葉巴灘水電站深部破裂巖體波速特征

劉宇，韓剛，趙其華

(1.西華大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，成都 611930；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

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葉巴灘水電站深部破裂巖體波速特征

劉宇1，韓剛2，趙其華2

(1.西華大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，成都 611930；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059)

摘要：揭示深部破裂巖體波速特征及深部破裂對(duì)巖體卸荷、損傷、完整性及彈性模量的影響,以葉巴灘水電站岸坡深部破裂為典型實(shí)例，開展深部破裂現(xiàn)象精細(xì)測(cè)繪與聲波測(cè)試。研究表明：根據(jù)宏觀地質(zhì)特征與波速，可將深部破裂劃分為輕微松弛型、中等松弛型、強(qiáng)烈松弛型；輕微松弛型深部破裂巖體縱波波速大于4 200 m/s，中等松弛型深部破裂巖體縱波波速3 000～4 500 m/s，強(qiáng)烈松弛型深部破裂巖體縱波波速小于3 000 m/s；輕微松弛型深部破裂對(duì)巖體卸荷程度、損傷程度、強(qiáng)度弱化影響較小，中等松弛型深部破裂次之，強(qiáng)烈松弛型深部破裂影響最為顯著；輕微松弛型深部破裂巖體較完整，中等松弛型深部破裂巖體完整性差-較破碎；強(qiáng)烈松弛型深部破裂巖體已處于較破碎-破碎狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：工程地質(zhì)；深部破裂；聲波波速；葉巴灘水電站

1引言

深部破裂(或稱之為深部裂縫、深卸荷等)是我國(guó)西南深切河谷岸坡深部發(fā)育的巖體破裂現(xiàn)象。深部破裂以一系列間隔式發(fā)育的張性裂縫或松弛帶為表現(xiàn)形式，不僅可劣化巖體強(qiáng)度、降低巖體質(zhì)量，也可構(gòu)成邊坡內(nèi)部地下水運(yùn)移通道、潛在不穩(wěn)定塊體邊界，從而影響岸坡巖體穩(wěn)定性，已成為一類制約大型工程建設(shè)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)圍繞巖體深部破裂開展研究已有約30 a。基于大量水電工程建設(shè)過(guò)程中揭露的實(shí)例，眾多學(xué)者從分布規(guī)律、變形特征、控制因素、地質(zhì)力學(xué)模式、成因機(jī)制等方面展開研究，取得豐碩成果[1-13]，并逐漸認(rèn)識(shí)到深部破裂是以特定的巖性與巖體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在特殊的卸荷方式下形成的一種巖體破裂形式[14-15]。但不足的是，在深部破裂巖體可利用性，尤其是深部破裂巖體質(zhì)量、力學(xué)性質(zhì)等方面研究仍較為薄弱。

巖體內(nèi)彈性波傳播特征是巖石性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)特征與賦存環(huán)境的綜合反映[16]。彈性波速度能反映巖體力學(xué)屬性，也是巖體質(zhì)量劃分的重要指標(biāo)。波速測(cè)試作為一種快速、成熟、有效的方法已廣泛應(yīng)用于巖石高邊坡表部松弛帶厚度劃分[17-22]、開挖硐室松動(dòng)圈預(yù)測(cè)[23-24]、推測(cè)裂隙空間發(fā)育分布[25-27]、估計(jì)巖體變形與強(qiáng)度參數(shù)[28-29]、巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)[30]等方面，但應(yīng)用于深部變形破裂巖體研究仍較少。

本文以金沙江葉巴灘水電站壩址區(qū)揭露的深部破裂為典型實(shí)例，在現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)測(cè)繪的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)單孔聲波波速測(cè)試，分析不同類型深部破裂巖體波速特征，進(jìn)一步揭示深部破裂對(duì)巖體卸荷、損傷、完整性及強(qiáng)度的影響。所取得的成果可為深部破裂巖體質(zhì)量等級(jí)劃分、參數(shù)取值、可利用性及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。

2工程地質(zhì)概況

葉巴灘水電站位于金沙江降曲河口以下約4.5 km河段上，金沙江由南至北流經(jīng)壩區(qū)，河道順直、岸坡高陡、河谷深切，河床高程約2 690 m。兩岸山體雄厚，自然邊坡相對(duì)高差大于500 m，左岸坡度約40°～55°，右岸坡度約40°～45°，呈基本對(duì)稱“V”型河谷。

