爆破開挖擾動下錨固節(jié)理巖質(zhì)邊坡位移突變特征與能量機(jī)理*

楊建華，代金豪，姚 池，胡英國，張小波，周創(chuàng)兵

（1. 南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031；2. 長江水利委員會長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010）

中國西南地區(qū)大型水電工程高邊坡工程規(guī)模巨大、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、工程作用強(qiáng)烈，高邊坡的變形與穩(wěn)定控制是高壩工程建設(shè)與運(yùn)行安全的重要保障。鉆孔爆破是水電工程巖石高邊坡開挖的主要手段，節(jié)理巖質(zhì)邊坡在爆破開挖過程中常發(fā)生位移突變，影響邊坡的穩(wěn)定。預(yù)應(yīng)力錨索作為一種主動支護(hù)技術(shù)，因其施工方便、見效快和造價低等優(yōu)點(diǎn)在邊坡支護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用，有效地控制了邊坡巖體的位移突變。

對于節(jié)理巖質(zhì)邊坡的位移突變問題，國內(nèi)外學(xué)者從卸荷松動和爆炸荷載擾動的角度進(jìn)行了廣泛的研究。Yoshida 等、Sheng 等通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析，認(rèn)為開挖引起邊坡巖體內(nèi)應(yīng)力釋放及重分布是造成邊坡表面巖體位移增加、節(jié)理張開及滑移的主要原因。盧文波等的研究表明，爆破開挖過程中巖體初始地應(yīng)力的釋放具有瞬態(tài)特性，地應(yīng)力的瞬態(tài)釋放會導(dǎo)致巖體節(jié)理張開；羅憶等采用室內(nèi)試驗驗證了地應(yīng)力瞬態(tài)卸載條件下的節(jié)理巖體位移突變問題，并認(rèn)為突變位移與初始地應(yīng)力的平方成正比。Gran 等通過對節(jié)理巖體模型進(jìn)行爆破試驗，發(fā)現(xiàn)爆炸應(yīng)力波傳播至節(jié)理處發(fā)生反射會將節(jié)理拉開；金李等利用一維應(yīng)力波理論對節(jié)理巖體的爆破松動機(jī)理進(jìn)行了分析；代金豪等則從能量的角度研究了節(jié)理巖體的爆破松動問題，認(rèn)為爆炸荷載作用期間巖體積累的應(yīng)變能及其釋放速率決定了巖體的爆破松動位移。以往的研究多將地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷和爆炸荷載擾動效應(yīng)分開討論，較少涉及二者耦合作用下節(jié)理巖質(zhì)邊坡的位移突變特征。

在工程現(xiàn)場，邊坡爆破開挖施工與錨固支護(hù)常穿插進(jìn)行。眾多學(xué)者在預(yù)應(yīng)力錨索對節(jié)理巖質(zhì)邊坡變形控制的機(jī)理方面開展了研究，如丁秀麗等提出預(yù)應(yīng)力錨索錨固效應(yīng)使得巖體力學(xué)性能劣化在邊坡開挖過程中得到緩解，進(jìn)而抑制了邊坡變形；Yang 等通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，錨索預(yù)應(yīng)力的施加可有效改善巖體的應(yīng)力狀態(tài)并提高軟弱面的抗滑力，從而達(dá)到控制邊坡變形的目的；李劍等則認(rèn)為對于高陡巖質(zhì)邊坡，預(yù)應(yīng)力錨索主要在于限制潛在可動滑體在開挖過程中的位移發(fā)展。上述有關(guān)預(yù)應(yīng)力錨索控制邊坡變形的機(jī)理研究多針對靜態(tài)或擬靜態(tài)力學(xué)條件進(jìn)行。對于深切河谷底部地應(yīng)力集中區(qū)的邊坡巖體爆破開挖，存在爆炸荷載與地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷2 種動力擾動。有關(guān)爆炸荷載與地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷耦合作用下的錨固節(jié)理巖質(zhì)邊坡位移突變機(jī)理，目前研究還較為少見。

本文中，首先，對白鶴灘水電站左岸壩基節(jié)理巖質(zhì)邊坡爆破開挖過程中的巖體位移及錨索軸力進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測資料分析；然后，建立三維節(jié)理巖質(zhì)邊坡數(shù)值模型，分析爆炸荷載與地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷耦合作用下節(jié)理巖質(zhì)邊坡的位移突變特性及其能量機(jī)理，并從能量的角度研究預(yù)應(yīng)力錨索對節(jié)理巖質(zhì)邊坡位移突變的控制機(jī)理。

