巖體開挖松弛變形監(jiān)測(cè)

董 瑜 斐， 王 紅 霞， 費(fèi) 大 軍

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 監(jiān)測(cè)及試驗(yàn)研究所，四川 成都 610072；2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

巖體開挖松弛變形監(jiān)測(cè)

董 瑜 斐1， 王 紅 霞2， 費(fèi) 大 軍1

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 監(jiān)測(cè)及試驗(yàn)研究所，四川 成都 610072；2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

采用預(yù)埋多點(diǎn)位移計(jì)的方法對(duì)“硬、脆、碎”巖體開挖松弛變形進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)1.5 a時(shí)間的監(jiān)測(cè)，證明“硬、脆、碎” 巖體開挖松弛變形不僅具有強(qiáng)烈的空間效應(yīng)，還具有較為明顯的時(shí)間效應(yīng)。完善了壩基巖體質(zhì)量分類，優(yōu)化了設(shè)計(jì)處理方案，取得的效益顯著，為其它工程類似問(wèn)題的處理提供了重要的借鑒與參考。

預(yù)埋多點(diǎn)位移計(jì)；“硬、脆、碎”巖體；時(shí)間效應(yīng)；空間效應(yīng)；大崗山水電站

1 概 述

我國(guó)水電資源總量位居世界第一，其中西部水電資源占81%，但其開發(fā)率較低。因此，大力開發(fā)西部水電，實(shí)施“西電東送”是我國(guó)西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重要組成部分，也符合我國(guó)開發(fā)清潔可再生能源的可持續(xù)發(fā)展國(guó)策。

巖體被廣泛作為建筑物的地基、邊坡和圍巖的介質(zhì)，其自然屬性及工程穩(wěn)定性直接影響到建筑物的運(yùn)行與安全。高拱壩要求建基于堅(jiān)硬較完整巖體上，但壩基巖體往往存在一些地質(zhì)缺陷，如斷層、擠壓錯(cuò)動(dòng)帶、軟弱夾層、蝕變巖帶等軟弱巖帶，特別是堅(jiān)硬、性脆、隱微裂隙發(fā)育的“硬、脆、碎”巖體，開挖卸荷的松弛變形對(duì)建筑物基礎(chǔ)的穩(wěn)定尤為不利。 工程界對(duì)巖體松弛及時(shí)效變形測(cè)試的方法主要有：多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)、地震聲波法、超聲波測(cè)井法、探地雷達(dá)、微地震監(jiān)測(cè)及鉆孔全景圖像測(cè)試等。

筆者介紹了采用預(yù)埋多點(diǎn)位移計(jì)的方法對(duì)大崗山水電站 “硬、脆、碎”輝綠巖巖體進(jìn)行開挖松弛變形的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)開挖期巖體松弛具有較強(qiáng)的空間效應(yīng)，開挖結(jié)束后還具有明顯的時(shí)間效應(yīng)。優(yōu)化了壩基巖體缺陷處理設(shè)計(jì)方案。

2 巖體原位開挖松弛變形監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)對(duì)象及其地質(zhì)條件

依托大崗山水電站， 將其PD219平洞內(nèi)的β133輝綠巖脈作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，其地質(zhì)特征見(jiàn)表1、圖1。

2.2 監(jiān)測(cè)成果

表1 巖體原位開挖松弛監(jiān)測(cè)點(diǎn)地質(zhì)特征表

監(jiān)測(cè)時(shí)間近一年半，按多點(diǎn)位移計(jì)埋設(shè)初期、松弛監(jiān)測(cè)平洞開挖、松弛監(jiān)測(cè)平洞開挖結(jié)束、壓縮蠕變?cè)囼?yàn)、壓縮蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)束等分時(shí)段進(jìn)行整理，時(shí)段劃分為：

