边坡岩体风化卸荷特征研究及在姚家坪水利工程中的应用

周黎明，肖国强，王法刚，付代光

（长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

1 工程概况

姚家坪水利枢纽工程位于清江上游竹园坪至姚家坪峡谷河段内，设计坝高180多 m，水库总库容4.4亿 m3，装机容量为240 MW，平均发电量为6.264亿k W·h。该工程以防洪和发电为主，属于一等大（2）型水利水电工程。大坝坝址处在清江上的一个“S”形的河弯处，在腰部的直线距离约为1 000 m，流向为NE55°。坝轴线所在谷底的宽度约为100 m，坝区出露的基岩地层为二叠系上统大隆组（P2d）、三叠系下统大冶组（T1d）、嘉陵江组（T1j）薄至中厚层微晶灰岩夹页岩和泥灰岩条带。

大坝坝址右岸位于朝东岩，最高点高程为1 571 m；左岸位于凉风台，最高点高程约为570 m；两岸相对高程约为1 000 m。左右岸坡的形态存在较大差异，其中左岸边坡相对比较平缓，右岸边坡相对陡峭险峻，在760 m高程以下的部分，两岸呈现出对称的“V”形峡谷状态，高度和宽度之比约为1∶2。前期的地质调查资料已经表明坝址地质条件相对较差，存在岩体层间剪切带等地质缺陷。岩体卸荷较严重，其裂隙普遍卸荷张开溶蚀，宽度一般0.2～2 c m，少数宽达数10 c m，多充填碎石土，自然稳定状况较差［1］。

岩体风化主要是受大气、水及生物接触而产生，岩体卸荷是受重力、地质构造和人工开挖等作用使内部应力释放而造成，两者都会破坏边坡岩体的完整性，降低岩体的坚硬程度等力学参数指标［2-3］。本文研究内容主要包括采用小排列折射波法进行边坡风化卸荷带的划分；根据平洞地质素描和波速测试资料分析高边坡岩体卸荷带的风化卸荷特征；按照国家工程岩体分级标准，根据平洞波速测试和室内岩石力学试验求取卸荷区岩体的BQ值，并获得其分布规律，从而达到充分了解和掌握该工程边坡岩体的稳定条件的目的。

2 测试方法

边坡风化卸荷带的测试方法主要包括地震波法和钻孔声波法。在边坡表面进行的地震波测试受场地条件限制，只能在坡度较缓、植被较少的边坡开展工作；钻孔声波法需要在平洞内钻孔，试验时要向孔中注水，前期准备工作复杂。为解决上述问题，本文采用在地震波法基础上改进的小排列折射波法，通过在边坡不同高程试验平洞内的边墙上进行岩体弹性波波速测试，获得边坡从外部到内部的岩体波速分布曲线，再依据波速随坡距分布特点划分出边坡岩体不同卸荷带区间。由于边坡试验平洞的开挖过程造成了平洞边缘岩体的松动，松动层内岩体的波速不是边坡岩体的实际波速。因此，如何克服松动层波速的干扰，获得位于松动层下部的原状岩体波速，求出真实的边坡卸荷带与波速分布关系曲线，这是划分边坡岩体卸荷带的关键问题。

为解决这一问题，主要采用的测试方法包括在边坡表面进行的地震波法和在边坡试验平洞内部进行的钻孔声波法。在边坡表面进行地震波测试受场地条件限制，只能在坡度较缓、植被较少的边坡开展工作；钻孔声波法需要在平洞内钻孔，试验时还要向孔中注水，前期准备工作复杂，造价较高，同时钻孔法声波数据量大，每个单孔内要先划分出松动层和未扰动层原岩区间，数据处理复杂，提交成果时间较长。针对上述情况，笔者所在单位长江科学院在国内首先提出“一激双收法”［4］和“小排列折射波法”［5］的概念，较早地将该方法应用在水电工程的边坡卸荷带划分中。小排列折射波法既可以在平洞内测试，又不需要钻孔，只需在平洞边墙上布置测线进行测试，就能消除松动层岩体干扰的影响，直接计算出边坡内部原状岩体的真实波速，从而为边坡卸荷带划分提供有效的参考依据。