1 節(jié)理巖質(zhì)邊坡位移突變與預(yù)應(yīng)力錨索軸力監(jiān)測分析

1.1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，左岸壩基邊坡巖體由峨眉山玄武巖構(gòu)成，其中834～820 m 高程的巖體主要為弱風(fēng)化下段、弱卸荷的Ⅲ類巖體，820～600 m 高程的巖體主要為弱風(fēng)化下段～微新無卸荷的Ⅲ類巖體，600 m 高程以下的巖體主要是微新無卸荷的Ⅱ類巖體，如圖1 所示。680 m 高程出露的NE 向斷層F斜切壩基邊坡，在F上盤巖體中發(fā)育有NNW 向張扭性斷層f和f、層間錯動帶C和C以及層內(nèi)錯動帶LS、LS和LS等。在F下盤巖體中存在有順坡向的層內(nèi)錯動帶LS、LS和LS等，還發(fā)育有縱橫交錯且易松弛的柱狀節(jié)理和微裂隙。

圖1 白鶴灘水電站左岸壩基邊坡地質(zhì)剖面圖Fig. 1 Geological section of the left-bank dam foundation slope at the Baihetan hydropower station

1.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

隨著左岸壩基邊坡爆破開挖施工向河谷底部推進(jìn)，LS、LS、LS等順坡向?qū)觾?nèi)錯動帶和柱狀節(jié)理巖體在620～580 m 高程逐漸出露，這些軟弱結(jié)構(gòu)面交錯切割巖體形成的潛在可滑動塊體與臨空面構(gòu)成了不利組合，嚴(yán)重威脅邊坡的穩(wěn)定性。為此，現(xiàn)場垂直于建基面布置長短不等的預(yù)應(yīng)力錨索對壩基邊坡潛在不穩(wěn)定塊體進(jìn)行加固，錨索預(yù)應(yīng)力等級為3000 kN。

為掌握開挖施工過程中壩基邊坡的位移變化情況及預(yù)應(yīng)力錨索的工作性態(tài)，現(xiàn)場開展了邊坡變形與預(yù)應(yīng)力錨索軸力的聯(lián)合監(jiān)測，如圖2 所示。在615 m 高程處布置了一個表面位移計，編號為D1；考慮到層內(nèi)錯動帶LS在開挖過程中可能會產(chǎn)生過大的滑動而引起邊坡失穩(wěn)，在1 號帷幕洞與1 號排水洞的側(cè)壁上分別布置了一套裂縫計監(jiān)測裂縫的開合度和錯動位移，編號分別為F1 和F2；在607 和600 m 高程處3000 kN級的預(yù)應(yīng)力錨索上分別安裝了一套錨索測力計，編號分別為C1 和C2。

圖2 邊坡位移與預(yù)應(yīng)力錨索軸力監(jiān)測點(diǎn)布置Fig. 2 Arrangement of the observation points for monitoring the slope displacement and anchor cable axial force

1.3 邊坡位移及錨索軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2016 年6 月1 日至2016 年8 月23 日，白鶴灘水電站左岸壩基邊坡從605 m 高程開挖至580 m 高程，607 和600 m 高程處3000 kN 級預(yù)應(yīng)力錨索分別在2016 年6 月1 日和7 月3 日前安裝完成。該段時間內(nèi)邊坡表觀測點(diǎn)D1 處的水平位移、內(nèi)部裂縫監(jiān)測點(diǎn)F1 處的錯動位移和F2 處的張開位移隨時間變化如圖3 所示。從圖3 可以看到，爆破開挖施工期間，各監(jiān)測點(diǎn)的位移增長較快，特別是在595～590 m高程和590～585 m 高程梯段爆破時，由于爆區(qū)距F1 和F2 監(jiān)測點(diǎn)較近，F(xiàn)1 監(jiān)測點(diǎn)的錯動位移和F2 監(jiān)測點(diǎn)的張開位移均有在爆破后大幅突然增加的現(xiàn)象，即位移突變。與此同時，邊坡表面監(jiān)測點(diǎn)D1 也發(fā)生了多次較明顯的位移突變。盡管位移監(jiān)測點(diǎn)所在高程的預(yù)應(yīng)力錨索已經(jīng)安裝完成，但位移突變現(xiàn)象仍有發(fā)生。2016 年8 月23 日梯段爆破施工停止后，各監(jiān)測點(diǎn)的位移增長較為緩慢，且逐漸趨于穩(wěn)定。截至2016 年10 月29 日，邊坡表面測點(diǎn)D1 處的水平位移為29.9 mm，內(nèi)部監(jiān)測點(diǎn)F1 處的錯動位移為7.0 mm、F2 處的張開位移為6.8 mm。

圖3 各監(jiān)測點(diǎn)位移隨時間變化曲線Fig. 3 Slope displacement histories at the different observation points

