某高拱壩壩基開挖卸荷松弛時空效應(yīng)

(成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

1 研究背景

大壩的建設(shè)過程中，壩基的開挖造成建基巖體出現(xiàn)大面積陡峭臨空面，引起周圍巖體的應(yīng)力調(diào)整重分布以達到相對平衡。應(yīng)力調(diào)整造成基巖卸荷松弛，卸荷松弛過程包括開挖時的瞬時爆破松弛和開挖后地應(yīng)力調(diào)整時期的淺層巖體卸荷松弛[1]。爆破松弛的持續(xù)時間很短，難以直接測定，一般以開挖期間第一次測得的松弛深度作為爆破松弛深度；由地應(yīng)力調(diào)整造成的卸荷松弛一般持續(xù)6～15個月[2]，甚至更長。建基面松弛巖體具有一定的厚度，稱為松弛帶，其特征是巖石體積膨脹，密度降低；裂隙增加，裂隙張開度和連通率增加，巖體完整性變差；斷裂結(jié)構(gòu)面開度增大并擴展延伸；波速大幅降低；力學性能下降。松弛帶巖體質(zhì)量較差，難以達到工程設(shè)計要求，必須采取人工加固措施。劃分松弛帶厚度的量化指標主要有單位裂隙密度[3]、裂隙率和張開裂隙率[4-5]、裂隙開度[6-7]、縱波波速和波速比[5-8]等指標。但這些指標本質(zhì)上都與巖石的體積膨脹、裂隙增密、開度增大、連通率增加緊密相關(guān)。龐波等[9]以裂隙率、張開裂隙率和縱波波速作為卸荷分帶量化指標，刪繁化簡，同時以峨眉山玄武巖為實例驗證了其可靠性；但測量與統(tǒng)計裂隙仍然是一項繁雜的工作，耗時長，工作量大。

聲波檢測作為一種快速便捷的方法更適用于大規(guī)模的巖體開挖檢測工程。王宏圖等[10]對彈性波在裂隙巖體中的有效動彈性參數(shù)與彈性波速關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)彈性波速隨裂隙密度參數(shù)的增大而逐漸減小，近似呈倒數(shù)函數(shù)的非線性相關(guān)；且當裂隙密度較小時，彈性波速對其微小增加非常敏感。聲波波速與裂隙密度參數(shù)的高度相關(guān)性既可以直觀反映巖體的松弛程度[11]，又可以快速定量獲取數(shù)據(jù)。何彩華[12]、易毅等[13]提出利用低波速帶結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)條件確定風化帶、松弛帶，解釋裂隙和軟弱夾層，這是對聲波數(shù)據(jù)的深度應(yīng)用；利用波速劃分松弛帶目前有兩種標準：一種是依據(jù)縱波波速突變點作為松弛巖體與未松弛巖體的分界[14-16]；肖國強等[17]提出將孔口附近波速與遠離孔口相對穩(wěn)定的平均波速對比來劃定松弛帶，該方法嚴謹可靠，本文將采用此方法作為劃分松弛帶標準；易毅等[18]在高拱壩壩基巖體松弛時間與空間效應(yīng)研究中總結(jié)出松弛深度、波速衰減率、裂隙密度與開度的時間與空間關(guān)系規(guī)律，但對巖體卸荷松弛的變化過程表述很少，缺乏過程完整性。

本文立足于某高拱壩壩基開挖全過程，對壩基巖體進行長期跟蹤聲波檢測，獲得大量一手資料，總結(jié)出壩基巖體卸荷松弛的時空效應(yīng)。壩基巖性主要為二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖，包括杏仁狀玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖、柱狀節(jié)理玄武巖和角礫熔巖。柱狀節(jié)理玄武巖的柱狀節(jié)理發(fā)育，以柱狀鑲嵌結(jié)構(gòu)為主[19];杏仁狀玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖、角礫熔巖完整性較好，以塊狀和次塊狀結(jié)構(gòu)為主。依據(jù)巖體結(jié)構(gòu)與波速的關(guān)系[20]，將杏仁狀玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖、角礫熔巖劃為一類，暫名為A類巖；柱狀節(jié)理玄武巖劃為一類，暫名為B類巖。對某高拱壩建基巖體的長觀孔進行長期的聲波觀測，以開挖后的當天、15 d、1個月為期，之后每個月進行一次檢測，左、右岸檢測12個月以上，580 m高程以下為2個月。對4條測線上的105個長觀孔，累計得到21 496 m長觀孔聲波數(shù)據(jù)。

