第30卷 第4期
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JOU RNAL O F CHEN GDU UN I V ERS ITY O F TECHNOLO GY (Science &Technol ogy Editi o n )
A ug .2003
[文章编号]167129727(2003)0420335204
斜坡岩体卸荷分带量化研究
[收稿日期]2002211229
[基金项目]国家自然科学基金资助项目(编号:40072090)
[作者简介]任光明(1964-)，男，副教授，博士生，地质工程专业.(E 2m ail :R G M @geohp .com )
任光明 巨广宏 聂德新 王 毅 宋彦辉
(成都理工大学工程地质研究所，成都610059)
[摘要]岩体卸荷及卸荷带划分一直是水利水电工程地质研究的重要内容，它是影响坝基建基
面选择的主要因素之一。作者在分析国内外岩体卸荷分带研究成果基础上，提出了采用裂隙开度、裂隙条数、纵波速度、透水性系数等作为岩体卸荷分带的量化指标，并采用裂隙开度、裂隙条数、纵波速度对工程区部分平洞岩体进行卸荷带划分，其结果与现场定性划分的卸荷带界线基本一致。岩体卸荷分带量化指标的建立为岩体卸荷带划分的工程实践提供了参考依据。
[关键词]岩体；卸荷分带；量化指标[分类号]TU 45 [文献标识码]A
岩体卸荷及其卸荷带划分一直是水利水电工
程地质研究的重要内容，它是影响坝基建基面选择的主要因素之一。斜坡岩体卸荷是由于河谷侵蚀或人工开挖形成的临空面，破坏了岩体原有的应力平衡，岩体应力发生重分布，使浅表部岩体因应力释放，而向临空面方向发生卸荷回弹、松弛，而在斜坡较深部位发生应力集中。在这一过程中，浅表部一定深度范围内的岩体因应力降低将导致岩体结构松弛、原有构造裂隙经改造而扩展或错动，并形成一部分新的裂隙网络。同时，在岩体卸荷松弛、应力降低过程中，随着新的裂隙系统的形成，也为风
化营力、地下水等外动力作用提供了通道，加速岩体的风化作用和应力的进一步降低，促进了岩体变形与破坏，降低岩体的完整性。目前，国内外对岩体卸荷带的形成机制(黄润秋,2000；张修发,1993)、卸荷岩体的工程特征(哈秋舟令,2001；李建林,2001)、工程岩体卸荷破坏特征(吴刚,2001)等均有大量的研究，并取得了极大的进展；但对斜坡岩体卸荷带的划分还没有统一的标准，传统的方法是地质师依据斜坡岩体结构特征、裂隙张开及泥质物冲填特征、地下水分布等进行现场定性确定，因而常造成岩体卸荷分带的不准
确性及人为性，给工程岩体的评价尤其是大坝建基面的选择带来了困难。本文根据国内外岩体卸荷分带的研究成果及实际工程资料，对斜坡岩体卸荷分带定量指标进行探讨，为岩体卸荷带划分的工程实践提供理论依据，具有重要的实际意义。
1 岩体卸荷分带量化指标的选择
研究表明，斜坡岩体卸荷直接导致浅表部岩体松弛、原有结构面的拉裂张开以及产生新的次生裂隙，造成岩体中裂隙增多，岩体完整性变差，岩体结构变坏(聂德新,2002)；裂隙发育密度(或裂隙的数量)和张开度一般由地表向深部逐渐减小。现场统计表明，斜坡岩体裂隙数量大都随距斜坡水平深度或距坡面垂直深度的增加逐渐减少并至一定深度趋于稳定，裂隙开度同样表现为斜坡表部裂隙大多张开或张开度较大至一定深度趋于闭合。裂隙密度、裂隙开度的这种变化是斜坡形成过程中岩体风化、卸荷
造成的，而至一定深度裂隙数量趋于稳定，裂隙呈闭合状，表明风化、卸荷对岩体已无大的影响。因此岩体卸荷可导致新的节理裂隙的形成、原有的结构面的松弛张开，从而破坏岩体的完整性，使岩体的导水能力增强。针对上
述特点，研究斜坡从表部至深部岩体完整性、裂隙条数、裂隙开度或裂隙充填次生夹泥或其他次生充填物厚度等的变化，可以揭示岩体的卸荷程度，并对岩体卸荷进行分带。根据上述分析，斜坡岩体卸荷带分带的量化指标可以选择为：裂隙密度(或裂隙数量)、裂隙开度、岩体纵波速度及透水性等。
2 应用量化指标对岩体卸荷分带
2.1 工程概况
工程区位于黄河上游龙羊峡峡谷中，河谷狭窄，横剖面呈“V”字型，岸坡陡峻，两岸基本对称，谷深600～700m，平均坡度40°～65°。组成岸坡岩体岩性为中生代印支期花岗岩，为高强度、高模量岩石，抗风化能力强。岩体发育了NNW、NN E、N E三组陡倾角及一组NWW向缓倾角断层；节理的发育规律与断层基本一致，以陡倾角为主，约占节理总数的92%～95%，且节理中80%处于充填压密状态；岩体内地下水类型为裂隙潜水，主要受大气降水补给，排泄于黄河，地下水埋藏较深。区内地应力较高，三维应力测试表明，最大主压应力Ρ1为8.8～29.7M Pa，最小主应力Ρ3为2.2～13.1M Pa，最大主应力倾角19°～55°，大多在40°左右，近于平行岸坡，且均向岸外倾斜，其主应力方向以N E10
