岩体开挖松弛变形监测

董 瑜 斐， 王 红 霞， 费 大 军

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 监测及试验研究所，四川 成都 610072；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

岩体开挖松弛变形监测

董 瑜 斐1， 王 红 霞2， 费 大 军1

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 监测及试验研究所，四川 成都 610072；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

采用预埋多点位移计的方法对“硬、脆、碎”岩体开挖松弛变形进行了长达1.5 a时间的监测，证明“硬、脆、碎” 岩体开挖松弛变形不仅具有强烈的空间效应，还具有较为明显的时间效应。完善了坝基岩体质量分类，优化了设计处理方案，取得的效益显著，为其它工程类似问题的处理提供了重要的借鉴与参考。

预埋多点位移计；“硬、脆、碎”岩体；时间效应；空间效应；大岗山水电站

1 概 述

我国水电资源总量位居世界第一，其中西部水电资源占81%，但其开发率较低。因此，大力开发西部水电，实施“西电东送”是我国西部大开发战略的重要组成部分，也符合我国开发清洁可再生能源的可持续发展国策。

岩体被广泛作为建筑物的地基、边坡和围岩的介质，其自然属性及工程稳定性直接影响到建筑物的运行与安全。高拱坝要求建基于坚硬较完整岩体上，但坝基岩体往往存在一些地质缺陷，如断层、挤压错动带、软弱夹层、蚀变岩带等软弱岩带，特别是坚硬、性脆、隐微裂隙发育的“硬、脆、碎”岩体，开挖卸荷的松弛变形对建筑物基础的稳定尤为不利。 工程界对岩体松弛及时效变形测试的方法主要有：多点位移计监测、地震声波法、超声波测井法、探地雷达、微地震监测及钻孔全景图像测试等。

笔者介绍了采用预埋多点位移计的方法对大岗山水电站 “硬、脆、碎”辉绿岩岩体进行开挖松弛变形的监测，发现开挖期岩体松弛具有较强的空间效应，开挖结束后还具有明显的时间效应。优化了坝基岩体缺陷处理设计方案。

2 岩体原位开挖松弛变形监测

2.1 监测对象及其地质条件

依托大岗山水电站， 将其PD219平洞内的β133辉绿岩脉作为监测对象，其地质特征见表1、图1。

2.2 监测成果

表1 岩体原位开挖松弛监测点地质特征表

监测时间近一年半，按多点位移计埋设初期、松弛监测平洞开挖、松弛监测平洞开挖结束、压缩蠕变试验、压缩蠕变试验结束等分时段进行整理，时段划分为：

① 2008-12-30～2009-02-09为多点位移计埋设至松弛监测平洞开挖之前的仪器调试期；

② 2009-02-10～2009-04-09为松弛监测平洞开挖期；

③ 2009-04-10～2009-08-03为松弛监测平洞开挖之后的变形调整期；

④ 2009-08-04～2009-11-04为松弛监测平洞开挖之后的变形趋于收敛期；

图1 岩体原位开挖松弛监测点布置示意图

⑤ 2009-11-05～2010-02-18为岩体压缩蠕变试验期；

⑥ 2010-02-19～2010-05-14为岩体压缩蠕变试验结束之后的变形趋于收敛期。

分时段整理成果见表2。距离压缩蠕变试验点表面最近的3支多点位移计的1号点(辉绿岩脉内)位移～时间监测曲线见图2。

3 松弛变形监测成果分析

3.1 位移规律

从表2中的辉绿岩开挖松弛期、压缩蠕变试验期和压缩蠕变试验结束后的监测成果可知：

(1)开挖松弛期位移。

多点位移计S219-3开挖松弛位移最大；S219-2开挖松弛位移次之；S219-1开挖松弛位移最小。

表2 岩体原位开挖松弛监测点成果汇总表

注：松弛位移为负，压缩位移为正。

(2)压缩蠕变试验期位移。

多点位移计S219-3压缩蠕变试验期压缩位移最大；S219-1压缩位移次之；S219-2压缩位移最小。

(3)压缩蠕变试验结束后的位移。

多点位移计S219-3压缩蠕变试验结束后的松弛位移最大；S219-2松弛位移次之；S219-1松弛位移最小。

(4)松弛、压缩位移主要发生在辉绿岩中，花岗岩不明显且多点位移计S219-3松弛、压缩位移均最大。

3.2 位移深度规律

绘制S219-1、S219-2、S219-3监测孔的松弛、压缩位移～深度关系曲线(图3～5)。

图2 辉绿岩松弛位移～时间关系曲线图

松弛位移 压缩位移图3 S219-1松弛、压缩位移～深度关系曲线图

松弛位移 压缩位移图4 S219-2松弛、压缩位移～深度关系曲线图

松弛位移 压缩位移图5 S219-3松弛、压缩位移～深度关系曲线图

从图中可以看出：

(1)S219-1位移监测孔的岩体开挖松弛主要发生在辉绿岩中，辉绿岩中的2个测点松弛位移量基本相同，花岗岩中的2个测点的松弛不明显。压缩蠕变试验期压缩位移仅距离辉绿岩表面最近的1个辉绿岩测点表现较为明显，其余4个测点可视为接近，没有明显的随深度变化的规律。

(2)S219-2位移监测孔的岩体开挖松弛有较明显的、随深度变化的规律，总体表现为从距离辉绿岩开挖表面最近的测点松弛位移最大，以里逐渐减小。压缩蠕变试验期压缩位移表现较离散，规律性不强。

