班達(dá)水電站中壩址區(qū)岸坡卸荷形成機(jī)制物理模擬研究

劉 東，鄧 輝，蘇 航，賴遠(yuǎn)超，丁軍浩

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地址環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；2. 成都市勘察測(cè)繪研究院，四川 成都 610081)

在中國(guó),物理模擬試驗(yàn)作為一種研究方法運(yùn)用于工程地質(zhì)領(lǐng)域起始于20世紀(jì)70年代。因其具有能夠真實(shí)反映地質(zhì)構(gòu)造和工程結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系和力學(xué)關(guān)系,準(zhǔn)確地模擬地質(zhì)過程的演變以及試驗(yàn)結(jié)果直觀等特點(diǎn)而受到廣泛運(yùn)用。在邊坡穩(wěn)定性問題上，這種方法應(yīng)用最為廣泛，如石豫川[1]等通過建立邊坡模型研究了緩傾角順層邊坡的變形破壞機(jī)制；就巖爆這一工程地質(zhì)問題，李天斌[2]等用大尺寸的隧洞開挖模型進(jìn)行了巖爆物理模擬研究，得出了隧洞開挖過程中圍巖應(yīng)力發(fā)生突變的兩種表現(xiàn)方式；前人也曾將這種研究方法應(yīng)用在路基穩(wěn)定性問題上，如馮文凱[3]等利用物理模擬研究中的底摩擦試驗(yàn)方法，對(duì)在基巖斜坡上填筑路堤時(shí)所產(chǎn)生的幾種不均勻沉降模式及其對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響等演變過程和力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了研究。雖然這一研究方法在工程地質(zhì)問題上得到了廣泛運(yùn)用，但在開挖卸荷這一問題上并不多見，人們多用數(shù)值模擬的方法對(duì)其進(jìn)行研究，僅能從理論上對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行分析。但還是有少數(shù)人運(yùn)用了物理模擬方法對(duì)卸荷問題進(jìn)行過研究，如黃達(dá)[4]等用該方法研究了裂隙巖體卸荷變形破壞、強(qiáng)度及裂隙擴(kuò)展演化過程；馬洪生[5]等通過開展含軟弱夾層順層巖質(zhì)邊坡的靜力開挖試驗(yàn)，研究了不同開挖角度對(duì)邊坡位移松弛區(qū)范圍大小的影響。但他們沒有深入地對(duì)卸荷過程中巖體的應(yīng)力變化和位移變化進(jìn)行分析，同時(shí)，人們運(yùn)用物理模擬方法對(duì)河谷下切卸荷的研究相對(duì)來說也是極少的，本文結(jié)合河谷演化歷史，以班達(dá)水電站中壩址為原型，從實(shí)際出發(fā)，通過地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究了河谷下切使得岸坡發(fā)生卸荷變形的機(jī)理，并深入地分析了河谷下切過程中岸坡的應(yīng)力變化以及位移變化，總結(jié)了岸坡卸荷的形成機(jī)制。