°～N E9°为主。
2.2 岩体卸荷分带量化指标界限的确定
目前国内外对岩体卸荷分带一般分为强卸荷带、弱卸荷带及微卸荷带。由于微卸荷岩体对应的风化带总体为微风化，可直接作为高坝坝基岩体进行利用，因此工程实践中重点对强卸荷带下限及弱卸荷带下限进行重点研究。如已开工的坝高292m的澜沧江小湾电站及即将开工的坝高273m的金沙江溪洛渡水电站，坝肩岩体卸荷带的划分主要采用了岩体纵波速度及裂隙开度两个指标，各卸荷带对应的纵波速度、裂隙开度界限值如表1。侯智斌(2000)在东庄水利工程枢纽区砂页岩岩体卸荷特征研究中研究了卸荷裂隙发育密度及开度随洞深的变化特征，且认为强卸荷岩体裂隙普遍张开，充填次生泥，一般宽度0.5～1.5c m；弱卸荷岩体裂隙宽度一般<1mm，最大数毫米，多充填钙质和泥质。
除上述指标外，由于卸荷导致岩石结构松弛、岩体完整性变差，岩石和结构面松弛从而增大岩体导水能力。因此，压水试验获得的透水系数也反映岩体裂隙发育程度、节理开合度及卸荷程度，利用透水系数也可以对岩体卸荷带进行划分。《水利水电工程地质勘察规范》(GB5087299)附录J中对岩体渗透性分级作了详细的规定(表2)，即表明岩体的渗透性与裂隙开度密切相关。陆宏(1995)在“高拱坝工程地质勘察”一文给出了强风化和强卸荷岩体的渗透性多大于100个吕荣单位，弱风化及微风化上部岩体的渗透性多在1～100个吕荣单位的结论。
综合考虑国内外卸荷岩体大量实测资料及其特征指标并结合本工程实践，以裂隙开度、裂隙条数、纵波速度、透水系数等指标来探讨岩体卸荷带定量划分问题，其不同卸荷带岩体、特征指标值选取的标准如表3。
2.3 岩体卸荷带的划分
上述量化指标中裂隙开度是反映岩体卸荷特征的最直观的量化指标，可以较好地对岩体进行卸荷分带；但对于处于弱卸荷～微卸荷的岩体，裂隙开度非常微小，有效量测其开度较困难，研究中采用了裂隙条数这一量化指标进一步对岩体的卸荷分带作校核和补充。
表1 国内部分高拱坝坝址区岩体卸荷特征
T able1 T he unl oading p roperties of rock m ass for s om e large arch dam s
电站卸荷带v P m・s-1开度卸荷特征岩性
小湾强<3000>2c m
中陡、缓倾结构面发育，拉裂隙宽度一般较大，充填岩
屑、岩块及泥质或有架空现象，卸荷结构面两侧岩体明
显松动错位，带内岩体明显松弛，发育深度一般不超过
强风化带
弱3000～45000.2～2c m
卸荷裂隙发育，宽度较小，无泥质充填，发育深度一般与
弱风化带底界相当
社区计生工作总结
片麻岩
溪洛渡强<2500>2c m岩体松弛，裂面普遍张开、锈染，充填以岩屑为主
弱<4100轻微张开较松弛，裂隙轻微张开，一般<1mm，长大裂面锈染严重
未>4800闭合岩体结构紧密，裂面闭合新鲜
P2Β
玄武岩
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表2 岩体渗透性分级
T able2 C lassificati on sche m e of per m eability for a rock m ass
渗透性等级渗透系数K c m・s-1透水率q (L u)岩体特征
极微透水K<10-6q<0.1完整岩石，含等价开度<0.025mm裂隙的岩体微透水10-6<K<10-50.1≤q<1含等价开度0.025～0.05mm裂隙的岩体
弱透水10-5<K<10-41≤q<10含等价开度0.05～0.01mm裂隙的岩体
中等透水10-4<K<10-210≤q<100含等价开度0.01～0.5mm裂隙的岩体
强透水10-2<K<100q≥100含等价开度0.5～2.5mm裂隙的岩体
极强透水K≥100q≥100含连通孔洞或等价开度>2.5mm裂隙的岩体
表3 岩体卸荷分带量化指标
T able3 Q uantitative indexes of classificati on for unl oading zones on a rock m ass
卸荷分带节理开度 mm5m 洞段
裂隙条数纵波速度
v P m・s-1
好书推荐卡吕荣值(L u)
透水率Ξ
L・(m in・m・m)-1
弱卸荷带下限1184000<100.1强卸荷带下限10362500≥1001
