巖質高邊坡巖體卸荷分帶量化研究

陸泌鋒，鄧 輝，郝 浩，李安潤，李萬才

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

邊坡巖體卸荷是在河谷下切侵蝕作用下使巖體產生臨空面，破壞了巖體原來的應力平衡狀態(tài)，為了達到新的應力平衡，邊坡巖體發(fā)生應力重分布，使坡體淺表部產生應力釋放，并朝臨空面產生卸荷回彈作用。在這一過程中，邊坡淺表部一定范圍內的巖體因應力降低而導致巖體結構松弛，在卸荷回彈作用的驅動下使原有結構面發(fā)生擴展或錯動，并形成一部分新的破裂體系[1-2]。巖體卸荷產生裂隙使巖體的完整性遭到破壞，降低的巖體質量，同時也為地下水和風化營力等外動力地質作用提供了有利通道，進一步破壞了巖體的完整性[3-5]。因此，巖體卸荷對邊坡的穩(wěn)定性及與其相關的巖石工程問題有重要的控制意義[6]。

在水利水電工程中，一般將邊坡巖體卸荷分為2種類型，即強卸荷和弱卸荷，對應表現為強卸荷帶及弱卸荷帶。巖體卸荷分帶是水電工程建設中所面臨的常見問題之一。卸荷分帶是否合理不僅關乎水電工程安全，而且對于工程的設計和邊坡處理起著重要作用，有重大的經濟效益和很高的實用價值[7]。雖然國內外許多專家學者對巖體卸荷帶的劃分進行了大量研究[8-9]，并取得了優(yōu)良成果，為工程所用。但目前巖體卸荷分帶量化指標尚未完全統(tǒng)一，現常用的指標主要包括：巖體塊度模數、裂隙密度及張開度[10]、巖石質量指標、變形模量、微應變[11]、視電阻率、巖體彈性縱波速[12-13]等。在理論上也有根據邊坡卸荷巖體的氡異常特征來進行卸荷帶的劃分[14]。此外，由于卸荷使巖體完整性遭到破壞，形成了一系列裂隙網絡，為地下水的滲透提供了通道。因此，利用壓水試驗獲得的透水系數也可用來進行卸荷帶的劃分[15]。

雖然目前在邊坡巖體卸荷帶的劃分上有眾多的量化指標可以選擇，然而由于不同地域地質條件的巨大差異性以及不同地質條件下巖體卸荷的復雜性，在實際操作過程中，對巖體卸荷分帶有較強的人為性和不確定性。因此，巖體卸荷分帶量化指標的選擇仍然是一個可以值得繼續(xù)深入研究的問題。本文在國內外眾多研究基礎上，結合瀾滄江某大型水電站巖質高邊坡的工程實際，對邊坡進行大量地表平硐現場測量，選取合理指標對卸荷帶進行劃分，并用試驗加以論證，為邊坡巖體卸荷帶的劃分提供了建議。

1 工程概括

擬建的瀾滄江某水電站位于西藏昌都地區(qū)，邊坡為巖質高邊坡，自然邊坡高達1 000余m，且河谷狹窄，總體上表現為對稱的“V”字型河谷。該水電站有上、中、下3個壩址，本文選取上壩址右岸邊坡為研究對象。研究區(qū)地形陡峻，自然坡度一般為45°～55°。出露的地層主要為三疊系中統(tǒng)竹卡組(T2z)灰、深灰色英安巖，在上游低高程緩坡一帶分布有崩坡堆積塊碎石夾砂土，厚度較薄。區(qū)域內地下水類型主要為基巖裂隙水和第四系孔隙水，水力坡降為22.3%～43.6%。據現場地質調查，上壩址右岸發(fā)育有2條韌性剪切帶(①-1、①-2)，韌性剪切帶①-1位于岸坡中高程部位，寬度為50～130 m，總體產狀為N60°W/SW∠75°；韌性剪切帶①-2位于岸坡高高程部位，寬度為30～80 m，總體產狀為N65°W/SW∠70°。韌性剪切帶為地殼深部構造應力的產物，在應力的強烈剪切和擠壓下，使剪切帶中部分英安巖發(fā)生動力變質作用而糜棱化，形成糜棱化英安巖。此外，岸坡中發(fā)育有多條中小型斷層，其產狀多與韌性剪切帶近平行，可推斷這些斷層與剪切帶同屬古構造應力的產物。因研究區(qū)所處的特殊地理環(huán)境，使岸坡基巖在卸荷、凍融及風化等綜合作用下，形成了規(guī)模和厚度不等的碎裂松動巖體，松動巖體多呈碎裂～散體結構，普遍分布于3 000 m以上高程，且隨高程的增加分布越深，穩(wěn)定性也越差。

