河谷水平构造岩体卸荷的探讨

武 宁，李大乐

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁沈阳110006）

1 边坡侧向卸荷的规律

水电建设者们新修水利电力建筑设施，总寄希望大坝等建筑物地基选在新鲜完整的岩体上，然而岩体形成后浅表部往往受不同程度的风化卸荷，于是人们开始研究利用部分的风化卸荷岩体。卸荷包括侧向卸荷和垂向卸荷，河谷边坡岩体中发育有近于平行岸坡的陡倾角构造，易向河谷的临空方向卸荷，即侧向卸荷岩体；而当岩体近水平状构造发育时，当河谷遭剥蚀，造成垂向卸荷。岩体近水平状构造卸荷非常普遍，其形式多样，往往在河床以下近水平状构造垂向卸荷强烈，更为隐蔽，处理措施适当可以节省工期和工程建设费用。要弄清近水平状构造垂向卸荷的力学机制等，先总结一下岸坡侧向卸荷的规律。

河谷总是上宽下窄，边坡岩体侧向卸荷往往也是上部水平深度较深，临近河谷水平深度较浅。传统观念认为边坡顶部暴露时间较早，河谷低高程下切时间较晚，边坡卸荷是一个时间流变的问题。

河谷下切的形成史远远超过人类历史，动辄上万年，河谷的高高程与低高程虽然下切形成时间相差很多，但卸荷完成的时间不需要那么长，哪怕是低高程形成的河谷时间，云南省境内澜沧江上的小湾水电站坝基开挖完后不到一个月的时间，坝基出现宽大的卸荷就是一个很好的例证。

本文从力学机制加以解释。河谷在未形成之前，河谷岸坡部分有岩石支撑，河谷岸坡部分受岩石（体）支撑反力（图1（a））。当河谷形成以后，支撑的反力消失了，岸坡受力等效图（图1（b）），表明边坡的力受到了调整（当然边坡实际应力调整演化要复杂得多）。

为了清楚地研究岸坡侧向卸荷规律，取左岸岸坡岩体为脱离体（图2（a））研究不同高程水平深度一样的点受力情况，由于习惯的原因，将脱离体旋转使其岸坡近水平（图2（b）），图2（a）第1 点铅直深度比第2 点小，第1 点受铅直方向力用1 v 表示，水平方向受力用1 h 表示，同样，第2 点受铅直方向力用2 v 表示，水平方向受力用2 h 表示，显然，2 v 比1 v 大。

把图2（b）中1 和2 两点受力分解到垂直岸坡的方向，第1 点受力F1=，第2 点受力F2=，不 难 看 出，大，F2比F1 小，也就是说，在岸坡岩石（体）强度一样的条件下，在河谷下切后，边坡应力调整，当F1 达到第1点岩石（体）强度，岩体松弛破坏，此时第2点F2 还未达到岩石（体）的破坏强度，岩体就保持完整状态，由于高程岩体侧向卸荷水平深度较低高程岸坡岩体大，空气和水容易渗透到卸荷岩体加剧风化作用，所以其风化规律也跟卸荷规律一致。

这里要说明的是河谷演化史比较复杂，各种数字模拟河谷岸坡应力的方法和软件比较多，文中的分析只是大致用来说明其岸坡岩体风化卸荷的规律。

图1 河谷成形前后岸坡受力示意图

图2 河谷形成之后左岸岸坡受力图

2 河谷近水平状构造垂向卸荷的规律

河谷下切后，其河床受力必然发生变化，在河床一定深度的岩石（体）中产生应力包，河床岩体容易松弛变形，特别是宽谷（U 谷）。图1～2 分析岸坡侧向卸荷的成因机制，把岸坡当作板梁求解，岸坡高高程一端为自由端，而河床底部岩石（体）则是两段固定，河床岩体中的构造向上突起，形似背斜构造（图3）。强调一点的是，近水平状构造卸荷方向为铅直方向。王兰生教授等把近水平状构造的垂向卸荷在浅生改造归类为隆起弯曲破裂型[1]。

在两岸岸坡相对河谷高程不高时，则岸坡近水平状的构造在剖面上显示，两岸产状不一致。用数学的方法能否预判其近水平状构造垂向卸荷的深度，不同的工程有不同的边界条件和岩体的力学参数。河床下切改造跟地下洞室开挖类似，只不过，河床下切改造的轮廓颠倒了180°，改造后的河床成了一个巨大的天然“洞室”，此时河床成了“洞室”的顶拱（图3），河床的近水平状构造垂向卸荷深度变成了“洞室”顶拱的安全埋高。有关安全埋高，请参阅《水平岩层隧洞顶拱安全埋高的工程地质问题》[2]。

