三峽庫區(qū)高切坡破壞模式分析及防護(hù)對(duì)策

肖 云

（武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

高切坡是山區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中經(jīng)常遇到的巖土工程問題，也稱人工削坡工程.三峽水利工程建成后水位蓄至175m高程，受此影響，大量基礎(chǔ)設(shè)施需要遷建.因此，三峽移民建設(shè)工程中形成了大量高切坡.這些高切坡因地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石松軟破碎，易于風(fēng)化，所暴露的災(zāi)害隱患日益突出［1－3］.因此，為保證庫區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)高切坡變形破壞特征進(jìn)行詳細(xì)研究，實(shí)施有效治理，防止進(jìn)一步破壞十分必要.

1 高切坡地質(zhì)特征及結(jié)構(gòu)面特征

湖北省宜昌市秭歸縣某居民點(diǎn)高切坡位于秭歸縣縣城，地理坐標(biāo)為東經(jīng)110°58＇，北緯30°50＇.該切坡坡面總長度642m，沿場(chǎng)平呈北東向展布，一般坡高14～42m，最大坡高48m，坡面面積17 825m2，坡度40～70°.該高切坡受原始地形的影響，坡頂和坡底起伏較大.

該高切坡中上部為全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，巖質(zhì)半疏松狀，呈散體～碎裂結(jié)構(gòu)，邊坡巖體類型屬Ⅳ類；坡內(nèi)局部為中等風(fēng)化巖體，短小裂隙發(fā)育較密集.根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330－2002）［4］規(guī)定，切坡類型為Ⅰ1類巖質(zhì)高切坡，防治工程安全等級(jí)為一級(jí).

該高切坡為前震旦系結(jié)晶巖（γ1），巖性為閃云斜長花崗巖，另有少量的條帶狀偉晶巖脈、細(xì)?；◢弾r脈穿插于閃云斜長花崗巖之間.閃云斜長花崗巖呈巖基產(chǎn)出，灰、灰白色，中粗粒結(jié)構(gòu)，分布廣泛，為高切坡的主要物質(zhì)組成.

高切坡區(qū)域內(nèi)主要構(gòu)造跡痕為構(gòu)造裂隙，全強(qiáng)風(fēng)化巖石多出露在高切坡中上部，其裂隙多閉合被覆蓋而基本無法辨認(rèn)，所以裂隙調(diào)查主要集中在中等風(fēng)化巖體中.對(duì)高切坡穩(wěn)定性影響大的裂隙發(fā)育區(qū)域主要集中在樁號(hào)K0＋40～K0＋120 m段、K0＋120～K0＋214m段、K0＋280～K0＋420m段（詳細(xì)分段見地質(zhì)平面圖圖1）.現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果顯示，三段均主要發(fā)育四組裂隙（裂隙走向傾向玫瑰花圖見圖2），邊坡發(fā)育的裂隙多為張開型，無充填或充填風(fēng)化碎屑，裂隙面普遍結(jié)合差.四組裂隙中第三組、第四組為傾向坡外，其相互切割致使坡內(nèi)巖體呈次塊狀，在坡面形成不穩(wěn)定塊體，且已在坡面上形成多處沿緩傾角裂面產(chǎn)生的滑動(dòng)破壞（裂隙與坡面赤平投影見圖3）.

圖1 高切坡工程地質(zhì)平面圖Fig.1 High cutting slope engineering geological plan

圖2 K0＋40～K0＋120m段裂隙走向、傾向玫瑰花圖Fig.2 Section K0＋40～ K0＋120mfissures strike and dip roses

圖3 樁號(hào)K0＋040～0＋120m段赤平投影圖Fig.3 Section K0＋040～0＋120mstereographic projection

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，通過類比經(jīng)驗(yàn)數(shù)值綜合考慮，取結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度值為：C＝25kPa，φ＝20°.