2.1 基本原理

由于平洞岩体的松动层和未扰动层之间存在密度、波速、泊松比和弹性模量等物理参数的差异，形成了一个弹性波波阻抗界面，构成了小排列折射波法应用的地球物理前提条件。人工激发的弹性波在边坡岩体内部传播过程中，当遇到波阻抗界面，会发生反射和折射现象，传播路径由此发生改变。小排列折射波法就是通过从包含直达波、反射波和折射波的实际波形中读取首波时刻，计算边坡内部未扰动层原状岩体波速的一种测试方法。

在松动层与未扰动层的波阻抗界面以上，松动层岩体波速为V1，界面以下未扰动层岩体波速为V2，有V2＞V1。在2层介质模型中，弹性波将以直达波、反射波和折射波3种形式进行传播（见图1）。

图1 弹性波传播路径示意图Fig.1 Route of elastic wave propagation

在平洞松动层岩体内的反射波和直达波传播波速均为V1，其中直达波由于传播距离最短，因此最先被接收。折射波在松动层岩体内以波速V1传播，在波阻抗界面处则以在未扰动层原状岩体中的波速V2沿界面前行。由此可知，只有根据折射波所在的路径才能计算出原状岩体波速。由于V2＞V1，当偏移距布置达到合适的距离时，折射波将以初至的形态比直达波更早被接收到。

关于折射波到达时的计算，以1点发射2道接收作为算例进行分析，第1接收道初至波到达时间T1和第2接收道的初至波到达时间T2分别为：

由式（1）和式（2）可以导出

当道间距X较小时，平洞边墙表面起伏较小，可以近似认为L3＝L4，式（3）可写成

式中：T1为第1道折射波到达时间，T2为第2道折射波到达时间，单位为us，可以通过直接读取首波初至时刻获得；X为2个接收传感器之间的距离。因此，利用式（4）可计算出隧洞边墙上的2个接收道间未扰动层原状岩体的波速V2。

2.2 试验布置及过程

本次试验由外向内沿洞壁布置一条测线，在测线上布置1个激发点和2个检波器，检波器的间距为1 m，偏移距为3.0～5.0 m。

一个完整小排列折射波法测试过程包括：首先采用人工锤击，多次叠加后，根据2个检波器测得的初至波到达时间差计算出相应岩体段的波速；然后将2个检波器位置互换，在另一端激发，以相同方法计算出这段岩体波速，将前后2次测试所获得的波速平均值作为该段岩体的波速，能有效消除因平洞洞壁表面起伏所引起的计算误差；最后在完成一个排列测试后，将2个检波器沿测线同步移动1 m，进行第2个排列测试。依次类推，直至完成平洞内整条测线的测试。

3 边坡卸荷带划分

边坡卸荷带划分依据来源于平洞内未扰动层原状岩体波速测试结果。本次开展小排列折射波测试的平洞分布在坝址左右岸的不同高程处。由于右岸边坡陡峭，左岸边坡较缓且坡面较长，故在右岸选择4＃，7＃，8＃共3个平洞测试，在左岸选择6＃，11＃，21＃，25＃共4个平洞测试。根据边坡内部未扰动层原状岩体波速与平洞距离的关系曲线划分出边坡岩体卸荷带分布图，见图2和图3，分别为左右边坡的平洞波速和洞距的典型关系曲线代表。通过与相关工程的类比［5-6］，本次边坡卸荷带划分的定量标准为：从新鲜岩体到微弱风化卸荷带，岩体弹性波平均波速下降范围在15%～25%之间；从微弱风化卸荷带到强风化卸荷带，岩体弹性波平均波速下降范围在20%～30%之间。

图2 4＃和11＃平洞波速与洞距分布曲线Fig.2 Curves of wave velocity with depth in adit PD4＃and PD11＃