图3 河床水平岩体卸荷数学模拟求解假定示意图

3 工程实例概况

3.1 工程实例1

该工程坝址左右两岸高程约480 m，河床高程约370 m，坡顶与河床相对高差100 m 左右。地层主要为三叠系上统须家河组（T3xj）砂岩、泥岩夹煤线，产状一般N25°～30°E/SE∠22°～28°，其构造形式主要表现为顺层发育的层内挤压带（j），其挤压带宽度一般5～30 cm，主要由角砾岩、糜棱岩和断层泥组成。该工程为混凝土重力坝，混凝土重力坝需查明坝基软弱带，对软弱带的勘探调查非常重视。坝轴线剖面表明，两岸软弱夹层和层面界线不在一条直线上，而该地区和坝基下无大的断裂通过，笔者认为是岩体近水平状构造的垂向卸荷造成的，而软弱带的形成可能又是岩体卸荷造成的。

3.2 工程实例2

该工程出露的地层主要为二叠系上统玄武岩组（P2β），属海相喷发，地层倾向右岸，产状N10°～20°W/SW∠70°～80°，与坝基有关构造主要为错动带和节理。

为查明缓倾角结构面的空间展布方向，前期进行了钻孔定向取芯和物探电视全景图像拍摄，该工程为混凝土重力坝，勘探揭示表明，在左岸8 号、9号坝段1 175 m 高程附近结构面向河床两岸倾斜，形似背斜状，显示该处为卸荷松弛区。卸荷松弛的机理参建《有关火山破裂构造的工程地质问题—谈官地电站坝基主要的工程地质条件》一文[3]。

主要结构面为层间错动带（C）、层内错动带（Lc）和节理裂隙。层内错动带较发育，主要随机分布在各层中下部玄武岩内，一般延伸长20～60 m，主错面波状起伏、粗糙，主错带宽5～15 cm，由角砾、岩屑和石英绿帘石条带组成，错动带普遍夹泥。

坝轴线剖面表明两岸高高程650～700 m 岩流层不成一条直线，河床330～360 m 高程岩流层面界线、层间错动带、层内错动带呈“背斜”状。

4 近水平状构造垂向卸荷的勘察策划与分析

近水平状构造垂向卸荷意味着结构面中普遍夹泥，必须弄清了河谷近水平状构造垂向卸荷的深度，软弱夹层的分布等，因此勘察过程中应注意：

1）地质调查以现象为主要线索，判断与分析近水平状构造垂向卸荷问题。在地质调查中应注意岸坡两岸是否有近水平状构造垂向卸荷现象，比如，两岸近水平的构造、长大软若绵、沉积岩（包括负变质岩）中岩层层面、喷出岩的岩流层层面，火山构造的节理面产状是否有变化。进一步通过调查，分析与判断该部位的近水平状构造垂向卸荷问题及其程度。

2）针对性地选择勘探方法与手段。在理解设计意图的情况下，勘探布置应进行合理宏观策划与把控，如河床及其附近针对性布置勘探孔，查明其近水平构造的分布规律，勘探查明具体手段则包括对单孔近水平结构面采取定向取芯手段，物探中采用全景摄像的电子罗盘确定其层面的产状等。

3）勘察成果的分析与工程运用。近水平状构造垂向卸荷程度的不同直接关系到其相应工程的处理方式。宏观上，应结合工程建筑物地基要求特点及现状近水平状构造垂向卸荷现象进行卸荷程度分区与分段，必要时应开展分类条件下各区段的岩体工程地质特性研究，并分析预测开挖条件下对各区段岩体工程性状或条件的影响。原则上对于近水平状构造垂向卸荷程度较强～强烈的坝址选择应尽量避开这些卸荷松弛区域，在不能避让时，应尽量考虑少开挖加其它处理措施的方案，对于近水平状构造垂向卸荷程度轻微的区段，应侧重于预测其开挖条件下相应的工程处理措施研究，达到工程既安全又经济的效果。

5 施工的处理措施及其探讨

岩体条件是一个客观实际，已研究得比较透彻，认识了卸荷规律，就可以充分利用尽可能利用的岩体，减少工程投资和节约工期。近水平状构造垂向卸荷意味着岩体松弛，岩体中充填有次生泥。岩体卸荷松弛将降低岩体类别，进而降低岩体的力学指标，需采取有关的处理措施。

5.1 处理措施工程实例

不同情况需要处理的方式不同，实例1 中，两岸山体相对河床坝基高程不高，近水平状构造垂向卸荷程度轻微。坝基处理主要针对软弱夹层的刻槽，混凝土充填置换夹层。

实例2 中开挖发育的断层和错动带有F8，fx3706，fxh10-4，fxh10-5，fx8-3，fx7-6，f7-3，fx10-6 等。左岸8 号、9 号坝段处于近水平状构造垂向卸荷的地应力释放区，其断层的特点如下：

fxh10-4，产状N20°～40°E/SE∠10°～20°，坝0+60～下游段出露，面波状起伏，断层面上具有明显的擦痕，擦痕方向S15°～20°E。错动带宽5～20 cm，局部可达30 cm，带内主要物质为青灰色断层泥、岩块、岩屑及少量糜棱岩，部分段分布有黄色次生泥，断层泥及次生泥处于饱水状态，具有隔水作用，沿错动带顶面局部有地下水渗出，错动带类型为泥夹岩屑型。

fxh10-5，性状同fxh10-4（fxh10-5 与fxh10-4可能为同一条错动带），坝0-20～0+60m 出露。其中，-020～0-04 m段分为2条，产状N70°E/SE30°，带宽10～20 cm，主要由次生泥、岩屑组成，带内物质松散，错动带类型为泥夹岩屑型。0-04～0+8 m段，错动带产状EW/S∠10～15°，带宽5～15 cm，主要由次生泥、岩屑组成，带内物质松散，错动带类型为泥夹岩屑型。0+8～0+60 m 段，错动带产状EW/S∠10°～15°，带宽10～30 cm，最宽达50 cm，主要由次生泥、岩屑组成，带内物质松散，错动带类型为泥夹岩屑型。