壩址區(qū)出露地層為華力西期花崗閃長(zhǎng)巖，巖體堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)。強(qiáng)卸荷帶水平深度一般約20～50 m，弱卸荷帶水平深度一般約50～80 m。壩址區(qū)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面可分為3組：EW/S∠60°，NE50°/NW∠75°，NW50°/NE∠75°。壩址區(qū)屬中等地應(yīng)力，最大主應(yīng)力方向?yàn)镹E60°～70°，最大主應(yīng)力量級(jí)為15～20 MPa。但部分河床鉆孔可見巖芯餅化現(xiàn)象，部分低高程平硐(左岸PD01，水平硐深122.5～126 m)也可見輕微片幫現(xiàn)象，說(shuō)明局部地應(yīng)力量級(jí)較高。

3試驗(yàn)方法

3.1深部破裂現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪

采用逐條精測(cè)方式開展深部破裂現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，7個(gè)測(cè)繪指標(biāo)與方法如下：

(1) 深部破裂空間位置：結(jié)合壩址區(qū)EW向勘探平硐建立空間直角坐標(biāo)系(平硐硐向垂直于金沙江流向)。X軸為平硐延伸方向，左岸以E為正，右岸以W為正；Y軸沿硐壁高度，向上為正；Z軸為垂直平硐延伸方向，左岸以S為正，右岸以N為正。

(2) 深部破裂產(chǎn)狀：同一深部破裂，在上、下游壁出現(xiàn)的相同高度布置一條測(cè)線，該測(cè)線走向即為深部破裂走向，傾角則至少選擇3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)定其綜合傾角。

(3) 破碎帶物質(zhì)：分為巖塊、巖屑、石英脈、方解石脈、次生泥等，或?yàn)閺堥_空縫，無(wú)破碎帶物質(zhì)。

(4) 張開寬度：采用鋼卷尺測(cè)量，同一深部破裂至少選擇3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)定其綜合張開寬度。

(5) 地下水狀態(tài)：分為滴水、滲水、潮濕、干燥等4個(gè)等級(jí)。

(6) 風(fēng)化狀態(tài)：分為強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化、微風(fēng)化、新鮮4個(gè)等級(jí)。

(7) 粗糙度：劃分為平直光滑、平直粗糙、起伏光滑、起伏粗糙4類。

3.2單孔聲波測(cè)試

深部破裂并非類似常規(guī)風(fēng)化卸荷帶內(nèi)裂隙廣泛、連續(xù)分布于邊坡內(nèi)部。因此，判斷每孔波速值是否有效反映深部破裂對(duì)巖體的影響十分關(guān)鍵。為此，假定在平硐及硐周3～5 m范圍內(nèi)，深部破裂是近似平直的，即深部破裂在空間上是一個(gè)平面，聲波孔則假定為一條空間直線(圖1)。

圖1　深部破裂與聲波孔示意圖

基于此，可利用空間平面與直線交點(diǎn)方程求解深部破裂與聲波孔交點(diǎn)M的空間位置，若位于聲波孔內(nèi)1.0～2.0 m之間，則認(rèn)為波速值有效。

4試驗(yàn)結(jié)果

共精細(xì)測(cè)繪深部破裂180余條[31]，在深部破裂發(fā)育平硐硐段逐點(diǎn)測(cè)試單孔聲波波速，通過(guò)分析波速有效性，進(jìn)一步篩選出有效波速值與相應(yīng)測(cè)繪成果見表1。

該32條深部破裂反映出葉巴灘壩址區(qū)深部破裂的基本特征：

(1) 深部破裂在壩址區(qū)兩岸均有發(fā)育，且分布數(shù)量大致相當(dāng)。

(2) 深部破裂多位于距岸坡表面水平深度90～130 m之間，位于常規(guī)風(fēng)化卸荷帶以內(nèi)，且高、中、低高程均有發(fā)育。

(3) 深部變形破裂總體優(yōu)勢(shì)方向與壩址區(qū)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面方向近于一致，局部破裂面走向與坡面小角度相交，且破裂面傾角以中陡傾角為主。