波速与洞距分布曲线呈现出明显的规律性，即波速随着洞距的增加，越往边坡深部发展波速值越大，具有一种增大的趋势。当达到某一距离处时，波速出现一个明显的突变点。对于在该位置波速出现突变点的原因，经分析主要是由于原状岩体中存在密集分布的节理裂隙带或该处岩体受到风化卸荷作用的影响。第1类原因导致小区域内岩体波速减小；第2类原因根据风化卸荷影响程度和位置不同，在靠近边坡表面段，风化卸荷作用较强，岩体波速值降低较多；在远离边坡表面的试验段，风化卸荷作用较小，岩体波速值降低较小。因此，随着距离边坡表面越来越远，波速值呈现出变大的趋势，直到最后趋向于稳定的状态。

根据波速与洞深关系曲线图的结果，将姚家坪坝址边坡岩体划分为强风化卸荷带、微弱卸荷带和新鲜岩体3部分。关于不同卸荷带厚度及波速分布情况见表1。由表1可以看出，整个边坡岩体波速的范围为1 650～5 000 m／s；波速平均值范围为2 800～4 720 m／s。根据表1结果，绘制姚家坪边坡卸荷带分布示意图（图3）。

由图3中可以发现，左岸边坡上部强风化卸荷带厚度33 m左右，弱卸荷带42 m左右；中部强风化卸荷带厚度23 m左右，弱卸荷带54 m左右；底部强风化卸荷带厚度29 m左右，弱卸荷带42 m左右。右岸边坡上部强风化卸荷带厚度18 m左右，弱卸荷带21 m左右；中部强风化卸荷带厚度30 m左右，弱卸荷带30 m；底部强风化卸荷带厚度22 m左右，弱卸荷带14 m左右。左岸卸荷带厚度大于右岸，与左岸边坡形态较缓、右岸边坡形态陡峭的自然地质条件相对应。

表1 边坡卸荷带划分及岩体波速测试结果Table 1 Partition of unloading zone and result of wave velocity test

图3 边坡岩体风化卸荷带分布示意图Fig.3 Sketch of unloading zones in slope rock mass

4 边坡岩体风化卸荷特征

姚家坪边坡是由节理岩体构成的边坡，在成岩建造、构造改造和浅表改造过程，伴随着一系列的风化、卸荷和变形破坏后，形成了一定厚度的风化卸荷带是必然的［7］。

4.1 边坡岩体风化卸荷特征

平洞地质素描和波速测试资料显示姚家坪高边坡岩体卸荷带及新岩体有以下表现特征：

（1）强风化卸荷带卸荷裂隙发育，且普遍张开，宽2 c m左右，最宽可达10 c m，充填角砾、岩屑及次生泥，普遍渗水至滴水，岩体松弛，多呈碎裂结构。左右岸强卸荷水平深度一般为20～30 m，最大可达33 m。声波速度变化较大，左岸岩体平均波速值范围为2 710～2 870 m／s，右岸岩体平均波速值范围为2 660～2 990 m／s。

（2）微弱卸荷带微小裂隙和卸荷裂隙都比较发育，裂隙呈微张状态，部分长大裂隙张开，宽0.2 c m左右，内部充填少量碎屑和泥土，偶尔出现渗水现象。岩体松弛度较轻，以块状结构和镶嵌结构为主。两岸弱卸荷水平深度一般在14～60 m，最大可达61 m。声波速度变化较大，左岸岩体平均波速值范围为3 400～3 760 m／s，右岸岩体平均波速值范围为3 370～3 940 m／s。

（3）新鲜岩体结构较完整，表面较光滑，存在局部的微细节理裂隙。声波波速变化不大，左岸岩体平均波速值范围为4 430～4 720 m／s，右岸岩体平均波速值范围为4 420～4 550 m／s，新岩体的波速随边坡高程增加有减小趋势，反映了姚家坪边坡岩体上部较软，中部和底部较硬的地质结构。

