利用檢測(cè)與監(jiān)測(cè)結(jié)果分析柱狀節(jié)理玄武巖變形特性

王 鋒，王玉潔

（1.國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州，311122；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

1 工程概述

西部某拱壩在建基面中出露柱狀節(jié)理玄武巖層，巖質(zhì)堅(jiān)硬，無卸荷，柱狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，柱體直徑一般15~25 cm，柱體間嵌合緊密，柱體長(zhǎng)1~3 m。柱狀節(jié)理是玄武熔巖中一種特殊的原生節(jié)理，表現(xiàn)為各向異性，未支護(hù)條件下，圍巖松弛嚴(yán)重[1-2]。柱狀節(jié)理發(fā)育導(dǎo)致壩基變形模量偏低，一般不宜作為高拱壩基礎(chǔ)，經(jīng)有效處理后可局部利用。

為了解壩基柱狀節(jié)理在開挖階段的巖體松弛情況，更好地確定壩基保護(hù)層預(yù)留厚度及支護(hù)方案措施，選取10 m范圍柱狀節(jié)理玄武巖試驗(yàn)區(qū)，進(jìn)行聲波、全景成像和鉆孔變形模量檢測(cè)，并布置圍巖變形和錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)柱狀節(jié)理的松弛情況和變形特性進(jìn)行研究[3]。

2 柱狀節(jié)理試驗(yàn)區(qū)檢測(cè)及監(jiān)測(cè)布置

為比較不同支護(hù)措施對(duì)柱狀節(jié)理玄武巖的防松弛效果，將試驗(yàn)區(qū)分為試驗(yàn)A區(qū)（10~0 m高程上游段寬約28 m范圍，預(yù)留2 m保護(hù)層，未支護(hù)）、試驗(yàn)B區(qū)（10~5 m高程下游段，預(yù)留2 m保護(hù)層，普通砂漿錨桿）和試驗(yàn)C區(qū)（5~0 m高程下游段，預(yù)留2 m保護(hù)層，預(yù)應(yīng)力錨桿）。

在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)各布置5個(gè)聲波測(cè)孔，孔深10 m。布置1套多點(diǎn)變位計(jì)、1~2組錨桿應(yīng)力計(jì)。檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)施布置見圖1。

3 壩基檢測(cè)結(jié)果分析

3.1 柱狀節(jié)理試驗(yàn)區(qū)檢測(cè)結(jié)果分析

圖1中A1、B1區(qū)進(jìn)行1個(gè)孔的爆前聲波測(cè)試，B2區(qū)無爆前檢測(cè)孔，A2、C1、C2各孔均進(jìn)行爆前測(cè)試。松弛巖體的聲波判斷以爆前孔或爆后第一次聲波測(cè)試為基準(zhǔn)，根據(jù)不同巖體類別的最低聲波值判斷巖體松弛深度。

圖1 柱狀節(jié)理試驗(yàn)區(qū)監(jiān)測(cè)檢測(cè)設(shè)施平面布置Fig.1 Layout of detection and monitoring instruments in the test area of columnar joints

3.1.1 試驗(yàn)A區(qū)

試驗(yàn)A區(qū)按5 m梯段分A1區(qū)（Ⅲ1類）和A2區(qū)（Ⅲ1類），爆破前后無明顯的低速帶，巖體松弛深度一般在0.1~0.6 m，平均深度0.27 m，在爆后4個(gè)月內(nèi)松弛深度變化不大。松弛層波速3 650~3 990 m/s，平均波速3 870 m/s；未松弛層波速5 010~5 320 m/s，平均波速5 190 m/s。

爆后145 d測(cè)試，A1-1和A1-5兩孔松弛深度分別增加至1.7 m和1.9 m，鉆孔電視顯示A1-5孔深1.8 m附近分布緩傾角裂隙。A1區(qū)淺部巖體在未支護(hù)條件下，隨時(shí)間增長(zhǎng)，沿裂隙發(fā)育部位松弛明顯。A2區(qū)松弛深度變化不大。A1區(qū)松弛深度沿高程和時(shí)間的過程線見圖2（a）和圖3。

圖2 聲波波速沿巖體深度變化典型過程線Fig.2 Change of sound velocity in the rock mass along the depth

