基于应变率的边坡岩体卸荷分带应用

范健辉

摘 要：水电工程中大规模的坝基边坡开挖卸载导致岩体完整性显著降低，岩体力学性质劣化，由此产生一系列工程问题。边坡岩体卸荷带的划分有利于加深对边坡岩体质量的认识，有助于工程后续的设计和处理。本文通过分析卸荷分带常用量化指标，指出各指标可能存在的局限性，并探讨以卸荷应变率为指标的卸荷分带法在新疆QBT水电站坝区工程中的应用，依据水利水电工程地质勘察规范对卸荷分带法进行验证。结果表明：该方法具有良好的优越性和可操作性。

关键词：岩石力学;岩体卸荷;应变率;卸荷带划分

中图分类号：TU452文献标识码：A文章编号：1003-5168（2018）29-0083-03

Abstract： The large-scale excavation and unloading of dam foundation slope in hydropower engineering results in a significant reduction of rock integrity and deterioration of rock mechanical properties， resulting in a series of engineering problems. The division of unloading zone of slope rock mass is helpful to deepen the understanding of rock mass of slope and to the subsequent design and treatment of engineering. This paper pointed out the limitations of each index by analyzing the commonly used index of unloading zoning， and discussed the application of unloading zoning method with unloading strain rate index in the dam area of Xinjiang QBT Hydropower Station. The unloading zoning method was validated according to the geological investigation criterion of water conservancy and Hydropower engineering. The results showed that the method had good superiority and maneuverability.

Keywords： rock mechanics;rock mass unloading;strain rate;division of unloading zone

1 研究背景

大型工程開挖是人类工程活动对岩体环境扰动的主要形式。水利水电工程边坡由于大规模开挖，破坏岩体中原有的应力平衡，在应力重新分布过程中，边坡浅表部向临空面方向发生卸荷回弹，使原有结构面张开、滑移、扩展并形成新的破裂体系。在实际工程中，合理判断边坡岩体的卸荷状态和分带情况，是长期保证工程安全的关键。

对边坡岩体卸荷带的研究，陈强等[1]以渗透系数的统计平均值作为岩体卸荷分带的界线标准，分析了岩体卸荷分带和岩体渗透性等级的对应性。孙志云、郑达等[2-5]提出以张开裂隙宽度、张开裂隙累计宽度、波速比等作为卸荷带划分的量化指标，并进行应用对比，为工程实践提供依据。

在当前的工程中，岩体卸荷分带的量化指标没有统一的标准。这种现状给水利水电工程边坡岩体的质量评价和处理设计带来了困扰。本文通过研究卸荷分带多种量化指标的应用，分析各指标的优劣，并选用卸荷应变率指标对在建水电工程实例应用，证明该方法的优越性和可操作性。

2 常用量化指标

对一个实际工程进行卸荷带划分往往采用定性与定量相结合的方法。定性方法为地质判断。但定量方法如前文所述，所用的量化指标并没有统一标准。目前，水利水电工程在卸荷带划分上常用的量化指标有张开裂隙宽度、张开裂隙累计宽度、裂隙间距、张开裂隙率、RQD值、纵波波速、波速比、视电阻率、吕荣值和应力应变等。其中，最常用的是裂隙宽度、裂隙率等岩体结构方面的量化指标。这些量化指标最能直观地反映岩体的卸荷情况，是岩体卸荷的本质体现。物探方面的弹性波速比和视电阻率也常用于岩体卸荷带的划分，往往作为指标之一与岩体结构指标得出的分带结果进行对比验证。这类指标需要借助相应的设备获取，且探测范围及岩坡存在的断层等地质现状会对相关数据产生影响。与上述两个指标相比，水文方面的量化指标吕荣值使用较少，虽然渗透系数能反映岩体裂隙的发育程度和卸荷程度，但影响渗透系数的因素较为复杂，且获取数据进行的原位压水试验本身就存在较大误差。国内大部分水利水电工程均采用上文提到的量化指标并参考规范进行岩体卸荷带的划分。这些指标更倾向于根据工程需要利用主观经验判断给定具体数值，缺少理论基础，同时，人为判断往往会因个人能力和经验产生误差。

而基于应变率的卸荷分带法是根据统计岩体力学[6]的能量可叠加理论提出的，其认为卸荷过程释放的能量可近似看作岩块释放的能量和结构面释放的能量的总和[7]。经过推导简化，可用结构面累计张开位移量随深度的变化率表示卸荷应变率。因此，可以根据张开位移累计曲线的斜率变化对边坡岩体进行卸荷带的划分。