由以上分析可以看出，左岸的风化深度无论是低高程还是高高程，大部分大于右岸；左岸的卸荷深度无论是低高程还是高高程也是大部分大于右岸对应的卸荷深度。这与左岸陡峭、右岸较缓的地形地质条件相关。对处于不同高程的岩体，风化卸荷深度分布情况表现出了明显的不同：左岸的中高程岩体风化卸荷深度明显高于高高程和低高程的风化卸荷深度，特别是低高程表现最低；右岸也出现了类似的情况，即低高程的风化卸荷深度明显低于高高程和中高程的风化卸荷深度，且以高高程为最大，其次为中高程（如图4所示）。这一特点推断与岸坡岩体的岩性、结构、地貌和地形等特征相关联。

图4 边坡岩体卸荷深度与高程关系Fig.4 Relation bet ween unloading depth and elevation of slope rock mass

4.2 边坡岩体质量评价

岩体波速主要取决于岩体的密度、孔隙率、压力、含水量和温度等因素的变化。岩体经过风化卸荷作用后上述物理因素发生改变，从而导致波速变化。同时，由于岩体内部结构面发育程度不同，导致不同岩体的密度、孔隙率和含水量等因素有所区别，因此完整程度不同的岩体的弹性波波速具有一定的差异，利用这一差别可以定量评价岩体的完整性。

工程岩体质量的影响因素分别是岩体的完整程度和坚硬程度。岩体的完整程度受岩体内部结构面的发育程度影响，反映了岩体的不连续性和破碎程度。岩石的坚硬程度受岩石的结构、矿物成分和风化卸荷程度影响，反映了岩石的强度性质［8］。《工程岩体分级标准（GB50218—94）》［9］对国内外多个岩体分级方法进行了总结，在大量工程实践基础上，为了突出工程岩体的基本质量，以上述的岩体完整程度和岩石坚硬程度为定量评价指标，并依据计算结果将工程岩体划分为I～V级。岩体基本质量指标BQ通过式（5）获得，在此基础上进行工程岩体质量的划分。

式（5）中：RC为岩石单轴抗压强度；KV为岩体完整性系数，KV＝（Vpm／Vpr）2，其中Vpm为岩体纵波波速，Vpr为岩石纵波波速。姚家坪边坡岩体波速最大值为5 000 m／s，最小值为1 650 m／s，平均值为2 800～4 720 m／s，反映出岩体的完整程度。岩体室内岩石力学性质试验共进行68组，抗压强度范围值为19.6～134.0 MPa，反映出岩块的坚硬程度不同。

在7个试验平洞内的岩体弹性波纵波测试和室内岩石抗压强度试验成果基础上，对岩体的完整性系数KV和岩体基本质量指标BQ进行了计算，并绘制出了边坡左右岸岩体质量BQ与边坡距的关系曲线（见图5）。岩体基本质量级别表明：姚家坪坝址边坡强卸荷风化带岩体一般为Ⅳ级以上，微弱卸荷风化带岩体质量为Ⅲ级，新岩体为Ⅱ级或Ⅲ级。

图5 边坡岩体质量与坡距关系曲线Fig.5 Curves of rock mass quality vs.slope’s distance

5 结 论

（1）姚家坪坝址边坡岩体划分为强风化卸荷带、微弱卸荷带和新岩体3部分。左右岸边坡岩体波速的范围为1 650～5 000 m／s；波速平均值范围为2 800～4 720 m／s。

（2）左岸边坡强风化卸荷带平均厚度29 m左右，弱卸荷带平均厚度46 m左右。右岸边坡强风化卸荷带平均厚度23 m左右，弱卸荷带平均厚度22 m左右。左岸卸荷带厚度大于右岸。

（3）边坡强卸荷风化带岩体一般为Ⅳ级以上，微弱卸荷风化带岩体质量为Ⅲ级，新鲜岩体为Ⅱ级或Ⅲ级。

（4）利用小排列折射波法提供的岩体波速参数进行边坡卸荷带区间定量评价，并结合工程地质学对边坡风化卸荷特征进行定性分析，是一种有效的边坡稳定分析方法。

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