某水電站左岸壩基巖體卸荷松弛特征與形成機制

胡榮兵，任光明，劉曉宇

(地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059)

0 引言

隨著我國水電站的大規(guī)模開發(fā)，壩基巖體卸荷松弛現象越來越受到重視，大量工程實踐表明[1-4]，壩基巖體卸荷松弛對水電站安全建設起到至關重要的作用。壩基邊坡卸荷是伴隨邊坡開挖或河谷下切過程中，應力釋放導致邊坡巖體向臨空面發(fā)生卸荷回彈變形，應力場進行調整，伴隨這一過程在邊坡淺部一定深度范圍內所產生的一套變形破裂行為[5]。國內外學者對巖體卸荷的形成機制、卸荷帶的劃分、工程巖體卸荷破壞特征等均進行了大量研究,并取得了較大進展，如黃潤秋等[6]將三峽船閘高邊坡開挖卸荷作為巖質高邊坡卸荷帶形成機理研究的實例,從應力變化及力學機制方面進行分析,并提出了數值計算中卸荷帶的判別標準;哈秋舲[7]指出巖體高邊坡工程的力學狀態(tài)主要為卸荷，并提出了“各向異性卸荷巖體力學”的概念；任光明等[8]綜合考慮國內外卸荷巖體大量實測資料及其特征指標,以裂隙開度、縱波速度、透水系數等指標來探討巖體卸荷帶定量劃分問題；吳剛[9]回顧了工程巖體卸荷破壞機制的研究現狀，對該方面研究的主要問題和發(fā)展方向進行了展望；王運生等[10]對大渡河谷底卸荷松弛現象及其形成機制進行了探討，并與谷坡卸荷進行了比較；王吉亮[11]討論了壩基巖體開挖后巖體卸荷變形破壞形式，分析了表層卸荷松弛帶的劃分、空間分布特征及其成因。由于卸荷松弛現象的復雜性及相關地質條件的差異性，對于壩基卸荷松弛機制的研究還有待進一步深入研究。本文在現有研究基礎上，結合某水電站工程實際，詳細分析了左岸壩基卸荷松弛特征，并在此基礎上結合數值模擬方法對其形成機制進行了分析，以期為該類壩基的穩(wěn)定性研究提供參考。

1 工程區(qū)地質環(huán)境條件

壩區(qū)位于金沙江下游河段，屬于中山峽谷地貌，總體地勢為北高南低，河谷呈不對稱的“V”字形，左岸相對右岸較緩。地質構造上有包括斷層、層間錯動、層內錯動、裂隙等形式在內的斷裂構造及隱晶質玄武巖內普遍發(fā)育的柱狀節(jié)理。主要發(fā)育有北東向F17及北西向的F14、F16等斷層，左岸同時發(fā)育有C3、C3-1等層間錯動帶及較長的層內錯動帶LS342、LS3319、LS351及LS421等(圖1)。地層以二疊系上統(tǒng)峨眉山組玄武巖為主，尤以柱狀節(jié)理玄武巖分布最為廣泛，玄武巖屬于堅硬巖，抗風化能力較強，風化作用主要沿斷層、裂隙及緩傾角錯動帶進行，以裂隙式和夾層狀風化特征為主。

