《湖南水利水电）２０１２年第２期 氇 张拥军 【摘鲫割 嗽掇 ４１０００７） （湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市要】 卸荷裂隙是自然地质作用和人工开挖使岸坡岩体应力释放和调整而形成的一种与岸 坡倾向相似的裂隙，在水利水电工程高边坡中经常遇到。卸荷裂隙对高边坡的稳定性、坝肩渗漏、 坝肩抗滑稳定及压缩变形产生重要影响．也因此成为坝肩岩体评价的一个重点和难点。 【关键词】 卸荷裂隙 高边坡应力准则 裂隙扩张 在峡谷型河床两岸陡峻岸坡中常常存在一组近 平行于岸坡的卸荷裂隙，由于卸荷裂隙呈张性，连续 ２卸荷裂隙发育的应力准则 考虑到岩体内部本身存在许多裂隙，在外部荷 载作用下时，可按格里菲斯（Ｇｒｉｆｉｔｈ）强度理论判别 裂隙扩张时的临界应力条件【ｉＪ。 二 ＬＯ＂１－Ｏ＂３ 性好，切割深，致使坝肩边坡岩体，特别是浅、中部岩 体与深部岩体间分离，导致岸坡岩体完整性差。由 于卸荷裂隙透水性较强，是库水往下游渗漏的良好 通道，易引起坝肩渗漏问题；此外，当作为拱坝坝肩 时，由于坝体对坝肩产生一个向下游的推力，故须评 ≥一８ （当 １＋ ３＞０时）Ｉ （１） 价坝肩岩体是否存在沿卸荷裂隙面产生整体抗滑稳 定问题。由此可以看出，卸荷裂隙在水利水电工程 隙对水利工程勘测设计非常必要。 １ ３ １≥Ｉ Ｏ＂ｔ ｌ （当 １＋ ３＜０时） （２） 其中， 。、 ，为作用在裂隙上的最大、最小主应 为抗拉强度应力。 高陡边坡勘测中的地位十分突出，认识、研究卸荷裂 力；３工程实例及岩体应力分析 湖北恩施青龙电站坝址两岸边坡陡峻，坡角 厚层状微晶灰岩，岩层近横河向，倾上游，倾角５。～ 内（５～ｌＯ）ｍ。该工程两岸坝肩卸荷裂隙发育，左、右 岸分别发育９条、４条卸荷裂隙，见附图。卸荷裂隙 （１￣５ ｃｍ，面上伴有溶蚀现象，中间半充填泥及母岩 １卸荷裂隙的形成机理 由于受成岩环境及其所经历的内外动力地质作 ７Ｏ。～８Ｏ。，基岩为三叠系下统大冶组（Ｔ ）薄至中厚、用的影响，岩体中存在着大量的原生及次生结构面， 为地下水，空气、生物的活动提供了条件，使岩体的 风化作用由此向结构面四周扩散，从而导致岩体力 在许多孤立的细微裂隙，这些细微裂隙由于受到岩 故岩体是一种具有初始损伤的地质体。这些结构面 ２Ｏ。。坡面岩体为弱风化状，微风化岩体位于坡面以 ｅｍ（Ｘ ），一般 学强度降低。从微观看，岩体中这些结构面末端存 面起伏，呈张性，最大张开宽度达１０ 块的相互约束而多不再发育。但是，由于后期受河 碎屑，雨天多滴水。卸荷裂隙面连续性好，切深大，最 流切割、人工开挖边坡等影响，岩体原有的应力场将 深处几乎近河床高程。发生改变，结构面上的拉、剪应力的大小和方向随之 为估算坝肩两岸边坡应力分布情况，可利用 调整，同时在这些结构面的末端出现应力集中，当应 ＡＮＳＹＳ来进行分析，计算选用弹性物体模型，采用 ６００ ｋＰａ／ 力达到结构面极限应力或应变时，这些微观裂隙的 ４节点进行网格划分，参数选用按：重度Ｇ＝２ ＧＰａ，泊松比 ＝Ｏ．２３，重力加速度 数量急剧增加，裂隙长度不断扩展直至贯通，从而形 ｍ ，弹性模量Ｅ＝２０ 成规模较大的卸荷裂隙。 ｇ＝９．８来进行计算。 ３６ 张拥军，，水利水电工程高边坡卸荷裂隙探讨 Ｄ ∞ １∞ １５０ ２００ ２ ３ｏＤ 附图 青龙电站卸荷裂隙分布图 计算表明：边坡浅中部的主应力迹线与坡面基 本平行，中下部的最大主应力 达（５～６）ＭＰａ，最小 主应力小于０．