工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (5): 1155-1161   (2800 KB)    
红石岩震损高陡边坡工程岩体质量评价
白志华①②, 李万州, 李海波①②, 张仕林①②, 周家文①②    
① 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 成都 610065;
② 四川大学水利水电学院 成都 610065;
③ 中国水利水电第七工程局有限公司 成都 610081
摘要:高陡岩质边坡在经历强震过后,其浅部岩体受地震动力瞬时循环载荷作用而导致岩体质量下降,即所谓震损边坡。震损边坡的工程岩体质量对施工措施的制定和边坡安全评价至关重要。针对震损边坡岩体的实际特点,以工程岩体质量评价的BQ分级体系为基础,应用三维激光扫描技术来识别岩体结构面和节理裂隙,并结合岩块单轴抗压强度试验,建立了震损边坡工程岩体质量评价方法。应用提出的方法对云南鲁甸红石岩震损边坡Ⅱ区进行工程岩体质量评价,分析结果表明:震损边坡Ⅱ区浅部岩体较为破碎、受长期卸荷和地震扰动影响,节理裂隙发育,运用三维激光扫描技术识别、统计岩体结构面情况,再结合常规的岩体质量分类方法,最终确定岩体分级为Ⅳ类,结果较符合实际情况。该方法能够远程非接触式地识别统计岩体的结构面信息,尤其适合岩体破碎或坡面高陡而技术人员无法到达的危险边坡的岩体质量评价,可为其他类似工程提供参考。
关键词震损边坡    BQ方法    三维激光扫描    单轴抗压强度    工程岩体质量评价    
ENGINEERING ROCK MASS QUALITY ASSESSMENT FOR POST EARTHQUAKE HIGH SLOPE AT HONGSHIYAN
BAI Zhihua①②, LI Wanzhou, LI Haibo①②, ZHANG Shilin①②, ZHOU Jiawen①②    
① State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065;
② College of Water Resource and Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065;
③ China Water Conservancy and Hydropower Seventh Engineering Bureau Co., Ltd., Chengdu 610081
Abstract: Strong earthquake can affect the engineering quality of the rock mass forming the shallow strata of the high and steep rock slope. Moreover, engineering rock mass quality of the slope damaged by strong earthquake is crucial to making construction management plan and assessing the safety of slope. Considering actual characteristics of the slope caused by seismic disturbance, this paper applies three-dimensional laser scanning technology, based on the basic quality(BQ)system, to recognize rock mass discontinuity and joint cracks. Meanwhile, the paper combines with rock mechanical test, puts forward a method for engineering slope rock mass quality assessment. The presented method is used to assess the engineering rock mass quality of the Hongshiyan slope(zone Ⅱ)in Ludian, Yunnan Province. The results show that the shallow rock mass is awfully broken, a bit hard, and is classified as Ⅳ-class. Furthermore, the results are consistent with the practical situation. The present method can identify the structural surface information on the premise of not arriving at measurement site and is particularly appropriate for broken rock mass quality assessment of high and steep slope where surveyors cannot arrive. The paper can provide a reference for other similar projects.
Key words: Slope caused by seismic disturbance    BQ method    Three-dimensional laser scanning    Uniaxial compressive strength    Engineering rock mass quality assessment    

0 引言

工程岩体质量是复杂岩体工程地质特性的综合反映(陈昌炎等,2002),是工程设计与施工方案制定的重要基础。边坡岩体作为工程岩体的其中一种,如岩体质量好且稳定性高的边坡基本不需要采取相关加固措施,可以大大节省施工成本;岩体质量差、风化程度高、稳定性差的边坡则需要繁琐的加固支护措施,而且在施工过程中还会遇到诸多对施工不利的挑战(陈祥等,2009)。因此,边坡岩体质量直接关系到边坡的稳定安全及施工质量,边坡岩体的质量评价是否合理决定了该工程施工支护措施的合理性和施工的安全性。