一般情况下，斜坡岩体中发育的裂隙数量是距斜坡表面距离的增加，裂隙逐渐减少，到一定深度后，岩体中的裂隙稳定在一定水平上，且与岩体的风化、卸荷程度具有较好的对应性。从河谷斜坡表部向深部、河床表部向深部岩体，岩体的风化一般由表部的全风化→强风化→弱风化→微风化→深部的新鲜岩体；岩体的卸荷一般由表部的强卸荷→弱卸荷→微卸荷→深部的未卸荷岩体，岩体的风化、卸荷程度的变化是递变渐进的；而与此相对应的结构面条数逐渐由多到少、结构面间距也逐渐由小至大，岩体结构由差变好，都呈现彼此相对应的渐进性变化特征。岩体裂隙的增多，是岩体风化和卸荷造成的，因此，研究斜坡从表部至深部岩体裂隙的变化，可以揭示岩体的风化、卸荷程度。这里按5m洞段的裂隙条数对岩体的弱卸荷下限进行划分。但现场对裂隙调查重点是迹长大于50c m的裂隙，对于迹长小的裂隙多数没有统计；因此按实际调查的裂隙条数，在平洞洞口一段调查的裂隙条数与岩体中真实的裂隙发育条数有一定差异，为此采用裂隙条数对岩体的卸荷带划分主要是弱卸荷下限。
由于岸坡勘探平洞内能够获得岩体的主要指标是裂隙开度、裂隙条数及岩体波速资料，因此，下面主要以隙开度、裂隙条数及岩体波速三个指标对岩体卸荷带进行划分，并将划分的结果与现场定性划分结果进行对比，其结果如表4。
表4可见，按各量化指标对平洞岩体进行的卸荷带划分结果与现场有经验的地质师定性划分
表4 部分平洞岩体卸荷带划分结果
教师法实施时间
T able4 C lassificati on result of unl oading zones
for rock m ass in s om e adits
平洞编号
强卸荷带下限 m弱卸荷下限 m
裂隙
开度
纵波
速度
现场有一个女孩
调查
裂隙
开度
裂隙
条数
纵波
速度
现场
调查PD722102035404040
PD351010102020
PD3521101015352028
PD523105303030
PD28104240555748
PD823302023.235253036
PD262010153015
PD325037253537
的卸荷带界线基本一致。因此，裂隙开度、裂隙条数及岩体波速可作为斜坡岩体卸荷分带的量化指标。
3 结 论
a.岩体卸荷导致新的节理裂隙的形成、原有的结构面的松弛张开，从而破坏岩体的完整性，使岩体的导水能力增强。
b.反映岩体完整性、裂隙条数、裂隙开度或裂隙充填次生夹泥或其他次生充填物厚度等的变化的指标可以揭示岩体的卸荷程度，因此对岩体卸荷带划分可以采用定性和定量相结合的方法。
c.在综合分析国内外已有的岩体卸荷分带研究成果的基础上，提出了以裂隙开度、裂隙条数、纵波速度、透水性系数等岩体卸荷量化指标，并采用裂隙开度、裂隙条数、纵波速度对工程区部分平
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第4期任光明等：斜坡岩体卸荷分带量化研究
虾爬子的做法
洞岩体进行了卸荷带划分，其结果与现场有经验
的地质师定性划分的卸荷带界线基本一致。上述量化指标的建立为岩体卸荷分带研究提供了参考依据，具有重要的现实意义和实用价值。
[
参考文献]
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A QUANTI TATI VE STUDY ON THE CLASSI F I CATI ON OF
UNLOAD I NG Z ONES OF ROCK M ASS S LOPE
R EN Guang 2m ing ,J U Guang 2hong ,N IE D e 2x in ,W AN G Y i ,S ON G Yan 2hui
(Institute of E ng ineering Geolog y ,Cheng d u U niversity of T echnolog y ,China )
Abstract :In the rearch of w ater 2conrvancy and hydroelectric p ro jects ,the rock m ass unl oading and classificati on of un l oading zones are very i m portan t con ten ts .A t the sa m e ti m e ,they are m ain facto rs that affects the cho ice of the bearing surface of a da m foundati on .O n the
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・833・成都理工大学学报(自然科学版) 第30卷