3 工程应用

现以新疆QBT水电站坝区工程为例，采用上述方法对边坡卸荷岩体进行分带，并和根据水利水电工程地质勘察规范的分带结果进行对比。

3.1 工程概况

新疆QBT水电站坝址位于布尔津河干流中游峡谷段，地势总体北高南低。主要发育2组陡倾节理，其走向分别为NE50°～70°和NW290°～330°。浅部岩体普遍发生不同程度的松动卸荷现象。为探明下坝址区边坡工程地质条件及岩体卸荷松动现象，在左、右岸不同高程共开挖了25条平硐。

3.2 卸荷分带法的应用及对比

现选取左岸的PDX12-5、PDX12-9及右岸的PDX12-4、PDX12-8为代表性平硐（见图1），利用精测线法测得的结构面数据绘制随硐深的裂隙累计张开量曲线，并根据曲线斜率划分卸荷带。需要注意的是，在调查统计过程中，发现坡体内深部多处存在卸荷裂隙，这些裂隙使累计张开度曲线出现局部突跳。由于目前对深部卸荷成因机制的认识和解释尚不统一，且其工程处置手段也与一般卸荷不同，在确定卸荷应变（即曲线斜率）时，暂将其纳入区间平均化考虑，并据此确定曲线转折点位置。分带结果见图2。

忽略深部卸荷的影响，可见AB段卸荷要明显大于BC段。由此可以判断，基于卸荷应变率来划分边坡卸荷区的方法是可靠的。

现根据水利水电勘察规范[8]，以张开宽度≥1cm为强卸荷带界限，≥0.1cm为弱卸荷带界限，分析测得的结构面数据，能获得一种卸荷分带结果;根据勘察报告的地质特征描述进行定性分析，能获得另一种分带结果。将这两种结果同图2中的划分结果进行对比。对比结果见表1。

从表1可知，基于卸荷应变率划分卸荷带的方法与规范所划分结果相比具有较好的一致性。左岸中部的卸荷边界差异不大，强卸荷底边界范围6～10m，弱卸荷带底边界范围40～50m;右岸中部的卸荷边界差异也不大，强卸荷底边界范围18～24m，弱卸荷带底边界范围45～65m。两岸部分平硐均出现深部卸荷。对左、右岸卸荷带划分的研究，有助于岩体质量分级，同时也将有利于加深对边坡岩体性质的认知程度，为后期的边坡稳定性分析及开挖设计提供参数与建议。

综上，在对新疆QBT水电站坝区工程卸荷分带的实际应用中，笔者发现该方法易于操作，且分带结果符合实际，是一种可以普遍采用的方法。

4 结论

本文通过分析常用量化指标的应用情况，指出各指标可能存在的局限性，通过比较，表明基于卸荷应变率的卸荷分带法理论基础好且便于操作。此外，以新疆QBT水电站坝区工程为例，选取该工程两岸具有代表性的平硐数据进行卸荷分带，并和依据水利水电勘察规范的分带结果进行对比，结果表明：两者具有较好的一致性。可见，该方法是一种理论完善、易于操作、符合实际的方法，是一种可以普遍采用的方法。

参考文献：

[1]陈强，聂德新，潘思祎，等.渗透系数作为岩体卸荷分带量化指标的研究[J].水文地质工程地质，2011（4）：48-53

[2]郑达，黄润秋.高边坡岩体卸荷带划分的量化研究[J].水文地质工程地质，2006（5）：9-12.

[3]孙云志，黄润秋.谷坡岩体卸荷带划分量化指标研究[J].岩石力学与工程学报，2012（S2）：3942-3949.

[4]马宇，任光明，罗轶，等.岩质斜坡卸荷分带量化指标与应用研究[J].人民长江，2013（7）：33-36.

[5]李日运，刘田珂.岸坡应力场及卸荷带劃分量化指标研究[J].华北水利水电大学学报（自然科学版），2014（2）：76-80.

[6]伍法权.统计岩体力学原理[M].武汉：中国地质大学出版社，1993.

[7]伍法权，刘彤，汤献良，等.坝基岩体开挖卸荷与分带研究：以小湾水电站坝基岩体开挖为例[J].岩石力学与工程学报，2009（6）：1091-1098.

[8]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.水利水电工程地质勘察规范：GB 50487—2008[S].北京：中国计划出版社，2008.