利用檢測與監測結果分析柱狀節理玄武巖變形特性

王 鋒，王玉潔

（1.國家能源局大壩安全監察中心，浙江 杭州，311122；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

1 工程概述

西部某拱壩在建基面中出露柱狀節理玄武巖層，巖質堅硬，無卸荷，柱狀鑲嵌結構，柱體直徑一般15~25 cm，柱體間嵌合緊密，柱體長1~3 m。柱狀節理是玄武熔巖中一種特殊的原生節理，表現為各向異性，未支護條件下，圍巖松弛嚴重[1-2]。柱狀節理發育導致壩基變形模量偏低，一般不宜作為高拱壩基礎，經有效處理后可局部利用。

為了解壩基柱狀節理在開挖階段的巖體松弛情況，更好地確定壩基保護層預留厚度及支護方案措施，選取10 m范圍柱狀節理玄武巖試驗區，進行聲波、全景成像和鉆孔變形模量檢測，并布置圍巖變形和錨桿應力監測儀器，對柱狀節理的松弛情況和變形特性進行研究[3]。

2 柱狀節理試驗區檢測及監測布置

為比較不同支護措施對柱狀節理玄武巖的防松弛效果，將試驗區分為試驗A區（10~0 m高程上游段寬約28 m范圍，預留2 m保護層，未支護）、試驗B區（10~5 m高程下游段，預留2 m保護層，普通砂漿錨桿）和試驗C區（5~0 m高程下游段，預留2 m保護層，預應力錨桿）。

在每個試驗區各布置5個聲波測孔，孔深10 m。布置1套多點變位計、1~2組錨桿應力計。檢測監測設施布置見圖1。

3 壩基檢測結果分析

3.1 柱狀節理試驗區檢測結果分析

圖1中A1、B1區進行1個孔的爆前聲波測試，B2區無爆前檢測孔，A2、C1、C2各孔均進行爆前測試。松弛巖體的聲波判斷以爆前孔或爆后第一次聲波測試為基準，根據不同巖體類別的最低聲波值判斷巖體松弛深度。

圖1 柱狀節理試驗區監測檢測設施平面布置Fig.1 Layout of detection and monitoring instruments in the test area of columnar joints

3.1.1 試驗A區

試驗A區按5 m梯段分A1區（Ⅲ1類）和A2區（Ⅲ1類），爆破前后無明顯的低速帶，巖體松弛深度一般在0.1~0.6 m，平均深度0.27 m，在爆后4個月內松弛深度變化不大。松弛層波速3 650~3 990 m/s，平均波速3 870 m/s；未松弛層波速5 010~5 320 m/s，平均波速5 190 m/s。

爆后145 d測試，A1-1和A1-5兩孔松弛深度分別增加至1.7 m和1.9 m，鉆孔電視顯示A1-5孔深1.8 m附近分布緩傾角裂隙。A1區淺部巖體在未支護條件下，隨時間增長，沿裂隙發育部位松弛明顯。A2區松弛深度變化不大。A1區松弛深度沿高程和時間的過程線見圖2（a）和圖3。

圖2 聲波波速沿巖體深度變化典型過程線Fig.2 Change of sound velocity in the rock mass along the depth

圖3 試驗A1區松弛深度變化Fig.3 Variation of relaxation depth in test area A1

3.1.2 試驗B區

試驗B區按巖體質量分B1區（Ⅲ1類）和B2區（Ⅲ2類），開挖完成后采用普通砂漿錨桿立即支護。松弛層深度在1.1~4.2 m，平均松弛深度3.15 m。松弛層波速3 000~3 800 m/s，平均波速3 400 m/s；未松弛層波速4 550~5 180 m/s，平均波速4 990 m/s。

巖體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，爆破對圍巖松弛影響明顯。該部位爆破45 d后，圍巖松弛基本穩定，不再發展，支護效果顯著。松弛深度沿高程和時間的過程線見圖2（b）和圖4。

圖4 試驗B區松弛深度變化Fig.4 Variation of relaxation depth in test area B

3.1.3 試驗C區

試驗C區按巖體質量分C1區（Ⅲ1類）和C2區（Ⅲ2類），采用預應力錨桿支護。松弛層深度在1.6~4.3 m，平均松弛深度2.84 m。松弛層波速為3 380~3 600 m/s，平均波速3 510 m/s；未松弛層波速4 330~5 150 m/s，平均波速4 820 m/s，節理發育部位聲波波速較低。

巖體爆破后松弛深度大多小于1 m，爆破7 d后預應力錨桿張拉，各部位巖體松弛深度略有減小。21 d下一梯段爆破后，松弛深度增加1~3 m。該部位爆破38 d后，圍巖松弛基本穩定，不再發展，支護效果顯著。松弛深度沿高程和時間的過程線見圖2（c）和圖5。