2 壩基巖體松弛帶劃分標準

與未擾動巖體相比，松弛帶巖體的波速明顯降低。理論上應(yīng)在巖體開挖前后對同一鉆孔進行檢測，以開挖前原始波速平均值為標準，對比開挖前后波速，將孔口附近低于標準波速的巖體厚度劃定為松弛帶。但由于前期施工中已對淺層巖體造成擾動，難以取得建基面附近巖體的原始波速，所以應(yīng)根據(jù)波速-孔深曲線，取遠離孔口相對穩(wěn)定的波速平均值作為標準波速，將孔口附近低于標準波速的巖體厚度劃為松弛帶厚度。壩基巖體不同巖性標準波速如表1所列。

表1 壩基巖體松弛帶的標準波速Table 1 Standard wave velocity in relaxation zone of dam foundation

3 壩基巖體松弛的時間效應(yīng)

基巖開挖后的應(yīng)力調(diào)整重分布引起的卸荷松弛是一個長期、大范圍的過程，松弛帶厚度和巖體不同深度的波速衰減具有一定的時間效應(yīng)。巖體松弛的時間效應(yīng)指巖體從天然狀態(tài)到開挖后的一段時期，隨觀測時間增加，建基面巖體松弛帶厚度增加，巖體波速減小、波速衰減率增加等一系列效應(yīng)。

本文將2個月內(nèi)松弛帶平均厚度增幅<0.05 m視為松弛效應(yīng)在縱深上減弱或停止的時間標準；將2個月內(nèi)波速衰減率增幅<1%作為巖體裂隙增加和擴張出現(xiàn)減弱或停止的時間標準。

3.1 壩基巖體松弛帶厚度的時間效應(yīng)

根據(jù)長觀孔觀測結(jié)果，松弛帶厚度范圍和平均值與時間呈正相關(guān)，隨時間增加厚度持續(xù)增加。左、右岸基巖松弛帶厚度范圍和平均值如表2所列，松弛帶厚度平均值隨時間變化如圖1所示。

表2 松弛帶厚度的平均值和范圍值與時間的關(guān)系Table 2 Variations of the average and range of relaxation zone’s thickness against time

圖1 基巖松弛帶平均厚度變化與時間關(guān)系Fig.1 Relationship between thickness of relaxation zone and time

在開挖期，松弛帶主要為爆破松弛厚度；A類巖爆破松弛厚度為0.53～1.4 m，平均0.94 m；B類巖爆破松弛厚度為0.53～1.43 m，平均1.07 m。開挖后6個月內(nèi)，平均松弛帶厚度以一定速率逐漸增加，6～10個月增速逐漸減小，平均松弛帶厚度趨于穩(wěn)定；10個月后平均松弛帶厚度基本穩(wěn)定，A類巖平均松弛帶厚度為2.16 m，厚度范圍1.60～4.24 m；B類巖平均松弛帶厚度為2.26 m，厚度范圍1.43～4.4 m。結(jié)果反映出巖體松弛發(fā)育的時間效應(yīng)為先快后慢，逐漸趨于穩(wěn)定，8～10個月后松弛的縱深發(fā)展減弱直至停止；巖體結(jié)構(gòu)對松弛帶的發(fā)展有一定負面影響。

3.2 壩基巖體波速衰減率的時間效應(yīng)

采用波速衰減率來量化評估巖體松弛程度是非常直觀的方法。波速衰減率公式[21]有

(1)