錨索監(jiān)測點(diǎn)C1 和C2 處的軸力變化如圖4 所示，在595～590 m 高程梯段爆破開挖期間，607 m 高程處C1 監(jiān)測點(diǎn)因距爆區(qū)較近且爆破規(guī)模較大，該監(jiān)測點(diǎn)的錨索軸力出現(xiàn)了明顯的突增現(xiàn)象，增量為54.6 kN，在隨后的2 個臺階爆破開挖過程中，C1 監(jiān)測點(diǎn)的錨索軸力也發(fā)生了不同程度的突增。位于600 m 高程的C2 監(jiān)測點(diǎn)在590～580 m 高程巖體爆破開挖過程中發(fā)生了較大幅度的錨索軸力突增，最大增量為53 kN。待開挖至580 m 高程，爆破施工停止后，預(yù)應(yīng)力錨索軸力增大變緩，軸力逐漸趨于穩(wěn)定。C1 和C2 監(jiān)測點(diǎn)錨索的軸力最終分別穩(wěn)定在3383.9 和3321.2 kN，較初始值分別增大16.2%和8.9%。

圖4 各監(jiān)測點(diǎn)預(yù)應(yīng)力錨索軸力隨時間變化曲線Fig. 4 Axial force histories of the prestressed anchor cables at the different observation points

綜上，節(jié)理巖質(zhì)邊坡位移的變化與錨索軸力的變化具有一致性，二者在附近有大規(guī)模巖體爆破時均出現(xiàn)了不同程度的突變，預(yù)應(yīng)力錨索通過自身軸力的增大抑制邊坡出現(xiàn)過大的位移突變。毫無疑問，巖體中結(jié)構(gòu)面交錯分布形成的具有后緣拉裂面、底滑面和側(cè)滑面的潛在滑動塊體是邊坡發(fā)生位移突變的內(nèi)在條件，而爆破開挖擾動是誘發(fā)節(jié)理巖質(zhì)邊坡位移突變的外在條件。眾所周知，深切河谷具有應(yīng)力降低、升高和原始三帶的“駝峰形”及谷底存在“高應(yīng)力包”的地應(yīng)力分布基本規(guī)律，“高應(yīng)力包”深度可達(dá)谷底以下150～200 m。劉國鋒等的研究表明，白鶴灘水電站河床谷底應(yīng)力在20 MPa 以上。對河床谷底高地應(yīng)力巖體的爆破開挖，伴隨著炸藥爆轟、巖體破碎及新開挖面的形成，開挖邊界上的巖體地應(yīng)力在巖體破碎瞬間也隨之突然釋放；該過程為一瞬態(tài)卸荷力學(xué)過程，在邊坡保留巖體中激發(fā)瞬態(tài)卸載應(yīng)力波，引起近鄰開挖面的巖體應(yīng)力動態(tài)調(diào)整。因此，對于谷底高地應(yīng)力巖體爆破開挖，誘發(fā)節(jié)理巖質(zhì)邊坡位移突變的動力擾動除爆炸荷載外，還包括地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷過程，二者幾乎同步發(fā)生。然而，由于監(jiān)測設(shè)備的局限性，上述實(shí)測數(shù)據(jù)僅能反映每日的邊坡位移及錨索軸力變化值，無法反映爆破開挖動力擾動下邊坡位移與錨索軸力的瞬態(tài)調(diào)整過程。下文將采用數(shù)值模擬方法，研究爆炸荷載與地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷聯(lián)合作用下邊坡位移與錨索軸力的動態(tài)變化過程及相關(guān)能量機(jī)理。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型與材料參數(shù)

采用有限差分軟件FLAC，研究爆破開挖動力擾動下錨固節(jié)理巖質(zhì)邊坡的位移突變特性及能量機(jī)制。白鶴灘左岸壩基邊坡地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體結(jié)構(gòu)面眾多，影響邊坡位移突變的因素多而復(fù)雜，若將眾多因素均考慮在內(nèi)，很難揭示爆破開挖擾動下錨固節(jié)理巖質(zhì)邊坡位移突變的力學(xué)本質(zhì)。為此，采用概化的節(jié)理巖質(zhì)邊坡模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以揭示爆破開挖擾動下錨固節(jié)理巖質(zhì)邊坡位移突變的能量機(jī)理。為便于進(jìn)行機(jī)理分析，考慮爆炸應(yīng)力波和瞬態(tài)卸載應(yīng)力波垂直入射節(jié)理面的情況，建立含豎直和水平節(jié)理的概化邊坡模型，如圖5 所示。模型整體尺寸為40 m×6 m×30 m，包括3 個高5 m 的直立臺階，上2 層臺階已開挖完成，第3 層臺階正在進(jìn)行爆破開挖施工。第2 層和第3 層臺階巖體中存在一個由一組后緣豎直節(jié)理面、一組底部水平節(jié)理面和兩組側(cè)部豎直節(jié)理面切割而成的潛在滑動體，其尺寸為8 m×2 m×10 m。在第2 層臺階上施加2 根垂直于邊坡坡面的預(yù)應(yīng)力錨索，錨索總長設(shè)置為20 m，自由段與錨固段的長度分別為12 和8 m，2 根錨索到第3 層臺階頂部的距離分別為2 和4 m。盧文波等、羅憶等和金李等也采用類似的概化模型進(jìn)行了相關(guān)的研究，并取得了有益的結(jié)論；此外，盧文波等的研究還表明，如底滑面為順層的傾斜滑面時，節(jié)理巖體的位移突變特征與底滑面為水平時的情況類似，只是最終的位移值會更大一些。篇幅所限，本文中僅考慮底滑面為水平節(jié)理面的情況。