目前,对岩体进行质量评价的方法有很多。国外岩石质量评价起步较早,最早的是1906年前苏联的普氏系数法,该方法主要依据小尺寸岩块的单轴抗压强度,评价比较片面。1964年迪尔(Deer)提出了RQD分类法,在该方法中,岩体质量等级是通过修正岩芯采取率划分的。因为岩体结构面发育特征和岩块性质的影响未被该分类法考虑,所以RQD分类指标一般不能全面反映岩体的实际质量(瞿生军,2017),在之后比较完善的岩体质量评价体系中,该指标一般只是众多考虑参数中的其中一个。RMR分类法(Bieniawski,1973)是由比尼奥斯基于1973~1975年提出,使用岩块强度、RQD岩石质量指标、节理条件、节理间距、地下水、节理方向对工程影响修正系数等因素对岩体进行综合评分,在岩体分类领域产生了较大影响。Q系统分类法(Barton et al., 1974)是在1974年由挪威岩土工程研究所巴顿(Barton)等人提出,该方法综合考虑了RQD(Deer)质量指标、节理组数、节理粗糙系数、节理蚀度程度或充填情况、裂隙水折减系数和应力折减系数等6项参数。由于Q分类法结合了定性分析和定量评价,因此该方法广泛应用于软弱地层的岩体质量评价,但当考虑节理方向时,该方法就不再适用(Liu et al., 2014)。Romana于1985年把RMR分类体系运用到边坡岩体质量评价中提出了SMR分类法,该方法结合了边坡节理产状和边坡破坏模式两方面因素,可以比较系统地对边坡岩体进行质量评价。除了上述分类方法,我国于1994年颁布实施了《工程岩体分级标准GB/T50218-2014》(BQ分类法),该方法分为两步,首先通过BQ指标对岩体质量进行初步分类,然后再考虑结构面、天然应力和地下水等因素的影响对该指标修正,最后依据规范具体分级(王小江,2011中华人民共和国国家标准编写组,2015)。

近年来,许多专家学者对岩体质量评价体系和方法进行了相关研究。乔国文等(2015)通过考虑边坡岩体结构面与边坡临空面组合因素、大温差及水文条件造成的冻融风化作用等因素,完善了高寒地区边坡岩体质量评价体系。冀东等(2015)利用连续性细化计算方法对传统RMR中的参数进行了修正,并提出M-IRMR体系,补充了深部矿山岩体质量评价体系。岳中琦(2014)利用现场钻孔过程检测技术给出了多种岩石质量评价体系的方法和计算公式,可以更加合理地确定评价参数。牛文林等(2015)通过考虑结构面产状、掘进和洞轴线方向等因素对隧道围岩稳定性的影响,对BQ方法进行了优化,使其更好地运用于隧道工程岩体质量评价。曹琛等(2017)把云模型运用到岩体质量分级评价中,结果表明使用云模型的评价结果比使用传统的BQ分级法和可拓理论的结果更有可操控性和分类精度。BQ系统分类方法作为我国颁布实施的岩体质量评价方法,适用于国内大多数岩体工程,单轴饱和抗压强度和岩体完整性系数是该方法最基本的两大参数(Shen et al., 2017)。

本文选取红石岩右岸震损高陡边坡作为研究对象,该边坡是红石岩堰塞湖改建工程的进水口边坡。由于红石岩边坡位于鲁甸地震高烈度区域,其浅部岩体发生了较大程度的损伤,因此,该边坡在进行改建工程时存在着诸多工程问题。在施工过程中,上部崩滑部分卸荷裂隙发育,各组优势结构面相互组合导致上部广泛分布着危岩体,严重威胁着施工平台安全。此外,在下部开挖部分严重的岩体损伤使得表层、浅层岩体十分破碎,结构面十分发育,导致施工十分困难,主要表现在:爆破钻孔难以成形、卡钻、漏气;爆破过程中冲击气体沿裂隙面传播,使得能量不能集中,爆破参数设计难度大;爆破开挖过程中半孔率非常低,马道难以成形,常出现超挖、欠挖等问题;施工通道受到上部危岩体威胁,阻碍了施工材料、机械的运输。归根到底,这些施工过程中出现的难题与震损边坡破碎的岩体结构密不可,合理的边坡岩体分级评价,对把控该边坡施工质量、施工进度具有重要意义。本文结合三维激光扫描技术(李海波等,2017)和岩石室内力学试验等手段,基于《工程岩体分级标准》对红石岩右岸高边坡的工程地质情况进行合理的评估与分级。

