河谷水平構造巖體卸荷的探討

武 寧，李大樂

（遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧沈陽110006）

1 邊坡側向卸荷的規律

水電建設者們新修水利電力建筑設施，總寄希望大壩等建筑物地基選在新鮮完整的巖體上，然而巖體形成后淺表部往往受不同程度的風化卸荷，于是人們開始研究利用部分的風化卸荷巖體。卸荷包括側向卸荷和垂向卸荷，河谷邊坡巖體中發育有近于平行岸坡的陡傾角構造，易向河谷的臨空方向卸荷，即側向卸荷巖體；而當巖體近水平狀構造發育時，當河谷遭剝蝕，造成垂向卸荷。巖體近水平狀構造卸荷非常普遍，其形式多樣，往往在河床以下近水平狀構造垂向卸荷強烈，更為隱蔽，處理措施適當可以節省工期和工程建設費用。要弄清近水平狀構造垂向卸荷的力學機制等，先總結一下岸坡側向卸荷的規律。

河谷總是上寬下窄，邊坡巖體側向卸荷往往也是上部水平深度較深，臨近河谷水平深度較淺。傳統觀念認為邊坡頂部暴露時間較早，河谷低高程下切時間較晚，邊坡卸荷是一個時間流變的問題。

河谷下切的形成史遠遠超過人類歷史，動輒上萬年，河谷的高高程與低高程雖然下切形成時間相差很多，但卸荷完成的時間不需要那么長，哪怕是低高程形成的河谷時間，云南省境內瀾滄江上的小灣水電站壩基開挖完后不到一個月的時間，壩基出現寬大的卸荷就是一個很好的例證。

本文從力學機制加以解釋。河谷在未形成之前，河谷岸坡部分有巖石支撐，河谷岸坡部分受巖石（體）支撐反力（圖1（a））。當河谷形成以后，支撐的反力消失了，岸坡受力等效圖（圖1（b）），表明邊坡的力受到了調整（當然邊坡實際應力調整演化要復雜得多）。

為了清楚地研究岸坡側向卸荷規律，取左岸岸坡巖體為脫離體（圖2（a））研究不同高程水平深度一樣的點受力情況，由于習慣的原因，將脫離體旋轉使其岸坡近水平（圖2（b）），圖2（a）第1 點鉛直深度比第2 點小，第1 點受鉛直方向力用1 v 表示，水平方向受力用1 h 表示，同樣，第2 點受鉛直方向力用2 v 表示，水平方向受力用2 h 表示，顯然，2 v 比1 v 大。

把圖2（b）中1 和2 兩點受力分解到垂直岸坡的方向，第1 點受力F1=，第2 點受力F2=，不 難 看 出，大，F2比F1 小，也就是說，在岸坡巖石（體）強度一樣的條件下，在河谷下切后，邊坡應力調整，當F1 達到第1點巖石（體）強度，巖體松弛破壞，此時第2點F2 還未達到巖石（體）的破壞強度，巖體就保持完整狀態，由于高程巖體側向卸荷水平深度較低高程岸坡巖體大，空氣和水容易滲透到卸荷巖體加劇風化作用，所以其風化規律也跟卸荷規律一致。

這里要說明的是河谷演化史比較復雜，各種數字模擬河谷岸坡應力的方法和軟件比較多，文中的分析只是大致用來說明其岸坡巖體風化卸荷的規律。

圖1 河谷成形前后岸坡受力示意圖

圖2 河谷形成之后左岸岸坡受力圖

2 河谷近水平狀構造垂向卸荷的規律

河谷下切后，其河床受力必然發生變化，在河床一定深度的巖石（體）中產生應力包，河床巖體容易松弛變形，特別是寬谷（U 谷）。圖1～2 分析岸坡側向卸荷的成因機制，把岸坡當作板梁求解，岸坡高高程一端為自由端，而河床底部巖石（體）則是兩段固定，河床巖體中的構造向上突起，形似背斜構造（圖3）。強調一點的是，近水平狀構造卸荷方向為鉛直方向。王蘭生教授等把近水平狀構造的垂向卸荷在淺生改造歸類為隆起彎曲破裂型[1]。