圖5 錨固節(jié)理巖質(zhì)邊坡數(shù)值模型（單位：m）Fig. 5 The anchored jointed rock slope model (unit: m)

白鶴灘左岸壩肩及壩基邊坡主要出露玄武巖中部Pβ及Pβ層，總厚度約350 m，巖性主要有斜斑玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖、柱狀節(jié)理玄武巖、杏仁狀玄武巖、角礫熔巖、凝灰?guī)r6 種。高程660～555 m 壩基部位出露 Pβ層第1 類柱狀節(jié)理玄武巖，該層厚度約為55 m。本文中研究610～580 m 高程壩基邊坡巖體開挖，該高程范圍內(nèi)壩基邊坡巖體只含有第1 類柱狀節(jié)理玄武巖這一種巖層，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察和室內(nèi)試驗結(jié)果，第1 類柱狀節(jié)理玄武巖巖石及節(jié)理物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。數(shù)值模擬中將巖石假定為線彈性材料；對于巖體中的節(jié)理面，采用FLAC提供的基于庫倫剪切本構(gòu)模型的無厚度interface 單元進(jìn)行模擬，interface 單元可以模擬荷載作用下2 個接觸面之間的錯動滑移、張開、閉合等變形，模擬中不考慮節(jié)理面的抗拉強(qiáng)度和黏聚力；預(yù)應(yīng)力錨索則采用cable 單元進(jìn)行模擬，錨索的物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示。根據(jù)Blair 的研究，為滿足動力分析精度，數(shù)值模型的網(wǎng)格尺寸不應(yīng)超過應(yīng)力波波長的1/12～1/6，本模型的最小波長(Rayleigh 波的波長)約為2.2 m，因此動力加載邊界附近的單元尺寸劃分為0.25 m，模型總共劃分為1 793 136 個單元。

表1 巖石與節(jié)理的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of the rock and joints

表2 錨索的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of the anchor cable

2.2 動力荷載

由于預(yù)裂孔距邊坡開挖輪廓最近，且預(yù)裂孔爆破后形成的預(yù)裂縫阻礙了主爆孔爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波向邊坡巖體內(nèi)傳播，預(yù)裂孔爆破對邊坡保留巖體的動力擾動往往是最強(qiáng)烈的。因此，本文中僅研究預(yù)裂孔爆破動力擾動作用下錨固節(jié)理巖質(zhì)邊坡的位移突變。預(yù)裂爆破時每段4 個炮孔同時起爆，由于炮孔直徑遠(yuǎn)小于數(shù)值模型的尺寸，若將所有的炮孔均建立在模型中，為保證計算精度，數(shù)值模型的單元數(shù)將達(dá)到上千萬，從而導(dǎo)致計算效率低甚至無法計算。為提高計算效率，本文中將炮孔壁受到的爆炸荷載壓力等效施加在圖5(a)所示的爆破開挖面上。根據(jù)圣維南原理，這種等效處理方法在計算炮孔附近的巖體動力響應(yīng)時會產(chǎn)生一定的偏差，而在計算炮孔中遠(yuǎn)區(qū)的巖體動力響應(yīng)時則與爆炸荷載壓力施加在炮孔壁上的計算結(jié)果基本一致，該方法對于模擬中遠(yuǎn)區(qū)巖體動力響應(yīng)問題的有效性已被證實(shí)。本文中研究的豎直節(jié)理面距炮孔較遠(yuǎn)，屬于中遠(yuǎn)區(qū)問題，采用該等效方法是可行的。對于預(yù)裂孔爆破，炮孔中心連線與炮孔軸線所組成的平面即為爆破開挖面。根據(jù)圣維南原理，爆破開挖面上的等效爆炸荷載壓力()與炮孔壁上的爆炸荷載壓力()滿足如下關(guān)系：