圖1 研究區(qū)工程地質平面圖Fig.1 Engineering geological plan of research area

2 卸荷松弛特征

左岸壩基上覆巖體開挖后，打破了原有應力平衡狀態(tài)，應力進行二次調整，在這一過程中淺表部巖體產生卸荷松弛現象。現場調查分析發(fā)現，這類現象主要表現為原有裂隙的張開、新裂隙的產生、裂隙密集帶、類“板裂”以及“蔥皮”等現象：(1)原有裂隙張開。開挖前柱狀節(jié)理玄武巖柱體間節(jié)理、柱內微裂隙處于微張或閉合狀態(tài)，開挖后可見沿節(jié)理裂隙張開現象(圖2)，玄武巖柱體內微裂隙主要有兩類：近平行柱面的陡傾裂隙(傾角為70°～85°)及橫切柱面的緩傾裂隙(傾角為10°～30°)。這種現象分布于左岸整個開挖壩基之上平均發(fā)育深度約為0.2 m，屬于拉張性質，具有顯著的繼生性；(2)新裂隙產生。在開挖爆破瞬間產生的高壓氣體和沖擊波使巖體產生新的裂隙，其典型特征為裂隙延伸長度較短，延伸方向具有較強的隨機性，裂隙張開度一般2～5 mm，裂面粗糙起伏無充填，具有明顯的張性破壞特征，該現象主要見于爆破預裂孔附近，深度約為0.6～0.8 m；(3)裂隙密集帶。主要見于緩傾錯動帶附近，前期構造作用導致周圍巖體裂隙發(fā)育，在開挖之前處于壓密狀態(tài)，開挖后淺表部約束解除，應力調整，容易在錯動帶附近產生應力集中，導致裂隙微張從而形成裂隙密集帶，尤其是在錯動帶LS342、LS351及LS421附近更為明顯；(4)“蔥皮”現象。建基面開挖后巖體應力釋放強烈，在巖體表層出現“蔥皮”現象(圖3)。該現象主要分布于完整或塊狀微新和新鮮角礫熔巖巖體表層，薄層巖片厚度一般在3～10 cm；裂隙傾向坡外，傾角略小于開挖坡角，總體走向一般同坡面走向一致，走向長度常受炮孔和限制一般為0.2～0.5 m，裂縫向坡內的延伸長度不大，一般小于0.1～0.3 m，裂隙兩端常常向上彎曲，影響深度一般在0.2 m以內；(5)類“板裂”現象。柱體沿橫向微裂隙貫通面產生剝落，類似“板裂”現象。開挖卸荷后巖體向臨空面回彈，應力二次調整，橫向微裂隙逐漸貫通張開，在重力作用下柱體發(fā)生脫落。板裂的厚度約為0.1～0.4 m，而且具有中間厚，向兩邊逐漸尖滅的特點，該現象主要見于左岸壩基600 m高程以下，在錯動帶LS3319附近較為明顯。

圖2 應力調整導致微裂隙張開Fig.2 Stress adjustment leads to micro-crack opening

圖3 保護層巖體蔥皮現象Fig.3 Protective layer rock body onion phenomenon

3 卸荷松弛影響因素

卸荷松弛現象的影響因素有許多，針對該水電站左岸壩基總結為以下幾個方面：(1)地質條件影響。左岸壩基巖性主要為柱狀節(jié)理玄武巖，柱體長度一般2～3 m，直徑13～25 cm，柱體內節(jié)理微裂隙發(fā)育且表觀完整性差?，F場調查發(fā)現，玄武巖柱體內發(fā)育有近平行柱面及橫切柱面的兩組微裂隙，為卸荷松弛提供了基礎條件。此外，左岸分布有多條斷層及錯動帶，這些部位容易產生應力集中，開挖后結構面作為應力釋放的窗口，其附近卸荷松弛現象更顯著。(2)爆破影響。爆破的方式、炮孔的孔徑、裝藥量、炮孔之間的距離都會對巖體的松弛產生影響。爆破時瞬間釋放高強度應力波施加到巖體上，能量沿著柱玄巖巖體內節(jié)理微裂隙傳播耗散，從而加劇了巖體內部裂隙的張開、擴展。左岸壩基邊坡的開挖采用的是預裂爆破方式，即預先沿著設計的輪廓線爆破出一條一定寬度的裂縫，這樣可以對保留巖體的破壞降到最小。(3)開挖卸荷影響。邊坡開挖改變了巖體原有的應力環(huán)境，應力進行二次調整，建基面附近巖體由原先的三向受壓狀態(tài)，轉化為二維受力狀態(tài)。在應力調整過程中，巖體儲存的能量釋放，柱狀節(jié)理玄武巖節(jié)理裂隙發(fā)育，因此沿著原有的節(jié)理面、微裂隙張開擴展并產生新的裂隙，從而造成巖體產生松弛。

以上所述是影響卸荷松弛現象的三個方面，其中地質條件是產生卸荷松弛現象的基礎條件，爆破是誘發(fā)因素，而開挖卸荷則是導致松弛的直接因素。

4 卸荷松弛機制分析

4.1 爆破作用導致松弛

爆破作用造成左岸壩基巖體松弛主要是由于爆破瞬間會產生巨大的能量，這種能量沿著巖體中密集發(fā)育的柱狀節(jié)理面和微裂隙衰減和耗散，對建基巖體施加了一個高強度的應力波[12]，巖體急劇卸荷并向臨空面回彈，原有應力場被破壞，應力進行二次調整。在邊坡淺表部，最大主應力σ1平行于開挖面，調整相對較慢，而最小主應力σ3垂直于開挖面，降低較快，局部甚至出現拉應力。按照摩爾-庫倫準則，摩爾圓逐漸擴大(圖4)，最終觸及甚至突破包絡線時，巖體中隱微裂隙張開相互貫通，最終巖體發(fā)生破壞產生結構性松弛。因此在建基面常見裂隙張開、新裂隙產生等卸荷松弛現象。