1 震损边坡岩体质量评价方法
1.1 三维激光扫描技术简介

三维激光扫描技术又叫做实景复制技术,其原理是激光测距(图 1),通过被测区域的空间坐标等信息可以快速形成被测区域的三维实体点云模型,且该方法具有自动化、密度高、精度高等优点,适用于大多数工程区域(陈凯,2018)。

图 1 三维激光扫描技术的测量原理 Fig. 1 Measuring principle of three-dimensional laser scanning technology

由于震损边坡表面一般比较破碎且坡度较大,在进行岩体表面的相关测量时,技术人员不易到达测量点,因此三维激光扫描技术就为该测量工作提供了方便。

1.2 岩体质量评价指标

根据现场工程地质勘探资料,结合室内岩石力学试验和三维激光扫描测量技术,使用《工程岩体分级标准:GBT50218-2014》对震损边坡岩体进行质量评价。公式如下:

$BQ = 100 + 3{R_\mathit{c}} + 250{K_\mathit{v}} $ (1)

式中,BQ为岩体基本质量评价指标;Rc为岩体单轴饱和抗压强度;Kv为岩体完整性系数。

计算过程中,若:(1)当Rc>90Kv+30时,应该以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ;(2)当Kv>0.04Rc+0.4时,应该以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入计算BQ的值。

式(1)对于大部分工程岩体具有普遍适用性,但针对具体的不同工程背景,应对该式进行修正。在对工程边坡岩体进行具体分级时,应当考虑结构面的类型、产状、延伸性及地下水的发育程度来对BQ进一步修正,最后按照规范确定最终岩体级别(徐卫亚等,2000)。

边坡工程岩体质量[BQ],可以按照如下公式计算:

$\left[ {BQ} \right] = BQ - 100\left({{K_4} + \lambda {K_{\rm{5}}}} \right) $ (2)

${K_5} = {F_1} \times {F_2} \times {F_3} $ (3)

式中,K4为地下水的修正系数;λ为结构面类型和延伸性修正参数;F1为边坡倾向和结构面倾向之间的影响系数;F2为结构面倾角影响系数;F3为结构面倾角和边坡倾角之间的影响系数;K5为结构面产状的修正系数。

1.3 岩体完整性系数(Kv)的确定

岩体完整性系数(Kv)一般用来表示工程岩体相对于边坡岩块的完整程度,既可以利用岩体和岩块的纵波速度进行计算得到(段世委等,2013),也可以使用三维激光扫描技术通过获取岩体体积节理数(Jv)来间接得出岩体完整性系数(董秀军等,2006胡修文等,2010)。

由于人工识别岩体节理裂隙和岩体结构面比较繁琐,且识别误差较大,因此可以通过使用三维激光扫描技术来获取岩体浅部的体积节理数,从而来间接得出岩体完整性系数。在通过统计岩体体积节理数来获取岩体完整性系数时,应该充分考虑岩体结构面的张开程度和充填情况,利用岩体体积节理数和岩体完整性系数的对应关系,在相应的数值范围内选取合适的岩体完整性系数。根据《工程岩体分级标准:GBT50218-2014》,岩体体积节理数Jv与岩体完整性系数Kv的对应关系如表 1所示。

表 1 岩体完整性系数与岩体体积节理数的对应关系 Table 1 Corresponding relation between Kv and Jv

1.4 工程岩体级别确定

根据《工程岩体分级标准:GBT50218-2014》,工程边坡岩体的质量等级可以通过[BQ]值进行最终确定,表 2为[BQ]分级的阈值。

表 2 工程岩体质量分级标准 Table 2 Grading standard with regard to engineering quality of rock mass

