500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址的巖土工程問題探討

趙 碩,郭 明

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴州貴陽550003)

FAST建設(shè)項(xiàng)目采用我國科學(xué)家獨(dú)創(chuàng)的設(shè)計(jì)及利用我國貴州南部的喀斯特洼地的獨(dú)特地形條件,建設(shè)一個(gè)面積約30個(gè)足球場大的高靈敏度的巨型射電望遠(yuǎn)鏡。臺(tái)址區(qū)獨(dú)特的洼地地形條件,使得其巖土工程問題具有一定的獨(dú)特性。由于FAST項(xiàng)目特殊的工程意義,目前國內(nèi)尚無巖溶洼地進(jìn)行工程土石方開挖的先例,本文對巖土工程問題的成因、危害進(jìn)行系統(tǒng)的分析評價(jià),為今后在巖溶洼地進(jìn)行巖土工程勘察和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

1 臺(tái)址區(qū)巖土工程現(xiàn)狀

FAST建設(shè)項(xiàng)目位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)六水村大窩凼洼地,大窩凼洼地是由一大一小兩洼地組成的近似五邊形封閉區(qū)域,小洼地位于大洼地北側(cè),東面、南面斜坡中部以上為階梯狀石崖陡壁和陡坡,西面為陡坡;東側(cè)斜坡中部以上為石崖陡壁,洼地四周共有5個(gè)較大山峰,最高峰位于洼地南東東側(cè),峰頂高程1 189.68 m,最低標(biāo)高839.10 m,地形最大高差350.58 m。

望遠(yuǎn)鏡球冠面在大洼地內(nèi),設(shè)計(jì)標(biāo)高自839.1 m(洼地最低點(diǎn))至964.8 m(圈梁),洼地地形在地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)歷了幾次全球構(gòu)造運(yùn)動(dòng),洼地邊緣亦因?yàn)榇怪卑l(fā)育的裂隙切割貫通而導(dǎo)致數(shù)次崩塌,故洼地總體呈上陡下緩:標(biāo)高973 m以上區(qū)域內(nèi)坡度陡傾,在臨空面形成由基巖和現(xiàn)期被垂直發(fā)育的節(jié)理裂隙切割形成的危巖體。標(biāo)高833 m～974 m區(qū)域內(nèi)主要為洼地先期崩塌的危巖形成的塊石堆積區(qū),地形由于塊石的堆積形成上陡下緩的斜坡,巖堆的密實(shí)程度與疊置順序相關(guān):最先崩塌的巖堆位于巖堆底部,在自身重力作用以及后期崩塌危巖的壓覆作用下膠結(jié)密實(shí),表層的巖堆松散無膠結(jié)。巖堆的厚度分布為:以洼地底部中心為最厚,厚度大于100 m;從中心向四周塊石堆積體厚度呈逐漸變小的趨勢。臺(tái)址區(qū)最底部巖堆上覆有流水搬運(yùn)作用帶來的耕植土,以及粘土和有機(jī)質(zhì)粘土(見圖1)。

圖1 大窩凼洼地塊石(巖堆)分布剖面圖(2-2'剖面)

2 臺(tái)址區(qū)巖土工程問題

由于FAST臺(tái)址區(qū)獨(dú)特的地貌,500 m口徑球冠面開挖主要受洼地地形條件控制,其主要表現(xiàn)為:

(1)973 m以上標(biāo)高段地形陡峻,巖體對臨空面方向有卸荷作用,并受豎向發(fā)育的結(jié)構(gòu)面切割,在自身重力以及外界環(huán)境影響下形成危巖。

(2)850 m～1 076 m標(biāo)高段為塊石(巖堆)堆積區(qū),塊石(巖堆)為先期幾次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的崩塌巖體堆積形成,構(gòu)成了大窩凼洼地上陡下緩的外形特征;塊石(巖堆)分為表層松散的巖堆和下部密實(shí)的巖堆。

(3)FAST臺(tái)址區(qū)為負(fù)地形,底部有一落水洞可供排水。

綜上所述,FAST臺(tái)址區(qū)巖土工程問題即危巖穩(wěn)定性問題、塊石(巖堆)的穩(wěn)定性問題、場地排水問題。

2.1 危巖

FAST臺(tái)址發(fā)育的6組巖體結(jié)構(gòu)面將臺(tái)址切割成近五邊形封閉洼地,并形成沿洼地陡崖的臨空面,因此臺(tái)址區(qū)場地垂直裂隙發(fā)育,巖體穩(wěn)定性較差,在重力、地震、水體等誘發(fā)因子作用下處于不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定或極限平衡狀態(tài),在臨空面上形成危巖(見圖2)。臺(tái)址區(qū)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀如表1。