陡倾角错动带有fx8-3，fx7-6，fx7-3，fx10-6，其产状N5o～30°W/SW ∠70°～85°，带宽20～50 cm 不等，局部5～10 cm，主要由压碎岩、角砾糜棱岩、岩屑及次生泥组成，错动带力学类型为岩屑夹泥型、岩块岩屑型两类。

这些错动带的共同特点就是张开夹次生泥，显示岩体存在明显的卸荷松弛，属弱卸荷岩体。该工程坝基处理措施主要是对不满足大坝对地基要求的岩体部分进行下挖处理，对其它错动带进行刻槽处理，对影响坝体稳定的不利组合块体进行清除或加强处理，对地基岩体进行固结灌浆处理。

特别针对9 号坝段发育有fxh10-4，fxh10-5 缓倾角错动带，延伸较长，性质较差，抗滑稳定问题突出，对9 号坝段采取了由原设计的1 186.00 m 高程整体下挖至1 175.00 m 高程。8 号坝段建基面高程1 200.00 m，坝高虽大于100 m，且fxh10-4 和fxh10-5 在坝基下通过，考虑到下游有山体作为抗力体，仅对不满足坝基抗滑稳定的Ⅲ2 类岩体进行了挖除，对7—9 号坝段在高程1 245 m 以下并缝，9 号、10 号坝段在高程1 214 m 以下采取并缝处理措施。

fx8-3，fx7-6，fx7-3，fx10-6 其间的岩类虽为Ⅲ1 类，但其间节理及其小错动带发育，对岩体强度起着决定性的控制作用，受其错动带影响，5—8号坝段fx8-3 上游坝踵部位岩体不满足建坝要求，因此进行了缺陷槽开挖处理。

工程实例2 中所揭露的近水平状构造垂向卸荷不在河床中间部位，原来左岸构造较发育，岩体强度较低，应力集中。

5.2 处理措施有关探讨

对于河床近水平状构造垂向卸荷强烈的岩体开挖，有时开挖后，容易造成新的人为卸荷，一旦产生了新的卸荷岩体，即使灌浆也达不到天然岩体的强度，而强卸荷岩体必须挖除，那么要采取既要挖除不满足建坝要求的岩体，又要做到使其下部岩体不能产生卸荷回弹。建议：

1）大型巨型工程比如像溪洛渡电站、向家坝电站前期进行了河床基覆界面以下的过河隧洞勘探，可利用前期勘探的隧洞进行锚固处理后，再进行开挖。锚固力当然等于建基面上覆岩体（包括覆盖层和河水）的重力，再适当加以安全系数即可。

2）对于没有进行河床底部以下的过河隧洞勘探，那么，可否在坝基开挖前，在河床建基面松弛岩体内预先实现锚索孔钻孔，在大坝开挖后即时进行锚索支护，该方法其优点是施工简便，减少卸荷回调的时间，这正如多级马道边坡开挖在开挖一两级马道先进行支护后方能下一级马道开挖一样，以避免边坡整体松弛后再支护的弊端。

此外，针对近水平状构造垂向卸荷岩体开挖应采用适宜的施工工艺，如采用小药量的爆破控制技术，并即使实施预应力锚杆系统等。

6 结语

随着一带一路的水电建设规模扩大，世界上很多河流亟待开发，还有很多水库、电站需要修建，不仅要认识边坡侧向卸荷规律和掌握对边坡卸荷岩体的处理措施，也更应该很好地认识河谷岩体垂向卸荷规律和掌握对此处理措施，在国际竞争的舞台上更有优势，在合同签订中注意到要怎样勘探，与此产生怎样的费用，在勘探中应该运用什么方法与手段，在施工中遇到该现象采取怎样的最优和最可靠的处理措施，以确保工程建设安全与经济。

本文未对近水平状构造垂向卸荷岩体处理措施的适宜性、开挖与支护时机等进行深入研究，对于水平构造很发育河谷岸坡及河床，垂向卸荷现象很明显，地质勘察中很容易发现。由于河流下切，河床以下普遍存在应力包，相似的河谷，其风化卸荷深度不一样，在某种情况下来说是垂向卸荷影响的结果，对水平构造不发育的河谷，前期怎样认识水平构造垂向卸荷，工程建设中河床下挖，垂向卸荷有怎样表现，等等这些问题，希望后来者在工程运用中加以更深入和广泛的研究与探索，以更好地服务于工程建设。