在兩岸岸坡相對河谷高程不高時，則岸坡近水平狀的構造在剖面上顯示，兩岸產狀不一致。用數學的方法能否預判其近水平狀構造垂向卸荷的深度，不同的工程有不同的邊界條件和巖體的力學參數。河床下切改造跟地下洞室開挖類似，只不過，河床下切改造的輪廓顛倒了180°，改造后的河床成了一個巨大的天然“洞室”，此時河床成了“洞室”的頂拱（圖3），河床的近水平狀構造垂向卸荷深度變成了“洞室”頂拱的安全埋高。有關安全埋高，請參閱《水平巖層隧洞頂拱安全埋高的工程地質問題》[2]。

圖3 河床水平巖體卸荷數學模擬求解假定示意圖

3 工程實例概況

3.1 工程實例1

該工程壩址左右兩岸高程約480 m，河床高程約370 m，坡頂與河床相對高差100 m 左右。地層主要為三疊系上統須家河組（T3xj）砂巖、泥巖夾煤線，產狀一般N25°～30°E/SE∠22°～28°，其構造形式主要表現為順層發育的層內擠壓帶（j），其擠壓帶寬度一般5～30 cm，主要由角礫巖、糜棱巖和斷層泥組成。該工程為混凝土重力壩，混凝土重力壩需查明壩基軟弱帶，對軟弱帶的勘探調查非常重視。壩軸線剖面表明，兩岸軟弱夾層和層面界線不在一條直線上，而該地區和壩基下無大的斷裂通過，筆者認為是巖體近水平狀構造的垂向卸荷造成的，而軟弱帶的形成可能又是巖體卸荷造成的。

3.2 工程實例2

該工程出露的地層主要為二疊系上統玄武巖組（P2β），屬海相噴發，地層傾向右岸，產狀N10°～20°W/SW∠70°～80°，與壩基有關構造主要為錯動帶和節理。

為查明緩傾角結構面的空間展布方向，前期進行了鉆孔定向取芯和物探電視全景圖像拍攝，該工程為混凝土重力壩，勘探揭示表明，在左岸8 號、9號壩段1 175 m 高程附近結構面向河床兩岸傾斜，形似背斜狀，顯示該處為卸荷松弛區。卸荷松弛的機理參建《有關火山破裂構造的工程地質問題—談官地電站壩基主要的工程地質條件》一文[3]。

主要結構面為層間錯動帶（C）、層內錯動帶（Lc）和節理裂隙。層內錯動帶較發育，主要隨機分布在各層中下部玄武巖內，一般延伸長20～60 m，主錯面波狀起伏、粗糙，主錯帶寬5～15 cm，由角礫、巖屑和石英綠簾石條帶組成，錯動帶普遍夾泥。

壩軸線剖面表明兩岸高高程650～700 m 巖流層不成一條直線，河床330～360 m 高程巖流層面界線、層間錯動帶、層內錯動帶呈“背斜”狀。

4 近水平狀構造垂向卸荷的勘察策劃與分析

近水平狀構造垂向卸荷意味著結構面中普遍夾泥，必須弄清了河谷近水平狀構造垂向卸荷的深度，軟弱夾層的分布等，因此勘察過程中應注意：

1）地質調查以現象為主要線索，判斷與分析近水平狀構造垂向卸荷問題。在地質調查中應注意岸坡兩岸是否有近水平狀構造垂向卸荷現象，比如，兩岸近水平的構造、長大軟若綿、沉積巖（包括負變質巖）中巖層層面、噴出巖的巖流層層面，火山構造的節理面產狀是否有變化。進一步通過調查，分析與判斷該部位的近水平狀構造垂向卸荷問題及其程度。