表1 臺(tái)址區(qū)主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀

危巖體存在于大窩凼周圍高陡邊坡及陡崖上,分布標(biāo)高在973.00 m以上范圍內(nèi),隨時(shí)由于失穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)而形成崩塌。危巖失穩(wěn)模式主要為傾倒式,由于場地危巖體多為近水平巖層面與近垂直結(jié)構(gòu)面切割形成,沒有形成大規(guī)模滑移式危巖,局部存在少量墜落式危巖[1]。場地危巖體一旦失穩(wěn),會(huì)對500 m口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡工程的建設(shè)和安全運(yùn)營構(gòu)成極大的威脅。

傾倒式危巖失穩(wěn)主要受自身重力和充填在裂隙里的水側(cè)向壓力因子影響,當(dāng)危巖自重以及裂隙水向臨空面一端產(chǎn)生的傾覆力矩超過與山體連接處所產(chǎn)生的抗傾覆力矩時(shí),將導(dǎo)致危巖失穩(wěn)[2]。

圖2 危巖平面分布示意圖

由于場地危巖發(fā)育受結(jié)構(gòu)面控制,并具有一定厚度,在一定的地質(zhì)歷史時(shí)期里面就會(huì)發(fā)展成為一定程度的危巖,并在誘發(fā)因子作用下發(fā)生失穩(wěn)而剝蝕掉,產(chǎn)生穩(wěn)定的新臨空面。雖然新臨空面仍受同樣的結(jié)構(gòu)面所控制,但危巖的生長具有類似植物的生長效應(yīng),當(dāng)期危巖要形成還需再經(jīng)歷一個(gè)漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期[3]。

2.2 巖堆

由于臺(tái)址區(qū)受垂直發(fā)育的裂隙所控制,結(jié)合封閉的巖溶洼地地形,在三次地殼運(yùn)動(dòng)作用下,先期塌滑、剝落的危巖體在閉合圈內(nèi)斜坡上部至洼地底部形成環(huán)狀成層分布的崩塌塊石(巖堆)體。巖堆構(gòu)成的地表坡度多大于45°,在與陡巖區(qū)基巖接觸帶地表坡度大于60°,形成塊石(巖堆)體與陡巖區(qū)基巖的過渡帶,在地表出露標(biāo)高為850.00 m～1 076.00 m。

厚度分布趨勢為上薄下厚,其厚度變化較大,其中厚度最小的區(qū)域位于臺(tái)址區(qū)東南部陡崖下斜坡地帶,最大厚度25 m;厚度最大的區(qū)域位于洼地區(qū),在洼地區(qū)表層下伏巖堆厚度超過100 m(見圖3)。

圖3 巖堆平面分布示意圖

在縱向上,巖堆根據(jù)其密實(shí)程度可分為兩個(gè)部分:松散巖堆和密實(shí)巖堆。其密實(shí)程度由壓覆時(shí)間和粒間膠結(jié)所控制,其分布趨勢表現(xiàn)自地表往下逐漸變密實(shí),根據(jù)聲波測試的結(jié)果,可得到兩部分間的穩(wěn)定界面[4]。同時(shí),巖堆與基巖之間也存在一個(gè)穩(wěn)定的分界面(見圖4)。

圖4 巖堆縱向分界圖

臺(tái)址區(qū)巖堆具有復(fù)雜的組成結(jié)構(gòu)形式,塊石的粒徑變化較大,當(dāng)受到外界擾動(dòng)時(shí),巖堆各組成部分之間的應(yīng)力變形的轉(zhuǎn)移方式和規(guī)律不同于均質(zhì)連續(xù)的土體或巖體,導(dǎo)致巖堆邊坡的穩(wěn)定性與一般土質(zhì)邊坡或巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性有較大的區(qū)別,臺(tái)址斜坡區(qū)塊石(巖堆)邊坡在自然營力與重力作用或人工開挖下,不是沿固有滑移面產(chǎn)生整體滑移破壞,而是沿其自然安息角發(fā)生失穩(wěn)破壞[5]。

根據(jù)FAST臺(tái)址塊石(巖堆)的結(jié)構(gòu)、高度、坡度的背景值函數(shù)關(guān)系,得到縱面上巖堆安息角與穩(wěn)定的關(guān)系(見表2):

表2 500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址塊石(巖堆)安息角與穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系表

臺(tái)址區(qū)巖堆在重力作用下受洼地地形控制,有側(cè)向約束,當(dāng)洼地底部封閉時(shí),巖堆的穩(wěn)定性僅以安息角為控制指標(biāo),表現(xiàn)為“谷倉效應(yīng)”(見圖5)。

