庫水浸泡下全—強風化千枚巖橋基岸坡穩(wěn)定性分析

唐 剛,廖 軍*,鄧 濤,王陳賓,謝 明,王睿麟,李 靖

(1.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院,四川 成都 610059;2.成都理工大學傳播科學與藝術學院,四川 成都 610059)

白鶴灘庫區(qū)廣泛分布著水敏感性極強的千枚巖。千枚巖在庫水作用下,其強度會驟降,嚴重威脅庫岸穩(wěn)定性[1]。受當?shù)貜碗s地質(zhì)地形的影響,大量橋基坐落在全—強風化千枚巖庫岸上,有時岸坡的全-強風化千枚巖會間雜出現(xiàn),使岸坡穩(wěn)定性分析變得更為復雜。因此,在全—強風化千枚巖間雜出現(xiàn)的庫岸上修筑橋基,岸坡的強度及穩(wěn)定性是亟需關注的重要工程問題。

千枚巖遇水后強度會驟然下降,部分學者對此開展了許多有益研究,趙建軍等[2]、蔡國軍等[3]、張麗娟[4]通過常規(guī)巖石力學試驗,分析了千枚巖在不同浸水時間條件下的力學特性劣化規(guī)律,并且從微觀機理上解釋了其力學性質(zhì)劣化機理。Hu等[5]利用不同水分狀態(tài)下的單軸壓縮試驗和三軸壓縮試驗,分析了千枚巖強度的劣化規(guī)律。

由水庫蓄水造成的岸坡失穩(wěn)不勝枚舉,如瓦依昂水庫滑坡[6]、三峽庫區(qū)的千將坪滑坡[7]等。為研究庫水作用對岸坡穩(wěn)定性的影響,目前國內(nèi)外學者主要從以下方面開展研究。①庫水循環(huán)升降作用,如劉新榮等[8]、鄧華鋒[9]、肖瑤等[10]通過室內(nèi)外試驗,得出巖土體受庫水循環(huán)升降作用后強度的劣化規(guī)律,為庫岸邊坡的穩(wěn)定性計算分析提供了依據(jù)。Wang 等[11]研究發(fā)現(xiàn)在庫水位的上升或下降會增加或降低滑坡的穩(wěn)定性。②庫水下降作用,如Sun 等[12]考慮庫水位快速下降時動水壓力作用,得到了水庫水位下降影響下邊坡穩(wěn)定性的演變規(guī)律。傅鵬輝[13]研究了庫岸在庫水位下降時的穩(wěn)定性問題。③水庫蓄水作用,如:宋丹青等[14-15]利用GPS對滑坡位移進行監(jiān)測,并將邊坡熵引入庫岸邊坡穩(wěn)定性評價中,對監(jiān)測結果進行驗證。楊靜熙等[16]總結了岸坡變形破壞在空間上的分布與演變規(guī)律,為準確預測蓄水后庫岸穩(wěn)定性提供了參考經(jīng)驗。曹博等[17]采用Morgenstern-Price法計算分析了水庫蓄水過程中4種典型邊坡類型的穩(wěn)定性變化規(guī)律。馮文凱等[18]通過現(xiàn)場試驗以及數(shù)值模擬,對白鶴灘庫區(qū)土質(zhì)岸坡在未來蓄水后的穩(wěn)定性問題進行預測分析。

從上述研究成果來看,水敏感性較高的千枚巖在庫水浸泡下,其抗剪強度參數(shù)產(chǎn)生劣化效應,對橋基岸坡穩(wěn)定性不利。某大橋位于白鶴灘庫區(qū)內(nèi),其工程地質(zhì)條件較差的右岸橋基岸坡坡腳及坡面局部全—強風化千枚巖裸露,蓄水后,庫岸上的全—強風化千枚巖長期位于運營水位以下,需要研究庫水浸泡對橋基岸坡穩(wěn)定性的影響?；诖?以現(xiàn)有白鶴灘庫區(qū)的勘察資料為基礎,選取白鶴灘庫區(qū)該大橋右岸橋基岸坡為研究對象,以室內(nèi)外巖土體物理力學參數(shù)試驗為依據(jù),考慮白鶴灘水庫蓄水對岸坡千枚巖抗剪強度的劣化效應,結合數(shù)值模擬計算得到了該大橋右岸橋基岸坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律。研究成果對白鶴灘庫區(qū)類似橋基岸坡的災害分析與防治具有借鑒意義與參考價值。

