水利邊坡巖體卸荷特性及應用

馮冠球

(深圳市水務工程檢測有限公司,廣東 深圳 518110)

0 引 言

巖體卸荷是指巖體在地質作用或開挖影響下,巖體的應力平衡遭到破壞,在巖體表面產生新的破裂體系或導致原裂隙繼續發展的現象。在交通、礦山、水利等邊坡工程中,巖體卸荷出現頻次較高,尤其是在水利水電工程中,巖體卸荷現象尤為嚴重。

巖體卸荷會導致巖體的整體性、強度等發生改變,從而對邊坡穩定性產生不利影響[1]。因此,邊坡巖體卸荷特性和卸荷帶的劃分受到國內外學者的關注。趙曉彥等[2]對邊坡的開挖過程進行了試驗研究,分析了卸荷裂隙的產生原因,并提出一種全新的卸荷帶劃分方法。石安池等[3]運用多種檢測手段,對三峽某水利邊坡的巖體卸荷特性進行了研究,認為卸荷帶可分為強、弱、微3種,并對不同卸荷帶中巖石的力學特性進行了分析。王運生等[4]對大量的鉆孔數據進行了分析,揭示了我國西部地區河谷從谷底應力集中到形成卸荷帶的演變歷程,并在模型試驗中再現了這一過程。孫云志等[5]對現有的卸荷帶劃分標準進行了總結和討論,認為卸荷帶的劃分應以裂隙的寬度、累計寬度和波速比等作為標準。趙川等[6]對卸荷的巖體進行了劃分,分別為剪切變形區、開挖擾動區以及應力不變區,并把巖土體的剪應變增量作為卸荷區域劃分的標準。

綜上所述,目前在研究邊坡巖體卸荷問題時,主要根據現場實測數據,對巖體卸荷特性和卸荷帶的劃分進行分析。其中,最常用的現場測試方法主要是鉆孔聲波法和地震波法。鉆孔聲波法的前期準備工作復雜,后期數據處理繁瑣;地震波法又比較依賴場地條件,給試驗帶來許多不便。因此,本文采用一種更為簡便的方法,對邊坡巖體的卸荷帶進行劃分。同時,對不同區域巖體的卸荷特性進行分析,并根據波速測試和室內試驗,對卸荷帶內巖體的完整程度和巖體質量進行評價。

1 工程概況

大壩位于一峽谷地段的S形河灣區域,所在位置的巖石層主要為微晶灰巖、頁巖及泥灰巖。在地勢上,大壩兩岸差異較大,左岸邊坡地勢平緩,右岸邊坡地勢陡峭;左岸坡頂高程比右岸坡頂高程約高出1 000m。在高程小于700m的位置,兩岸邊坡地勢分布相對對稱,峽谷呈V字形,高寬比約1∶2。相關地質勘查資料顯示,該地區的地質條件較差,多處巖層間的剪切帶中存在地質缺陷。此外,該處由于長期受水流沖刷和風力侵蝕作用,邊坡巖體卸荷現象較為嚴重,存在多條卸荷裂隙,寬度大多在0.2～2cm范圍內,個別裂隙寬度達到10cm,填充有大量的碎石,整體穩定性較差

2 檢測方法

傳統的鉆孔聲波檢測方法需要在平硐內部設置大量鉆孔,不可避免地會對鉆孔附近的巖體再次造成擾動。此時檢測到的彈性波速與實際波速之間存在誤差,無法準確反映出卸荷帶與彈性波速之間的關系。鑒于此,本文所采用的方法可直接在平硐內墻上設置少量的折射波接收裝置,利用波速計算公式即可算出原狀巖體的波速,避免了被擾動巖體對最終結果的影響。

2.1 基本原理

該方法可以成功運用的前提是因為巖體的擾動層和未擾動層的物理參數之間存在明顯的差異,兩者之間形成一個波阻界面。當彈性波在巖體中傳播時,彈性波會在波阻界面同時發生反射和折射,改變波的傳播路徑。該方法就是從實際接收到的、包含多種波形的實際波中分離出首波時刻,從而計算出原狀巖體的彈性波速。