2 高切坡變形破壞模式分析

2.1 切坡變形破壞模式分析

高切坡的產(chǎn)生本身由于人工開挖形成，其巖石表面由于新鮮出露，受本身地質(zhì)條件及降雨、人工干預(yù)等影響，容易產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致災(zāi)害產(chǎn)生.因此研究其破壞模式并防止其進(jìn)一步破壞，首先應(yīng)該分析切坡本身的自然條件、地形地貌特征、地層巖性、巖體風(fēng)化狀況、地質(zhì)構(gòu)造特征、水文地質(zhì)特征、人為擾動(dòng)情況等.可采用的方法主要為：現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、工程經(jīng)驗(yàn)類比、工程實(shí)驗(yàn)、力學(xué)計(jì)算、數(shù)值模擬分析.

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，本居民點(diǎn)高切坡為場(chǎng)平開挖形成，開挖時(shí)施工方式不科學(xué)，采用的坡角不合理，切坡形成后坡面未采取任何防護(hù)措施.巖體內(nèi)部應(yīng)力的改變，外部風(fēng)化作用的加劇，過陡的坡角，使原本閉合的裂隙逐漸張開，裂面由于風(fēng)化、水侵導(dǎo)致強(qiáng)度下降.同時(shí)根據(jù)邊坡裂隙走向、傾向分析，切坡中下部巖體受兩組傾向坡外裂隙相互切割呈塊狀，局部坡面形成不穩(wěn)定塊體，且已在坡面上形成多處沿緩傾角裂面產(chǎn)生的滑動(dòng)破壞.

通過對(duì)自然邊坡的調(diào)查和以往經(jīng)驗(yàn)資料的類比，在區(qū)域內(nèi)的閃云斜長花崗巖邊坡中，坡面變形破壞主要受結(jié)構(gòu)面控制，其次受坡形控制.在合理的坡形條件下，結(jié)構(gòu)面的性狀特征、力學(xué)性質(zhì)成為邊坡穩(wěn)定的制約因素.

切坡可能的變形破壞模式主要有：

a.整體滑移：全風(fēng)化層較厚的坡段，力學(xué)性質(zhì)較差，在暴雨沖刷和重力作用下，會(huì)沿著特定的圓弧面，產(chǎn)生圓弧滑移破壞.

b.局部剝落掉塊：較陡的切坡坡面巖體長期遭受風(fēng)化，在雨水沖刷和重力作用下，呈小型塊狀沿坡面滾落至坡腳.多發(fā)生在坡面較陡、無防護(hù)和植被的切坡段.

c.塊體滑移：受結(jié)構(gòu)面控制，被不利結(jié)構(gòu)面切割的塊體可能發(fā)生滑移.

d.沖蝕：全強(qiáng)風(fēng)化巖體中的疏松巖體在雨水沖刷下，沿坡面產(chǎn)生水砂流動(dòng)，堆積在坡面的平緩段或坡腳.長時(shí)間的水砂流形成小型沖蝕溝槽，破壞坡面平衡.

e.風(fēng)化球滾落：全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖體中的堅(jiān)硬狀風(fēng)化球，在疏松、半疏松狀的圍巖逐漸被水砂流、剝落掉塊等形式破壞后，失去支撐力而從坡面上方滾落坡腳.

2.2 切坡穩(wěn)定性計(jì)算

a.計(jì)算理論公式

全風(fēng)化層采用圓弧滑動(dòng)計(jì)算公式如下：

式（1）～ （4）中：KS為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；ci為第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面上巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；φi為第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面上巖土體的摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值（°）；li為第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面長度（m）；θi、αi為第i計(jì)算條塊底面傾角和地下水位面傾角（°）；Gi為第i計(jì)算條塊單位寬度巖土體自重（kN／m）；Gbi為第i計(jì)算條塊滑體地表建筑物的單位寬度自重（kN／m）；Pwi為第i計(jì)算條塊單位寬度的動(dòng)水壓力（kN／m）；Ni為第i計(jì)算條塊滑體在滑動(dòng)面法線上的反力（kN／m）；Ti為第i計(jì)算條塊滑體在滑動(dòng)面切線上的反力（kN／m）；Ri為第i計(jì)算條塊滑動(dòng)面上的抗滑力（kN／m）；

由于存在多組傾向坡外的結(jié)構(gòu)面以及部分地段過陡坡角，切坡受各類結(jié)構(gòu)面及其組合以及潛在破裂面的控制，在長期的外力效應(yīng)下，局部呈欠穩(wěn)定狀態(tài).計(jì)算采用折線滑動(dòng)法時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)可按下列方法計(jì)算：

式（5）中Ψi為第i計(jì)算條塊剩余下滑力向第i＋1計(jì)算條塊的傳遞系數(shù).

b.計(jì)算條件

根據(jù)各坡段的破壞模式分析，選取典型剖面進(jìn)行計(jì)算，采用的計(jì)算方法如表1所示.

