樂昌峽鵝公帶古滑坡體物理力學(xué)參數(shù)選取分析

廖品忠

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院, 廣東 廣州 510635)

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樂昌峽鵝公帶古滑坡體物理力學(xué)參數(shù)選取分析

廖品忠

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院, 廣東 廣州 510635)

鵝公帶古滑坡的穩(wěn)定與否,是樂昌峽水利樞紐工程建庫重要條件之一,也直接影響到塘角壩址的選擇問題。通過對鵝公帶古滑坡勘察資料的分析,認(rèn)為鵝公帶的“破碎巖體”是一種復(fù)合型座落滑移變形的古老滑坡體；通過對滑體各部位物理力學(xué)試驗研究,分析選取合理的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù),是評價其穩(wěn)定性和設(shè)計治理的關(guān)鍵。

古滑坡體;試驗分析; 參數(shù)選取

1 工程概況

樂昌峽水利樞紐工程位于廣東省韶關(guān)市樂昌境內(nèi),水庫庫區(qū)為峽谷地貌,山高坡陡,溝谷發(fā)育。部分庫岸由于巖層產(chǎn)狀、斷裂、風(fēng)化以及岸坡陡峻等原因,造成不良地質(zhì)體較多、規(guī)模較大,特別是九峰水口以南庫區(qū),河谷為近南北向順層發(fā)育,右岸為順坡,岸坡穩(wěn)定條件較差,為庫岸穩(wěn)定性研究的重點。

根據(jù)多次地質(zhì)勘察及專題研究成果資料統(tǒng)計,庫區(qū)不良地質(zhì)地段按變形體的特征和對工程的可能危害程度分為座落坍塌、不良地質(zhì)段和滑坡3種類型,與工程關(guān)系密切的主要是滑坡類變形體,而大型滑坡等變形體多集中在大源～小現(xiàn)間。對工程影響較大的滑坡,為位于壩址上游1.3 km的鵝公帶滑坡體。經(jīng)初步分析計算,水庫蓄水后在水位驟降條件下,滑坡體存在穩(wěn)定問題,采取工程處理是必要的。

滑坡體各土體的物理力學(xué)指標(biāo)及抗剪強(qiáng)度特性對于邊坡穩(wěn)定性評價和處理方案設(shè)計至關(guān)重要,其變化規(guī)律是滑坡體變形破壞的主要原因和安全性評價的基礎(chǔ)。通過現(xiàn)場大型剪切試驗、室內(nèi)原狀土和重塑土試驗等多種試驗手段,進(jìn)一步分析確定滑坡體和滑帶特性及其物理力學(xué)指標(biāo),為在水庫不同運用工況下的穩(wěn)定分析及合理有效的工程處理措施提供依據(jù)。

2 工程地質(zhì)條件

鵝公帶古滑坡體分布在高程100～295 m之間,衛(wèi)星影像圖解譯和地表測繪揭示具典型的圈椅狀滑坡后壁,滑體前見滑坡平臺,周邊山脊邊坡較陡,地形完整,上部后緣地勢較陡,多見階梯狀塌陷、開裂,植被見馬刀樹和醉漢林,具多期崩塌特征。中部相對平緩,未見負(fù)地形,雨季有泉水出露。下部受洪水沖蝕形成陡壁,全風(fēng)化土和強(qiáng)風(fēng)化基巖出露,河床邊坡腳為崩塌堆積。平面上被東西向三條沖溝切割,有“雙溝同源”現(xiàn)象,地形地貌較周圍凌亂,與正常邊坡有明顯區(qū)別,巖層產(chǎn)狀與外圍地層有較大差異,風(fēng)化較深。

在強(qiáng)風(fēng)化基巖中有兩條呈黏土質(zhì)砂～粉土質(zhì)砂狀破碎帶,呈帶狀分布,破碎帶厚1.0～1.5 m不等,鉆孔和地表可見破碎帶有明顯的擠壓錯動現(xiàn)象,黏土包裹角礫,呈堅硬土狀,角礫有磨圓,判定為古滑動帶。

地面產(chǎn)生的裂縫為受強(qiáng)降雨影響產(chǎn)生的淺層開裂和局部塌陷,多沿基巖與風(fēng)化土界面分段開裂,影響范圍較小,未見整體變形跡象,天然處于穩(wěn)定狀態(tài),原始地貌見圖1。

古滑坡體西南面沖溝終年有水流,沿古滑坡體前緣和下游周界多處有清泉水出露,在河床邊陡壁坡腳處,沿黏土質(zhì)砂～黏土質(zhì)礫滑帶有地下水滲出,水質(zhì)清澈。地下水主要為大氣降水補(bǔ)給,以孔隙、裂隙水埋藏于全風(fēng)化巖帶中、下部和強(qiáng)風(fēng)化帶上部。根據(jù)鉆孔綜合水位,平均水力坡降為0.45[1]。

3 巖土的物理力學(xué)性質(zhì)