壩址出露的地層巖性為英安巖，是一種硬性巖石，能較好地存儲彈性勢能，在卸荷時更有利于卸荷回彈，加上研究區(qū)常伴有高地應力的特點，更決定邊坡巖體卸荷的強烈性和復雜性，因此合理對壩址區(qū)邊坡巖體進行卸荷分帶具有實際的工程意義。

2 邊坡卸荷分帶量化指標的選擇

研究表明，邊坡巖體中的裂隙密度一般都會隨著水平深度的增大而逐漸減小，至一定深度后趨于穩(wěn)定，裂隙的張開度也表現為在坡體淺表部開度較大，隨深度的增大逐漸減小并趨于閉合[16]。因為裂隙數量和裂隙張開度是河谷下切過程中巖體卸荷反彈并疊加風化作用而形成，在邊坡一定水平深度范圍內廣泛發(fā)育，至一定深度后就比較趨于穩(wěn)定，是邊坡卸荷的核心表現，最能直觀地反映邊坡的卸荷狀況。因此這2個量化指標是在進行邊坡巖體卸荷分帶中首要選取的指標。另外，地震縱波波速也可間接用來進行卸荷帶的劃分，因為地震波速在連續(xù)彈性介質中傳播較快，而由于邊坡淺表部裂隙發(fā)育且張開度較大，波在傳播過程中會受阻而導致波速降低，因此地震縱波波速也是一個合理的量化指標。綜上，本文考慮裂隙張開度、裂隙密度、張開裂隙密度及地震縱波波速來進行邊坡卸荷分帶，這4個指標是能通過地表平硐直接獲得的量化指標，也是水利水電工程中最常用的量化指標。

3 邊坡卸荷帶劃分

為了獲得較為詳盡的裂隙統(tǒng)計數據，對上壩址右岸邊坡數個地表平硐中的裂隙數量、張開裂隙數量及裂隙張開度進行仔細現場測量，對獲得的上千條裂隙數據進行統(tǒng)計分析，限于篇幅，現以右壩肩邊坡上的地表平硐PDJ04為例來說明卸荷帶的劃分情況，并通過綜合考慮地震波縱波速來最終確定卸荷分帶狀況。

圖1是對右壩肩邊坡平硐PDJ04內裂隙張開寬度進行的統(tǒng)計。由圖可知，0～14 m為碎裂松動巖體分布范圍，裂隙過于密集而未進行裂隙統(tǒng)計；14～100 m左右，該段范圍內廣泛發(fā)育張開度大于5 cm的裂隙，裂隙張開度隨硐深表現出先增大后減小再增大的現象，局部出現數條張開寬度10～20 cm的張拉、剪切型卸荷裂隙，累計張開度呈現出快速增大的趨勢，很明顯14～100 m范圍內卸荷強烈，因此可將該段定為強卸荷帶。100～150 m左右，該段范圍主要發(fā)育張開度為1～5 cm的裂隙，局部張開度可大于5 cm，且累計張開寬度曲線總體上較為平緩，因此可將100～150 m劃分為弱卸荷帶，150 m以后則為未卸荷帶。

圖1 平硐PDJ04裂隙張開度統(tǒng)計

圖2為平硐PDJ04中裂隙數量和張開裂隙數量與硐深的關系。從圖中可以看出，隨著平硐深度的加大，裂隙數量和張開裂隙數量整體上呈現出減小的趨勢，裂隙數量最終趨于一個較為穩(wěn)定的值，而張開裂隙數量則逐漸趨于零。該平硐中15～95 m左右的裂隙數量及張開裂隙數量都較多，因此可將該段劃分為強卸荷帶；95～160 m左右的裂隙數量及張開裂隙數量相對減少且基本保持穩(wěn)定，可將該段定為弱卸荷帶；160 m以后劃分為未卸荷帶。

圖2 平硐PDJ04裂隙數量、張開裂隙數量與硐深關系

圖3為平硐PDJ04地震波縱波速曲線。由圖可見，0～14 m為碎裂松動巖體區(qū)域，未進行波速測試；14～94 m范圍內縱波速較低，基本保持在2 000～3 000 m/s之間，波速平均值為2 555 m/s；94～157 m范圍內縱波速明顯上升，波速主要維持在3 000～5 000 m/s之間，局部下降幅度較大，平均值為4 066 m/s；157 m以后波速多保持在4 000～5 000 m/s之間，平均值為4 188 m/s。因此，通過地震波縱波速測量，可將14～94 m劃分為強卸荷帶，94～157 m劃分為弱卸荷帶，157 m之后為未卸荷帶。

圖3 平硐PDJ04地震波速曲線

以上4個量化指標所劃分的卸荷帶基本上能保持一致，綜合考慮4個指標最終將強卸荷帶底界定為100 m，弱卸荷帶底界定為155 m。按照此方法可將邊坡上其他平硐內的卸荷帶進行劃分，從而確定整個邊坡的卸荷分帶，圖4為用此方法劃分的壩肩邊坡卸荷帶，由圖可見，強卸荷帶寬度明顯比弱卸荷帶寬度大，且卸荷帶寬度有隨高程的增加而增大的趨勢。

