)合的手段,對(duì)小灣壩基開(kāi)挖現(xiàn)象進(jìn)行分析,歸納出了卸荷現(xiàn)象的表現(xiàn)規(guī)律,并提出相應(yīng)力學(xué)模式合理解釋了小灣壩基開(kāi)挖的卸荷現(xiàn)象。最終得到如下結(jié)論:①小灣壩基開(kāi)挖卸荷現(xiàn)象表現(xiàn)出多樣性,并且在地貌特征和發(fā)生位置上具有明顯的規(guī)律性;②結(jié)合河谷應(yīng)力場(chǎng)特征,對(duì)小灣壩基開(kāi)挖卸荷現(xiàn)象進(jìn)行分析,并相應(yīng)地提出了剪脹、縱彎曲張裂、錯(cuò)動(dòng)板裂和上拱張裂等力學(xué)模式,合理地解釋了小灣壩基開(kāi)挖產(chǎn)生的卸荷現(xiàn)象;③板裂現(xiàn)象是高應(yīng)力區(qū)發(fā)現(xiàn)的一種比較特殊的卸荷現(xiàn)象,它的產(chǎn)生需要比較苛刻的地質(zhì)和力學(xué)條件。

工程地質(zhì);小灣電站;大規(guī)模巖體開(kāi)挖;卸荷現(xiàn)象;力學(xué)模式

20世紀(jì)70年代,國(guó)內(nèi)外巖石力學(xué)學(xué)者對(duì)巖體在卸荷狀態(tài)下的變形破壞開(kāi)展了較系統(tǒng)的研究。張倬元、王士天等指出我國(guó)長(zhǎng)江葛洲壩基礎(chǔ)開(kāi)挖過(guò)程中所觀測(cè)到的沿平緩軟弱夾層發(fā)生的向臨空方向的剪切滑移,是一種典型的差異卸荷回彈現(xiàn)象[1];王蘭生教授提出的“淺生時(shí)效構(gòu)造”,也是一種與卸荷有直接關(guān)系的新概念[2];王思敬[3]提出卸荷裂隙的生成發(fā)育主要表現(xiàn)為歸從、追蹤、遷就和新裂4種方式;黃潤(rùn)秋[4,5]將卸荷裂隙分為兩類(lèi),第Ⅰ類(lèi)是直接由邊坡卸荷拉應(yīng)力環(huán)境所導(dǎo)致的卸荷裂隙,第Ⅱ類(lèi)是剪切松弛產(chǎn)生的卸荷裂隙;吳剛、王賢能、李天斌、沈軍輝、張黎明等通過(guò)巖石力學(xué)試驗(yàn)研究,指出卸荷狀態(tài)下巖石的破壞以張剪型破壞為主[6～10]:這些研究使得對(duì)巖體卸荷現(xiàn)象的成因機(jī)制有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

近年來(lái)我國(guó)水電工程事業(yè)的飛速發(fā)展,水電工程建設(shè)向著更高、更大的方向發(fā)展[11],從而也產(chǎn)生了一系列新的問(wèn)題。本文以小灣壩基開(kāi)挖工程為研究對(duì)象,從開(kāi)挖卸荷后表現(xiàn)出的地貌特征和發(fā)生位置對(duì)壩基開(kāi)挖卸荷現(xiàn)象進(jìn)行研究,歸納出大規(guī)模巖體開(kāi)挖卸荷現(xiàn)象表現(xiàn)的特征和規(guī)律,并提出了相應(yīng)的力學(xué)模式,對(duì)卸荷現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和機(jī)制進(jìn)行了探討。

1 工程概況

小灣水電站壩址位于瀾滄江中游云南省臨滄地區(qū)鳳慶縣與大理州南澗縣交界的河段上,擬建庫(kù)區(qū)河道總體流向基本為SN方向。設(shè)計(jì)壩型為雙曲拱壩,壩高292 m,拱端最大底寬約73 m,分為43個(gè)壩段,從開(kāi)口線(xiàn)到建基面開(kāi)挖邊坡高達(dá)600～687 m,壩基最大開(kāi)挖深度達(dá)130 m,為目前在建的第二高拱壩。