3.1 室內(nèi)試驗

分別在滑坡體前緣滑動面(帶)、滑體堆積土體取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗,綜合歷次勘察及試驗成果,統(tǒng)計分析如下。

圖1 鵝公帶滑坡體平面示意

1) 滑體土層：根據(jù)試驗成果統(tǒng)計,主要物理力學(xué)指標(biāo)平均值,天然含水率W=15.4%,天然密度ρ=2.01 g/cm3,飽和密度ρsat=2.11 g/cm3,干密度ρd=1.74 g/cm3,因滑體含強(qiáng)風(fēng)化巖塊較多,建議計算時密度適當(dāng)增加10%～15%,天然孔隙比大值平均值e=0.670,滲透系數(shù)大值平均值K=4.73×10-4cm/s,飽和快剪強(qiáng)度Cq=20 kPa,φq=30.4°,飽和快剪強(qiáng)度小值平均值Cq=16 kPa,φq=27.4°[2]。

2) 滑帶土：為含砂黏土～黏土質(zhì)砂～黏土質(zhì)礫夾層,位于全風(fēng)化帶與強(qiáng)風(fēng)化帶分界上,厚30～100 cm不等,為棕褐、棕黃色礫質(zhì)黏土,呈硬塑～堅硬狀,取樣顆分成果細(xì)粒土約占41.2%(其中膠粒含量占12.3%)、砂粒占36.1%、礫石占22.7%,礦物成份由水云母和石英組成,基質(zhì)水云母、絹云母受擠壓而稍呈定向排列,構(gòu)成頁理,土體中出現(xiàn)一些巖石碎塊稍具碾磨化特點,可能為動力破碎產(chǎn)物。礫石礫徑2～3 cm不等,次棱角狀,具一定磨圓度?；麦w前緣黏土質(zhì)砂～黏土質(zhì)礫破碎帶中的礫石,礫徑1～3 cm不等,次棱角狀,具一定磨圓度,這些表明夾層發(fā)生過錯動,為滑動面(帶)。

進(jìn)行室內(nèi)飽和固結(jié)反復(fù)直剪試驗,其峰值強(qiáng)度平均值C=25.0 kPa,φ=30.1°；殘余強(qiáng)度平均值C=19.0 kPa,φ=25.5°[2]。

3) 成果分析：試驗成果統(tǒng)計見表1～5,滑帶土為含砂細(xì)粒土,靠近滑帶的滑體土也為含砂細(xì)粒土,而淺層滑體土屬于粗粒土,為黏土質(zhì)砂或黏土質(zhì)礫。應(yīng)指出的是,滑帶土和滑體土的變異性較大,黏粒分布不均,粗顆粒含量較高,天然含水率較低,天然密度較大,不適合采用均值來評價其特性。但在天然狀態(tài)下具有較好的力學(xué)特性,滲透性較好,壓縮性不大,抗剪強(qiáng)度較高,古滑坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 土體顆粒組成

表2 土體物理特性指標(biāo)

表3 土的力學(xué)參數(shù)成果

表4 滑帶土抗剪強(qiáng)度試驗成果

表5 滑帶土殘余強(qiáng)度試驗成果

殘余強(qiáng)度是客觀存在的,由于土的粗顆粒含量較高,與剪切中的峰值強(qiáng)度對比,黏聚力會基本喪失,摩擦力相對穩(wěn)定,相比一般黏性土,殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度的比例較高。

滑帶土的抗剪強(qiáng)度受多種因素影響,試驗成果的統(tǒng)計分析可以給出其指標(biāo)隨變量而改變的趨勢,取值應(yīng)綜合考慮影響因素[3]。

3.2 現(xiàn)場剪切試驗

試驗?zāi)康氖菫榇_定古滑坡體滑帶土在剪切位移條件下的再生強(qiáng)度和強(qiáng)度隨剪切位移的衰減規(guī)律,進(jìn)而提出合理的滑帶土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。試驗成果詳見表6～7,統(tǒng)計分析表明：

1) 滑帶土呈現(xiàn)較明顯的硬化型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,遇水后黏聚力有增加趨勢,但隨著浸水時間延長和含水率增加,該增值又將下降。

2) 上覆固結(jié)壓力對于剪應(yīng)力的發(fā)揮過程有明顯作用,固結(jié)壓力越大,剪應(yīng)力達(dá)到完全發(fā)揮所需的剪切位移就越大。

3) 含粗粒黏性土的剪切性狀與一般細(xì)粒土不同,剪應(yīng)力隨剪切位移降低的趨勢不明顯,且基本沒有軟化現(xiàn)象。

4) 滑帶土的抗剪強(qiáng)度總體較高,天然狀態(tài)下對坡體穩(wěn)定有利。

5) 滑帶土中的粗顆粒對于抗剪強(qiáng)度有明顯貢獻(xiàn),而細(xì)顆粒與水的作用較強(qiáng),遇水后土體黏性增加,隨著浸水時間的增長趨于穩(wěn)定?；瑤林械[粒的存在可以提高土體的局部強(qiáng)度,但不能作為提高土體整體強(qiáng)度的可靠依據(jù),基于土體的非均質(zhì)性,應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場試驗和室內(nèi)平行試驗成果,綜合評價其強(qiáng)度指標(biāo)[4]。