1 原型基本特征

本模型試驗(yàn)?zāi)M的地質(zhì)原型為班達(dá)水電站的中壩址區(qū)域，其位于色汝小河口上游約0.6 km的瀾滄江河段內(nèi)。壩址區(qū)河谷總體呈對(duì)稱的“V”形谷，河道順直且水流湍急，兩岸岸坡地形陡峻，多形成陡壁或陡坎，臨江坡高可達(dá)2 000 m以上，岸坡巖體主要為強(qiáng)度較高的英安巖，局部有角礫火山巖和凝灰?guī)r出露。左岸岸坡自然坡角一般為50°左右，右岸岸坡2 900 m高程以下自然坡度約60°左右，2 900 m高程以上自然坡度則在35°～40°之間。喜馬拉雅構(gòu)造時(shí)期以來，瀾滄江流域河流下切侵蝕作用總體十分強(qiáng)烈，河流上游河段及外圍區(qū)域河段形成大起伏-極大起伏的侵蝕高差。由區(qū)域資料可知及研究區(qū)附近河流階地發(fā)育情況可知，本區(qū)段流域共發(fā)生過5次地殼抬升，同時(shí)也形成了五級(jí)基座階地，其中Ⅰ級(jí)階地在該壩址區(qū)的拔河高度為9 m左右，Ⅴ級(jí)階地階地拔河高度為100 m左右，說明該流域在歷史上大致經(jīng)歷了5次河谷下切卸荷過程[6-7]。壩址區(qū)兩岸可見明顯的巖體卸荷現(xiàn)象，岸坡卸荷以高程3 000 m左右為界線，上部巖體卸荷松弛現(xiàn)象明顯，如碎裂松動(dòng)、崩塌、危巖體、變形體等的發(fā)育，而下部巖體則以淺表部結(jié)構(gòu)面開裂為主要方式，從岸坡的淺表部到深部，其巖體卸荷程度逐漸減弱。兩岸巖體強(qiáng)卸荷在低高程發(fā)育較淺，發(fā)育深度一般在20 m左右，局部無(wú)強(qiáng)卸荷，弱卸荷帶深度30 m左右；中、高高程卸荷發(fā)育較強(qiáng)烈，特別是高高程部位，強(qiáng)卸荷帶深度可達(dá)100 m左右，弱卸荷帶深度達(dá)150 m左右。在強(qiáng)卸荷帶內(nèi)巖體大量松動(dòng)、碎裂，局部架空明顯，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育且裂隙張開度較大，一般在5～10 cm之間。兩岸順坡向傾坡外陡傾角節(jié)理呈微弱對(duì)稱，表明卸荷作用產(chǎn)生的新生裂隙發(fā)育不明顯，壩區(qū)卸荷裂隙多數(shù)是在原生及構(gòu)造結(jié)構(gòu)面基礎(chǔ)上進(jìn)一步改造擴(kuò)展或張開形成的。由于壩址區(qū)內(nèi)發(fā)育的英安巖的溢流面(似層面)總體緩傾左岸，導(dǎo)致河谷下切卸荷過程中右岸傾坡外的結(jié)構(gòu)面較左岸要發(fā)育，使得右岸卸荷現(xiàn)象明顯強(qiáng)于左岸。

2 模型試驗(yàn)

本次三維地質(zhì)力學(xué)物理模型試驗(yàn)屬于非線性破壞試驗(yàn),需要在幾何條件、力學(xué)參數(shù)等方面滿足一定的關(guān)系,按相似原理,模型與原型之間應(yīng)該滿足的主要相關(guān)系為：

Cσ=Cγ·CL

(1)

Cσ=CγCl

(2)

Cμ=Cε=Cf=1

(3)

Cσ=CE=CC=CRτ=CRC

(4)

(5)

根據(jù)該水電站壩址區(qū)河谷地形特點(diǎn)、岸坡地質(zhì)構(gòu)造特性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地大小及試驗(yàn)?zāi)康牡纫蛩鼐C合考慮后，最后選定幾何相似比CL=500。確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?00 cm×20 cm×100 cm，相當(dāng)于原型工程1000 m×100 m×500 m時(shí)范圍，這樣大的范圍較好地包含了坡體的邊界條件。

本次模型材料的選擇是通過單軸極限壓縮實(shí)驗(yàn)和剪切實(shí)驗(yàn)測(cè)定出所配巖樣的相關(guān)數(shù)據(jù),選出最為滿足相似條件的一組巖樣，通過篩選確定的一組巖樣的材料組分和配合比見表1，表2為其對(duì)應(yīng)的力學(xué)參數(shù)與地質(zhì)原型的參數(shù)對(duì)比。

表1 相似材料配比 %

注：松香酒精溶液濃度為10%

表2 巖體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)確定的相似材料配比，制備尺寸為20 cm×10 cm×4 cm的預(yù)制塊，雖然壩址區(qū)河谷在歷史上實(shí)際經(jīng)歷5次下切卸荷，但受實(shí)驗(yàn)條件的限制，結(jié)合壩址區(qū)實(shí)際情況以及試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)將模型分3次下切。參考地質(zhì)原型將試塊堆砌在試驗(yàn)設(shè)備中，堆載完成的模型見圖1。

在試驗(yàn)過程中，需要用到特定的數(shù)據(jù)采集裝置來監(jiān)測(cè)采集模型的應(yīng)力、位移等一系列指標(biāo)和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備見圖2。主要利用千分表位移計(jì)、微型土壓力傳感器來測(cè)量、采集模型坡體不同部位的應(yīng)力及位移變化。結(jié)合實(shí)驗(yàn)需要，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布位置主要是在現(xiàn)今河谷兩岸岸坡的低高程、中高程以及高高程部位，每個(gè)高程岸坡內(nèi)布置2～3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)從1號(hào)到16號(hào)的16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置布置見圖3。

