江蘇連云港路塹巖質高邊坡三角體穩(wěn)定性分析

賈 嘉,陳志堅

(河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京 210098)

東疏港高速公路作為江蘇省連云港市改善交通狀況與物流運輸條件的重要工程,對連云港市的經(jīng)濟發(fā)展與城市核心競爭力提升具有重要意義。高速公路(走向52.5°)采用明挖方式橫穿中云臺山,由此在其兩側形成高陡巖質邊坡,其中左坡(也稱東坡,坡面傾向232.5°)開挖坡高超過200 m(包括天然邊坡的總坡高，約280 m)。受高速公路總體走向、右側云門寺水庫和左側田灣核電站輸電高壓線塔的限制,路塹邊坡總體坡度42.4°,按照10 m一級的標準放坡,共分為20級,各分級坡度均為55°,除第5、9、13、15級臺階寬度為10 m外,其余臺階寬度均為3 m,屬于一級邊坡工程。

由于邊坡高陡、結構面發(fā)育,存在局部失穩(wěn)和落石災害風險,故采取掛網(wǎng)噴錨支護和被動柔性防護網(wǎng)綜合治理措施。但受南側廢棄采石場非控制爆破開挖產(chǎn)生的強烈松動和卸荷作用,尤其是兩面臨空作用的影響,路塹邊坡巖體中發(fā)育的順傾向壓性斷層(產(chǎn)狀NE10°～20°/NW∠36°～50°,構成主動滑面)、綠泥石片巖(產(chǎn)狀NE40°～60°/SE∠10°～30°,構成被動滑面)和2組陡傾角裂隙(產(chǎn)狀NW300°～320°/NE、SW∠70°～88°的裂隙構成縱向切割面,產(chǎn)狀NE30°～40°/ NW、SE∠70°～88°的裂隙構成橫向切割面)在左坡南側、坡高60～130 m處構成不利組合,產(chǎn)生高位三角體穩(wěn)定問題(在高陡邊坡的高處,滑坡產(chǎn)生的落石勢能巨大,且車輛等交通工具難以到達,治理難度大、代價高昂)。同時連云港地區(qū)常見的歷時長降水或短時暴雨會導致地表水通過裂隙等途徑滲入三角體,降低巖體力學參數(shù),增大下滑力與裂隙水壓力,從而易導致三角體失穩(wěn)[1]。經(jīng)歷雨量充沛的2019年豐水季節(jié)后,三角體已形成2條開度2～4 cm的后緣拉裂縫,已有研究表明[2],該邊坡設置的被動柔性防護網(wǎng)無法阻攔該三角體失穩(wěn)產(chǎn)生的落石,這將對高速公路的安全運營和人民生命財產(chǎn)安全造成惡劣后果。

對于邊坡三角體的穩(wěn)定性問題,可先由赤平極射投影法[3]、工程類比分析法等定性分析方法進行初步判別;再結合極限平衡法、數(shù)值分析法等定量分析方法進行驗證[4]。楊毅[5]通過研究受三組結構面控制的邊坡穩(wěn)定性,提出針對具有多組結構面的巖質邊坡,可分別將結構面與坡面進行分析的研究思路;于忠鋒[6]對二維和三維的剛體極限平衡法進行對比研究,證明三維剛體極限平衡模型的分析結果更加符合實際;袁聞等[7]通過對三維剛體極限平衡法的理論研究,提出了多種可用于巖質邊坡穩(wěn)定性計算的三維方法。對該邊坡多年的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示三角體穩(wěn)定性尚存問題;吳傳杰等[8]對該三角體使用3DEC進行數(shù)值模擬,根據(jù)模擬結果得出三角體在位移增大的條件下滑動面可能貫穿抗力體從而引起滑動破壞。在此基礎上使用赤平極射投影法、剛體極限平衡法與監(jiān)測數(shù)據(jù)相結合對該三角體的穩(wěn)定性進行分析。