式中:η為波速衰減率；V0為開挖前某一深度巖體縱波速度；Vi為開挖后某一深度巖體縱波速度(i=1，2，…，n)。

A類巖和B類巖不同深度平均波速衰減率隨時間的變化，如圖2所示。在0～2，2～5，5～10，10～20 m深度巖體的平均波速衰減率隨時間逐漸增加。開挖后0～8個月為主要波速衰減期，從衰減率變化曲線的斜率上看，衰減速率逐漸減?。?～10個月后波速衰減率增加很小，說明各巖性巖體的卸荷松弛在8～10個月后減弱或停止；同時5～10，10～20 m深度段波速衰減率增長在6～10個月基本完成，0～2 m深度段的波速衰減率增長在10～12個月減弱或停止，說明深部巖體裂隙增加和擴張的時間更短，淺部巖體內(nèi)部的裂隙擴張持續(xù)時間更長。0～2 m深度段在12個月后的平均波速衰減率為25%～27%；2～5 m深度段在12個月后的平均波速衰減率為14%～16%，5～10 m深度段在10個月后的達到8%～12%，10～20 m深度段在8個月后平均波速衰減率僅為3%～4%。由于巖體結(jié)構(gòu)差異較大，B類巖10個月后的平均波速衰減率略大于A類巖，說明巖體結(jié)構(gòu)越差波速衰減率越高。

圖2 巖體平均波速衰減率與時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between average attenuation rate of wave velocity in rock mass and time

4 壩基巖體松弛的空間效應(yīng)

壩基是一個立體空間，巖體的卸荷松弛包括建基巖體在不同區(qū)域和深度上的卸荷松弛，即卸荷松弛的空間效應(yīng)。

4.1 壩基巖體松弛的平面特征

壩基建基面平面呈弧形，以觀測12個月(580 m以下高程觀測2個月)的松弛帶厚度做平面等值線圖，如圖3所示。

圖3 壩基建基面松弛帶厚度平面等值線圖Fig.3 Plane contours of the thickness of relaxation zone of dam foundation

將壩基建基面按高程分為高高程、中高程和低高程，高高程為834～700 m，中高程為700～600 m，低高程為600～545 m。由圖4可知，左岸高高程松弛帶厚度在1.56～3.64 m，平均1.87 m；左岸中高程松弛帶厚度在0.85～4.4 m，平均1.96 m；低高程松弛帶厚度在0.54～3.4 m，平均1.58 m；右岸中高程松弛帶厚度在1.45～3.2 m，平均2.07 m；右岸高高程松弛帶厚度在1.62～3.14 m，平均2.14 m。左岸高高程坡比1.06～1.38，中高程坡比0.58～1.06；右岸高高程坡比1.94～2.1，中高程坡比0.92～1.94。對比平均松弛帶厚度可得到兩岸基巖的松弛帶厚度隨坡比增加有先減小后增加的趨勢，有一個最優(yōu)的坡比設(shè)計范圍，即坡比為1.06～1.38。

將松弛帶厚度分為<1.80，1.80～2.20，2.20～2.60，>2.60 m 4個范圍，各松弛帶厚度范圍所占比例如表3所列?？傮w上看，壩基中軸線附近的松弛帶厚度大，趨向兩側(cè)厚度逐漸減小。左岸松弛帶厚度<2.2 m約占4/5，主要集中在640～720 m高程中間區(qū)，厚度>2.6 m占比很?。挥野端沙趲Ш穸戎饕獮?.8～2.6 m，約占4/5，主要集中在620～800 m高程中間區(qū)；河床低高程觀測周期為2個月，<1.8 m的松弛帶厚度約占3/5,1.8～2.2 m的約占1/3，>2.2 m的占比很小。

表3 各松弛帶厚度范圍所占比例Table 3 Percentage of the thickness of each relaxation zone

4.2 壩基巖體松弛的垂向特征

巖體卸荷松弛造成裂隙密度增大、張開度增大，波速降低，巖體滲漏水嚴重等現(xiàn)象。鉆孔不同深度平均波速衰減率和個別鉆孔滲水特征表明了巖體卸荷的垂向特征。不同巖性長觀孔波速變化的空間效應(yīng)如圖4所示?？卓诟浇ㄋ俳档兔黠@，多在孔深4 m以內(nèi)，在長大結(jié)構(gòu)面或軟弱層帶附近出現(xiàn)低波速帶，隨孔深增加波速增大且逐漸穩(wěn)定。在長觀孔聲波觀測過程中觀測到個別鉆孔的漏水現(xiàn)象，個別長觀孔漏水深度變化如表4所列。

鉆孔編號開挖后不同時間的長觀孔漏水深度/m3個月4個月5個月6個月8個月10個月B1-10.60.60.62.02.02.0B1-21.05.25.25.25.48.0B4-18.613.013.013.013.2—D2-52.06.66.66.69.0—D4-110.014.414.614.614.6—A2-30.66.46.46.69.69.6B2-50.61.01.63.89.89.8B3-60.60.61.01.04.04.0