① 2008-12-30～2009-02-09為多點(diǎn)位移計(jì)埋設(shè)至松弛監(jiān)測(cè)平洞開挖之前的儀器調(diào)試期；

② 2009-02-10～2009-04-09為松弛監(jiān)測(cè)平洞開挖期；

③ 2009-04-10～2009-08-03為松弛監(jiān)測(cè)平洞開挖之后的變形調(diào)整期；

④ 2009-08-04～2009-11-04為松弛監(jiān)測(cè)平洞開挖之后的變形趨于收斂期；

圖1 巖體原位開挖松弛監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

⑤ 2009-11-05～2010-02-18為巖體壓縮蠕變?cè)囼?yàn)期；

⑥ 2010-02-19～2010-05-14為巖體壓縮蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)束之后的變形趨于收斂期。

分時(shí)段整理成果見(jiàn)表2。距離壓縮蠕變?cè)囼?yàn)點(diǎn)表面最近的3支多點(diǎn)位移計(jì)的1號(hào)點(diǎn)(輝綠巖脈內(nèi))位移～時(shí)間監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖2。

3 松弛變形監(jiān)測(cè)成果分析

3.1 位移規(guī)律

從表2中的輝綠巖開挖松弛期、壓縮蠕變?cè)囼?yàn)期和壓縮蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)束后的監(jiān)測(cè)成果可知：

(1)開挖松弛期位移。

多點(diǎn)位移計(jì)S219-3開挖松弛位移最大；S219-2開挖松弛位移次之；S219-1開挖松弛位移最小。

表2 巖體原位開挖松弛監(jiān)測(cè)點(diǎn)成果匯總表

注：松弛位移為負(fù)，壓縮位移為正。

(2)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)期位移。

多點(diǎn)位移計(jì)S219-3壓縮蠕變?cè)囼?yàn)期壓縮位移最大；S219-1壓縮位移次之；S219-2壓縮位移最小。

(3)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)束后的位移。

多點(diǎn)位移計(jì)S219-3壓縮蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)束后的松弛位移最大；S219-2松弛位移次之；S219-1松弛位移最小。

(4)松弛、壓縮位移主要發(fā)生在輝綠巖中，花崗巖不明顯且多點(diǎn)位移計(jì)S219-3松弛、壓縮位移均最大。

3.2 位移深度規(guī)律

繪制S219-1、S219-2、S219-3監(jiān)測(cè)孔的松弛、壓縮位移～深度關(guān)系曲線(圖3～5)。

圖2 輝綠巖松弛位移～時(shí)間關(guān)系曲線圖

松弛位移 壓縮位移圖3 S219-1松弛、壓縮位移～深度關(guān)系曲線圖

松弛位移 壓縮位移圖4 S219-2松弛、壓縮位移～深度關(guān)系曲線圖

松弛位移 壓縮位移圖5 S219-3松弛、壓縮位移～深度關(guān)系曲線圖

從圖中可以看出：

(1)S219-1位移監(jiān)測(cè)孔的巖體開挖松弛主要發(fā)生在輝綠巖中，輝綠巖中的2個(gè)測(cè)點(diǎn)松弛位移量基本相同，花崗巖中的2個(gè)測(cè)點(diǎn)的松弛不明顯。壓縮蠕變?cè)囼?yàn)期壓縮位移僅距離輝綠巖表面最近的1個(gè)輝綠巖測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)較為明顯，其余4個(gè)測(cè)點(diǎn)可視為接近，沒(méi)有明顯的隨深度變化的規(guī)律。

(2)S219-2位移監(jiān)測(cè)孔的巖體開挖松弛有較明顯的、隨深度變化的規(guī)律，總體表現(xiàn)為從距離輝綠巖開挖表面最近的測(cè)點(diǎn)松弛位移最大，以里逐漸減小。壓縮蠕變?cè)囼?yàn)期壓縮位移表現(xiàn)較離散，規(guī)律性不強(qiáng)。