(3)S219-3位移监测孔的岩体开挖松弛位移、压缩蠕变试验期压缩位移的规律性最好，其中松弛位移具有明显的随深度变化的规律，从距离辉绿岩开挖表面最近的1#测点至深部的5#测点松弛位移逐渐减小。压缩蠕变试验期压缩位移表现为从距离压缩蠕变试验点表面最近的1#测点至中部的4#测点压缩位移逐渐减小，4#测点至5#测点的压缩位移基本相等，即压缩蠕变试验的压缩荷载对超过承压板深度3 m以上的岩体影响不明显。

3.3 松弛变形的空间效应和时间效应

S219-3监测孔中的β133辉绿岩脉上两个测点的松弛变形监测曲线均表现出明显的空间效应。为有利于分析研究，选取S219-3-1测点为例分析如下。

从图2中可以清楚地看出：

①2009年2月18～19日，试验支洞在开挖到达或超过S219-3监测孔相应位置的较短时间内发生了下台阶式的大位移，瞬间的洞壁岩体收缩位移量达0.828 mm，此时段内只存在空间效应，无明显的时间效应。

②随着试验支洞继续向前开挖，岩体位移呈对数曲线缓慢发生，在2009年2月20日～3月20日的29 d时间内，向临空面发生的松弛位移量为0.429 mm。此时段内既有小跨度的空间效应，又存在明显的时间效应。

③随着试验支洞的继续开挖，2009年3月21～24日的4 d之内，发生了上台阶式的大位移，向临空面发生的松弛位移量达4.209 mm，其中21日发生的位移量为1.09 mm，22～23日发生的位移量为0 mm，24日发生的位移量达3.119 mm，此时段内发生了2次上台阶的大位移式的空间效应，时间效应却不明显。

④2009年3月25日至4月9日，试验支洞开挖结束，岩体松弛位移仍然呈对数曲线缓慢发生，在这16 d时间内，向临空面发生的松弛位移量为0.245 mm。此时段内松弛位移主要表现为随时间逐渐发生的时间效应，空间效应不明显。

⑤2009年4月10日～2009年8月3日为试验平洞开挖之后的变形调整期。此时段中，松弛位移主要表现为随时间逐渐发生的时间效应，向临空面发生的松弛位移量为0.373 mm。

⑥2009年8月4日～2009年11月4日为试验平洞开挖之后的变形趋于收敛期。此时段内，松弛位移主要表现为随时间逐渐发生的时间效应，向临空面发生的松弛位移量为0.013 mm。

⑦2009年11月5日～2010年2月18日为辉绿岩岩体压缩蠕变试验期。其中11月5日8时压缩蠕变试验加载瞬间发生下台阶式的瞬时大位移，瞬时压缩位移量达1.254 mm，表现为明显的空间效应。大位移压缩之后，即2009年11月5日9时～2010年2月18日，位移十分缓慢的向临空面方向发生，主要表现为随时间缓慢松弛的时间效应，位移量为0.171 mm。

⑧2010年2月19日～2010年5月14日为岩体压缩蠕变试验结束之后的变形趋于收敛期。此期间主要表现为随时间缓慢松弛的时间效应，位移量为0.104 mm。

综上所述，在500 d的位移监测期间内，明显的空间效应出现了2次，主要有2009年3月21～24日发生的上台阶式大位移，向临空面发生的松弛位移量达4.209 mm；2009年11月5日8时压缩蠕变试验加载瞬间发生的下台阶式瞬时大位移，瞬时压缩位移量达1.254 mm。开挖结束后的2009年4月10日至11月4日的7个月时间，变形的时间效应明显，松弛位移为0.386 mm，其中前4个月达0.373 mm。

因此，在“硬、脆、碎”辉绿岩近两个月的开挖过程中，岩体产生了明显的松弛位移，即变形的空间效应；开挖结束后，大约经过7个月时间，岩体仍继续产生一定程度的松弛变形，尤其前4个月，变形的时间效应明显。

4 结 语

(1)大岗山水电站坝基开挖改变了岩体原有的应力场，储存在岩体中的弹性应变能得以释放，隐微裂隙显现，原有结构面张开、错动及扩展，甚至产生新的裂隙，开挖岩体总体向临空方向发生松弛变形。大部分应力释放所产生的变形在爆破的瞬间完成，可视为脆性变形；剩余部分的变形在其后较长的时间内逐步完成，可视为流变变形。坝基岩体隐微裂隙的发育构成了坝基岩体开挖卸荷松弛时空效应的内在因素。

(2)大岗山水电站坝区花岗岩和辉绿岩虽然都属于坚硬岩，但在长期的构造历史演化中不仅产生了大量的宏观断裂，还蚀变产生了大量的绿泥石等软弱黏土矿物和隐微裂隙，使其在开挖卸荷过程中不仅具有松弛的空间效应，还具有明显的时间效应。

(3)大岗山工程松弛岩体研究成果表明：松弛变形不仅具有强烈的空间效应，还具有较为明显的时间效应。该成果完善了坝基岩体质量分类，重点对“硬、脆、碎”辉绿岩岩类进行了调整，优化了大岗山水电站拱坝坝基岩体缺陷处理设计方案；为其它工程类似问题的处理提供了重要的借鉴与参考。

(责任编辑：李燕辉)

2016-12-24

TV7；TU192；[TV221.2];TV522

B

1001-2184(2017)01-0060-04

董瑜斐(1982-)，男，山西长治人，高级工程师，学士，从事岩土监测工程方面的试验研究工作；

王红霞(1970-)，女，甘肃秦安人，高级工程师，学士，从事水工建筑材料试验研究项目管理工作；

费大军(1974-)，男，四川仁寿人，高级工程师，学士，从事岩工试验研究工作.