表1 計(jì)算剖面與計(jì)算方法Table 1 Calculating profiles and methods

計(jì)算工況分為三種：

Ⅰ工況：天然工況（不考慮地震荷載）；

Ⅱ工況：暴雨工況（降雨的重現(xiàn)期按20年選取）；

Ⅲ工況：治理后暴雨工況.

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330－2002），對(duì)于安全等級(jí)為一級(jí)的高切坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，采用圓弧滑動(dòng)法時(shí)安全系數(shù)取1.3；采用折線滑動(dòng)法時(shí)安全系數(shù)取1.35.

c.穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

典型計(jì)算剖面見圖4.各剖面在兩種計(jì)算工況下的穩(wěn)定性系數(shù)見表2.

根據(jù)高切坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)、形態(tài)特征和前述變形破壞分析、穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)如下：樁號(hào)K0＋000～0＋040、K0＋214～0＋280、K0＋420～0＋642段坡面較完整.經(jīng)過計(jì)算在暴雨工況下，該段坡面穩(wěn)定性較差，不符合規(guī)范要求，這與實(shí)際中的穩(wěn)定狀態(tài)相一致.在水體沖刷作用下出現(xiàn)有水砂流、坍塌破壞，局部穩(wěn)定性較差.

圖4 典型地質(zhì)剖面圖Fig.4 Typical geological profile

表2 各剖面在兩種工況下的穩(wěn)定性系數(shù)Table 2 The stability factors in both conditions of profiles

樁號(hào)K0＋040～K0＋214、K0＋280～0＋420段坡形呈上緩下陡，上部散體狀結(jié)構(gòu)，下部塊狀結(jié)構(gòu)，部分地段呈陡坎.坡面中上部為全強(qiáng)風(fēng)化巖體，在地表水體沖刷作用下，坡面多處形成淺溝，在坡頂及坡面出現(xiàn)崩塌，不穩(wěn)定.坡面發(fā)育四組裂隙，存在傾坡外的結(jié)構(gòu)面，由裂隙切割形成的塊體易沿傾坡外裂隙滑移.經(jīng)過計(jì)算，安全系數(shù)小于1.35，安全儲(chǔ)備不夠.目前破壞主要為爆破導(dǎo)致巖體裂隙張開，局部掉塊.

3 高切坡防護(hù)對(duì)策研究

根據(jù)上述切坡的變形破壞特征及穩(wěn)定性分析結(jié)果，本高切坡整體是穩(wěn)定的，但是存在坡頂殘坡積土和強(qiáng)風(fēng)化巖體坍塌、局部軟巖的風(fēng)化剝落和破碎巖體崩塌、掉塊等破壞形式.考慮到本切坡高度較大，坡度較陡，若發(fā)生稍大規(guī)模的崩塌掉塊，將對(duì)坡下的居民區(qū)安全造成嚴(yán)重影響；同時(shí)，由于未對(duì)坡面采取封閉措施，隨著風(fēng)化過程的發(fā)展，風(fēng)化掉塊將逐步加劇，對(duì)后續(xù)管理工作帶來極大不便.

針對(duì)邊坡目前的情況，本方案采用在有危巖體和節(jié)理發(fā)育的區(qū)域采取清坡后錨噴混凝土進(jìn)行邊坡防護(hù)；在全強(qiáng)風(fēng)化區(qū)域采取清坡后格構(gòu)錨進(jìn)行支護(hù).同時(shí)輔以清除坡面松動(dòng)巖體、設(shè)置坡面排水孔、坡腳擋墻、截排水溝及坡面植被恢復(fù)等措施.