圖4 爆破作用導致莫爾圓的變化Fig.4 Blasting causes changes in the Moiré circle

4.2 應力調整導致松弛

圖6 開挖前后最大主應力圖Fig.6 Maximum principal stress before and after excavation

左岸壩基巖體原本賦存于一定的應力環(huán)境中，開挖后原有應力平衡被打破，應力重新調整，這種調整從開挖臨空面至巖體內部呈逐漸減弱的趨勢[13-14]。淺表部巖體破壞主要受控于與開挖面平行的最大主應力，當滿足格里菲斯準則時就會產生與開挖面近平行的壓致—拉裂卸荷。在上述分析基礎上，建立數值計算模型來分析卸荷松弛機制。首先按照實際開挖方案進行建模，共分為32個開挖梯段，利用AutoCAD將左岸邊坡實際地形及地層導入phase2軟件中，數值模型網格選取標準三角形單元，共20 729個單元，10 572個節(jié)點，據勘察資料結合工程類比確定的介質參數見表1。從左岸開挖前應力矢量圖(圖5)可以看出，谷坡淺表部主要受重力場控制，σ1豎直，σ3水平，坡體內部過渡到受構造應力場控制，靠近坡面最大主應力平行于坡面，最小主應力與之正交，在坡腳和錯動帶、斷層附近應力集中。

圖5 左岸邊坡開挖前應力矢量圖Fig.5 Left bank slope excavation before stress vector

左岸壩基開挖后，靠近開挖面σ1方向逐漸與坡面平行，σ3方向與之垂直，距開挖面一定深度范圍形成應力降低區(qū)。以580 m高程為例，其開挖前后σ1、σ3調整如圖6、圖7所示，從圖中可以看出坡面σ1、σ3分別為11.56 MPa、2.50 MPa，開挖后分別降低至4.35 MPa、0.12 MPa。左岸580 m高程靠近河床，開挖前巖體處于高應力狀態(tài)，開挖后上覆荷載快速解除，而柱狀節(jié)理玄武巖巖體內節(jié)理、裂隙發(fā)育，使應力得到較大釋放。巖體向臨空面卸荷回彈，擾動了原有應力平衡狀態(tài)，應力重新分布形成“駝峰應力”。為研究開挖前后σ1、σ3值的整情況，比較開挖前后距開挖面不同深度處應力值變化，在距開挖面每隔10 m位置處布置監(jiān)測點來記錄其應力值變化情況(圖8)，由圖8可以看出在距開挖面0～30 m范圍形成明顯的應力降低區(qū)，開挖面以里30～90 m為應力增高區(qū)，90 m之后為原巖應力區(qū)。在應力降低區(qū)，最大主應力值降低幅度較小，平均為30.03%，而最小主應力降低73.49%，幅度顯著高于最大主應力，在開挖面附近最小主應力降低為0，甚至可能出現拉應力，越往坡體內部應力降幅越小。

圖7 開挖前后最小主應力圖Fig.7 Minimum principal stress before and after excavation

圖8 開挖前后距開挖面不同深度主應力值變化圖Fig.8 Principal stress value map at different depths from excavation face before and after excavation

介質類型容重γ/(MN·m-3)變形模量E/MPa泊松比μ內聚力C/MPa內摩擦角φ/(°)殘余內聚力Cr/MPa殘余內摩擦角φr/(°)抗拉強度σt/MPa強風化玄武巖0.025150000.2850.6350.40281弱風化玄武巖0.026380000.2700.8440.55354微新玄武巖0.028500000.2501.2510.90406斷層0.0211000.340.02200.005120錯動帶0.0232000.320.08250.006180

綜上所述，開挖之后發(fā)生應力調整使得開挖面淺表部產生拉—壓應力組合區(qū)，建基面表層附近巖體卸荷松弛受最大、最小主應力共同控制，開挖面淺表部最大主應力作用方向始終與橫切柱面的裂隙平行，當滿足Griffith準側時，受拉、壓應力影響使得巖體中裂隙擴展、張開相互貫通，最終沿著裂隙貫通面產生剝落從而出現前述各種卸荷松弛特征，其形成機制為壓致—拉裂卸荷。

5 結論

(1)左岸壩基開挖之后應力重新分布形成了原裂隙的張開、新生裂隙、裂隙密集帶、類“板裂”及“蔥皮”等卸荷松弛現象。

(2)左岸壩基卸荷松弛現象是由爆破作用所產生的瞬時調整以及開挖之后出現的時效性應力調整兩者共同作用所形成。爆破作用產生的破壞能量沿著柱狀節(jié)理玄武巖節(jié)理面、微裂隙不斷衰減、耗散，開挖后壩基巖體表面最大、最小主應力產生調整進行重分布，形成機制為壓致—拉裂卸荷。

(3)以地質分析結合數值模擬方法對壩基卸荷松弛現象進行研究，為壩基穩(wěn)定性評價提供相關依據，此種方法可以為同類工程提供參考。