圖1為彈性波在雙層介質模型中的傳播路徑示意圖。在該模型中,彈性波主要分為3種形式,即直達波、反射波、折射波。其中,擾動層中的波速為V1,未擾動層中的波速為V2,兩者之間的大小關系為V2>V1。

圖1 彈性波傳播示意圖

3種波形中,反射波和直達波只會在擾動層的巖體中傳播,傳播速度均為V1,且直達波的傳播距離要小于反射波的傳播距離,所以直達波會先被接收。折射波則是先在擾動層中以速度V1傳播,到達波阻界面后,以速度V2在波阻界面上傳播。因此,只能根據折射波的傳播路徑計算出未擾動巖體中的波速。因為V2>V1,當接收點布置在合適位置時,就能夠首先接收到折射波。

以圖1中的模型為例,在激發點處同時發出兩道彈性波,接收點1接收到第一個波形時的時間為T1,接收點2接收到第一道波形的時間為T2,則T1和T2的計算公式如下:

(1)

(2)

由此可以推出:

(3)

當接收點間的距離X很小時,平硐墻面上的起伏就可忽略不計。此時有L3=L4,所以式(3)可改寫為:

(4)

因此,根據式(4)即可計算出彈性波在未擾動巖層中的傳播速度V2。

2.2 試驗方案

試驗過程中,在平硐壁上設置一條測線,測線上設有一個激發點和兩個接收點,接收點之間的距離為1m,偏移距離約4m。具體檢測步驟如下:

1)采用人工激發的方式在激發點發出入射波,根據兩個接收點獲得第一個波形的時間差,計算出彈性波在巖體中的傳播速度。

2)在接收點的另外一側進行激發,按照上述方法再次計算出彈性波的傳播速度。

3)計算出兩次測得的波速平均值,消除硐面起伏所產生的誤差。

4)將激發點和接收點沿測線向硐內平移1m,重復上述步驟,直到完成整個平硐內的波速檢測。

3 巖體卸荷帶的劃分

由于該大壩邊坡右岸地勢陡峭,而左岸地勢相對平緩,因此本次測試在右岸對4#、7#、8#平硐進行檢測,在左岸對6#、11#、21#、25#平硐進行檢測。按照彈性波在未擾動巖層中的傳播速度和平硐深度之間的關系曲線,對大壩邊坡的巖體卸荷帶進行劃分。本文中卸荷帶的劃分標準定為:全新巖體到微、弱卸荷帶的波速下降幅度為15%～25%;微、弱卸荷帶到強卸荷帶的波速下降幅度為20%～30%。

圖2分別為左岸和右岸平硐中波速與洞身之間的關系曲線。從圖2可以看出,隨著平硐深度的增加,越靠近邊坡內部,波速值越大,波速上升的趨勢也比較平緩。當硐深達到某一值時,波速值會產生突變,其主要原因有兩個:①該處巖體中存在較多的裂隙帶,此時會導致巖體中的波速降低。②該處受到巖體卸荷的影響,在邊坡表面,卸荷作用明顯,波速值的下降幅度較大;而在邊坡內部,卸荷作用不明顯,波速值的下降幅度較小。因此,試驗檢測到的波速值會隨著硐深的增加而增加,直至趨于穩定。

圖2 波速與硐深之間的關系曲線

根據現場平硐試驗的結果,將大壩邊坡巖體劃分為3種:強卸荷帶,微、弱卸荷帶,全新巖體。不同卸荷帶的分布和巖體的波速值見表1。巖體中的波速值范圍1 650～5 000m/s,波速平均值分布在2 800～4 720m/s之間。