本次模擬試驗(yàn)主要考慮的荷載類型為自重力和構(gòu)造力，自重以材料容重與原型容重相等來實(shí)現(xiàn)，水平構(gòu)造力通過液壓千斤頂向模型側(cè)面的鋼板施加荷載來實(shí)現(xiàn)，由于在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中，擠壓都是由巖體的一側(cè)傳向另一側(cè)，故本次試驗(yàn)選擇單側(cè)施加水平荷載。在模型達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，對(duì)其施加各期次相應(yīng)的荷載，使其達(dá)到預(yù)定的應(yīng)力狀態(tài)且穩(wěn)定后方可進(jìn)行下切開挖。這樣能使巖塊間擠壓密實(shí)且?guī)r體中應(yīng)力能夠連續(xù)分布，避免了因單個(gè)巖塊堆砌模型所帶來的不均勻性，能夠減小與實(shí)際巖體存在的差異；同時(shí)，巖塊間的接觸面在一定程度上也能模擬原巖中的原生結(jié)構(gòu)面(如似層面)。在各期次河谷下切開挖試驗(yàn)之前，對(duì)模型內(nèi)部的應(yīng)力以及位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的原始坐標(biāo)位置進(jìn)行初次采集，作為模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)的初始位置和應(yīng)力情況，用于之后的分析。模型共有3次河谷下切開挖，待前一次下切開挖引起的邊坡應(yīng)力、位移及裂隙發(fā)育情況在連續(xù)數(shù)次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)穩(wěn)定不變后，方可認(rèn)為某期次模型已完成“表生”改造階段的變形，再進(jìn)行下期次開挖，之后重復(fù)上述過程，直至完成最后一次下切，待模型末期河谷下切即“表生”改造階段完成后，對(duì)各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行最后一次采集記錄。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 變形破裂分析

在河谷下切中，由于原先巖體處于壓密狀態(tài)，在巖體出現(xiàn)臨空面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力釋放、降低，進(jìn)而發(fā)生卸荷回彈，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生破裂裂隙，河谷下切后模型岸坡巖體的變形、破裂現(xiàn)象見圖4、5。隨著河谷的下切，兩岸岸坡巖體產(chǎn)生了明顯的卸荷新生破裂裂隙，特別是坡體的淺表部破裂現(xiàn)象尤為明顯，而坡體深部現(xiàn)象較弱甚至無(wú)破裂，且岸坡右岸的破裂現(xiàn)象明顯較左岸的明顯，在下切過程中右岸坡表巖體相對(duì)于左岸更為為破碎，由圖4和圖5對(duì)比可知。這說明巖體的卸荷右岸要強(qiáng)于左岸，這與前面交代的英安巖溢流面(似層面)總體緩傾左岸，導(dǎo)致河谷下切卸荷過程中右岸傾坡外的結(jié)構(gòu)面較左岸要發(fā)育的情況相符。

3.2 應(yīng)力變化分析

河谷的下切過程為邊坡巖體卸荷提供了有利的臨空條件，為坡體向臨空面變形提供了空間，同時(shí)也破壞了坡體內(nèi)部原有的應(yīng)力平衡，這時(shí)坡體內(nèi)部巖體必須通過應(yīng)力釋放來調(diào)整應(yīng)力以達(dá)到新的平衡狀態(tài)?，F(xiàn)對(duì)模型在下切卸荷過程中兩岸坡體的內(nèi)部應(yīng)力作以下分析。