(3)S219-3位移監(jiān)測(cè)孔的巖體開挖松弛位移、壓縮蠕變?cè)囼?yàn)期壓縮位移的規(guī)律性最好，其中松弛位移具有明顯的隨深度變化的規(guī)律，從距離輝綠巖開挖表面最近的1#測(cè)點(diǎn)至深部的5#測(cè)點(diǎn)松弛位移逐漸減小。壓縮蠕變?cè)囼?yàn)期壓縮位移表現(xiàn)為從距離壓縮蠕變?cè)囼?yàn)點(diǎn)表面最近的1#測(cè)點(diǎn)至中部的4#測(cè)點(diǎn)壓縮位移逐漸減小，4#測(cè)點(diǎn)至5#測(cè)點(diǎn)的壓縮位移基本相等，即壓縮蠕變?cè)囼?yàn)的壓縮荷載對(duì)超過(guò)承壓板深度3 m以上的巖體影響不明顯。

3.3 松弛變形的空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)

S219-3監(jiān)測(cè)孔中的β133輝綠巖脈上兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的松弛變形監(jiān)測(cè)曲線均表現(xiàn)出明顯的空間效應(yīng)。為有利于分析研究，選取S219-3-1測(cè)點(diǎn)為例分析如下。

從圖2中可以清楚地看出：

①2009年2月18～19日，試驗(yàn)支洞在開挖到達(dá)或超過(guò)S219-3監(jiān)測(cè)孔相應(yīng)位置的較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了下臺(tái)階式的大位移，瞬間的洞壁巖體收縮位移量達(dá)0.828 mm，此時(shí)段內(nèi)只存在空間效應(yīng)，無(wú)明顯的時(shí)間效應(yīng)。

②隨著試驗(yàn)支洞繼續(xù)向前開挖，巖體位移呈對(duì)數(shù)曲線緩慢發(fā)生，在2009年2月20日～3月20日的29 d時(shí)間內(nèi)，向臨空面發(fā)生的松弛位移量為0.429 mm。此時(shí)段內(nèi)既有小跨度的空間效應(yīng)，又存在明顯的時(shí)間效應(yīng)。

③隨著試驗(yàn)支洞的繼續(xù)開挖，2009年3月21～24日的4 d之內(nèi)，發(fā)生了上臺(tái)階式的大位移，向臨空面發(fā)生的松弛位移量達(dá)4.209 mm，其中21日發(fā)生的位移量為1.09 mm，22～23日發(fā)生的位移量為0 mm，24日發(fā)生的位移量達(dá)3.119 mm，此時(shí)段內(nèi)發(fā)生了2次上臺(tái)階的大位移式的空間效應(yīng)，時(shí)間效應(yīng)卻不明顯。

④2009年3月25日至4月9日，試驗(yàn)支洞開挖結(jié)束，巖體松弛位移仍然呈對(duì)數(shù)曲線緩慢發(fā)生，在這16 d時(shí)間內(nèi)，向臨空面發(fā)生的松弛位移量為0.245 mm。此時(shí)段內(nèi)松弛位移主要表現(xiàn)為隨時(shí)間逐漸發(fā)生的時(shí)間效應(yīng)，空間效應(yīng)不明顯。

⑤2009年4月10日～2009年8月3日為試驗(yàn)平洞開挖之后的變形調(diào)整期。此時(shí)段中，松弛位移主要表現(xiàn)為隨時(shí)間逐漸發(fā)生的時(shí)間效應(yīng)，向臨空面發(fā)生的松弛位移量為0.373 mm。

⑥2009年8月4日～2009年11月4日為試驗(yàn)平洞開挖之后的變形趨于收斂期。此時(shí)段內(nèi)，松弛位移主要表現(xiàn)為隨時(shí)間逐漸發(fā)生的時(shí)間效應(yīng)，向臨空面發(fā)生的松弛位移量為0.013 mm。

⑦2009年11月5日～2010年2月18日為輝綠巖巖體壓縮蠕變?cè)囼?yàn)期。其中11月5日8時(shí)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)加載瞬間發(fā)生下臺(tái)階式的瞬時(shí)大位移，瞬時(shí)壓縮位移量達(dá)1.254 mm，表現(xiàn)為明顯的空間效應(yīng)。大位移壓縮之后，即2009年11月5日9時(shí)～2010年2月18日，位移十分緩慢的向臨空面方向發(fā)生，主要表現(xiàn)為隨時(shí)間緩慢松弛的時(shí)間效應(yīng)，位移量為0.171 mm。