1 工程概況

某大橋處小黑水河流近EW向,其右側(cè)岸坡地形坡度約30～40°,地表植被不發(fā)育,坡面覆蓋層為碎石混合土(Qcol+dl),結構較松散,下伏基巖為前震旦系通安組(Pt2t)的千枚巖,風化程度由全風化—強風化—中風化。坡體790 m以下全為裸露的結構破碎的千枚巖,根據(jù)GB 50021—2001(2009)《巖土工程勘察規(guī)范》,結合現(xiàn)場調(diào)查,該千枚巖為全風化與強風化間雜存在(圖1),需要同時考慮,其在坡表也有多處裸露,降雨后經(jīng)常發(fā)生坍塌,堵塞道路。為了便于研究,將裸露的基巖稱為全—強風化千枚巖,該庫岸工程地質(zhì)剖面見圖2。

圖1 裸露千枚巖實拍

圖2 大橋右岸工程地質(zhì)剖面

白鶴灘庫區(qū)蓄水后,水位將升至825 m,至此,橋址的右岸坡腳處以及部分坡表裸露的全—強風化千枚巖將長期處于庫水浸泡中。庫水浸泡下岸坡穩(wěn)定性將對坐落于右岸的橋基產(chǎn)生重大影響。

2 橋基岸坡穩(wěn)定性分析

本次研究工點上部為散體結構、下部為全—強風化的破碎基巖,而該基巖力學性質(zhì)極差,特別是浸水后力學參數(shù)接近于土體。由前人研究的工程實例可知,此類庫岸邊坡,無論覆蓋層厚度與坡體尺寸如何,其滑面均可能穿過全—強風化基巖層[19-24],見表1。因此,雖然本次工點的上部覆蓋層較厚,庫岸的穩(wěn)定性可能仍主要由全—強風化基巖層的力學性質(zhì)控制。

表1 基巖為全強風化巖層的邊坡實例

2.1 計算參數(shù)選取

根據(jù)橋位區(qū)分布的巖土層性狀,參考工程沿線巖土體物理力學試驗成果及附近工程相關巖土體參數(shù)提出橋位區(qū)各巖土層物理力學參數(shù)建議值,見表2。

表2 橋位區(qū)各巖土層物理力學參數(shù)

全—強風化千枚巖的參數(shù)取值依據(jù)現(xiàn)場取回巖樣的直剪試驗成果。對全—強風化千枚巖進行了不同浸水時間條件下的直剪試驗(圖3),獲取了抗剪強度參數(shù)變化規(guī)律,見表3。

圖3 試驗過程

表3 不同浸水時間下千枚巖力學參數(shù)

由表3可知千枚巖試樣隨著浸水時間的增加,其黏聚力(c)及內(nèi)摩擦角(φ)均越來越小,抗剪強度降低。在浸水21 d時試樣抗剪強度參數(shù)c和φ劣化程度分別達到55%和25%左右,說明浸水作用下,千枚巖的黏聚力更為敏感。

為了直觀反映抗剪強度參數(shù)劣化規(guī)律,黏聚力和內(nèi)摩擦角與浸水時間的關系曲線見圖4。由圖4可知,在浸水后期,全—強風化千枚巖黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化逐漸趨于穩(wěn)定,其黏聚力和內(nèi)摩擦角的劣化趨勢相似。

a)黏聚力

b)內(nèi)摩擦角圖4 浸水后全—強風化千枚巖抗剪強度參數(shù)劣化曲線

2.2 計算模型概化及方案

2.2.1模型概化

由于岸坡結構特征較為復雜,計算時主要研究考慮全—強風化千枚巖力學參數(shù)的劣化對橋基岸坡穩(wěn)定性的影響,為了簡便準確地獲得計算結果,需要對分析模型進行適當?shù)募僭O概化,以達到最佳的分析結果。假設:①在巖層中全風化千枚巖巖層厚度薄,分析時與強風化千枚巖巖層歸為一類;②將同一層材料視為均質(zhì)體;③橋墩及上部結構等效成荷載作用在橋基上。按上述假設條件,利用Geostudio有限元分析軟件的Slope單元建立圖5所示的分析模型。

圖5 岸坡穩(wěn)定性計算模型

2.2.2計算方案

考慮正常水位線825 m水位條件下的岸坡穩(wěn)定性特征。在825 m水位以下,全—強風化千枚巖巖層考慮表3中千枚巖力學參數(shù)劣化情況;在825 m水位以上,考慮全—強風化千枚巖天然強度。其他材料根據(jù)水位情況均只考慮天然和飽和2種狀態(tài)。

