嘉陵江蒼溪航電樞紐船閘工程高邊坡穩(wěn)定性分析

黃星高

(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院四川分公司，四川成都 610041)

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嘉陵江蒼溪航電樞紐船閘工程高邊坡穩(wěn)定性分析

黃星高

(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院四川分公司，四川成都 610041)

【摘要】蒼溪船閘工程右邊墻開挖后將形成最大高約40 m的巖質(zhì)高邊坡，其規(guī)模較大，邊坡開挖后巖體卸荷變形及結(jié)構(gòu)面切割形成的潛在不穩(wěn)定塊體對邊坡的臨時(shí)和永久穩(wěn)定帶來較大影響。文章采用赤平投影分析、CSMR法、塊體穩(wěn)定理論等多種方法，分析該巖質(zhì)高邊坡在開挖后的穩(wěn)定性及卸荷變形趨勢，為船閘工程的設(shè)計(jì)、施工提供支持。

【關(guān)鍵詞】巖質(zhì)高邊坡;穩(wěn)定分析;赤平投影;CSMR法;楔形體破壞

1工程概況

蒼溪航電樞紐工程是嘉陵江干流渠化開發(fā)規(guī)劃的第三個(gè)梯級(jí)，其蒼溪船閘工程位于嘉陵江右岸(圖1)，閘室右側(cè)邊墻需開挖嘉陵江右岸山體，形成最大高40m的人工巖質(zhì)高邊坡后采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)澆筑而成。

本文主要分析該船閘內(nèi)側(cè)閘墻建設(shè)所形成的巖質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性。

圖1　工程場地位置

2環(huán)境地質(zhì)條件

2.1自然地理

蒼溪航電工程位于四川省廣元市蒼溪縣城上游3km處鄭家濠溝附近，地貌類型主要為構(gòu)造剝蝕低山丘陵及侵蝕堆積河谷地貌， 構(gòu)造剝蝕低山丘陵區(qū)占本區(qū)面積的90 %以上，丘陵高程500～700m，相對高差50～200m。

2.2地質(zhì)構(gòu)造和地震

工程區(qū)大地構(gòu)造屬四川沉降帶之川中旋扭構(gòu)造體系，場地位于蒼溪向斜南西段核部附近(圖2)。

圖2　地質(zhì)構(gòu)造綱要

工程區(qū)位于蒼溪向斜南東翼，該向斜為一寬緩褶皺。巖層走向總體呈北東向，傾角平緩。工程區(qū)構(gòu)造簡單，無大的斷裂構(gòu)造，構(gòu)造裂隙不發(fā)育。巖層傾角平緩，產(chǎn)狀為230°∠6°～10°，裂隙稍發(fā)育，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面為層面，同時(shí)陡坡地帶卸荷裂隙較為發(fā)育。工程區(qū)巖體主要有4組裂隙，分別為：

裂隙①：層面裂隙，產(chǎn)狀為230°∠6°～10°，裂隙平整，較粗糙。

裂隙②：產(chǎn)狀為120°∠75°，裂面粗糙，起伏不平，張開，張開度0.3～0.8cm，無充填，延伸度約1.8～2.2m，間距一般1.6～2.0m，間距最小0.6～0.8m，平行邊坡，為卸荷裂隙。

裂隙③：產(chǎn)狀為260°∠70°，裂面粗糙，起伏不平，張開，張開度0.3～1cm，泥質(zhì)松散充填，延伸度約6m，間距1.2～1.4m。

裂隙④：產(chǎn)狀為165°∠65°～80°，裂面粗糙，起伏，微開，張開度0.2～0.5cm，無充填，延伸度6～8m，間距2.4～3.6m。

其中最發(fā)育裂隙為層面裂隙①和卸荷裂隙②。

區(qū)內(nèi)歷史地震主要受外圍地震活動(dòng)影響，影響烈度均較小，未見破壞性地震。根據(jù)GB18306-2001《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》及其第1號(hào)修改單(2008年)，工程區(qū)場地地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.4s，對應(yīng)的地震基本烈度Ⅵ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性屬穩(wěn)定區(qū)。

2.3地層巖性

船閘區(qū)出露地層主要為中生界白堊系蒼溪組(Kc)的粉砂質(zhì)泥巖、砂巖及第四系松散堆積層(Q)。

2.3.1中生界白堊系蒼溪組(Kc)

根據(jù)工程區(qū)巖性特征，將蒼溪組(Kc)分為三個(gè)亞層(Kc1、Kc2、Kc3)。該層巖石強(qiáng)風(fēng)化帶厚一般1.8～7.8m，中風(fēng)化帶厚一般15～26m。