⑧2010年2月19日～2010年5月14日為巖體壓縮蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)束之后的變形趨于收斂期。此期間主要表現(xiàn)為隨時(shí)間緩慢松弛的時(shí)間效應(yīng)，位移量為0.104 mm。

綜上所述，在500 d的位移監(jiān)測(cè)期間內(nèi)，明顯的空間效應(yīng)出現(xiàn)了2次，主要有2009年3月21～24日發(fā)生的上臺(tái)階式大位移，向臨空面發(fā)生的松弛位移量達(dá)4.209 mm；2009年11月5日8時(shí)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)加載瞬間發(fā)生的下臺(tái)階式瞬時(shí)大位移，瞬時(shí)壓縮位移量達(dá)1.254 mm。開挖結(jié)束后的2009年4月10日至11月4日的7個(gè)月時(shí)間，變形的時(shí)間效應(yīng)明顯，松弛位移為0.386 mm，其中前4個(gè)月達(dá)0.373 mm。

因此，在“硬、脆、碎”輝綠巖近兩個(gè)月的開挖過(guò)程中，巖體產(chǎn)生了明顯的松弛位移，即變形的空間效應(yīng)；開挖結(jié)束后，大約經(jīng)過(guò)7個(gè)月時(shí)間，巖體仍繼續(xù)產(chǎn)生一定程度的松弛變形，尤其前4個(gè)月，變形的時(shí)間效應(yīng)明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)大崗山水電站壩基開挖改變了巖體原有的應(yīng)力場(chǎng)，儲(chǔ)存在巖體中的彈性應(yīng)變能得以釋放，隱微裂隙顯現(xiàn)，原有結(jié)構(gòu)面張開、錯(cuò)動(dòng)及擴(kuò)展，甚至產(chǎn)生新的裂隙，開挖巖體總體向臨空方向發(fā)生松弛變形。大部分應(yīng)力釋放所產(chǎn)生的變形在爆破的瞬間完成，可視為脆性變形；剩余部分的變形在其后較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)逐步完成，可視為流變變形。壩基巖體隱微裂隙的發(fā)育構(gòu)成了壩基巖體開挖卸荷松弛時(shí)空效應(yīng)的內(nèi)在因素。

(2)大崗山水電站壩區(qū)花崗巖和輝綠巖雖然都屬于堅(jiān)硬巖，但在長(zhǎng)期的構(gòu)造歷史演化中不僅產(chǎn)生了大量的宏觀斷裂，還蝕變產(chǎn)生了大量的綠泥石等軟弱黏土礦物和隱微裂隙，使其在開挖卸荷過(guò)程中不僅具有松弛的空間效應(yīng)，還具有明顯的時(shí)間效應(yīng)。

(3)大崗山工程松弛巖體研究成果表明：松弛變形不僅具有強(qiáng)烈的空間效應(yīng)，還具有較為明顯的時(shí)間效應(yīng)。該成果完善了壩基巖體質(zhì)量分類，重點(diǎn)對(duì)“硬、脆、碎”輝綠巖巖類進(jìn)行了調(diào)整，優(yōu)化了大崗山水電站拱壩壩基巖體缺陷處理設(shè)計(jì)方案；為其它工程類似問(wèn)題的處理提供了重要的借鑒與參考。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7；TU192；[TV221.2];TV522

B

1001-2184(2017)01-0060-04

董瑜斐(1982-)，男，山西長(zhǎng)治人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事巖土監(jiān)測(cè)工程方面的試驗(yàn)研究工作；

王紅霞(1970-)，女，甘肅秦安人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事水工建筑材料試驗(yàn)研究項(xiàng)目管理工作；

費(fèi)大軍(1974-)，男，四川仁壽人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事巖工試驗(yàn)研究工作.