2.3 計算結果及分析

巖土體抗剪強度參數(shù)不同劣化程度下的穩(wěn)定系數(shù)變化的分析方法為:根據(jù)不同浸水時間下力學參數(shù)劣化試驗值,對庫岸進行最危險滑帶搜索,計算安全系數(shù)。根據(jù)橋梁岸坡剖面,按照表2所列碎石土、中風化千枚巖力學參數(shù),利用Geo-slope分別計算表3所示工況下的岸坡穩(wěn)定性。根據(jù)SL 386—2007《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》,以Morgenstern-Price(摩根斯坦-普瑞斯)法計算結果作為邊坡穩(wěn)定性評價依據(jù),參考Bishop(畢肖普)法、Janbu(簡布)法結果,計算結果見圖6。

a)Bishop方法

b)Janbu方法

c)Morgenstern-Price方法圖6 巖土體抗剪強度參數(shù)劣化安全系數(shù)變化趨勢

從圖6可以看出,3種計算方法的安全系數(shù)計算結果變化趨勢相似,均呈下降趨勢。由直剪試驗結果可知,隨著浸水時間的增加,黏聚力和內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先急劇減小、后逐漸趨于平緩的趨勢,因此在庫水浸泡作用下岸坡安全系數(shù)同樣也呈現(xiàn)先急劇減小,后逐漸趨于平緩的趨勢。究其原因是在庫水浸泡的作用下,千枚巖結構受到損傷,裂隙發(fā)育,膠結能力下降,同時礦物顆粒之間的鑲嵌程度也受到水的作用而變得松散,導致黏聚力與內(nèi)摩擦角劣化,致使安全系數(shù)下降。

本次將主要運用可靠程度較高的Morgenstern-Price方法開展對考慮全—強風化千枚巖抗剪強度參數(shù)不同劣化程度條件下橋基岸坡穩(wěn)定性的分析。由圖4中顯示的力學參數(shù)劣化速率與擬合的對數(shù)公式可知,隨著浸水時間的增加,力學參數(shù)的劣化會逐漸減緩并趨于某一定值,不會無限劣化,該規(guī)律與肖瑤等[25]的研究結果一致。圖6c的安全系數(shù)變化趨勢中也反映了該現(xiàn)象,安全系數(shù)在浸水7 d之內(nèi)降低速度較快,后趨于平緩,由圖6c中擬合的對數(shù)公式可知,安全系數(shù)最終也會趨于一定值。

根據(jù)圖4、圖6c的結果,經(jīng)過計算得到浸水95 d時,黏聚力劣化了75%左右,內(nèi)摩擦角劣化了33%左右,岸坡安全系數(shù)為1.189,根據(jù)SL 386—2007《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》,水庫水位處于正常蓄水位的正常運營條件下,安全系數(shù)標準取1.2,因此處于欠穩(wěn)定狀態(tài),但隨著庫水浸泡時間的增加,抗剪強度參數(shù)仍會繼續(xù)緩慢地劣化,安全系數(shù)會小幅變小,岸坡更不穩(wěn)定,需引起重視,建議對邊坡增設抗滑、支擋結構與表面護坡措施進行加固,同時由于庫水浸泡作用與室內(nèi)試驗浸泡存在一定的差別,可能與現(xiàn)場實際時間會有一定的區(qū)別。

3 結論

本文考慮白鶴灘水庫蓄水對岸坡千枚巖抗剪強度的劣化效應,計算得到了某大橋右岸橋基岸坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律,得到以下結論。

a)全—強風化千枚巖隨著浸水時間的增加,其抗剪強度參數(shù)會劣化,劣化趨勢為先急后緩,最終會趨于某一定值。

b)浸水后,全—強風化千枚巖黏聚力的劣化幅度比內(nèi)摩擦角大,黏聚力對此作用更為敏感。

c)全—強風化千枚巖岸坡安全系數(shù)隨浸水時間增加,其劣化趨勢與抗剪強度參數(shù)一致,在浸水前7 d,岸坡安全系數(shù)降低速度較快,后趨于平緩。

d)經(jīng)過計算得到在浸水95 d后,安全系數(shù)為1.189,小于1.2,處于欠穩(wěn)定狀態(tài),但隨著庫水浸泡時間的增加,抗剪強度參數(shù)仍會繼續(xù)緩慢地劣化,安全系數(shù)會小幅變小,岸坡更不穩(wěn)定,需引起重視,建議增加抗滑、支擋結構與表面護坡措施進行治理。