５ ＭＰａ，由于 １＋ ３＞０，应按式（１）进行 判别 并能得出裂隙基本不再扩张的结论。 ４卸荷裂隙发育的基本规律 根据实践经验及数值计算，卸荷裂隙发育具有 以下基本特征： （１）高、陡坡卸荷裂隙易发育。这是由于高陡边 坡的最大主应力（近竖向）随坡高的增大而增大，而 最小主应力则变化不大，按式（１）可知裂隙在此条件 下更容易扩张。 （２）卸荷裂隙一般平行于坡面，呈陡倾角状，如 青龙电站的卸荷裂隙倾角一般６５。～７５。。 （３）卸荷裂隙的水平发育深度受坡高和坡度的 影响。由式（１）可以看出，裂隙扩张受 。、ｏｒ。两向应 力影响，不同的坡高和坡度，直接影响坡内的应力分 布，但基本规律是： ，往坡内方向有呈增大趋势，故 按式（１）可知，裂隙扩张的可能性越小。 （４）断层、节理裂隙等对卸荷裂隙发育起着一 定的制约作用。当岩体内部裂隙较发育时，坡内应力 将在各裂隙的端部集中，从而使单个应力的数值减 小，降低了岩体破裂的可能性，如青龙电站的左岸较 右岸卸荷裂隙发育。 （５）卸荷裂隙的发育与工程区原始地应力有 关。每个工程区具有不同的应力特征。它将与自重应 力形成的边坡内应力进行矢量叠加，共同对岩体内部 裂隙的扩张产生影响。根据ＡＮＳＹＳ计算出的青龙电 站坡内应力，并按格里菲斯应力准则来判别发现．坡 内应力还达不到裂隙扩张的临界应力条件。因此．卸 荷裂隙的形成可能还与某一地质时期的地应力有关。 ５卸荷裂隙的常用勘察手段 （１）平硐。由于现今无法获知卸荷裂隙形成时 的地应力及地貌特征，因此很难精确计算当时坡内 的应力情况，故无法预测卸荷裂隙的水平发育深度 等问题。而平硐可直观的观测卸荷裂隙发育位置、水 平发育深度，张开度，充填及胶结情况，地下水活动 等．并可为现场岩基试验提供场地。平硐布置一般应 垂直坡体方向．同时应根据坝高特点布置一层或多 层平硐，各层平硐间距３０ ｍ左右，顶层平硐布置在 坝顶偏下部位．底层平硐布置在近河床部位。平硐深 度应按硐内观测的卸荷裂隙发育程度及工程对坝肩 岩体的要求决定。 （２）钻探。钻探主要是通过观察岩心及压水试 验来揭露卸荷裂隙。由于卸荷裂隙较一般裂隙的规 模大，连通性好，透水性强，故钻孑Ｌ压水试验成果将 出现异常波动。此外，坡高而河床较窄时，河床区的 应力集中明显．河床表部卸荷回弹裂隙往往比较发 育，并且该层对坝基稳定和渗漏影响较大，故钻孔可 以作为平硐的有益补充来揭露该层的厚度，以决定 合适的建基面深度和坝基处理方案。 （３）连通性试验。当需要确定某卸荷裂隙的延 伸情况．或各层平硐中卸荷裂隙的对应情况时，可进 行连通性试验 ６卸荷裂隙对水电工程的主要影响及处理 （１）对边坡稳定的影响。边坡的稳定性主要受 结构面组合的控制，由于卸荷裂隙顺河发育．且一般 都延伸较长，贯通性好，切深大，呈张性，多无胶结， 故卸荷裂隙破坏了边坡岩体的完整性．切断了内侧 岩体对边坡表部岩体的约束，是一组极具影响的结 构面。在横河向或斜河向节理裂隙、开挖面以及层面 的共同组合下，容易产生不稳定组合体，直接影响边 坡的稳定性。此时应分析不稳定体的主要结构面组 合形式，可采用锚杆等进行处理［２ｌ。 （２）对坝肩渗漏的影响。卸荷裂隙顺边坡发育， 延伸性好，呈张性，经常是无充填或半充填一些泥质及 母岩碎屑，因此连通性好，是地下水运移的良好通道， 常引起坝肩渗漏问题。