乙肝前S1和乙肝兩對(duì)半的關(guān)系顯示,S1抗原陽(yáng)性率和血清標(biāo)志物之間為正相關(guān)性,如果血清標(biāo)志物的傳染性很強(qiáng),那么檢出S1的陽(yáng)性率就越高,相反亦然。乙肝病毒前S1抗原可以對(duì)患者乙肝病毒感染情況給予體現(xiàn),因此是臨床中診斷乙肝的重要依據(jù)。

表1　葉巴灘水電站岸坡深部破裂特征統(tǒng)計(jì)表

注：左岸包括PD07(2 739.75 m)、PD15(2 742.72 m)、PD11(2 825.65 m)、PD19(2 843.58 m)、PD23(2 826.52 m)、PD21(2 911.43 m)；右岸包括PD50(2 899.63 m)、PD44(2 894.96 m)。括號(hào)內(nèi)為高程。

5結(jié)果分析

5.1深部破裂分類

關(guān)于深部破裂類型，前人多以成因作為分類依據(jù)，如：將白鶴灘水電站深部破裂劃分為繼承性拉張型、新生性張剪型、錯(cuò)動(dòng)擴(kuò)張型[4]；將錦屏Ⅰ級(jí)水電站深部破裂劃分為緩剪陡張型、緩傾張剪型、順剪反張型、引張型[7]；將瀑布溝水電站深部破裂劃分為拉(撕)裂型、剪脹型[12]等。

由于深部破裂是以特定的巖性與巖體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在特殊的卸荷方式下形成的巖體破裂現(xiàn)象，松弛是深部破裂的本質(zhì)特征。因此，采用工程地質(zhì)特征結(jié)合縱波波速的方法表達(dá)巖體的松弛程度，將葉巴灘水電站岸坡深部破裂劃分為輕微松弛型、中等松弛型、強(qiáng)烈松弛型。3種類型深部破裂特征如下：

(1) 輕微松弛型：在PD15、PD11、PD19、PD50可見，破裂面以陡傾角為主，走向與壩址區(qū)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面平行，張開寬度均小于1 cm，且以小于1 mm居多，破碎帶內(nèi)可見巖屑、方解石脈，以潮濕-干燥為主，呈弱風(fēng)化，縱波波速大于4 200 m/s，巖體松弛程度較弱(圖2)。

圖2　輕微松弛型深部破裂特征

(2) 中等松弛型：在PD07、PD23可見，破裂面走向以NE20°～50°為主，且傾角多為中-陡傾角，破碎帶內(nèi)可見巖塊、巖屑、灰褐色泥質(zhì)條帶，厚度一般大于1 cm，最大可達(dá)約30 cm，整體潮濕，風(fēng)化狀態(tài)較弱，呈弱風(fēng)化-微風(fēng)化，縱波波速3 000～4 500 m/s，巖體中等松弛(圖3)。

圖3　中等松弛型深部破裂特征

(3) 強(qiáng)烈松弛型：在PD44、PD21可見，破裂面走向較為散亂，但傾角仍以中-陡傾為主，張開寬度較大，一般大于1 cm，最大可達(dá)10 cm，表現(xiàn)為單純空縫，整體潮濕，風(fēng)化狀態(tài)以微風(fēng)化-新鮮為主，縱波波速小于3 000 m/s，巖體強(qiáng)烈松弛(圖4)。

圖4　強(qiáng)烈松弛型深部破裂特征

深部破裂張開寬度、縱波波速表明，不同類型深部破裂對(duì)巖體松弛程度的影響具有如下規(guī)律：輕微松弛型<中等松弛型<強(qiáng)烈松弛型。但值得注意的是，在風(fēng)化狀態(tài)上卻表現(xiàn)出截然相反的特征，輕微松弛型>中等松弛型>強(qiáng)烈松弛型，這是由于輕微松弛型深部破裂多位于邊坡上較大規(guī)模沖溝附近，受后期地下水改造作用所導(dǎo)致，有關(guān)其成因分析本文不再贅述，將另文分析討論。

5.2與縱波波速有關(guān)的衍生系數(shù)

由巖體縱波波速衍生的系數(shù)是劃分巖體卸荷程度、判斷巖體完整性、量化巖體損傷與強(qiáng)度弱化程度的量化指標(biāo)，包括：波速比λ、波速降η、完整性系數(shù)Kv等。

5.2.1波速比λ

波速比λ是衡量巖體卸荷程度、劃分卸荷帶的量化指標(biāo)[32]，是卸荷巖體縱波波速(Vp)與新鮮無(wú)卸荷巖體縱波波速(Vpr)的比值：

(1)