壩址區(qū)基巖為中-深變質(zhì)巖系。主要巖石類(lèi)型有:黑云花崗片麻巖和角閃斜長(zhǎng)片麻巖。新鮮-微風(fēng)化黑云花崗片麻巖、角閃斜長(zhǎng)片麻巖均屬堅(jiān)硬至極堅(jiān)硬的塊狀巖石。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面,南北向陡傾結(jié)構(gòu)面組,產(chǎn)狀近SN;東西向片理面組,產(chǎn)狀N70°-85°W,NE∠75°-90°;順坡向中緩傾角組,產(chǎn)狀為近SN,W∠32°-45°,或近SN,E∠32°-45°。結(jié)構(gòu)面呈剖面“X”型分布,但同一部位很少成對(duì)出現(xiàn)。另外,小灣壩區(qū)處于滇西三江地區(qū),位于我國(guó)最復(fù)雜的板內(nèi)構(gòu)造部位——青藏高原的東南緣,是印度板塊向中國(guó)大陸NE向擠壓作用的前沿地帶。受多期構(gòu)造的影響,區(qū)內(nèi)地應(yīng)力復(fù)雜,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料,小灣壩區(qū)最大主應(yīng)力方向?yàn)镾N,最大主應(yīng)力σ1量值一般為22～35 MPa,局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,σ1量值44～57 MPa。

2 壩基巖體開(kāi)挖卸荷現(xiàn)象

2.1 臺(tái)錯(cuò)現(xiàn)象

臺(tái)錯(cuò)現(xiàn)象是小灣壩基開(kāi)挖后發(fā)育較普遍的一種卸荷現(xiàn)象。從建基面可以看到,開(kāi)挖卸荷后在壩基上部及中部均發(fā)現(xiàn)有類(lèi)似臺(tái)階狀微地貌。這些臺(tái)階大小高低不一,個(gè)別高度可以達(dá)到1～2 m。它們一般由一個(gè)平行于坡面的緩面和一個(gè)后緣陡面組成,個(gè)別由緩面、陡面和側(cè)向切割面組成,臺(tái)階間距受控于后緣陡面的間距,如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果顯示,后緣陡面為一組SN向陡傾結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面平直光滑,一般新鮮個(gè)別銹染。緩面為順坡向中緩傾角組,產(chǎn)狀為近SN,W∠32°45°,或近SN,E∠32°45°,這組結(jié)構(gòu)面平直粗糙,緩面上有錯(cuò)動(dòng)痕跡,或者有小陡坎。

從發(fā)生的位置來(lái)看,臺(tái)錯(cuò)現(xiàn)象主要發(fā)生在壩基中部及上部,在壩基底部則鮮有發(fā)現(xiàn)。很顯然這是由壩區(qū)結(jié)構(gòu)面和應(yīng)力條件聯(lián)合作用的結(jié)果。

2.2 彎折現(xiàn)象

在壩基中下部建基面上,發(fā)現(xiàn)有彎折破裂現(xiàn)象。這類(lèi)卸荷現(xiàn)象表現(xiàn)為,巖體呈薄層板狀彎曲折斷,如圖2所示。板狀巖體從板的中部張開(kāi)斷裂,從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果看,彎折現(xiàn)象一般沿平行于坡面的緩傾結(jié)構(gòu)面發(fā)生,這些結(jié)構(gòu)面平直粗糙,個(gè)別銹染有充填物;個(gè)別彎折現(xiàn)象則是在高地應(yīng)力作用下,產(chǎn)生新生裂隙面而產(chǎn)生的,這種彎折現(xiàn)象發(fā)生時(shí),有噼里啪啦的破斷聲,并且發(fā)生時(shí)間較短。

圖1 臺(tái)錯(cuò)現(xiàn)象Fig.1 Step type

圖2 彎折現(xiàn)象Fig.2 Bend type

2.3 板裂現(xiàn)象

板裂現(xiàn)象是存在于高地應(yīng)力區(qū)的一種特殊的卸荷現(xiàn)象,在錦屏一級(jí)水電站和小灣電站施工現(xiàn)場(chǎng)均有發(fā)現(xiàn)。在小灣開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng),這種現(xiàn)象主要發(fā)現(xiàn)于壩基底部河谷河床兩側(cè)。從圖3中,可以明顯看到:巖體呈薄層板狀剝離,剝離面新鮮,有小陡坎。同時(shí)剝離多層,從外到里,層厚逐漸減小。

2.4 底拱現(xiàn)象

在小灣電站河谷底部開(kāi)挖槽內(nèi),發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)大的卸荷裂隙。卸荷裂隙大致平行于河谷谷底,裂隙中心處微向上彎曲,呈向上拱的樣子。在長(zhǎng)大裂隙核部,有細(xì)小裂隙發(fā)育形成菱形結(jié)環(huán)。這些卸荷裂隙成組出現(xiàn),裂隙間距從上至下逐漸減小。如圖4所示。

以上是從地貌特征的角度,對(duì)小灣開(kāi)挖卸荷現(xiàn)象進(jìn)行的描述和歸納;對(duì)于產(chǎn)生卸荷現(xiàn)象的原因和本質(zhì),則需要從工程地質(zhì)和力學(xué)機(jī)制分析的角度做進(jìn)一步的分析。

