利用检测与监测结果分析柱状节理玄武岩变形特性

王 锋，王玉洁

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州，311122；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

1 工程概述

西部某拱坝在建基面中出露柱状节理玄武岩层，岩质坚硬，无卸荷，柱状镶嵌结构，柱体直径一般15~25 cm，柱体间嵌合紧密，柱体长1~3 m。柱状节理是玄武熔岩中一种特殊的原生节理，表现为各向异性，未支护条件下，围岩松弛严重[1-2]。柱状节理发育导致坝基变形模量偏低，一般不宜作为高拱坝基础，经有效处理后可局部利用。

为了解坝基柱状节理在开挖阶段的岩体松弛情况，更好地确定坝基保护层预留厚度及支护方案措施，选取10 m范围柱状节理玄武岩试验区，进行声波、全景成像和钻孔变形模量检测，并布置围岩变形和锚杆应力监测仪器，对柱状节理的松弛情况和变形特性进行研究[3]。

2 柱状节理试验区检测及监测布置

为比较不同支护措施对柱状节理玄武岩的防松弛效果，将试验区分为试验A区（10~0 m高程上游段宽约28 m范围，预留2 m保护层，未支护）、试验B区（10~5 m高程下游段，预留2 m保护层，普通砂浆锚杆）和试验C区（5~0 m高程下游段，预留2 m保护层，预应力锚杆）。

在每个试验区各布置5个声波测孔，孔深10 m。布置1套多点变位计、1~2组锚杆应力计。检测监测设施布置见图1。

3 坝基检测结果分析

3.1 柱状节理试验区检测结果分析

图1中A1、B1区进行1个孔的爆前声波测试，B2区无爆前检测孔，A2、C1、C2各孔均进行爆前测试。松弛岩体的声波判断以爆前孔或爆后第一次声波测试为基准，根据不同岩体类别的最低声波值判断岩体松弛深度。

图1 柱状节理试验区监测检测设施平面布置Fig.1 Layout of detection and monitoring instruments in the test area of columnar joints

3.1.1 试验A区

试验A区按5 m梯段分A1区（Ⅲ1类）和A2区（Ⅲ1类），爆破前后无明显的低速带，岩体松弛深度一般在0.1~0.6 m，平均深度0.27 m，在爆后4个月内松弛深度变化不大。松弛层波速3 650~3 990 m/s，平均波速3 870 m/s；未松弛层波速5 010~5 320 m/s，平均波速5 190 m/s。

爆后145 d测试，A1-1和A1-5两孔松弛深度分别增加至1.7 m和1.9 m，钻孔电视显示A1-5孔深1.8 m附近分布缓倾角裂隙。A1区浅部岩体在未支护条件下，随时间增长，沿裂隙发育部位松弛明显。A2区松弛深度变化不大。A1区松弛深度沿高程和时间的过程线见图2（a）和图3。

图2 声波波速沿岩体深度变化典型过程线Fig.2 Change of sound velocity in the rock mass along the depth

图3 试验A1区松弛深度变化Fig.3 Variation of relaxation depth in test area A1

3.1.2 试验B区

试验B区按岩体质量分B1区（Ⅲ1类）和B2区（Ⅲ2类），开挖完成后采用普通砂浆锚杆立即支护。松弛层深度在1.1~4.2 m，平均松弛深度3.15 m。松弛层波速3 000~3 800 m/s，平均波速3 400 m/s；未松弛层波速4 550~5 180 m/s，平均波速4 990 m/s。

岩体爆破后松弛深度均小于1 m，至27 d下一梯段爆破后，松弛深度增加0.5~3.8 m，爆破对围岩松弛影响明显。该部位爆破45 d后，围岩松弛基本稳定，不再发展，支护效果显著。松弛深度沿高程和时间的过程线见图2（b）和图4。

图4 试验B区松弛深度变化Fig.4 Variation of relaxation depth in test area B

3.1.3 试验C区

试验C区按岩体质量分C1区（Ⅲ1类）和C2区（Ⅲ2类），采用预应力锚杆支护。松弛层深度在1.6~4.3 m，平均松弛深度2.84 m。松弛层波速为3 380~3 600 m/s，平均波速3 510 m/s；未松弛层波速4 330~5 150 m/s，平均波速4 820 m/s，节理发育部位声波波速较低。

岩体爆破后松弛深度大多小于1 m，爆破7 d后预应力锚杆张拉，各部位岩体松弛深度略有减小。21 d下一梯段爆破后，松弛深度增加1~3 m。该部位爆破38 d后，围岩松弛基本稳定，不再发展，支护效果显著。松弛深度沿高程和时间的过程线见图2（c）和图5。