現(xiàn)場(chǎng)波速測(cè)試過(guò)程中，新鮮無(wú)卸荷巖體縱波波速Vpr約為6 000 m/s。卸荷巖體縱波波速(Vp)采用深部破裂巖體現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波速值。

5.2.2波速降η

波速降η是衡量巖體開挖卸荷后巖體損傷程度的指標(biāo)[33]，是巖體縱波波速降低量(Vpr-Vp)與無(wú)卸荷巖體縱波波速(Vpr)的比值：

(2)

5.2.3完整性系數(shù)Kv

完整性系數(shù)Kv是表征巖體內(nèi)裂隙發(fā)育程度與巖體完整性的指標(biāo)[32]，是卸荷巖體縱波波速(Vp)與新鮮無(wú)卸荷巖體縱波波速(Vpr)的比值的平方：

(3)

5.2.4彈性模量弱化率ζ

巖體的縱波波速能反映巖體的強(qiáng)度特征，根據(jù)廣義虎克定律及彈性波動(dòng)方程，可將巖體的縱波波速Vp用巖體彈性模量E、泊松比μ、密度ρ表示：

(4)

假定未出現(xiàn)深部破裂時(shí)，巖體彈性模量為Eum，巖體縱波波速為Vpr。出現(xiàn)深部破裂時(shí)，巖體彈性模量為Em，巖體縱波波速為Vp。進(jìn)一步假定出現(xiàn)深部破裂前后巖體泊松比μ、密度ρ變化較小。則根據(jù)式(4)，則深部破裂出現(xiàn)前后巖體彈性模量的比值可用巖體彈性模量弱化率ζ(%)表示：

(5)

由式(5)可知，基于上述假定，在數(shù)值上，巖體的完整性系數(shù)與彈性模量弱化率相同，但具有不同的物理意義。

5.3深部破裂對(duì)巖體的影響

根據(jù)式(1)、(2)、(3)、(5)可分別計(jì)算出波速比λ、波速降η、完整性系數(shù)Kv與彈性模量弱化率ζ，結(jié)果見表2。已有研究并未從波速角度探討深部破裂對(duì)巖體的影響，僅定性描述為縱波速度較周圍巖體明顯降低[32]。本文試圖分析上述波速衍生系數(shù)，初步量化深部破裂對(duì)巖體卸荷、損傷、完整性及強(qiáng)度弱化程度。

統(tǒng)計(jì)分析表明，不同類型深部破裂巖體的波速衍生系數(shù)存在如下規(guī)律：

(1) 輕微松弛型：0.70<λ<0.98，0.02<η<0.29，0.50

(2) 中等松弛型：0.50<λ<0.76，0.24<η<0.50，0.25

(3) 強(qiáng)烈松弛型：0.41<λ<0.50，0.50<η<0.59，0.17

文獻(xiàn)[32]對(duì)正常卸荷帶巖體波速比做如下規(guī)定：強(qiáng)卸荷帶波速比小于0.5、弱卸荷帶波速比0.5～0.75。參考上述標(biāo)準(zhǔn)可知：在卸荷程度上，輕微松弛型深部破裂巖體屬無(wú)卸荷狀態(tài)，中等松弛型深部破裂巖體屬弱卸荷狀態(tài)，強(qiáng)烈松弛型深部破裂巖體屬?gòu)?qiáng)卸荷狀態(tài)。

借鑒巖體開挖損傷區(qū)判據(jù)[33]，當(dāng)波速降η大于0.1時(shí)，巖體就已經(jīng)產(chǎn)生損傷。參考上述標(biāo)準(zhǔn)可知：除少部分產(chǎn)生損傷外，大部分輕微松弛型深部破裂對(duì)巖體損傷的影響較小，而中等松弛型深部破裂與強(qiáng)烈松弛型深部破裂使巖體產(chǎn)生較為明顯損傷。

根據(jù)文獻(xiàn)[32]可進(jìn)一步判定深部破裂對(duì)巖體完整性的影響。輕微松弛型深部破裂對(duì)巖體完整性影響較小，屬較完整巖體；中等松弛型深部破裂對(duì)巖體完整性影響較大，使巖體轉(zhuǎn)化為完整性差-較破碎巖體；強(qiáng)烈松弛型深部破裂對(duì)巖體完整性影響最為明顯，巖體已處于較破碎-破碎狀態(tài)。