2 边坡概况

2014年8月3日,云南鲁甸发生6.5级大地震,诱发了多个滑坡,其中最典型的一个就是位于原牛栏江电站下游的红石岩滑坡,滑坡堆积体阻断河床形成了100多米高的堰塞体,而红石岩改建工程正是利用该堰塞体作为挡水建筑物,并在滑坡下游山体里面开挖引水及发电系统,同时在滑坡体下部开挖引水发电隧洞、泄洪冲沙隧洞和溢洪隧洞的进口边坡(以下简称“三洞”合一进水口边坡)。边坡上部岩体由于受到原生节理和风化卸荷节理切割形成了较深的裂缝,在地震促发下,裂缝突然扩张、贯通发生崩滑,崩滑体在下滑过程中不断加速并且与下部岩体发生碰撞、解体,同时附加的铲刮及侵蚀效应将下部堆积物卷起,形成高速崩塌滑坡,最终滑坡体受到对岸山体的阻挡堆积成了约1.2×107 m3的堰塞体(图 2)。该残余边坡在长期演化过程中,由于内外界扰动岩体出现了多次损伤,导致边坡岩体破碎,层间错动面强度参数大大降低,严重危及施工安全和影响边坡施工进度。

图 2 红石岩边坡全貌 Fig. 2 Overall perspective of the Hongshiyan slope

“三洞”合一进水口边坡为天然陡坡,洞口以上高200~300 m,下部坡度70°~80°,上部40°~50°。岩层与岸坡为横向谷,层面产状为N45°E,NW22°,略倾坡里。边坡岩体强风化或中风化区,强度较低,层间节理、卸荷裂隙发育,岩体较为破碎,且结构面相互组合切割,形成不稳定块体,在工程开挖时,由于爆破振动和卸荷作用,节理裂隙易出现掉块或小型崩塌。坡体上部为泥盆系中统曲靖组(D2q)中层状及薄层状泥质白云岩夹白云质泥岩及砂叶岩,下部为奥陶系中统上巧家组上段(O2q3)黑色炭质叶岩、紫红色粉砂岩互层,炭质叶岩易软化、泥化,呈上硬下软的岩性组合。

边坡上部发生了较大的断裂、卸荷破坏,结构面的扩张及贯通大大降低了岩体质量,随后的余震、降水侵蚀使得岩体变得更加破碎松动。边坡下部岩体(即开挖部分)较软,主要发育着横河向层间节理和竖直卸荷张拉节理,一方面在长期重力作用下,下部较软弱岩层受到上部挤压而导致岩体破碎,同时受到地震影响,原生节理不断扩张切割岩体,导致下部岩体更加破碎。同时,上部崩滑体在向下高速运动过程中,与下部岩体发生猛烈撞击,一系列的铲刮、侵蚀、振动进一步使得下部岩体质量劣化。

根据工程特性、岩体结构特点、强度及地质条件等情况,同时便于工程施工,当地施工单位将该滑坡体分为3个区,分别为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区(图 3所示)。其中,Ⅰ区揭露岩体主要为黑色炭质灰岩,强度低,饱和抗压强度约为25 MPa,为软岩,岩体破碎;Ⅱ区揭露岩体主要为白云岩、饱和抗压强度约35 MPa,为较坚硬岩、岩体破碎;Ⅲ区揭露岩体主要为白云岩,饱和抗压强度约40 MPa,为坚硬岩、岩体较破碎。因此,根据3个区域的不同特点可采取相应的加固支护(例如,不同区域对应不同的支护参数)等工程措施。本文以Ⅱ区为例,对其浅部工程岩体进行质量评价。

图 3 红石岩震损分区示意图 Fig. 3 Sketch of zonation for the Hongshiyan post-earthquake slope

3 岩体质量评价
3.1 单轴饱和抗压强度

本次试验所用岩石取自边坡钻孔岩芯,钻孔位置位于红石岩震损边坡Ⅱ区,钻孔岩芯均制成直径50 mm,高度100 mm的圆柱体试样。试验为饱和单轴抗压强度试验,轴压采用变形控制,加载速度均为0.05 mm · min-1。试验前需对试样进行完全饱和处理,本试验试样数量为3个,试验结果分别为33.6 MPa、35.9 MPa、33.2 MPa,平均值为34.2 MPa。