圖3 板裂現(xiàn)象Fig.3 Plate fracture type

圖4 底拱現(xiàn)象Fig.4 Floor heaven type

3 壩基巖體開(kāi)挖卸荷力學(xué)模式

開(kāi)挖引起河谷應(yīng)力場(chǎng)的調(diào)整是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)過(guò)程,在總體上表現(xiàn)為兩岸的擠壓、谷底的上拱。每一種卸荷現(xiàn)象都是各種力學(xué)機(jī)制綜合作用的結(jié)果,單一的從剪切和拉張的角度來(lái)對(duì)卸荷裂隙的特征進(jìn)行分類(lèi)總結(jié),并不能完全綜合反映巖體開(kāi)挖卸荷特征。準(zhǔn)確地把握卸荷現(xiàn)象的本質(zhì),需要對(duì)巖體卸荷特征進(jìn)行工程地質(zhì)和力學(xué)機(jī)制聯(lián)合分析。通過(guò)對(duì)卸荷現(xiàn)象的工程地質(zhì)和力學(xué)機(jī)制分析,結(jié)合開(kāi)挖后河谷應(yīng)力場(chǎng)特征,提出剪脹、縱彎曲張裂、錯(cuò)動(dòng)板裂和上拱張裂等幾種力學(xué)模式。

3.1 剪脹模式

采用赤平投影方法,對(duì)組成臺(tái)錯(cuò)現(xiàn)象臺(tái)階的3組結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在3組結(jié)構(gòu)面的切割作用下容易產(chǎn)生不穩(wěn)定塊體。在小灣壩區(qū),主要表現(xiàn)為受SN向陡傾結(jié)構(gòu)面、EW向陡傾片理面、SN向緩傾結(jié)構(gòu)面3組主控結(jié)構(gòu)面的影響,巖體被結(jié)構(gòu)面切割成為斷續(xù)連接的分離體,在重力和平行坡表的地應(yīng)力作用下,沿后緣陡傾結(jié)構(gòu)面發(fā)生拉張破壞,沿SN向順坡向緩傾結(jié)構(gòu)面的作用下發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)破壞,如圖5。EW向陡傾片理面主要起到切割作用。

剪脹模式受控于兩個(gè)因素:巖體結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力。其中巖體結(jié)構(gòu)起到主控作用,在剪脹的發(fā)展過(guò)程中,卸荷裂隙遵循遷就、歸從、追蹤原有裂隙的卸荷裂隙發(fā)育規(guī)律,祁生文、伍法權(quán)等將剪脹模式進(jìn)一步細(xì)化為緩剪陡張、順剪引張、緩傾張剪和引張等幾種模式[12]。

3.2 縱彎曲張裂模式

從彎折現(xiàn)象的地質(zhì)特征,可以分析得出板狀巖體受到了擠壓錯(cuò)動(dòng)的作用。根據(jù)河谷應(yīng)力場(chǎng)的特征,開(kāi)挖卸荷后,最大主應(yīng)力方向大致平行于坡表,致使巖體沿底部平行于坡表的緩傾結(jié)構(gòu)面,或者沿主應(yīng)力方向產(chǎn)生近似平行坡表的結(jié)構(gòu)面,發(fā)生類(lèi)似于材料力學(xué)中板的彎曲;并且在上下擠壓的作用下,板的中間發(fā)生彎曲張裂的破壞現(xiàn)象,如圖6。這種彎折發(fā)生時(shí)間一般較短,并伴隨有破裂聲。從現(xiàn)場(chǎng)可以看到,彎折現(xiàn)象張破裂位置巖石較破碎,有從上到下的楔形裂隙?？v彎曲張裂多發(fā)育在建基面中下部高應(yīng)力區(qū)。

圖5 剪張模式Fig.5 Shear expansion mode

圖6 縱彎曲張裂模式圖Fig.6 Longitutinally bendtensional fracture mode

3.3 錯(cuò)動(dòng)板裂模式

板裂現(xiàn)象是高地應(yīng)力區(qū)發(fā)現(xiàn)的比較特殊的一種卸荷現(xiàn)象。為了更加深入地了解其實(shí)質(zhì),對(duì)板裂現(xiàn)象的特征做進(jìn)一步的分析。卸荷后巖體呈薄層板狀,說(shuō)明巖性堅(jiān)硬致密;卸荷面上的陡坎說(shuō)明,在卸荷產(chǎn)生的過(guò)程中產(chǎn)生了錯(cuò)動(dòng)。顯然,在開(kāi)挖卸荷后,巖體在向上卸荷回彈和向下錯(cuò)的共同作用下(如圖7),產(chǎn)生了板裂現(xiàn)象。比較板裂的力學(xué)模式與縱彎曲張裂的模式可以發(fā)現(xiàn),這是在力學(xué)機(jī)制相似的情況下,產(chǎn)生的兩種不同的現(xiàn)象。顯然,板裂的產(chǎn)生需要更加苛刻的力學(xué)和地質(zhì)條件。