表1 巖體波速檢測結果及卸荷帶劃分

大壩兩岸邊坡巖體卸荷帶的劃分情況見圖3。從圖3可以看出,大壩邊坡左岸的中部強卸荷帶厚度約23m,右岸的中部強卸荷帶厚度約30m,該處左岸的卸荷帶厚度小于右岸的卸荷帶厚度;而在其他檢測區域內,左岸的卸荷帶厚度均要大于右岸的卸荷帶厚度,這與兩岸邊坡的地勢分布情況相吻合。

圖3 巖體卸荷帶分布圖

4 巖體卸荷特性及巖體質量評價

4.1 巖體卸荷特性

地質勘探和波速檢測的結果顯示,兩岸巖體強卸荷帶中張開裂隙比較多,寬度多為2cm,最寬的裂隙達到10cm,裂隙中有填充碎巖屑、礫石和泥沙,而且有水滲出。兩岸強卸荷帶厚度分布在20～30m范圍內,最大處達到33m。在該區域,波速的變化幅度明顯,右岸的波速范圍值為2 660～2 990m/s,左岸的波速范圍值為2 710～3 760m/s。

微、弱卸荷帶中也有較多的卸荷裂隙,但張開程度不大,寬度多為0.2cm,部分裂隙中填充有碎巖屑,滲水現象也不明顯。兩岸微、弱卸荷帶厚度分布在14～60m范圍內,最大處達到61m。在該區域,波速的變化幅度也比較明顯,右岸的波速范圍值為3 370～3 940m/s,左岸的波速范圍值為3 400～3 760m/s。

全新巖體的結構完整,僅在少部分區域存在細小裂隙。在該區域,波速會隨著高程的增加而減小,但波速變化幅度不大,右岸的波速范圍值為4 420～4 550m/s,左岸的波速范圍值為4 430～4 720m/s。

通過上述分析可以看出,左岸的卸荷帶厚度要明顯大于右岸的卸荷帶厚度,這是由兩岸的地勢差異所造成的。圖4為不同高程處卸荷帶厚度的變化情況。隨著高程的變化,卸荷帶厚度也有明顯的變化,其中兩岸低高程處的卸荷帶厚度,明顯低于中高程和高高程處卸荷帶的厚度。

圖4 不同高程處卸荷帶厚度的分布情況

4.2 巖體質量評價

彈性波在巖體中的傳播速度與巖體的完整程度密切相關,當巖體發生卸荷現象時,巖體的完整性和物理特性會隨之改變。因此,可以根據試驗中檢測到的彈性波波速值來判斷巖體的完整程度。將巖體的完整性和堅硬程度作為評價指標,按照式(5)計算得到巖體的質量指標,然后對巖體質量進行評價。

BQ=3RC+250KV+90

(5)

式中:RC為單軸抗壓強度,室內試驗測得的巖石單軸抗壓強度為21～130MPa;KV為巖體的完整性系數,表征巖體的完整性。

圖5為大壩兩岸巖體的BQ值與平硐深度間的關系曲線。從圖5可以看出,該大壩邊坡強卸荷帶區域內巖體等級達到Ⅳ級以上,微、弱卸荷帶區域內的巖體等級為Ⅲ級,全新巖體的等級為Ⅱ～Ⅲ級。

圖5 巖體BQ值與平硐深度的關系

5 結 論

1)大壩右岸邊坡的強卸荷帶厚度約23m,微、弱卸荷帶厚度約22m;左岸邊坡的前卸荷帶厚度約29m,微、弱卸荷帶厚度約46m。左岸的卸荷帶厚度普遍大于右岸的卸荷帶厚度。

2)大壩邊坡強卸荷帶區域內巖體等級達到Ⅳ級以上,微、弱卸荷帶區域內的巖體等級為Ⅲ級,全新巖體的等級為Ⅱ～Ⅲ級。

3)本文所提出的試驗方法,不僅克服了現有檢測方法的不便之處,還可以準確評價對邊坡巖體的卸荷帶和卸荷特性,是一種便捷有效的檢測方法。