此时可设计专用的灌浆平硐，对 不满足防渗要求区进行一排或多排 （下转第４６页） ３７ 黎峰蒋春燕瞿卫华壬芳香，，石牛水库大坝常规与光纤渗流监测方案设计 道流测压管也难发现的现象。还要做好孔ＶＩ保护：数 据采集方便。 光纤渗流监测采用分布式光纤布置．可测量数 据量多；平均１个数据测点造价仅为４２５元：施工时 可以等孑Ｌ径钻到指定位置，但孔径较常规大些；可直 接回填原坝体材料，不需购买，但钻孔时需保护；光 图４光纤渗流监测剖面图 纤测量可灵敏反映渗流变化。测温系统仪器需使用 ２２０ Ｖ，数据采集不方便。 ６结语 渗流监测一直是土石坝安全监测的重点。从常 规与光纤两个角度结合设计石牛水库大坝渗流监 图５光纤布置回路图 测，符合设计规范要求，发挥常规与光纤测量优势， 互补对方缺陷，更好地监测石牛水库大坝安全。可供 同类工程提供借鉴。 参考文献 ００５）设１孔（Ｇ ）１组测点，下游一级平台上游侧 （高程９５．７８ ｍ，Ｙ０＋０２９）设１孔（Ｇ２＿。）１组测点，排水 棱体上游侧（高程９１．００，Ｙ０＋０４７）设１孑Ｌ（Ｇ３一。）１组 测点。另Ｘ０＋０７５剖面上游侧（高程１０５．１０ ｍ，Ｙ０— ００７）设ｌ孔（Ｇ１．０）１组测点。 光纤渗流监测共设１０孔，ｌ０组光纤渗流测点， 钻孔１２３ ｍ、测量光缆长度６１５ ｍ、总光缆长度１ ６００ １李端有，熊健，於三大，等．土石坝渗流热监测技术研究【Ｊ］，长 江科学院院报，２００５，１２：２９—３３． ２陈光富。蔡德所，李玮岚，等．光纤传感技术在大坝安全监测 中的应用探讨［Ｊ］．水电能源科学，２０１１，７：６４—６７． ｍ、回填坝体材料等。共１ ２３０个数据点，使用分布式 ３肖衡林，鲍华，何俊．分布式光纤温度传感技术在水电工程中 测温系统采集温度数据，总投资为５２．３２万元。 的应用研究［Ｊ］．长江科学院院报，２００９，１０：１０４—１０７． ５监测方案优劣对比 常规渗流监测是传统点式设计，数据量少；平均 １个数据测点造价４ ５８１元；施工时采用的回填材料 ４蔡德所．光纤传感技术在大坝工程中的应用【Ｍ】．北京：中国 水利水电出版社。２ｏ０２． ５ ＳＬ ６０—９４．土石坝安全监测技术规范ｆＳ１． （收稿日期：２０１２－０２—１５） 需购买与制备；测压管测压反应滞后，且存在渗透通 （上接第３７页）帷幕灌浆处理。 （３）对坝肩稳定的影响。青龙电站为拱坝，库水 作用下大坝对坝肩岩体产生一个顺河的推力及垂直 的基础上，利用ＡＮＳＹＳ软件计算了湖北青龙电站边 坡内应力分布情况，并结合工程经验实践经验，总结 了卸荷裂隙发育规律。同时，总结了卸荷裂隙对水利 水工工程的主要影响及处理措施。对工程建设具有 一河流的压应力，前者可能造成坝肩岩体顺卸荷裂隙 面产生滑动，后者则可能使张开的裂隙面受压闭合， 这两种应变对拱坝的稳定都是致命的，应重点复核。 工程设计时，对浅部的卸荷裂隙应予以清除，对可能 定的参考意义。 参考文献 岩体力学ｆＭ】．北京：地质出版社，１９８７． 有影响的中、深部卸荷裂隙，则可采用固结灌浆，预 １肖树芳杨淑碧．应力锚索、预应力锚梁等进行处理『３】。 ２杨延毅岩质边坡卸荷裂隙加固锚杆的增韧止裂机制与效 果分析【Ｊ］．水利学报，１９９４，（６）． ７结语 ３锦屏一级水电站左岸深部卸荷裂隙的加固方案及数值模 本文从卸荷裂隙产生的机理出发，在引用格里 菲斯（Ｇｒｉｆｉｆｔｈ）关于裂隙扩张时的临界应力判别条件 拟研究【Ｊ】＿岩石力学与工程学报，２００７，２６（１２）． （收稿日期：２０１２－０１—２６）