1 邊坡區(qū)基本地質條件及三角體滑動邊界條件

中云臺山山脈走向為北東向,山腳和山頂海拔分別為3 m和290 m,邊坡區(qū)基巖大量出露,巖性單一，為前震旦系海洲群云臺組變粒巖(Pt2-3y),屬堅硬巖,全強風化層厚度大多小于2 m。現(xiàn)場調查結果表明,左坡主要軟弱結構面為綠泥石片巖夾層,產(chǎn)狀NE40°～60°/SE∠10°～30°,厚度1.5～2.5 m,性質軟弱,片理發(fā)育,開挖揭露后即快速風化,左坡主要發(fā)育4層,構成三角體的被動滑動面。左坡主要結構面為片理面和構造裂隙，其中片理產(chǎn)狀為NE40°～60°/SE∠10°～30°,3組裂隙分別為:①北西向陡傾角裂隙,產(chǎn)狀NW300°～320°/NE、SW∠70°～88°,其與左坡坡面近正交,延伸幾十米至幾百米,而且切割深、裂隙面平直、產(chǎn)狀穩(wěn)定，多呈微張～閉合,它構成欠穩(wěn)定三角體的縱向切割面;②北東向陡傾角裂隙,產(chǎn)狀NE30°～40°/ NW、SE∠70°～88°,其與左坡坡面走向斜交,延伸長度多在十幾米至幾十米,切割深度幾米至十幾米,其間距也較①大,但沿該組裂隙存在蝕變現(xiàn)象,導致其抗風化能力很差,在天然地表多表現(xiàn)為沖刷深槽,深槽寬度可達30～40 cm,深度可達1～3 m,開挖揭露后,裂隙面兩側巖體容易風化,透水性增強,并構成了三角體的多級后緣拉裂面;③北北東向大裂隙或壓性小斷層(如圖1所示),產(chǎn)狀NE10°～20°/NW∠36°～50°,間距40～50 m、產(chǎn)狀起伏較大,屬順向結構面,其傾角為45°～50°,根據(jù)相關規(guī)范,無充填結構面的內摩擦角為24°～35°,故其具備臨空條件時,容易存在抗滑穩(wěn)定問題,構成三角體的底滑面如圖2所示。

圖1 北北東向壓扭性斷層面(三角體底滑面)

工程區(qū)年降水量約930 mm,雨期集中在7—9月。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,左坡地下水主要接受降水入滲補給,地下水的排泄區(qū)域主要為路塹邊坡開挖面、尤其是南側廢棄采石場,受開挖卸荷影響,左坡坡面以下約30 m深度范圍為強透水帶。在豐水季節(jié),邊坡約30 m深度范圍內仍間歇性賦存豐富的地下水,并快速向路塹邊坡開挖面,尤其是南側廢棄采石場排泄,從而對三角體產(chǎn)生較大的滲透壓力,這是影響三角體穩(wěn)定性的最主要因素之一。

2 赤平極射投影法的判別

赤平極射投影法能夠定性評判巖質邊坡三角體穩(wěn)定性,可用于確定結構面與臨空面的組合關系。邊坡三角體的臨空面、結構面產(chǎn)狀如表1所列,所制得的赤平投影圖如圖3所示,由此得到的交線產(chǎn)狀如表2所列。

表2 三角體結構面、臨空面交線產(chǎn)狀

圖3 三角體赤平投影圖

圖3顯示,數(shù)量眾多的北東向與北西向結構面共同起切割三角體內部巖體作用,因這兩組結構面延伸短,一般切割深度較淺,難以形成滑動面,但易導致掉塊現(xiàn)象發(fā)生;北北東向壓扭性斷層面的走向、傾向與坡面相近,但傾角較坡腳小,屬對穩(wěn)定性不利的條件,該結構面也是三角體的主動滑面;綠泥石片巖夾層走向與邊坡坡向相近,但傾向相反,同時北北東向壓扭性斷層面終止于該夾層,因此其對三角體穩(wěn)定性起積極作用,屬于三角體的被動滑面。北北東向壓扭性小斷層面與綠泥石片巖面投影弧交點位于坡面投影弧內側,二者交線雖傾向邊坡南部采石場處,但傾角僅4°,由此可見三角體的實際滑動方向取決于抗力體的受切割程度。

3 監(jiān)測成果分析

對134平臺南部的地下水滲壓與104平臺三角體位置埋設錨桿軸力的多年監(jiān)測對于三角體穩(wěn)定性評價具有指導意義。近年的監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖4和圖5。