該方案的關(guān)鍵問題是對(duì)錨桿的設(shè)計(jì)，分坡段對(duì)錨桿進(jìn)行設(shè)計(jì).經(jīng)過計(jì)算，樁號(hào)K0＋000～0＋040、樁號(hào)K0＋214～0＋280、樁號(hào)K0＋280～0＋420、樁號(hào)K0＋420～0＋642四段的錨固段長度均接近于3m，而通過圓弧法計(jì)算所得的滑面深度范圍為3.5～4.5m，因此錨桿長度可確定為8m.其他段上部全風(fēng)化層的錨桿設(shè)計(jì)可參照以上計(jì)算結(jié)果，下部中風(fēng)化層的穩(wěn)定性受到結(jié)構(gòu)面的控制.根據(jù)規(guī)范的要求，錨桿的長度則應(yīng)穿過最深的結(jié)構(gòu)面，并且保證錨固段的長度大于等于3m，因此根據(jù)各坡段結(jié)構(gòu)面分布狀態(tài)的不同，錨桿的長度分為5.0m、6.0m和8.0m三種.

基于以上設(shè)計(jì)思路，采用錨噴及格構(gòu)支護(hù)的同時(shí)，注重排水，坡腳防護(hù)，輔助植被恢復(fù)等措施，能真正做到防護(hù)有針對(duì)性、經(jīng)濟(jì)有效、綠色環(huán)保.

4 結(jié) 語

三峽庫區(qū)高切坡的產(chǎn)生本身由于人工開挖形成，其巖石表面由于新鮮出露，受本身地質(zhì)條件及降雨、人工干預(yù)破壞等的影響，容易產(chǎn)生破壞.

研究高切坡的變形破壞模式，首先摸清高切坡的自然條件、地形地貌特征、地層巖性、巖體風(fēng)化狀況、地質(zhì)構(gòu)造特征、水文地質(zhì)特征、人為擾動(dòng)情況等.

可采用的方法主要為：現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、工程經(jīng)驗(yàn)類比、工程實(shí)驗(yàn)、力學(xué)計(jì)算、數(shù)值模擬分析.

切坡可能的變形破壞主要有全風(fēng)化層的整體滑移破壞；坡面較陡、無防護(hù)和植被的切坡段局部剝落掉塊；受結(jié)構(gòu)面切割影響，受不利結(jié)構(gòu)面切割的塊體滑移；全強(qiáng)風(fēng)化巖體中的疏松巖體在雨水沖刷下，沿坡面產(chǎn)生水砂流動(dòng)；全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖體中的堅(jiān)硬狀風(fēng)化球滾落.

穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果顯示，a.樁號(hào)K0＋000～0＋040、K0＋214～0＋280、K0＋420～0＋642段坡面較完整，但在暴雨工況下該段坡面穩(wěn)定性較差，不符合規(guī)范要求，在水體沖刷作用下出現(xiàn)有水砂流、坍塌破壞，這與實(shí)際中的穩(wěn)定狀態(tài)相一致.b.樁號(hào)K0＋040～K0＋214、K0＋280～0＋420段坡面中上部為全強(qiáng)風(fēng)化巖體，呈散體狀結(jié)構(gòu).下部為塊狀結(jié)構(gòu)中風(fēng)化巖體，發(fā)育四組裂隙，存在傾坡外的結(jié)構(gòu)面，經(jīng)過計(jì)算安全系數(shù)小于1.35，安全儲(chǔ)備不夠.

結(jié)合切坡的變形破壞特征及穩(wěn)定性分析結(jié)果，高切坡治理過程中應(yīng)盡量減小對(duì)巖石自身結(jié)構(gòu)的破壞.同時(shí)防護(hù)措施要有針對(duì)性，實(shí)行分段治理，科學(xué)選定高切坡支護(hù)方式［5］.除主要治理措施外，應(yīng)注重排水，同時(shí)注重城市景觀設(shè)計(jì)即植被恢復(fù).做到防護(hù)措施綠色、有效、經(jīng)濟(jì).

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［4］中華人民共和國建設(shè)部.GB50330－2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［5］祝介旺，和海芳，柏松，等.三峽庫區(qū)高切坡致災(zāi)因素及防護(hù)對(duì)策——以重慶市萬州區(qū)為例［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2008，19（2）：7－11.ZHU Jie－wang，HE Hai－fang，BAI Song，et al.Factors inducing hazard and protective measures on high cutting slopes in the three gorges reservoir area——an example of wanzhou district of chongqing City［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2008，19（2）：7－11.（in Chinese）