(1)粉砂質(zhì)泥巖(Kc1):紫紅色，厚層狀，水平狀微層理發(fā)育，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要由黏土礦物組成，局部夾青灰色砂質(zhì)團(tuán)塊。鉆探揭露到該層，位于砂巖之下，鉆探深度內(nèi)未揭穿，揭露厚度大于11.0m。多為中風(fēng)化及微風(fēng)化巖石。

(2)砂巖(Kc2)：青灰色，淺灰色，巨厚層狀塊狀構(gòu)造，中～細(xì)粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度一般，主要成分由巖屑、長石、石英等組成，巖體完整，裂隙不發(fā)育，偶見70°～75°陡傾角裂隙，裂面粗糙不平，張開無充填，在鉆探過程中漏水。船閘區(qū)揭露厚度0.0～28.75m。

(3)粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖(Kc3)：粉砂質(zhì)泥巖，褐黃色、紫紅色，薄～中厚層構(gòu)造，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，局部砂質(zhì)含量較重，水平狀微層理發(fā)育。僅在船閘后緣坡頂揭露到該層，揭露厚度0.0～11.06m。

2.3.2第四系堆積層(Q)

3巖質(zhì)高邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)

如前文第2.2節(jié)所述，組成蒼溪船閘右邊墻高邊坡的巖層為白堊系蒼溪組砂巖、泥巖，根據(jù)巖層厚度及結(jié)構(gòu)，自上而下大致分為三層，分別為Kc3、Kc2、Kc1。其中Kc3為薄～中厚層狀的粉砂質(zhì)泥巖和砂巖的互層產(chǎn)出，Kc2為較純粹的巨厚層塊狀結(jié)構(gòu)的青灰色砂巖，Kc1為較純粹的中～厚層狀產(chǎn)出的紫紅色粉砂質(zhì)泥巖(圖3)。

圖3　船閘邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)

根據(jù)鉆探及地表調(diào)查揭示，Kc3砂巖、泥巖互層產(chǎn)出時(shí)，層間結(jié)合不緊密，層間裂隙較為發(fā)育，且在砂巖和泥巖中多發(fā)育薄夾層，兩層中厚層的泥巖中夾薄層砂巖或兩層中厚層的砂巖中夾薄層泥巖，也導(dǎo)致其強(qiáng)風(fēng)化層較為發(fā)育。而Kc2巨厚層狀的青灰色砂巖則幾乎為一個(gè)單一沉積層，鉆探及調(diào)查均未發(fā)現(xiàn)明顯層面，該層構(gòu)成了該巖質(zhì)高邊坡下半部或者說構(gòu)成了船閘右邊墻所開挖部分。據(jù)鉆探揭露，Kc1為性質(zhì)較為單一的紫紅色粉砂質(zhì)泥巖，該層地表未發(fā)現(xiàn)露頭，主要通過鉆探揭露，位于船閘基坑開挖線之下，局部會(huì)有所揭露。鉆探表明，這里所區(qū)分的三層巖層之間無明顯的軟弱泥化夾層發(fā)育。

根據(jù)調(diào)查蒼溪船閘場址區(qū)主要發(fā)育一組卸荷裂隙、一組層面裂隙和兩組構(gòu)造裂隙。其產(chǎn)狀如前文第2.2節(jié)所述，其中層面裂隙沿基巖沉積層面發(fā)育，在Kc3中較為發(fā)育，在Kc2、Kc1中均較為少見。卸荷裂隙主要和該段河岸走向相關(guān)，傾向坡外。而構(gòu)造裂隙則和場地歷史時(shí)期曾經(jīng)受到的構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)，發(fā)育為兩組近垂直相交的“X”型節(jié)理，和層面近乎垂直。從發(fā)育密度來看，層面裂隙主要在邊坡上部Kc3中較為發(fā)育，卸荷裂隙相對而言在巨厚層砂巖中較為明顯，而構(gòu)造裂隙總體而言密度較低且多為密閉裂隙。

根據(jù)對Kc1粉砂質(zhì)泥巖、Kc2巨厚層砂巖巖芯鉆探取樣進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)(表1)，Kc1粉砂質(zhì)泥巖試驗(yàn)結(jié)果離散型較小，而Kc2砂巖試驗(yàn)結(jié)果離散型相對較大，但仍在允許的范圍內(nèi)。總體而言砂巖、泥巖單軸抗壓強(qiáng)度有一定差異，而抗剪強(qiáng)度(垂直于層面)則差異較小。