在強(qiáng)度弱化程度上，強(qiáng)烈松弛型深部破裂使巖體彈性模量弱化為未出現(xiàn)深部破裂的20%，中等松弛型深部破裂使巖體彈性模量弱化為25%～60%，輕微松弛型深部破裂對(duì)巖體彈性模量弱化程度較小。

表2　縱波波速相關(guān)衍生系數(shù)

6結(jié)論

本文以葉巴灘水電站壩址區(qū)岸坡深部破裂為典型實(shí)例，采用現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)測(cè)繪、聲波測(cè)試方法，分析不同類型深部破裂巖體波速特征，進(jìn)一步揭示深部破裂對(duì)巖體卸荷、損傷、完整性及強(qiáng)度的影響，可以得到如下6點(diǎn)結(jié)論：

(1) 深部破裂宏觀地質(zhì)特征與聲波縱波波速具有較好的對(duì)應(yīng)性，波速可作為深部破裂類型劃分的量化指標(biāo)。根據(jù)宏觀地質(zhì)特征與波速，可將葉巴灘水電站壩址區(qū)深部破裂劃分為3類：輕微松弛型、中等松弛型、強(qiáng)烈松弛型。

(2) 輕微松弛型深部破裂巖體縱波波速大于4 200 m/s，中等松弛型深部破裂巖體縱波波速3 000～4 500 m/s，強(qiáng)烈松弛型深部破裂巖體縱波波速小于3 000 m/s。

(3) 在卸荷程度上，輕微松弛型深部破裂對(duì)巖體影響較小，中等松弛型深部破裂使巖體處于弱卸荷狀態(tài)，強(qiáng)烈松弛型深部破裂使巖體處于強(qiáng)卸荷狀態(tài)。

(4) 在損傷程度上，輕微松弛型深部破裂巖體多屬于無(wú)損巖體，中等松弛型深部破裂與強(qiáng)烈松弛型深部破裂使巖體產(chǎn)生明顯損傷。

(5) 在完整性方面，輕微松弛型深部破裂巖體屬較完整巖體，中等松弛型深部破裂巖體屬完整性差-較破碎巖體，強(qiáng)烈松弛型深部破裂巖體已處于較破碎-破碎狀態(tài)。

(6) 在強(qiáng)度弱化方面，強(qiáng)烈松弛型深部破裂使巖體彈性模量弱化為未出現(xiàn)深部破裂的20%，中等松弛型深部破裂使巖體彈性模量弱化為25%～60%，輕微松弛型深部破裂對(duì)巖體彈性模量弱化程度較小。

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ACOUSTIC CHARACTERISTICS OF ROCK MASS INCLUDING DEEP-SEATED CRACK OF YEBATAN HYDROPOWER STATION

LIU Yu1, HAN Gang2, ZHAO Qi-hua2

(1. Applied Technology School, Xihua University, Chengdu611930, China; 2.State Key Laboratory of Geo-Hazard Prevention and Geo-Environment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu610059,China)

Abstract:The sonic wave characteristics of deep-seated crack rock mass and influence about unloading degree, damage degree, intactness index of rock mass and elastic modulus has been discussed by field survey and acoustic test based on deep-seated crack of Yebatan hydropower station. Three types of deep-seated crack can be divided as weak relaxed deep-seated crack (WR), moderate relaxed deep-seated crack (MR) and intense relaxed deep-seated crack (IR) by engineering geological characteristics and sonic wave. The sonic wave of WR rock mass is more than 4 200 m/s, MR is between 3 000 m/s and 4 500 m/s, IR is less than 3 000 m/s. About influence on unloading degree, damage degree and elastic modulus, WR is weak, MR is moderate and IR is intense. The rock mass integrity including WR, MR and IR is better, poor and very bad respectively.

Key words：engineering geology; deep-seated crack; sonic wave velocity; Yebatan hydropower station

作者簡(jiǎn)介：劉宇(1988- )，女，湖北省荊門人，碩士，主要從事土木工程、地質(zhì)工程方面的教學(xué)、科研工作。E-mail:liuyu-616@126.com

中圖分類號(hào)：TV74；P642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272333)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2011CB013501)

收稿日期：2015-11-03改回日期：2015-12-29

文章編號(hào)：1006-4362(2016)01-0059-06