式中：ρ為炸藥密度；為炸藥爆轟速度；γ 為炸藥的等熵指數(shù)，一般取3；υ 為爆生氣體的絕熱膨脹常數(shù)，近似取1.5；為裝藥直徑。

根據(jù)白鶴灘水電站左岸壩基邊坡現(xiàn)場爆破采用的鉆孔及炸藥設(shè)計，取ρ=1300 kg/m,=4500 m/s,=76 mm,=25 mm,=0.6 m，炮孔裝藥長度=4.5 m。由式(1)和(2)計算可得爆破開挖面上的等效爆炸荷載峰值壓力=15 MPa。目前獲取爆炸荷載壓力時程曲線的方法主要有3 種：(1)半經(jīng)驗半理論的計算公式；(2)通過簡化模型分析爆生氣體的運(yùn)動過程；(3)采用數(shù)值模擬軟件（如LS-DYNA）模擬炸藥爆轟過程。由于炸藥爆炸產(chǎn)生的高溫高壓環(huán)境，現(xiàn)有的測試手段還很難從現(xiàn)場準(zhǔn)確獲取炮孔壁上或爆破開挖面上的爆炸荷載壓力時程曲線。在實(shí)際工程爆破的數(shù)值模擬中，目前大多采用半經(jīng)驗半理論的爆炸荷載壓力時程曲線，其中以雙指數(shù)函數(shù)和進(jìn)一步簡化的三角形函數(shù)壓力時程曲線應(yīng)用最為廣泛。本文中采用三角形荷載曲線，如圖6 所示，取爆炸荷載壓力上升時間=1 ms、持續(xù)時間=9 ms，其計算過程詳見文獻(xiàn)[16] 和[23]，爆炸荷載壓力時程曲線()的表達(dá)式為：

圖6 爆破開挖面上等效爆炸荷載與地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷歷程曲線Fig. 6 Time-histories of the equivalent blasting pressure and the transient unloading of in-situ stress on the blasting excavation boundary

同一排炮孔同時起爆時，爆生裂紋優(yōu)先在炮孔連線方向上擴(kuò)展，當(dāng)裂紋完全貫通、開挖面上的爆炸荷載壓力衰減至與開挖面上的地應(yīng)力大小相等時，開挖面巖體才出現(xiàn)宏觀上的卸荷效應(yīng)。根據(jù)應(yīng)力連續(xù)條件，爆破開挖面上的地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷歷程在巖體出現(xiàn)宏觀卸荷后與爆炸荷載作用曲線重合，如圖6所示，地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷時程曲線σ()可表示為：

式中：σ為爆破開挖面上的地應(yīng)力；為卸荷開始時間。

第3 層最后一個梯段預(yù)裂爆破時，取爆破開挖面上的地應(yīng)力σ=5 MPa，根據(jù)圖6，地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷持續(xù)時間=-=2.7 ms。需要說明的是，雖然白鶴灘水電站河床谷底的初始地應(yīng)力較高（20 MPa 以上），但隨著開挖工作面逐步向壩基邊坡輪廓面推進(jìn)，邊坡輪廓面上的初始地應(yīng)力也逐步釋放，因此在最后一個梯段爆破時，壩基邊坡輪廓面上的地應(yīng)力取一個較小的值。

數(shù)值模擬過程中，首先進(jìn)行地應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力錨索作用下的靜力求解，模型四周設(shè)置為法向位移約束，待計算達(dá)到平衡后打開動力求解模塊，將上述爆炸荷載和地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷作用歷程用FISH 語言編寫后施加在爆破開挖面上進(jìn)行動力求解。為防止動力荷載激發(fā)的應(yīng)力波傳播至模型四周邊界發(fā)生反射而影響計算結(jié)果，動力計算中將模型四周設(shè)置為可吸收入射波的黏性邊界。巖體阻尼采用FLAC提供的局部阻尼，局部阻尼系數(shù)設(shè)置為0.157。

3 節(jié)理巖質(zhì)邊坡位移突變特征與能量機(jī)理

為對比分析預(yù)應(yīng)力錨索對節(jié)理巖質(zhì)邊坡位移突變的影響，本文數(shù)值模擬分2 類工況進(jìn)行研究，一類未施加預(yù)應(yīng)力錨索，另一類為施加預(yù)應(yīng)力錨索工況。由于巖體出現(xiàn)朝向河谷的位移時對邊坡穩(wěn)定最為不利，因此本文在潛在滑動塊體的前緣和后緣各選取一個監(jiān)測點(diǎn)和（見圖5）分析邊坡的水平位移及應(yīng)變能密度特性。