4高邊坡的穩(wěn)定性分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，船閘內(nèi)側(cè)將形成最高約40m的人工巖質(zhì)高邊坡，邊坡主要由強(qiáng)～中風(fēng)化砂泥巖互層及砂巖組成。本文擬在上述對該巖質(zhì)邊坡的地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，采用赤平投影分析、CSMR邊坡質(zhì)量分類、剛體極限平衡分析幾個(gè)方面分別進(jìn)行分析，預(yù)測邊坡開挖后可能的邊坡破壞型式和規(guī)模，為設(shè)計(jì)和施工提供參考。

根據(jù)調(diào)查，邊坡巖體內(nèi)發(fā)育4組結(jié)構(gòu)面，依據(jù)GB50330-2002《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》附錄A進(jìn)行分類(表2)。邊坡巖體強(qiáng)風(fēng)化砂巖屬于Ⅳ類巖體，中風(fēng)化砂巖屬于Ⅲ類巖體。

4.1赤平投影分析

根據(jù)巖層結(jié)構(gòu)面和邊坡坡向作船閘右邊墻巖質(zhì)邊坡赤平極射投影圖(圖4)。

圖4　船閘右邊墻高邊坡赤平投影

該段邊坡為逆向坡，巖層傾向坡內(nèi)，巖層傾角平緩(6°～10°)，故對邊坡整體穩(wěn)定性有利。但卸荷裂隙結(jié)構(gòu)面②與X型構(gòu)造節(jié)理③、④的相交，其交線均傾向坡外，傾角小于坡角，形成“楔形體”，存在邊坡產(chǎn)生楔形體崩塌的可能。綜上所述，巖層傾向坡內(nèi)，巖體完整性較好，故邊坡總體是穩(wěn)定的。但由于結(jié)構(gòu)面組合后形成塊體，存在局部崩塌的可能。

表1　船閘高邊坡巖石室內(nèi)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

表2　邊坡巖體分類

4.2半定量的CSMR邊坡質(zhì)量分類

CSMR分類是巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分類，其主要系根據(jù)邊坡的巖體質(zhì)量和影響邊坡的各種因素進(jìn)行綜合測評(píng)，然后對其穩(wěn)定性進(jìn)行分類，半定量地進(jìn)行巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。CSMR分類因素主要分為兩個(gè)部分：一部分是巖體基本質(zhì)量RMR，由巖石強(qiáng)度、RQD、結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面條件及地下水等因素綜合確定；另一部分是各種邊坡影響因素的修正，包括邊坡高度系數(shù)(ξ)、結(jié)構(gòu)面方位系數(shù)(F1、F2、F3)、結(jié)構(gòu)面條件系數(shù)(λ)及邊坡開挖系數(shù)(F4)。采用積差評(píng)分模型，其表達(dá)式為：

CSMR=ξ·RMR-λ·F1·F2·F3+F4

(1)

式中：坡高系數(shù)按右式計(jì)算 ξ=0.57+34.4/H，H為坡高(m)；

RMR分類參數(shù)及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)參見DL/T5337-2006規(guī)范附錄B表B.2；

λ取值參見DL/T5337-2006規(guī)范附錄B表B.4；

F1為反映結(jié)構(gòu)面傾向與邊坡傾向間關(guān)系的系數(shù)；

F2為與結(jié)構(gòu)面的傾角相關(guān)的系數(shù)；

F3為反映邊坡傾角與結(jié)構(gòu)面傾角關(guān)系的系數(shù)；

F1、F2、F3取值參見DL/T5337-2006規(guī)范附錄B表B.3；

F4為開挖方法系數(shù)，取值參見DL/T5337-2006規(guī)范附錄B表B.5。

根據(jù)DL/T5337-2006《水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》附錄B取值規(guī)定，坡高按最高40m計(jì)，坡高系數(shù)ξ=1.43，RMR取值見表3。結(jié)構(gòu)面傾角與邊坡傾向夾角的10°～20°，系數(shù)F1=0.7；結(jié)構(gòu)面傾角系數(shù)F2=1；邊坡傾角與結(jié)構(gòu)面傾角的關(guān)系(邊坡傾角+結(jié)構(gòu)面傾角)合為165°～195°，系數(shù)F3=25；邊坡開挖方法為光面爆破，系數(shù)F4=8，結(jié)構(gòu)面為裂隙，系數(shù)λ=0.9。

根據(jù)式(1)，CSMR值計(jì)算為55.0～57.8 ，根據(jù)DL/T5337—2006《水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》附錄B表B.6，邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為：巖體類別為Ⅲ類，巖體質(zhì)量為中等，其穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定，應(yīng)進(jìn)行局部加固處理。