3.2 岩体完整性统计

进水口边坡岩体结构面发育、节理裂隙相互交错,大小裂隙相互干扰,使获得结构面的准确产状较为困难,三维激光扫描测量为这一问题的解决提供了有效手段。本文以Ⅱ区(Ⅱ区为本次三维激光扫描区域,图 3)为例对红石岩震损边坡浅部岩体进行质量评价。利用三维激光扫描技术对该震损边坡Ⅱ区进行扫描,得到了其边坡三维精细化实体模型(图 4)。

图 4 边坡三维精细化实体模型 Fig. 4 Three-dimensional refined entity model of the slope

采用三维激光扫描对边坡岩体进行自动识别。首先将要测产状的结构面点云数据选中,然后采用最小二乘算法将选中的点云拟合成平面,接下来通过该平面在系统中的方程参数求出结构面产状信息(图 5)。

图 5 岩体结构面自动识别 Fig. 5 Automatic identification of the rock joints and interfaces

基于三维激光扫描对岩体结构面进行自动识别,统计结构如图 6所示。由图 5可知结构面主要分成3组,其中与岩层层面近乎平行的结构面最为发育,且产状稳定,为N45°E,NW∠22°,其次为陡倾向卸荷节理,产状为N32°~80°E,SE∠80°~85°,以及横河向构造节理,产状为N23°~87°W,SW∠76°~84°。

图 6 结构面统计示意图 Fig. 6 Statistical graph of the rock joints and interfaces

采用三维激光扫描对岩体结构面进行精细化扫描测量,并结合现场开挖揭示的节理裂隙情况的调查,统计出Ⅱ区岩体结构面情况如表 3所示。

表 3 岩体体积节理数Jv统计实例表 Table 3 Statistical table of the rock mass volumetric joint count

表 3可知Ⅱ区岩体体积节理数Jv为14.3~29.1,根据岩体体积节理数与岩体完整性系数的对应关系(表 1),岩体的完整性指标可取值为0.55~0.15,岩体完整性程度为较破碎-破碎。

3.3 岩体质量评价

岩体基本质量分级应根据分级因素的定量指标Rc的兆帕数值和Kv,按式(1)计算。对于Ⅱ区,RcKv取上述小节中确定的值,分别为34.2 MPa和0.35,代入式(1)得出BQ为290.1。

在本文描述的工程边坡岩体中,应当依据边坡倾角、结构面及地下水实际情况对BQ进行修正,进而确定该边坡岩体的最终级别。

边坡工程岩体质量[BQ]按照式(2)和式(3)计算,根据边坡层面结构、倾向倾角以及地下水情况,Ⅱ区的参数选择为:λ,0.85;K4,0.1;F1,0.15;F2,0.15;F3,0。将以上相关数值代入式(2)和式(3)得[BQ]为280.1。

根据表 2,确定Ⅱ区揭露的浅部工程岩体质量为:Ⅳ类,较坚硬岩,岩体破碎。

4 结论

本文在国标BQ分级方法的基础上,建立了针对震损边坡岩体质量评价体系,通过研究得出了以下结论:

(1)《工程岩体分级标准》(BQ分类法)适用于大多数岩体工程,但实际工程大都比较复杂,需要根据实际情况进行合理修正。

(2) 单轴饱和抗压强度和岩体完整性系数是BQ分类法中最基本的两大参数。单轴饱和抗压强度一般可通过室内岩石力学试验确定,岩体完整性系数可以通过获取岩体和岩石的纵速度进行计算得到,也可以使用三维激光扫描技术通过获取岩体结构面的准确产状来间接得出。

(3) 评价分级结果显示,该边坡Ⅱ区岩体属于Ⅳ类,岩体破碎,质量较差,需要相应的工程措施。

(4) 采用三维激光扫描技术能够远程非接触式地识别统计岩体的结构面信息,尤其适合岩体破碎或高陡而技术人员无法到达的危险边坡的岩体质量评价。

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