2）針對性地選擇勘探方法與手段。在理解設計意圖的情況下，勘探布置應進行合理宏觀策劃與把控，如河床及其附近針對性布置勘探孔，查明其近水平構造的分布規律，勘探查明具體手段則包括對單孔近水平結構面采取定向取芯手段，物探中采用全景攝像的電子羅盤確定其層面的產狀等。

3）勘察成果的分析與工程運用。近水平狀構造垂向卸荷程度的不同直接關系到其相應工程的處理方式。宏觀上，應結合工程建筑物地基要求特點及現狀近水平狀構造垂向卸荷現象進行卸荷程度分區與分段，必要時應開展分類條件下各區段的巖體工程地質特性研究，并分析預測開挖條件下對各區段巖體工程性狀或條件的影響。原則上對于近水平狀構造垂向卸荷程度較強～強烈的壩址選擇應盡量避開這些卸荷松弛區域，在不能避讓時，應盡量考慮少開挖加其它處理措施的方案，對于近水平狀構造垂向卸荷程度輕微的區段，應側重于預測其開挖條件下相應的工程處理措施研究，達到工程既安全又經濟的效果。

5 施工的處理措施及其探討

巖體條件是一個客觀實際，已研究得比較透徹，認識了卸荷規律，就可以充分利用盡可能利用的巖體，減少工程投資和節約工期。近水平狀構造垂向卸荷意味著巖體松弛，巖體中充填有次生泥。巖體卸荷松弛將降低巖體類別，進而降低巖體的力學指標，需采取有關的處理措施。

5.1 處理措施工程實例

不同情況需要處理的方式不同，實例1 中，兩岸山體相對河床壩基高程不高，近水平狀構造垂向卸荷程度輕微。壩基處理主要針對軟弱夾層的刻槽，混凝土充填置換夾層。

實例2 中開挖發育的斷層和錯動帶有F8，fx3706，fxh10-4，fxh10-5，fx8-3，fx7-6，f7-3，fx10-6 等。左岸8 號、9 號壩段處于近水平狀構造垂向卸荷的地應力釋放區，其斷層的特點如下：

fxh10-4，產狀N20°～40°E/SE∠10°～20°，壩0+60～下游段出露，面波狀起伏，斷層面上具有明顯的擦痕，擦痕方向S15°～20°E。錯動帶寬5～20 cm，局部可達30 cm，帶內主要物質為青灰色斷層泥、巖塊、巖屑及少量糜棱巖，部分段分布有黃色次生泥，斷層泥及次生泥處于飽水狀態，具有隔水作用，沿錯動帶頂面局部有地下水滲出，錯動帶類型為泥夾巖屑型。

fxh10-5，性狀同fxh10-4（fxh10-5 與fxh10-4可能為同一條錯動帶），壩0-20～0+60m 出露。其中，-020～0-04 m段分為2條，產狀N70°E/SE30°，帶寬10～20 cm，主要由次生泥、巖屑組成，帶內物質松散，錯動帶類型為泥夾巖屑型。0-04～0+8 m段，錯動帶產狀EW/S∠10～15°，帶寬5～15 cm，主要由次生泥、巖屑組成，帶內物質松散，錯動帶類型為泥夾巖屑型。0+8～0+60 m 段，錯動帶產狀EW/S∠10°～15°，帶寬10～30 cm，最寬達50 cm，主要由次生泥、巖屑組成，帶內物質松散，錯動帶類型為泥夾巖屑型。

陡傾角錯動帶有fx8-3，fx7-6，fx7-3，fx10-6，其產狀N5o～30°W/SW ∠70°～85°，帶寬20～50 cm 不等，局部5～10 cm，主要由壓碎巖、角礫糜棱巖、巖屑及次生泥組成，錯動帶力學類型為巖屑夾泥型、巖塊巖屑型兩類。

這些錯動帶的共同特點就是張開夾次生泥，顯示巖體存在明顯的卸荷松弛，屬弱卸荷巖體。該工程壩基處理措施主要是對不滿足大壩對地基要求的巖體部分進行下挖處理，對其它錯動帶進行刻槽處理，對影響壩體穩定的不利組合塊體進行清除或加強處理，對地基巖體進行固結灌漿處理。