表3　RMR取值

4.3剛體極限平衡分析

當(dāng)巖質(zhì)邊坡的結(jié)構(gòu)面組合的交線傾向坡外，且具有臨空面等滑動(dòng)條件時(shí)，可能發(fā)生楔形體破壞。根據(jù)DL/T5337—2006《水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》附錄E，該類楔形體破壞的穩(wěn)定性系數(shù)Fs可按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：Na、Nb為由重力W引起的作用于結(jié)構(gòu)面a、b上的法向分力(kN)；

φa、φb為結(jié)構(gòu)面a、b的內(nèi)摩擦角(°)；

Ca、Cb為結(jié)構(gòu)面a、b的內(nèi)聚力(kPa)；

Aa、Ab為結(jié)構(gòu)面a、b的面積(m2)；

βab為結(jié)構(gòu)面a、b交線的傾角；

W為楔形體的重力(kN)。

根據(jù)圖4船閘右邊墻人工邊坡赤平投影作圖分析，卸荷裂隙②與”X”型構(gòu)造裂隙③、④交線傾向坡外，傾角小于坡角，形成“三角型楔形體”，有發(fā)生楔形體破壞型崩塌的可能，這里選取裂隙②、③組合，根據(jù)式(2)計(jì)算其穩(wěn)定性系數(shù)。

由上文描述可知，控制邊坡塊體穩(wěn)定的楔形體主要由卸荷裂隙和一組X節(jié)理控制。卸荷裂隙產(chǎn)狀為220°∠75°，裂面粗糙，起伏不平，張開，張開度0.3～0.8cm，無充填，延伸度約1.8～2.2m，間距一般1.6～2.0m。與卸荷裂隙產(chǎn)生不利組合的一組節(jié)理為X節(jié)理的一個(gè)，產(chǎn)狀為165°∠65°～80°(取為165°∠75°)，裂面微開，無充填，延伸度6～8m，間距2.4～3.6m。據(jù)此，楔形體計(jì)算模型取兩倍卸荷裂隙延伸長度(即4m)，作為可能發(fā)生楔形體破壞的邊坡計(jì)算高度。裂隙面強(qiáng)度參數(shù)參考《巖體力學(xué)》的定義，根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊》有關(guān)節(jié)理面經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取C=10kPa(與裂隙的聯(lián)通情況有關(guān))，φ=24°(tgφ=0.45)。取砂巖天然容重γ=24kN/m3，不考慮地下水影響。

利用上述式(2)，計(jì)算結(jié)果為：

Fs=1.40

計(jì)算結(jié)果顯示楔形體總體而言處于穩(wěn)定狀態(tài)，不易發(fā)生楔形體破壞。

但是需要注意的是，上述公式計(jì)算的結(jié)果僅僅說明該類大規(guī)模楔形體破壞不易發(fā)生，而并不能排除偶有發(fā)生小規(guī)模楔形體破壞的可能。

5結(jié)論

(1)蒼溪船閘右邊墻人工高邊坡最高達(dá)40m左右，且坡角閘室部分近垂直開挖高度達(dá)22m。根據(jù)鉆探及現(xiàn)場調(diào)查，該人工高邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要由Kc3、Kc2、Kc1三層組成。其中Kc3砂泥巖互層厚15m左右，位于邊坡上部，具備放坡空間，可采用放坡的辦法減小應(yīng)力集中對邊坡穩(wěn)定的不利影響；Kc2青灰色砂巖強(qiáng)度較高，裂隙較少發(fā)育，巖體較完整，厚度達(dá)25m左右，構(gòu)成了閘室右邊墻邊坡的主要巖體，總體而言該層砂巖穩(wěn)定性較好，但其中發(fā)育的卸荷裂隙和一組X節(jié)理的組合，其相交線傾向坡外，有發(fā)生楔形體破壞的可能；Kc1粉砂質(zhì)泥巖位于閘室基礎(chǔ)之下，對邊坡穩(wěn)定影響較小。

(2)經(jīng)過分析計(jì)算，總體而言該巖質(zhì)邊坡巖層緩傾坡內(nèi)，邊坡整體穩(wěn)定，無控制邊坡的長大軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育；零星發(fā)育的卸荷裂隙和X型節(jié)理的組合對邊坡的局部穩(wěn)定不利，有發(fā)生小規(guī)模楔形體破壞的可能，該船閘右邊墻人工巖質(zhì)高邊坡在Kc3進(jìn)行了足夠的放坡，降低邊坡應(yīng)力集中的程度之后，閘墻直立邊坡可不考慮全墻系統(tǒng)的錨固措施，可根據(jù)開挖狀況，發(fā)現(xiàn)局部裂隙密集的地方進(jìn)行加固即可。

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【中圖分類號(hào)】TV61

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2016-05-06