圖5 試驗C區松弛深度變化Fig.5 Variation of relaxation depth in test area C

砂漿錨桿與預應力錨桿對巖體松弛起到一定的抑制作用，B區和C區松弛層厚度及波速分別在45 d和38 d后穩定無明顯變化。從抑制松弛的效果看，預應力錨桿的短期效果優于砂漿錨桿，長期效果則區別不大。

3.1.4 巖體鉆孔變形模量

試驗A區鉆孔變模平均值為8.48 GPa，B區平均值為4.72 GPa，C區平均值為6.39 GPa。松弛深度范圍內，巖體變模普遍在3~4 GPa，巖體質量較差。

3.2 柱狀節理與非柱狀節理松弛對比

柱狀節理玄武巖段聲波孔揭示的松弛深度略高于非柱狀節理段聲波孔的松弛深度，且柱狀節理玄武巖松弛巖體波速終測時下降明顯，未松弛巖體波速終測時下降較小，具體情況見表1。

表1 柱狀節理與非柱狀節理松弛檢測結果對比Table1 Comparison between detected relaxation of columnar and non-columnar joints

4 壩基監測結果分析

4.1 試驗A區

試驗A區多點變位計Mzjc-1自2014年12月30日固定松動儀器重新計算后顯示，測值規律性較好，過程線見圖6?？卓谖灰谱畲笾禐?.44 mm，在開挖初期緩慢增大。埋深12 m測點基本沒有位移，變形深度在7 m左右。在未支護條件下，圍巖淺部變形持續發展，與A區聲波監測結果一致。

圖6 試驗A區多點變位計測值過程線Fig.6 Monitored data by multi-point displacement meter in test area A

4.2 試驗B區

多點變位計Mzjc-2埋設于B2區，0 m（最大值19.16 mm）、7 m（最大值18.66 mm）測點位于相對破碎的巖體上，4 m（最大值18.39 mm）點位于松弛界限附近，12 m（最大值15.46 mm）點位于某層內錯動帶下盤相對完整的巖體內。由測值過程線（見圖7）可知，上下盤巖體變形曲線及變形量差異不大，表明巖體并未沿該層內錯動帶產生明顯變形，推測主要是深部變形，變形深度在12 m至錨固點32 m之間，即位于該層內錯動帶下部的其他結構面。7 m范圍內圍巖變形差異較小，可能受到錨桿錨固作用，淺層巖體形成整體，各深度差異較小。

圖7 試驗B區多點變位計測值過程線Fig.7 Monitored data by multi-point displacement meter in test area B

試驗B區表層巖體在支護作用40 d后，圍巖變形基本趨于穩定，孔口測點與埋深4 m測點累計變形相差很小，支護結構限制了變形持續發展，松弛區域巖體得到了錨固，而未支護區域變形持續增加，支護效果顯著。

4.3 試驗C區

多點變位計Mzjc-3埋設于C1區，0 m（最大值17.71 mm）點位于相對破碎的巖體上，4 m（最大值17.49 mm）點位于某層內錯動帶上盤巖體松弛帶附近，7 m（最大值13.36 mm）點和12 m（最大值13.73 mm）點位于該錯動帶下盤相對完整的巖體中，上下盤巖體變形規律及變形量差異不大，表明巖體并未沿該錯動帶產生明顯變形，且支護效果顯著。測值過程線見圖8，與B區多點變位計測值結果一致。同樣證明該區域巖體變形主要是深部變形，變形深度在12 m至錨固點32 m之間，即位于該層內錯動帶下部的其他結構面。

圖8 試驗C區多點變位計測值過程線Fig.8 Monitored data by multi-point displacement meter in test area C

5 結論及建議

分析可知，復雜工程中采用檢測和監測結果聯合分析，能增強對工程的認識，有效指導施工。柱狀節理玄武巖試驗區巖體松弛深度及深部變形分析的結論及建議如下：

（1）相較非柱狀節理巖體，柱狀節理松弛深度較深，但開挖后及時支護的條件下，30~40 d后松弛基本穩定。支護條件下，圍巖松弛時間效應不明顯，未支護區松弛深度隨時間略有增加。松弛區平均聲波波速在3 600 m/s左右，為Ⅳ類圍巖，變形模量較低，需要后期固結灌漿來提高巖體質量；未松弛區平均聲波波速在5 000 m/s左右。

（2）在及時支護條件下，柱狀節理巖體長期松弛的效應并不明顯，需要關注深部結構面的變形。根據綜合分析結果，為提高壩基的整體穩定性，對壩基進行系統錨索設計及固結灌漿，控制壩基深部變形的同時，限制柱狀節理巖體在大壩澆筑前的長期松弛。