圖3 試驗(yàn)A1區(qū)松弛深度變化Fig.3 Variation of relaxation depth in test area A1

3.1.2 試驗(yàn)B區(qū)

試驗(yàn)B區(qū)按巖體質(zhì)量分B1區(qū)（Ⅲ1類）和B2區(qū)（Ⅲ2類），開挖完成后采用普通砂漿錨桿立即支護(hù)。松弛層深度在1.1~4.2 m，平均松弛深度3.15 m。松弛層波速3 000~3 800 m/s，平均波速3 400 m/s；未松弛層波速4 550~5 180 m/s，平均波速4 990 m/s。

巖體爆破后松弛深度均小于1 m，至27 d下一梯段爆破后，松弛深度增加0.5~3.8 m，爆破對(duì)圍巖松弛影響明顯。該部位爆破45 d后，圍巖松弛基本穩(wěn)定，不再發(fā)展，支護(hù)效果顯著。松弛深度沿高程和時(shí)間的過程線見圖2（b）和圖4。

圖4 試驗(yàn)B區(qū)松弛深度變化Fig.4 Variation of relaxation depth in test area B

3.1.3 試驗(yàn)C區(qū)

試驗(yàn)C區(qū)按巖體質(zhì)量分C1區(qū)（Ⅲ1類）和C2區(qū)（Ⅲ2類），采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)。松弛層深度在1.6~4.3 m，平均松弛深度2.84 m。松弛層波速為3 380~3 600 m/s，平均波速3 510 m/s；未松弛層波速4 330~5 150 m/s，平均波速4 820 m/s，節(jié)理發(fā)育部位聲波波速較低。

巖體爆破后松弛深度大多小于1 m，爆破7 d后預(yù)應(yīng)力錨桿張拉，各部位巖體松弛深度略有減小。21 d下一梯段爆破后，松弛深度增加1~3 m。該部位爆破38 d后，圍巖松弛基本穩(wěn)定，不再發(fā)展，支護(hù)效果顯著。松弛深度沿高程和時(shí)間的過程線見圖2（c）和圖5。

圖5 試驗(yàn)C區(qū)松弛深度變化Fig.5 Variation of relaxation depth in test area C

砂漿錨桿與預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)巖體松弛起到一定的抑制作用，B區(qū)和C區(qū)松弛層厚度及波速分別在45 d和38 d后穩(wěn)定無明顯變化。從抑制松弛的效果看，預(yù)應(yīng)力錨桿的短期效果優(yōu)于砂漿錨桿，長(zhǎng)期效果則區(qū)別不大。

3.1.4 巖體鉆孔變形模量

試驗(yàn)A區(qū)鉆孔變模平均值為8.48 GPa，B區(qū)平均值為4.72 GPa，C區(qū)平均值為6.39 GPa。松弛深度范圍內(nèi)，巖體變模普遍在3~4 GPa，巖體質(zhì)量較差。

3.2 柱狀節(jié)理與非柱狀節(jié)理松弛對(duì)比

柱狀節(jié)理玄武巖段聲波孔揭示的松弛深度略高于非柱狀節(jié)理段聲波孔的松弛深度，且柱狀節(jié)理玄武巖松弛巖體波速終測(cè)時(shí)下降明顯，未松弛巖體波速終測(cè)時(shí)下降較小，具體情況見表1。

表1 柱狀節(jié)理與非柱狀節(jié)理松弛檢測(cè)結(jié)果對(duì)比Table1 Comparison between detected relaxation of columnar and non-columnar joints

4 壩基監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)A區(qū)

試驗(yàn)A區(qū)多點(diǎn)變位計(jì)Mzjc-1自2014年12月30日固定松動(dòng)儀器重新計(jì)算后顯示，測(cè)值規(guī)律性較好，過程線見圖6?？卓谖灰谱畲笾禐?.44 mm，在開挖初期緩慢增大。埋深12 m測(cè)點(diǎn)基本沒有位移，變形深度在7 m左右。在未支護(hù)條件下，圍巖淺部變形持續(xù)發(fā)展，與A區(qū)聲波監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。

圖6 試驗(yàn)A區(qū)多點(diǎn)變位計(jì)測(cè)值過程線Fig.6 Monitored data by multi-point displacement meter in test area A

4.2 試驗(yàn)B區(qū)