圖4 地下水位全量變化時程曲線

圖5 錨桿軸力全量變化時程曲線

邊坡134平臺南部的滲透壓力觀測孔距邊坡南部采石場臨空面較近,實測地下水水位最大值為131.72 m,最小值為125.99 m,這對三角體穩(wěn)定性計算提供了重要依據(jù)。從全量數(shù)據(jù)分析,三角體位置的地下水水位隨全年降水過程發(fā)生明顯的抬升,降水后可快速消散,這說明該區(qū)域地下水入滲補給與排泄條件較好,可產(chǎn)生較大水頭壓力,這將對三角體抗滑穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

104平臺的錨桿一直處于受拉狀態(tài),錨桿軸力在監(jiān)測年內實測最大值達119.52 kN(超過設計警戒值60 kN)。該部分巖體仍處于應力調整狀態(tài),因沿北北東向緩傾角裂隙面存在的剩余下滑力導致錨桿軸力較大以維持巖體穩(wěn)定,同時受溫度影響的錨桿軸力日變化率也超過警戒值,由此可見目前三角體的穩(wěn)定性存在威脅。

4 三角體穩(wěn)定性分析

4.1 穩(wěn)定性評價參數(shù)取值與工況確定

通過使用剛體極限平衡法邊坡三角體穩(wěn)定性定量評價。按照北北東向壓扭性斷層面傾向進行劃分可將三角體劃分為上部不受抗力體作用,沿北北東向結構面進行單滑面滑動的滑動體與下部受北北東向壓扭性結構面與綠泥石片巖夾層共同控制,沿兩滑面交線發(fā)生滑動的楔形體。

對三角體進行計算時,考慮到三角體在旱季有利條件與雨季不利條件下的情況以及主動滑面夾泥情況,設置“枯水期+‘結合差型’主滑面”、“枯水期+‘巖屑夾泥型’主滑面”、“降水工況+‘結合差型’主滑面”與“降水工況+‘巖屑夾泥型’主滑面”4種工況進行穩(wěn)定性計算。

由于三角體主動滑面與被動滑面抗剪強度參數(shù)未知，因此其取值根據(jù)規(guī)范《建筑邊坡工程技術規(guī)范》[16]中的相關規(guī)定，參照《工程巖體試驗方法標準》[17]以及《水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范》[18]中的規(guī)定進行取值。巖體力學參數(shù)與結構面參數(shù)取值分別如表3、表4所列。

表3 三角體巖體力學參數(shù)

表4 三角體結構面參數(shù)

4.2 穩(wěn)定性計算成果及分析

對于邊坡三角體的穩(wěn)定性計算考慮邊坡后緣靜水壓力、沿滑面揚壓力、地震動荷載,不考慮三角體處的噴錨、防護網(wǎng)支護對三角體的抗滑力與阻滑力。根據(jù)勘察規(guī)范,Ⅰ級邊坡工程地震工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)應取1.15。

分析三角體穩(wěn)定性計算結果可得,三角體下部受抗力體作用的部分處于穩(wěn)定狀態(tài)。上部沿北北東向緩傾角結構面發(fā)生滑動破壞的巖體在降水工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),說明對于該部分巖體而言,在強降雨、地震與底滑面泥化的不利條件的影響下存在發(fā)生滑動破壞的可能。

表5 三角體穩(wěn)定性計算結果

5 結論

(1) 赤平極射投影結果顯示三角體位置的4組結構面中,北北東向壓扭性斷層面與綠泥石片巖夾層面對三角體起主要控制作用,北東向與北西向結構面主要對巖體起切割作用。三角體下部巖體的實際滑動方向取決于底滑面對三角體抗力體的切割程度。

(2) 對邊坡的監(jiān)測工作驗證了三角體位置巖體仍沿底滑面存在剩余下滑力,雖然支護結構對三角體的穩(wěn)定有利,但其穩(wěn)定性仍存在威脅。

(3) 穩(wěn)定性計算結果顯示,三角體上部巖體在不利工況下穩(wěn)定性系數(shù)較低,存在發(fā)生滑動破壞的可能性,結合赤平極射投影分析可得,北東向與北西向結構面易將巖體切割成塊狀,導致靠近三角體南側臨空面的塊體發(fā)生滑動破壞。