圖4 上壩址右壩肩邊坡卸荷分帶

4 試驗論證

4.1 試驗準備

卸荷作用會導致巖體內部產生許多裂隙，使其力學參數有一定程度的降低，越接近坡表，卸荷作用越強烈，巖體內部產生的裂隙越多，從而巖石強度越低，因此可通過力學試驗來驗證邊坡巖體卸荷分帶的合理性，其中單軸抗壓試驗是最簡單和最直接的一種力學試驗方法。筆者從所分各卸荷帶中取多個巖塊磨制成高10 cm、直徑5 cm的巖樣，以進行單軸抗壓試驗。試驗開始前先對巖樣進行篩選，即剔除外觀有明顯缺陷的巖樣，并通過波速測試，挑選出各卸荷帶波速值相近的巖樣，以保證每組巖樣的均一性，最終組成3組試樣，每組4個。為了讓試驗結果更精確，減小高徑比因素的影響，對試驗結果進行修正，修正公式為：

(1)

式中Rc——標準單軸抗壓強度值，MPa；R——任意高徑比的單軸抗壓強度值，MPa；d——試件直徑，mm；h——試件高，mm。

4.2 試驗結果分析

在對單軸抗壓試驗結果進行修正后，得出各卸荷帶巖樣的單軸抗壓強度范圍值，其中強卸荷帶巖樣的強度為28.76～53.84 MPa，弱卸荷帶巖樣的強度為48.12～85.35 MPa，未卸荷帶巖樣強度為77.83～153.42 MPa。從強度范圍值可以看出，相鄰卸荷帶之間的抗壓強度值雖有較小程度的疊加，但彼此間還是有較大的差異。研究區(qū)邊坡巖體卸荷的復雜性決定了不可能將各卸荷帶劃分完全精確，因此本文所劃分的卸荷帶具有一定的合理性，可為工程借鑒。

根據試驗結果也可求出各卸荷帶巖樣的單軸抗壓強度平均值，強卸荷帶、弱卸荷帶和未卸荷帶巖樣的強度平均值分別為41.51、65.43、110.26 MPa。從強卸荷巖體至弱卸荷巖體，單軸抗壓強度平均值增長了57.62%；弱卸荷巖體至未卸荷巖體，單軸抗壓強度平均值增長了68.52%。本次試驗所得到的抗壓強度平均值表明了卸荷作用的加劇，將導致巖體強度的降低。

圖5為各卸荷帶巖樣應力～應變曲線，從圖中可以看出，強卸荷帶巖樣裂隙壓密階段比較明顯，而弱卸荷帶和未卸荷巖樣的裂隙壓密階段不太明顯，原因主要是強卸荷帶巖體由與卸荷回彈作用產生了一系列的卸荷裂隙及巖體內部的微裂隙，且裂隙走向與軸壓方向垂直或呈大角度相交，因此在試驗過程中與軸壓垂直或大角度相交的裂隙會被壓密；而弱卸荷與未卸荷巖體內部的裂隙較少，因此該階段表現得不太明顯。此外，試驗中各個卸荷帶巖樣在達到峰值強度前，應力～應變曲線上都存在一定的齒狀現象，即應力在某一時刻突然稍微下降，隨后又馬上上升。該現象表明巖樣內存在與軸壓方向小角度相交的為裂隙，且裂隙面凹凸不平，在軸壓作用下，巖塊沿微裂隙發(fā)生局部滑移，顆粒間相互翻滾和轉動，應力稍微下降，微裂隙移動一定位置后，凹凸面重新結合，應力又開始積累，表現為應力的上升。

a)強卸荷帶圖5 各卸荷帶巖樣應力～應變曲線

b)弱卸荷帶

c)未卸荷續(xù)圖5 各卸荷帶巖樣應力～應變曲線

5 結論

a) 邊坡巖體卸荷導致新的裂隙體系產生，或沿原有結構面剪切錯動，破壞了巖體的完整性，降低了巖體質量，同時為地下水及風化作用提供可有利條件。

b) 本文在國內外研究基礎上，選取裂隙張開度、裂隙數量張開裂隙數量及地震波縱波速等量化指標來進行邊坡卸荷帶的劃分，這4個指標的變化都表現為隨水平深度的增加而逐漸降低或趨于穩(wěn)定。

c) 通過室內單軸抗壓試驗對劃分的卸荷帶進行了驗證，結果證明了卸荷分帶的合理性，因此可將這4個量化指標作為巖質高邊坡卸荷帶劃分的依據，具有較大的實用價值。