多點(diǎn)變位計(jì)Mzjc-2埋設(shè)于B2區(qū)，0 m（最大值19.16 mm）、7 m（最大值18.66 mm）測(cè)點(diǎn)位于相對(duì)破碎的巖體上，4 m（最大值18.39 mm）點(diǎn)位于松弛界限附近，12 m（最大值15.46 mm）點(diǎn)位于某層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶下盤相對(duì)完整的巖體內(nèi)。由測(cè)值過程線（見圖7）可知，上下盤巖體變形曲線及變形量差異不大，表明巖體并未沿該層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)生明顯變形，推測(cè)主要是深部變形，變形深度在12 m至錨固點(diǎn)32 m之間，即位于該層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶下部的其他結(jié)構(gòu)面。7 m范圍內(nèi)圍巖變形差異較小，可能受到錨桿錨固作用，淺層巖體形成整體，各深度差異較小。

圖7 試驗(yàn)B區(qū)多點(diǎn)變位計(jì)測(cè)值過程線Fig.7 Monitored data by multi-point displacement meter in test area B

試驗(yàn)B區(qū)表層巖體在支護(hù)作用40 d后，圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，孔口測(cè)點(diǎn)與埋深4 m測(cè)點(diǎn)累計(jì)變形相差很小，支護(hù)結(jié)構(gòu)限制了變形持續(xù)發(fā)展，松弛區(qū)域巖體得到了錨固，而未支護(hù)區(qū)域變形持續(xù)增加，支護(hù)效果顯著。

4.3 試驗(yàn)C區(qū)

多點(diǎn)變位計(jì)Mzjc-3埋設(shè)于C1區(qū)，0 m（最大值17.71 mm）點(diǎn)位于相對(duì)破碎的巖體上，4 m（最大值17.49 mm）點(diǎn)位于某層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶上盤巖體松弛帶附近，7 m（最大值13.36 mm）點(diǎn)和12 m（最大值13.73 mm）點(diǎn)位于該錯(cuò)動(dòng)帶下盤相對(duì)完整的巖體中，上下盤巖體變形規(guī)律及變形量差異不大，表明巖體并未沿該錯(cuò)動(dòng)帶產(chǎn)生明顯變形，且支護(hù)效果顯著。測(cè)值過程線見圖8，與B區(qū)多點(diǎn)變位計(jì)測(cè)值結(jié)果一致。同樣證明該區(qū)域巖體變形主要是深部變形，變形深度在12 m至錨固點(diǎn)32 m之間，即位于該層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶下部的其他結(jié)構(gòu)面。

圖8 試驗(yàn)C區(qū)多點(diǎn)變位計(jì)測(cè)值過程線Fig.8 Monitored data by multi-point displacement meter in test area C

5 結(jié)論及建議

分析可知，復(fù)雜工程中采用檢測(cè)和監(jiān)測(cè)結(jié)果聯(lián)合分析，能增強(qiáng)對(duì)工程的認(rèn)識(shí)，有效指導(dǎo)施工。柱狀節(jié)理玄武巖試驗(yàn)區(qū)巖體松弛深度及深部變形分析的結(jié)論及建議如下：

（1）相較非柱狀節(jié)理巖體，柱狀節(jié)理松弛深度較深，但開挖后及時(shí)支護(hù)的條件下，30~40 d后松弛基本穩(wěn)定。支護(hù)條件下，圍巖松弛時(shí)間效應(yīng)不明顯，未支護(hù)區(qū)松弛深度隨時(shí)間略有增加。松弛區(qū)平均聲波波速在3 600 m/s左右，為Ⅳ類圍巖，變形模量較低，需要后期固結(jié)灌漿來提高巖體質(zhì)量；未松弛區(qū)平均聲波波速在5 000 m/s左右。

（2）在及時(shí)支護(hù)條件下，柱狀節(jié)理巖體長(zhǎng)期松弛的效應(yīng)并不明顯，需要關(guān)注深部結(jié)構(gòu)面的變形。根據(jù)綜合分析結(jié)果，為提高壩基的整體穩(wěn)定性，對(duì)壩基進(jìn)行系統(tǒng)錨索設(shè)計(jì)及固結(jié)灌漿，控制壩基深部變形的同時(shí)，限制柱狀節(jié)理巖體在大壩澆筑前的長(zhǎng)期松弛。