3.1 未施加預(yù)應(yīng)力錨索工況

未施加預(yù)應(yīng)力錨索時，爆破開挖動力擾動下兩監(jiān)測點(diǎn)的水平位移和應(yīng)變能密度時程曲線如圖7 所示。在初始地應(yīng)力σ的作用下，節(jié)理巖體本身儲存有一定量的應(yīng)變能；爆炸荷載作用后，節(jié)理巖體被壓縮，巖體中進(jìn)一步積聚應(yīng)變能。隨著爆炸荷載壓力降低以及地應(yīng)力釋放，巖體開始回彈，巖體中的應(yīng)變能得以釋放。在=9 ms 左右時，爆炸荷載壓力降為零，被壓縮的巖體回彈恢復(fù)到爆炸荷載作用前的狀態(tài)，此時監(jiān)測點(diǎn)的位移為零。但由于爆炸荷載壓力快速降低和地應(yīng)力瞬態(tài)釋放所產(chǎn)生的慣性力作用，潛在滑動塊體繼續(xù)向河谷方向運(yùn)動，導(dǎo)致后緣節(jié)理張開，產(chǎn)生了節(jié)理張開位移。由于底部及兩側(cè)滑面的摩擦作用，在=30 ms 左右時，巖塊停止了運(yùn)動，和兩監(jiān)測點(diǎn)的最終位移分別為6.5 和5.6 mm，該位移即為爆破開挖動力擾動過程中節(jié)理巖質(zhì)邊坡的突變位移。爆破開挖完成后，和兩監(jiān)測點(diǎn)的最終水平位移之差為0.9 mm；而爆破前，在初始地應(yīng)力σ的作用下，、兩點(diǎn)的水平位移也正好相差0.9 mm（即該巖塊的壓縮變形量為0.9 mm），這表明和兩點(diǎn)最終位移之差是由于地應(yīng)力釋放、巖體松弛所產(chǎn)生的回彈位移。對于河谷底部高地應(yīng)力邊坡巖體爆破開挖，邊坡表面巖體的突變位移包括節(jié)理張開位移和回彈位移兩部分。對于本算例中邊坡表面的監(jiān)測點(diǎn)，總突變位移為6.5 mm，節(jié)理張開位移為5.6 mm，回彈位移為0.9 mm，節(jié)理張開位移占到了總突變位移的86.2%，是節(jié)理巖質(zhì)邊坡位移突變的主要組成部分。

圖7 無預(yù)應(yīng)力錨索時各監(jiān)測點(diǎn)的巖體位移和應(yīng)變能密度時程曲線Fig. 7 Rock mass displacement and strain energy density histories at the observation points without prestressed anchor cables

從能量的觀點(diǎn)來看，巖體由于地應(yīng)力作用本身所存儲的應(yīng)變能以及爆炸荷載擠壓作用所集聚的應(yīng)變能為節(jié)理邊坡巖體位移突變提供了能量來源，上述2 種應(yīng)變能的快速釋放是節(jié)理巖體位移突的直接誘因。代金豪等的相關(guān)研究表明，巖體存儲和集聚的應(yīng)變能越高、應(yīng)變能釋放持續(xù)時間越短，產(chǎn)生的位移突變就越大，即位移突變與應(yīng)變能釋放率正相關(guān)。應(yīng)變能釋放率為：

因此，在保證開挖巖體正常破碎的前提下，通過優(yōu)化爆破方案，降低巖體應(yīng)變能的釋放率有助于減小節(jié)理巖質(zhì)邊坡的位移突變。如采用低密度、低爆轟波速的炸藥降低爆炸荷載峰值壓力，從而降低巖體集聚的應(yīng)變能；采用小抵抗線降低開挖面上的地應(yīng)力，從而降低巖體存儲的應(yīng)變能；加強(qiáng)炮孔堵塞減緩爆生氣體從孔口逸出，從而延長爆炸荷載壓力衰減時間，即延長應(yīng)變能釋放持續(xù)時間。