图5 试验C区松弛深度变化Fig.5 Variation of relaxation depth in test area C

砂浆锚杆与预应力锚杆对岩体松弛起到一定的抑制作用，B区和C区松弛层厚度及波速分别在45 d和38 d后稳定无明显变化。从抑制松弛的效果看，预应力锚杆的短期效果优于砂浆锚杆，长期效果则区别不大。

3.1.4 岩体钻孔变形模量

试验A区钻孔变模平均值为8.48 GPa，B区平均值为4.72 GPa，C区平均值为6.39 GPa。松弛深度范围内，岩体变模普遍在3~4 GPa，岩体质量较差。

3.2 柱状节理与非柱状节理松弛对比

柱状节理玄武岩段声波孔揭示的松弛深度略高于非柱状节理段声波孔的松弛深度，且柱状节理玄武岩松弛岩体波速终测时下降明显，未松弛岩体波速终测时下降较小，具体情况见表1。

表1 柱状节理与非柱状节理松弛检测结果对比Table1 Comparison between detected relaxation of columnar and non-columnar joints

4 坝基监测结果分析

4.1 试验A区

试验A区多点变位计Mzjc-1自2014年12月30日固定松动仪器重新计算后显示，测值规律性较好，过程线见图6。孔口位移最大值为7.44 mm，在开挖初期缓慢增大。埋深12 m测点基本没有位移，变形深度在7 m左右。在未支护条件下，围岩浅部变形持续发展，与A区声波监测结果一致。

图6 试验A区多点变位计测值过程线Fig.6 Monitored data by multi-point displacement meter in test area A

4.2 试验B区

多点变位计Mzjc-2埋设于B2区，0 m（最大值19.16 mm）、7 m（最大值18.66 mm）测点位于相对破碎的岩体上，4 m（最大值18.39 mm）点位于松弛界限附近，12 m（最大值15.46 mm）点位于某层内错动带下盘相对完整的岩体内。由测值过程线（见图7）可知，上下盘岩体变形曲线及变形量差异不大，表明岩体并未沿该层内错动带产生明显变形，推测主要是深部变形，变形深度在12 m至锚固点32 m之间，即位于该层内错动带下部的其他结构面。7 m范围内围岩变形差异较小，可能受到锚杆锚固作用，浅层岩体形成整体，各深度差异较小。

图7 试验B区多点变位计测值过程线Fig.7 Monitored data by multi-point displacement meter in test area B

试验B区表层岩体在支护作用40 d后，围岩变形基本趋于稳定，孔口测点与埋深4 m测点累计变形相差很小，支护结构限制了变形持续发展，松弛区域岩体得到了锚固，而未支护区域变形持续增加，支护效果显著。

4.3 试验C区

多点变位计Mzjc-3埋设于C1区，0 m（最大值17.71 mm）点位于相对破碎的岩体上，4 m（最大值17.49 mm）点位于某层内错动带上盘岩体松弛带附近，7 m（最大值13.36 mm）点和12 m（最大值13.73 mm）点位于该错动带下盘相对完整的岩体中，上下盘岩体变形规律及变形量差异不大，表明岩体并未沿该错动带产生明显变形，且支护效果显著。测值过程线见图8，与B区多点变位计测值结果一致。同样证明该区域岩体变形主要是深部变形，变形深度在12 m至锚固点32 m之间，即位于该层内错动带下部的其他结构面。

图8 试验C区多点变位计测值过程线Fig.8 Monitored data by multi-point displacement meter in test area C

5 结论及建议

分析可知，复杂工程中采用检测和监测结果联合分析，能增强对工程的认识，有效指导施工。柱状节理玄武岩试验区岩体松弛深度及深部变形分析的结论及建议如下：

（1）相较非柱状节理岩体，柱状节理松弛深度较深，但开挖后及时支护的条件下，30~40 d后松弛基本稳定。支护条件下，围岩松弛时间效应不明显，未支护区松弛深度随时间略有增加。松弛区平均声波波速在3 600 m/s左右，为Ⅳ类围岩，变形模量较低，需要后期固结灌浆来提高岩体质量；未松弛区平均声波波速在5 000 m/s左右。

（2）在及时支护条件下，柱状节理岩体长期松弛的效应并不明显，需要关注深部结构面的变形。根据综合分析结果，为提高坝基的整体稳定性，对坝基进行系统锚索设计及固结灌浆，控制坝基深部变形的同时，限制柱状节理岩体在大坝浇筑前的长期松弛。