用相似性模型試驗(yàn)?zāi)M“谷倉效應(yīng)”:用相似材料模擬臺(tái)址區(qū)工程地質(zhì)條件,觀察巖堆滑動(dòng)過程,加以確定巖堆的滑動(dòng)機(jī)制。

試驗(yàn)結(jié)果表明:巖堆不是沿兩個(gè)界面(密實(shí)巖堆和松散巖堆的界面以及巖堆和基巖的界面)滑動(dòng),因此,500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址區(qū)巖堆的基巖與巖堆接觸面、密實(shí)巖堆和松散巖堆的分界面均是穩(wěn)定界面,巖堆滑動(dòng)的趨勢面由巖堆的天然安息角控制(見圖6)[6]。

在開挖過程中,當(dāng)超過安息角開挖和超限爆破作用下,巖堆將會(huì)產(chǎn)生滑塌、蠕滑變形。同時(shí),在開挖過程中爆破作用下巖堆體的密實(shí)性將發(fā)生改變,產(chǎn)生松動(dòng)現(xiàn)象,亦將會(huì)產(chǎn)生難以治理的滑塌[7]。

圖5 “谷倉效應(yīng)”示意圖

圖6 “谷倉效應(yīng)”試驗(yàn)前后效果圖

2.3 排水

FAST峰洼高差達(dá)350 m,洼地面積0.15 km2,洼地底面積0.035 km2,臺(tái)址區(qū)洼地每年被淹3～6次,歷史最大淹沒高程約842.15 m,雨后24 h之內(nèi)積水疏排完。地表水分水嶺總體形態(tài)以大窩凼洼地為中心、近于五邊形,分水嶺沿周邊地勢較高的山脊及山頂展布,分布標(biāo)高984.41 m～1184.05 m之間,最高點(diǎn)位于洼地東南角,最低點(diǎn)位于洼地西側(cè),總匯水面積為0.56 km2。

深部碳酸鹽巖類裂隙溶洞水賦存于碳酸鹽巖類地層的溶蝕裂隙和溶洞管道中,水位埋深超50.0 m且變化比較大。塊石(巖堆)滲透系數(shù)K1=1.36 m/d計(jì)算涌水量,預(yù)測平水期基坑涌水量為Q1=7 274.85 m3。

經(jīng)計(jì)算(見表3),臺(tái)址區(qū)落水洞的消水能力弱于設(shè)計(jì)洪峰流量,會(huì)引起甕水問題,如果場地的積水不及時(shí)排出,將嚴(yán)重影響施工和工程的正常使用。

表3 500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址洼地水淹甕計(jì)算結(jié)果一覽表

3 結(jié) 論

500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址區(qū)位于巖溶洼地中,該巖溶洼地經(jīng)地質(zhì)歷史時(shí)期幾次構(gòu)造運(yùn)動(dòng),垂直發(fā)育的節(jié)理裂隙貫通導(dǎo)致原先的溶蝕洼地不斷崩塌擴(kuò)大所形成。臺(tái)址區(qū)的巖土工程問題主要受巖溶洼地的地形地貌所控制,主要為危巖穩(wěn)定性問題、塊石(巖堆)穩(wěn)定性問題、排水問題。

(1)臺(tái)址區(qū)的危巖存在于洼地邊緣的高陡邊坡及陡崖上,其發(fā)育受垂直發(fā)育的結(jié)構(gòu)面控制,并具有一定厚度,在一定的地質(zhì)歷史時(shí)期里所形成,并在暴雨和自重、震動(dòng)作用下失穩(wěn)。

(2)臺(tái)址區(qū)的巖堆由于受垂直發(fā)育的裂隙所控制,結(jié)合封閉的巖溶洼地地形,在三次地殼運(yùn)動(dòng)作用下,先期塌滑、剝落的危巖體在閉合圈內(nèi)斜坡上部至洼地底部形成環(huán)狀成層分布的崩塌塊石(巖堆)體。受FAST洼地地形控制,巖堆(塊石)變形滑動(dòng)的趨勢由巖堆天然安息角所決定,具有“類谷倉現(xiàn)象”。并以32°和45°為控制界限;當(dāng)自然安息角小于32°時(shí),巖堆處于穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)自然安息角大于32°小于45°時(shí),巖堆處于欠穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)自然安息角大于45°時(shí),巖堆處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)臺(tái)址區(qū)為巖溶洼地,經(jīng)計(jì)算其消水能力小于積水,會(huì)引起甕水問題。

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