3.2 施加預(yù)應(yīng)力等級錨索工況

除爆破方案優(yōu)化外，工程中還主要采用錨桿、錨索等支護(hù)方式來控制節(jié)理巖質(zhì)邊坡的位移突變。為探討預(yù)應(yīng)力錨索對節(jié)理巖質(zhì)邊坡位移突變的控制機(jī)理，設(shè)置錨索預(yù)應(yīng)力等級分別為1 000、1 500、2 000、2 500 和3 000 kN。圖8 給出了不同等級預(yù)應(yīng)力錨索作用下邊坡表面點(diǎn)的位移和應(yīng)變能密度變化時程曲線?？梢钥吹剑煌燃夘A(yù)應(yīng)力錨索作用下，節(jié)理巖體的位移總體特征基本相同，均具有壓縮→回彈→突變→穩(wěn)定這4 個階段。不同預(yù)應(yīng)力等級下節(jié)理巖體的壓縮與回彈路徑完全重合，這表明預(yù)應(yīng)力錨索并不影響節(jié)理張開前巖體的位移與能量轉(zhuǎn)化，不同等級預(yù)應(yīng)力錨索作用下點(diǎn)的應(yīng)變能密度時程曲線完全重合也證明了這一點(diǎn)。在=9 ms 節(jié)理張開發(fā)生位移突變后，錨索預(yù)應(yīng)力等級越高，節(jié)理巖體的突變位移越小。當(dāng)預(yù)應(yīng)力超過1 000 kN 時，節(jié)理巖體在達(dá)到最大突變位移后會出現(xiàn)明顯的“被拉回”現(xiàn)象，最終使突變位移穩(wěn)定在較小的值。當(dāng)預(yù)應(yīng)力等級超過1 500 kN 時，隨著錨索預(yù)應(yīng)力等級的提高，節(jié)理巖體的最終突變位移雖有所減小，但減小幅度不大。圖9 給出了不同等級預(yù)應(yīng)力錨索作用下監(jiān)測點(diǎn)的節(jié)理最終張開位移和巖體最終回彈位移，隨著預(yù)應(yīng)力等級的提高，節(jié)理張開位移同樣呈現(xiàn)先顯著后緩慢降低的趨勢，而巖體回彈位移基本保持不變，這表明預(yù)應(yīng)力錨索主要是通過抑制節(jié)理張開來降低邊坡巖體的位移突變。結(jié)合前述實(shí)測資料分析結(jié)果，預(yù)應(yīng)力錨索的施加雖不能完全避免節(jié)理巖質(zhì)邊坡在爆破開挖過程中產(chǎn)生位移突變，但采用適當(dāng)預(yù)應(yīng)力等級的錨索進(jìn)行加固后可有效減少巖體內(nèi)節(jié)理的張開位移，從而防止邊坡巖體位移突變過大。

圖8 不同等級預(yù)應(yīng)力錨索作用下監(jiān)測點(diǎn)A 的位移和應(yīng)變能密度的時程曲線Fig. 8 Rock mass displacement and strain energy density histories at the monitoring point A under different levels of the prestressed anchor cables

圖9 不同預(yù)應(yīng)力等級下的節(jié)理最終張開位移與巖體最終回彈位移Fig. 9 Joint opening displacement and rebound displacement under different levels of the prestressed anchor cables

針對預(yù)應(yīng)力錨索在控制節(jié)理巖質(zhì)邊坡位移突變所發(fā)揮的作用，從能量的角度對其作用機(jī)理開展討論。對于預(yù)應(yīng)力錨索，其總的應(yīng)變能由錨索索體的拉壓彈性應(yīng)變能和錨固劑的剪切彈性應(yīng)變能組成，分別由下式計算：

式中：F為第個索體單元的軸力；L為第個索體單元的長度；為錨索索體的彈性模量；為錨索索體橫截面面積；τ為第個錨固劑單元的剪切應(yīng)力；V第個錨固劑單元的體積；為錨固劑剪切模量；和分別為索體單元和錨固劑單元的數(shù)量。

通過FLAC中的FISH 語言對錨索總應(yīng)變能涉及的變量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和計算，得到不同等級預(yù)應(yīng)力錨索總應(yīng)變能的時程變化曲線，如圖10所示（篇幅所限，僅以1000 和3000 kN 等級為例）。錨索總應(yīng)變能在開始突增前經(jīng)歷了降低和升高至初始值這2 個階段，這與節(jié)理巖體在位移突變前發(fā)生壓縮和回彈相對應(yīng)；在錨索應(yīng)變能突增開始后存在吸能和釋能2 個階段，定義錨索的平均吸能速率或釋能速率為：

式中：Δt為第個時間段(=1, 2, 3,···,)；ΔW為第個時間段開始與結(jié)束時錨索的總應(yīng)變能之差。錨索平均吸能和釋能速率分別表示為和。

結(jié)合圖8(a)和圖10 可以看到，節(jié)理巖體發(fā)生位移突變后，節(jié)理巖體與錨索相互作用，節(jié)理巖體的動能轉(zhuǎn)化為錨索的應(yīng)變能，錨索應(yīng)變能急劇增加，表現(xiàn)為吸能，此時錨索被拉伸且軸力增大，這與實(shí)測資料反映的規(guī)律相對應(yīng)，即節(jié)理巖體位移突變與錨索軸力突增具有同步性；錨索的預(yù)應(yīng)力等級越高，吸能速率越高，節(jié)理巖體以更高的速率達(dá)到較小的突變位移峰值；在節(jié)理巖體的位移達(dá)到最大值后，錨索的應(yīng)變能開始釋放，釋放的應(yīng)變能作用于節(jié)理巖體，部分轉(zhuǎn)化為節(jié)理巖體的動能，將滑動的巖塊逐漸“拉回”，隨著底部及兩側(cè)滑面的摩擦耗能，巖塊最終停止運(yùn)動，位移趨于穩(wěn)定；錨索的預(yù)應(yīng)力等級越高，釋能速率也越高，節(jié)理巖體“被拉回”的效應(yīng)也就越明顯，即節(jié)理巖體以更高的速率穩(wěn)定至較小的最終位移值。綜上，預(yù)應(yīng)力錨索通過自身具有的吸能與釋能特性來控制邊坡節(jié)理巖體的位移突變。