隨著3次下切的完成，坡體內(nèi)壓力由于卸荷而產(chǎn)生相應(yīng)的減小。從左岸測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線來看，見圖6，同一高程的測(cè)點(diǎn)壓力越靠近岸坡坡表，其值越小，如1、2、3號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力值依次增大，4號(hào)比5號(hào)的壓力要低；同樣的荷載條件下，靠近坡表巖體壓力下降較快，如7、8號(hào)及4、5號(hào)的測(cè)點(diǎn)壓力變化情況，靠近坡表的7號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力在第2次及第3次下切中明顯比8號(hào)測(cè)點(diǎn)要降低的快，同時(shí)4號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力較5號(hào)測(cè)點(diǎn)下降得快，說明靠近坡表巖體卸荷更為強(qiáng)烈；從靠近坡表在不同高程的測(cè)點(diǎn)1、4、7號(hào)的變化情況來看，處于高高程的7號(hào)測(cè)點(diǎn)的巖體內(nèi)部壓力變化較處于中高程的4號(hào)測(cè)點(diǎn)及低高程的1號(hào)測(cè)點(diǎn)大，說明高程越高，其經(jīng)歷的卸荷階段越長(zhǎng)，卸荷也越為強(qiáng)烈；但在不同階段，壓力的下降值也不同，7號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力變化在第1次及第2次下切中比第3次的變化要大，而1號(hào)測(cè)點(diǎn)壓力在前兩次下切中變化不是很明顯，在第3次下切中降低的更為迅速，這與各測(cè)點(diǎn)在河谷岸坡中所處的相對(duì)位置不同有關(guān)。

相對(duì)于左岸來說，圖7中右岸各測(cè)點(diǎn)壓力變化總體上比左岸要變化幅度更大，波動(dòng)較明顯。從第1次下切開始，由壓力曲線圖可以看出，壓力值整體降低，降幅一般在15 kPa左右。由于起初河谷處于寬谷期，坡面較緩，坡腳被上覆巖體壓重，卸荷作用不明顯，故應(yīng)力的變化值不大。待壓力值變化幅度較為平穩(wěn)后進(jìn)行第2次下切，與第1次相比較，壓力變化明顯較大，卸荷時(shí)間較長(zhǎng)，壓力迅速降低且降幅較大，一般在30～40 kPa之間，達(dá)到了第1次的兩倍有余，卸荷現(xiàn)象明顯增強(qiáng)。第3次下切過程中，各測(cè)點(diǎn)的壓力變化較為復(fù)雜，不是瞬間釋放很大，而是上下波動(dòng)一段時(shí)間，而后總體下降一定數(shù)值并最終趨于穩(wěn)定，說明卸荷并不是一蹴而成，也需要一個(gè)較長(zhǎng)的過程，第3次下切完成后，各測(cè)點(diǎn)壓力趨于一個(gè)穩(wěn)定的值。與左岸相同的是，高程越高，測(cè)點(diǎn)的壓力變化幅度越大，如在高高程15、16號(hào)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力變化要比中高程的12、14號(hào)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力變化大，而中高程的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)壓力又比低高程的9、10、11號(hào)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力變化大，說明高程越高卸荷越強(qiáng)烈。同時(shí)，處于坡表附近的9、12、15號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力要明顯比處于對(duì)應(yīng)高程坡內(nèi)的測(cè)點(diǎn)壓力降幅大，即坡表卸荷較坡體內(nèi)部強(qiáng)烈，不同的下切階段，各測(cè)點(diǎn)壓力的變化率也不同，并且增加幅度各有差異。

另外從左右兩岸對(duì)比分析來說，同一高程，兩岸相對(duì)應(yīng)位置，其壓力變化也不同，右岸的壓力降幅明顯較左岸大，如高高程的7號(hào)與15號(hào)測(cè)點(diǎn),其首次下切的壓力值降幅分別為10 kPa與20 kPa左右，后期降幅分別在30 kPa與40 kPa左右，且15號(hào)下切中的壓力值曲線波動(dòng)較大，7號(hào)較為平穩(wěn)。說明右岸的卸荷總體要比左岸的強(qiáng)烈一些，其變化也較為復(fù)雜，這與巖體層面總體傾向左岸有直接的關(guān)系。

3.3 位移變化分析

根據(jù)千分表位移計(jì)記錄的變化數(shù)據(jù)，繪制巖體變形量隨試驗(yàn)時(shí)間的變化曲線，見圖8。本次試驗(yàn)主要測(cè)量、記錄了左岸1、2、4、7號(hào)測(cè)點(diǎn)及右岸9、11、12、13、15號(hào)測(cè)點(diǎn)的變化情況，其具體的位置見圖3。

位移以從左岸向右岸方向變化為正值，則負(fù)值表示位移方向水平向左岸。從圖8分析可以看出：坡體位移總體上表現(xiàn)為隨時(shí)間的增加，位移量逐漸增大的趨勢(shì)，即水平構(gòu)造荷載保持不變的情況下，隨著河谷的下切，兩岸坡體由于卸荷逐步有向河谷臨空方向回彈變形的趨勢(shì)，其位移逐步增大，同時(shí)邊坡位移量隨著監(jiān)測(cè)儀器埋深的增加而減小，越靠近坡體表面，一般位移量越大，右岸坡頂(15號(hào)測(cè)點(diǎn))位移量最大，加載穩(wěn)定后可達(dá)10.5 mm。