特別針對9 號壩段發育有fxh10-4，fxh10-5 緩傾角錯動帶，延伸較長，性質較差，抗滑穩定問題突出，對9 號壩段采取了由原設計的1 186.00 m 高程整體下挖至1 175.00 m 高程。8 號壩段建基面高程1 200.00 m，壩高雖大于100 m，且fxh10-4 和fxh10-5 在壩基下通過，考慮到下游有山體作為抗力體，僅對不滿足壩基抗滑穩定的Ⅲ2 類巖體進行了挖除，對7—9 號壩段在高程1 245 m 以下并縫，9 號、10 號壩段在高程1 214 m 以下采取并縫處理措施。

fx8-3，fx7-6，fx7-3，fx10-6 其間的巖類雖為Ⅲ1 類，但其間節理及其小錯動帶發育，對巖體強度起著決定性的控制作用，受其錯動帶影響，5—8號壩段fx8-3 上游壩踵部位巖體不滿足建壩要求，因此進行了缺陷槽開挖處理。

工程實例2 中所揭露的近水平狀構造垂向卸荷不在河床中間部位，原來左岸構造較發育，巖體強度較低，應力集中。

5.2 處理措施有關探討

對于河床近水平狀構造垂向卸荷強烈的巖體開挖，有時開挖后，容易造成新的人為卸荷，一旦產生了新的卸荷巖體，即使灌漿也達不到天然巖體的強度，而強卸荷巖體必須挖除，那么要采取既要挖除不滿足建壩要求的巖體，又要做到使其下部巖體不能產生卸荷回彈。建議：

1）大型巨型工程比如像溪洛渡電站、向家壩電站前期進行了河床基覆界面以下的過河隧洞勘探，可利用前期勘探的隧洞進行錨固處理后，再進行開挖。錨固力當然等于建基面上覆巖體（包括覆蓋層和河水）的重力，再適當加以安全系數即可。

2）對于沒有進行河床底部以下的過河隧洞勘探，那么，可否在壩基開挖前，在河床建基面松弛巖體內預先實現錨索孔鉆孔，在大壩開挖后即時進行錨索支護，該方法其優點是施工簡便，減少卸荷回調的時間，這正如多級馬道邊坡開挖在開挖一兩級馬道先進行支護后方能下一級馬道開挖一樣，以避免邊坡整體松弛后再支護的弊端。

此外，針對近水平狀構造垂向卸荷巖體開挖應采用適宜的施工工藝，如采用小藥量的爆破控制技術，并即使實施預應力錨桿系統等。

6 結語

隨著一帶一路的水電建設規模擴大，世界上很多河流亟待開發，還有很多水庫、電站需要修建，不僅要認識邊坡側向卸荷規律和掌握對邊坡卸荷巖體的處理措施，也更應該很好地認識河谷巖體垂向卸荷規律和掌握對此處理措施，在國際競爭的舞臺上更有優勢，在合同簽訂中注意到要怎樣勘探，與此產生怎樣的費用，在勘探中應該運用什么方法與手段，在施工中遇到該現象采取怎樣的最優和最可靠的處理措施，以確保工程建設安全與經濟。

本文未對近水平狀構造垂向卸荷巖體處理措施的適宜性、開挖與支護時機等進行深入研究，對于水平構造很發育河谷岸坡及河床，垂向卸荷現象很明顯，地質勘察中很容易發現。由于河流下切，河床以下普遍存在應力包，相似的河谷，其風化卸荷深度不一樣，在某種情況下來說是垂向卸荷影響的結果，對水平構造不發育的河谷，前期怎樣認識水平構造垂向卸荷，工程建設中河床下挖，垂向卸荷有怎樣表現，等等這些問題，希望后來者在工程運用中加以更深入和廣泛的研究與探索，以更好地服務于工程建設。