6) 現(xiàn)場大型剪切試驗成果表明,大剪切位移下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)介于再生強(qiáng)度與土體殘余強(qiáng)度之間,對于評價不同工況下滑坡體整體穩(wěn)定,以及正確認(rèn)識室內(nèi)和現(xiàn)場試驗條件下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值具有很好的啟示作用。

7) 室內(nèi)原狀土剪切試驗獲得的峰值強(qiáng)度與現(xiàn)場試驗再生強(qiáng)度有較好的吻合(表4與表7)。

表6 天然含水率與初始密度量

表7 滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)

3.3 主要影響因素

3.3.1 土體物理狀態(tài)的影響

1) 邊坡土體具密度高、含水量低的特點,土體的飽和度多在70%左右,土體的黏聚力一般會隨著含水率的增加而線性增加,摩擦角會隨著含水率的增加而有所降低。隨著土體的塑性指數(shù)增加,黏聚力有增加趨勢,摩擦角呈下降趨勢。

2) 擊實土樣的初始含水率對黏聚力的影響也較明顯,含水率增加時黏聚力有較大增幅,但對摩擦角影響不大。

表8 密度和含水率對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

3.3.2 土體中粗粒含量的影響

滑帶土粗粒含量較高,但又不屬于粗粒土,當(dāng)d>0.075 mm所占比例在25%以上時,隨著含量的增加黏聚力有明顯下降趨勢,而內(nèi)摩擦角則限定在一定范圍內(nèi),即其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨著粗粒含量的增加有所增加,但不是線性的單調(diào)上升,選用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)時應(yīng)予以考慮[5]。

3.4 巖土物理力學(xué)指標(biāo)建議值

土體強(qiáng)度指標(biāo)及變化規(guī)律是重要的評價依據(jù),其影響因素是多方面的,同時考慮巖土體的變形和滲透,鵝公帶古滑坡體強(qiáng)度參數(shù)的選取,考慮試驗資料和古滑坡體現(xiàn)狀及類似工程經(jīng)驗,經(jīng)綜合分析提出建議值。

表9 鵝公帶古滑坡體強(qiáng)度參數(shù)建議值

4 結(jié)語

靠近樂昌峽水利樞紐建筑物的古滑坡按《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》SL 386—2007定為4級邊坡。鵝公帶古滑體是嚴(yán)重風(fēng)化破碎松散體,天然狀態(tài)是穩(wěn)定的。水庫蓄水后邊界條件改變,容重減小,降低了阻滑力；水庫蓄水,使地下水位壅高,水位驟降時,坡體內(nèi)地下水產(chǎn)生較大滲透壓力,地下水也惡化了滑面的力學(xué)強(qiáng)度,這些是使古滑坡穩(wěn)定性變差的主要因素[6]。

對于鵝公帶古滑坡這樣的地質(zhì)條件復(fù)雜的土質(zhì)高邊坡,正確選取各土體物理力學(xué)參數(shù),是進(jìn)行穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵,也是滑坡體勘察評價的基礎(chǔ)工作。通過現(xiàn)場及室內(nèi)不同試驗成果統(tǒng)計分析,查明了其土體物理力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律及其影響因素,綜合分析提出了合理的強(qiáng)度指標(biāo)建議值,為滑坡體的穩(wěn)定性評價和治理設(shè)計提供了可靠保證,同時,對于揭示土體剪切強(qiáng)度特性具有實際意義,對同類工程的滑坡體勘察、穩(wěn)定評價具有積極的參考、指導(dǎo)作用。

[1] 王匯明，王著杰.樂昌峽水利樞紐工程初步設(shè)計報告(工程地質(zhì))[R].廣州：廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,2009.

[2] 王著杰,雷遠(yuǎn)見.樂昌峽水利樞紐工程庫岸鵝公帶古滑坡體穩(wěn)定性分析及其治理[J].廣東水利水電,2012(1)：84-87，95.

[3] 廖珊珊,張玉成,楊光華.邊坡穩(wěn)定性影響因素的探討[J].廣東水利水電,2011(7)：31-34．

[4] 陳曉平，黃井武.樂昌峽古滑坡體穩(wěn)定性影響研究[R].廣州：暨南大學(xué),2010．

[5] 田斌,戴會超,王世梅.滑帶土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特征及其參數(shù)取值研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(17):2 887-2 892.

[6] 黃智敏,付波,鐘勇明，等.樂昌峽水庫鵝公帶滑坡體滑坡涌浪影響研究[J].水資源與水工程學(xué)報,2013,24(5)：215-218．

(本文責(zé)任編輯 王瑞蘭)

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