第1次下切完成，坡體在卸荷作用下產(chǎn)生向臨空面的位移，由位移曲線不難看出坡體不同部位的位移變化不同，如上部測(cè)點(diǎn)7、15號(hào)測(cè)點(diǎn)的位移變化顯然要大于下部的4、12號(hào)測(cè)點(diǎn)及1、9號(hào)測(cè)點(diǎn)，上部增加最大達(dá)2.64 mm，由于處于寬谷期，且各測(cè)點(diǎn)基本處于下部，其整體的位移變化不是很大。在第2次下切完成后，河谷處于峽谷期，從位移曲線圖可以看出，同一高程距坡表不同距離的部位其變化也不同，靠近開挖面坡表處位移增大較快，而距坡表較遠(yuǎn)的深處部位位移增加幅度較小，且相比與第1次開挖，部分測(cè)點(diǎn)位移變化量明顯要較高，曲線變化也較陡較。原因是側(cè)向加載不變，上覆巖體的減少，自重力降低，加之側(cè)向臨空面的變陡，更利于坡體向臨空方向變形，導(dǎo)致位移量迅速增大；最后一次下切后，從位移曲線變化來看，靠近河谷谷坡坡腳處的增量值較小，這是由于谷底應(yīng)力集中，阻礙了應(yīng)力釋放，而坡體中高程(4、9、12號(hào)測(cè)點(diǎn))及高高程(7、15號(hào)測(cè)點(diǎn))位移變化較大，可見坡體頂部要比底部卸荷變形更為強(qiáng)烈。

另外從左右兩岸位移變化對(duì)比分來看，其兩岸同一高程相對(duì)應(yīng)位置的位移變化也不盡相同。如右岸高高程近坡表15號(hào)測(cè)點(diǎn)的位移變化要比左岸高高程近坡表7號(hào)測(cè)點(diǎn)位移變化大，中高程右岸12號(hào)測(cè)點(diǎn)位移大于左岸4號(hào)測(cè)點(diǎn)位移。表面右岸的回彈變形要明顯大于左岸，即右岸卸荷要強(qiáng)于左岸，尤其是在坡體上部中高程及高高程差異相對(duì)較明顯，推測(cè)這可能與壩址區(qū)內(nèi)發(fā)育的英安巖溢流面(似層面)總體緩傾左岸使得河谷下切卸荷過程中右岸傾坡外的結(jié)構(gòu)面較左岸要發(fā)育有關(guān)。

4 結(jié)論

a) 隨著河谷的下切，兩岸岸坡巖體產(chǎn)生了明顯的卸荷新生破裂裂隙，特別是坡體的淺表部部位，破裂現(xiàn)象尤為明顯，坡體深部現(xiàn)象較弱甚至無(wú)破裂，且岸坡右岸的破裂又明顯較左岸的強(qiáng)烈，在下切過程中右岸坡表巖體明顯較為破碎，可以聽到卸荷回彈聲響，還可見明顯的局部垮塌現(xiàn)象。

b) 隨著時(shí)間的推移，坡內(nèi)應(yīng)力總體上是減少的，符合卸荷過程的變化情況，在下切過程中，靠近坡表的測(cè)點(diǎn)壓力變化要比遠(yuǎn)離坡表的測(cè)點(diǎn)壓力變化大，坡體上部的測(cè)點(diǎn)壓力要比下部的變化大，右岸各測(cè)點(diǎn)壓力變化總體上比左岸要變化幅度更大，波動(dòng)較大。

c) 坡體位移總體上表現(xiàn)為隨時(shí)間的增加，位移量逐漸增大的趨勢(shì)，隨著河谷的下切，兩岸坡體由于卸荷逐步向河谷臨空方向回彈變形，其位移量呈逐步增大，同時(shí)邊坡位移量隨著監(jiān)測(cè)儀器埋深的增加而減小，越靠近坡體表面，一般位移量越大，坡體頂部位移要比底部位移變化大，兩岸同一高程相對(duì)應(yīng)位置，右岸位移要明顯大于左岸。