漏水深度逐漸加深，呈跳躍式發(fā)展，通常在某一深度保持數(shù)月后跳躍式增至另一深度。在深入研究后發(fā)現(xiàn)，漏水深度的變化主要有兩方面原因：一是巖體卸荷回彈，應(yīng)變超過巖石的極限拉應(yīng)變，造成微裂隙和結(jié)構(gòu)面張開，順坡面產(chǎn)成層裂現(xiàn)象[22-23]，巖體的裂隙密度增加、開度增大，裂隙連通率提高，進而在淺表部形成裂隙網(wǎng)絡(luò)[24]，多出現(xiàn)在3 m深度以內(nèi)的淺層巖體，流失水量出現(xiàn)在下方巖石表面；另一種是受長大結(jié)構(gòu)面、軟弱層帶影響，這些位置是常見的應(yīng)力集中區(qū)，巖體的卸荷回彈使長大結(jié)構(gòu)面和軟弱層帶周圍裂隙張開、增密，形成滲流通道，滲水沖刷裂縫擴大滲流通道，流失水量進入深部巖體。由于以上原因，盡管漏水深度表現(xiàn)為跳躍式發(fā)展，但巖體的卸荷回彈和裂隙張開、增密形成的裂隙網(wǎng)絡(luò)則是逐漸加深的。

4.3 壩基巖體波速衰減率的空間效應(yīng)

統(tǒng)計長觀孔0～2，2～5，5～10，10～20 m深度低于標準波速的平均波速衰減率如圖5所示，各深度段波速衰減率具有一定空間位置關(guān)系，0～2 m段平均波速衰減率最大為26.84%，2～5 m段平均波速衰減率最大為15.41%；5～10 m段的平均波速衰減率最大為11.22%；10～20 m段平均波速衰減率最大為3.51%。不同深度段波速衰減率在卸荷周期內(nèi)增加幅度明顯不同，0～2 m段平均波速衰減率在10個月內(nèi)增加12%～14%，2～5 m段平均波速衰減率在同等周期內(nèi)增加6%～9%；5～10 m段的平均波速衰減率在同等周期內(nèi)增加4%～6%；10～20 m段增加2%～3%。其中B類巖各深度段的波速衰減率增幅比A類巖略大。從卸荷時間上對比，開挖期至開挖后3個月平均波速衰減率增加較多，之后逐漸減小，且?guī)r體深度越大，平均波速衰減率的增加量越小。說明越靠近孔口，波速衰減越明顯，巖體卸荷松弛程度越大。

圖5 巖體平均波速衰減率的空間特征Fig. 5 Spatial variation of average attenuation rate of wave velocity in rock mass

5 結(jié) 論

(1)巖體卸荷松弛主要在開挖后的前8個月，應(yīng)力迅速釋放，卸荷速率快，波速衰減大；8～10個月逐漸減速，平均松弛帶厚度和波速衰減變化逐漸減??；10～12個月后卸荷松弛基本結(jié)束，波速衰減率和松弛帶厚度趨于穩(wěn)定。

(2)不同巖性的松弛程度與巖體結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系，巖體結(jié)構(gòu)越差，松弛程度越高，A類巖平均松弛帶厚度2.16 m，B類巖為2.26 m。

(3)松弛帶厚度與坡比之間存在一個最優(yōu)坡比值，在1.06～1.38的坡比下，基巖平均松弛帶厚度最小。

(4)表層巖體波速衰減率增幅大，速率快，越向深部，增幅越小，變化速率越小。不同深度巖體卸荷松弛持續(xù)時間不同，深部巖體比淺層巖體提前2～4個月達到波速衰減率基本穩(wěn)定的狀態(tài)。

(5)表層巖體“層裂”現(xiàn)象和深部長大結(jié)構(gòu)面及軟弱層帶卸荷擴張形成裂隙網(wǎng)絡(luò)造成鉆孔漏水深度呈跳躍式加深，但裂隙網(wǎng)絡(luò)是巖體漸進式卸荷松弛形成的。一些長大結(jié)構(gòu)面形成的滲流通道可能影響大型巖塊的穩(wěn)定，所以有必要盡快實施加固措施。