圖10 不同等級預(yù)應(yīng)力錨索的總應(yīng)變能時程變化曲線Fig. 10 Time-histories of the total strain energy of the anchor cables under different prestress levels

受構(gòu)造應(yīng)力、邊坡結(jié)構(gòu)、開挖方案等多方面影響，爆破開挖面上的初始地應(yīng)力大小多有不同，此外，不同工程的巖體變形參數(shù)也各不相同。不同地應(yīng)力水平和巖體彈性模量條件下監(jiān)測點(diǎn)的最終突變位移如圖11 所示。從圖11(a)可以看到，隨著地應(yīng)力水平的提高，節(jié)理巖質(zhì)邊坡的突變位移增大，這是由于較高的地應(yīng)力會使巖體內(nèi)儲存更多的應(yīng)變能，相同釋放時間情況下具有更高的應(yīng)變能釋放率；當(dāng)爆破開挖面上的初始地應(yīng)力由2.5 MPa 升高12.5 MPa 時，與未施加預(yù)應(yīng)力錨索相比，施加3 000 kN 等級的預(yù)應(yīng)力錨索后邊坡突變位移分別減小了64.2%和58.7%，控制效果顯著。從圖11(b)可以看出，隨著巖體彈性模量的提高，節(jié)理巖質(zhì)邊坡的突變位移逐漸減小，這是由于在相同的應(yīng)力作用下，較高彈性模量的巖體應(yīng)變較小，巖體所存儲的應(yīng)變能較低，從而使應(yīng)變能釋放率降低。對于彈性模量為20 GPa 的巖體，未施加預(yù)應(yīng)力錨索和施加3 000 kN 等級的預(yù)應(yīng)力錨索情況下，邊坡突變位移由11.2 mm 減小為5.9 mm，減小了47.3%；而對于彈性模量為60 GPa 的巖體，施加3 000 kN 等級的預(yù)應(yīng)力錨索后位移突變降低了59.2%，預(yù)應(yīng)力錨索對巖體彈性模量不同的巖質(zhì)邊坡均體現(xiàn)出了較好的控制效果。由此可見，對于地應(yīng)力水平較高或巖體彈性模量較低的節(jié)理巖質(zhì)邊坡爆破開挖，尤其要注意節(jié)理巖體的位移突變問題，可考慮采用適當(dāng)?shù)燃壍念A(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固。

圖11 巖體地應(yīng)力和彈性模量對不同等級預(yù)應(yīng)力錨索作用下監(jiān)測點(diǎn)A 的最終突變位移的影響Fig. 11 Effects of in-situ stress level and elastic modulus of the rock mass on final mutation displacement of the monitoring point A under different levels of the prestressed anchor cables

4 結(jié) 論

（1）白鶴灘水電站左岸壩基錨固節(jié)理巖質(zhì)邊坡在爆破開挖過程中出現(xiàn)了明顯的巖體位移突變和錨索軸力突增的現(xiàn)象，二者具有同步性。

（2）對于深切河谷底部高地應(yīng)力邊坡巖體爆破開挖，爆炸荷載對巖體擠壓作用所集聚的應(yīng)變能以及地應(yīng)力作用下巖體所存儲的應(yīng)變能為節(jié)理巖質(zhì)邊坡位移突變提供了能量來源，爆破過程中這2 種應(yīng)變能的快速釋放是節(jié)理巖體位移突變的直接誘因。

（3）深切河谷底部高地應(yīng)力邊坡巖體在爆破開挖過程中產(chǎn)生的突變位移包括節(jié)理張開位移和巖體回彈位移，爆破開挖面上初始地應(yīng)力水平越高、巖體彈性模量越低，產(chǎn)生的突變位移越大；預(yù)應(yīng)力錨索主要控制節(jié)理張開位移，錨索預(yù)應(yīng)力等級越高，其吸能和釋能速率越高，位移突變控制效果越明顯，但當(dāng)錨索的預(yù)應(yīng)力等級高到一定程度后，節(jié)理巖體的突變位移不再明顯減小。

為揭示爆破開挖擾動下錨固節(jié)理巖質(zhì)邊坡位移突變的能量機(jī)理，本文的數(shù)值模擬研究中做了一些簡化和假定，巖體結(jié)構(gòu)面實(shí)際形態(tài)、爆破開挖擾動下巖體及錨固結(jié)構(gòu)的損傷對邊坡位移突變的影響還需要開展進(jìn)一步的研究。