3.4 上拱張裂模式

圖8顯示了發(fā)生底拱現(xiàn)象的力學(xué)模式。根據(jù)河谷地應(yīng)力場(chǎng)的特征,河谷底部受到兩側(cè)的擠壓應(yīng)力的作用,致使谷底巖體有上拱的趨勢(shì),而河谷底部的開(kāi)挖卸荷則進(jìn)一步加劇這一作用過(guò)程。在這一復(fù)合應(yīng)力的作用下,小灣壩基底部向上拱起,并產(chǎn)生如圖5所示的長(zhǎng)大卸荷裂隙。另外,小灣壩基底部最大開(kāi)挖寬度達(dá)73 m,為產(chǎn)生長(zhǎng)大的卸荷裂隙提供了空間。

圖7 錯(cuò)動(dòng)板裂模式圖Fig.7 Slipping-plate fracture mode

圖8 上拱張裂模式圖Fig.8 Heaven-tensional fracture mode

4 結(jié)論

(1)根據(jù)小灣壩基開(kāi)挖后的地貌特征以及卸荷現(xiàn)象發(fā)生的位置,將小灣壩基大規(guī)模巖體開(kāi)挖的卸荷現(xiàn)象歸納為臺(tái)錯(cuò)、彎折、板裂和底拱。

(2)通過(guò)工程地質(zhì)和力學(xué)機(jī)制分析,提出了壩基巖體開(kāi)挖卸荷現(xiàn)象的相應(yīng)的力學(xué)模式,包括:剪脹、縱彎曲張裂、錯(cuò)動(dòng)板裂和上拱張裂等,合理地解釋了大規(guī)模壩基巖體開(kāi)挖的卸荷現(xiàn)象。

(3)板裂現(xiàn)象是高應(yīng)力區(qū)發(fā)現(xiàn)的一種比較特殊的卸荷現(xiàn)象,它的產(chǎn)生需要比較苛刻的條件。

致謝:

本次研究工作得到了昆明院的湯獻(xiàn)良總工程師,楊梅江隊(duì)長(zhǎng),向東輝、劉東勇工程師,以及黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司工程物探研究院王旭明高級(jí)工程師,長(zhǎng)江科學(xué)院尹健民博士、艾凱工程師的全力支持,另外也要感謝云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院的姜順龍主任,梁為邦主任,劉家偉、繆王虎工程師的幫助。

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[2]王蘭生,李天斌,趙其華.淺生時(shí)效構(gòu)造與人類(lèi)工程[M].北京:地質(zhì)出版社,1994.

[3]王思敬.壩基巖體穩(wěn)定分析[M].北京:科學(xué)出版社, 1988.

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(編輯:趙衛(wèi)兵)

REN Ai-wu1,WU Fa-quan1,WANG Dong1,FAN Yong-bo1,CHEN Yun-fei2

(1.Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China; 2.Beijing Institute Engineering Construction LTD.,Beijing 100038,China)

Analysis on Unloading Phenomenon of Rock Excavation and Its Mechanics Model of Xiaowan Power Station

The Xiaowan Power Station is the second highest arch dam in the world under construction.The height of the dam is about 292 m.The maximum excavated depth of dam foundation is 130 m.Large-scale excavation in the dam foundation of Xiaowan Power Station has brought intensive unloading phenomenon.The research purpose of this paper is to understand the rule and get mechanics model of unloading phenomenon.After excavation,the regularities can be found on landform characteristics and locations.In this paper the unloading phenomenon of Xiaowan is concluded into five types:step type,bend type,debark onion type,plate fracture type and floor heave type.Then the five types are analyzed by the methods of engineering geology and mechanics.Finally,four mechanical models are got,and the unloading phenomena of Xiaowan can be explained reasonably by those models.

engineering geology;Xiaowan Hydropower Station;large scale rock excavation;unloading phenomenon;mechanics model

TU457

A

1001-5485(2009)05-0034-03

2008-08-29;

2009-01-05

任愛(ài)武(1980-),男,河南洛陽(yáng)人,博士研究生,主要從事高地應(yīng)力、大型地下洞室的研究,(電話(huà))010-82998713(電子信箱)Lc rw@163.com。