国家大型工程建设往往涉及到岩体的开挖,例如我国西南正在建设的一系列世界级的水电工程——澜沧江小湾水电站和雅砻江锦屏水电站等,在其建设过程中,都需将坝址区表层风化破碎的岩体开挖掉,从而将坝体座于新鲜完整的岩体之上。表层岩体开挖后,必将使开挖面以下一定范围内的岩体发生卸荷回弹变形和破坏。如何评价卸荷破坏的程度和深度,以便指导工程设计、保障工程安全,已成为水电工程建设的关键技术问题。
我所工程地质与水资源研究室的伍法权研究员等人基于统计岩体力学的基本思想,提出了一种评价岩体开挖卸荷破坏的新方法——根据卸荷应变的大小确定卸荷破坏的深度和深度,将开挖面以下的岩体按照其卸荷破坏的程度划分为强卸荷破坏带、弱卸荷破坏带和应力调整带(Wu et al. A method for assessment of excavation damaged zone (EDZ) of a rock mass and its application to a dam foundation case. Engineering Geology, 2009, 104: 254-262)。作者认为,建基面以上岩体开挖后,将引起建基面以下岩体产生卸荷回弹变形,单位深度岩体产生的回弹变形称为卸荷应变。卸荷应变是表征岩体卸荷破坏程度的重要指标,因此,可根据卸荷应变来划分卸荷带,以指导卸荷带内岩体的加固处理,为工程设计提供依据。
卸荷应变的求取是一个困难的过程。卸荷应变包括岩石回弹变形和裂隙的张开变形两部分,相对于裂隙的张开变形,岩石的回弹变形所占比重很小,可忽略不计。因此,可通过调查岩体内裂隙的张开变形来求取卸荷应变。作者利用钻孔电视拍摄建基面以下岩体内部的裂隙分布和张开情况,从而获得裂隙随深度的累计张开度曲线,曲线的斜率即为卸荷应变。
大量数据的统计分析表明,裂隙随深度的累计张开度曲线可明显分为两段,前半段曲线斜率明显大于后半段,这表明前半段所代表的岩体,其卸荷破坏明显大于后半段所代表的岩体。因此,可将前半段划分为强卸荷破坏带,该带内岩体卸荷破坏强烈,裂隙张开大,透水性强,岩体强度低;后半段划分为弱卸荷破坏带,该带内岩体卸荷破坏较弱,裂隙张开较小,透水性较弱,岩体强度较低;弱卸荷带以里为应力调整带,该带内岩体卸荷破坏轻微,裂隙基本闭合,透水性很弱,岩体强度高。以上对卸荷带的划分为卸荷岩体的加固处理提供了依据。
坝基岩体的大规模开挖,引起建基面以下新鲜岩体强烈的卸荷破坏。调查和研究卸荷破坏的时空分布特征及其形成机制,为卸荷岩体的加固提供理论基础,是当前水电工程建设的关键技术问题之一。在今年发表的另外一篇论文中(Wu et al. Excavation unloading destruction phenomena in rock dam foundations. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2009, 68: 257-262,点击下载该文),伍法权研究员等人通过详细的现场地质调查,介绍了澜沧江小湾水电站坝基岩体中出现的三种主要卸荷破坏现象:薄板状破裂、拱裂和“葱剥皮”破裂。他们通过调查建基面以下岩体卸荷裂隙的发育和张开情况,研究了卸荷破坏的空间分布特征;通过岩体声波速度监测研究了卸荷破坏随时间的发展规律。文章最后分析了以上三种卸荷破坏现象形成的力学机制。
以上研究成果对卸荷岩体的加固处理具有重要的指导意义。