三峽庫(kù)區(qū)某溶蝕泥灰?guī)r高切坡穩(wěn)定性研究

劉志紅,王 瀟,嚴(yán)良淼,路 浩

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊(duì),陜西 西安 710003)

三峽地區(qū)不僅是長(zhǎng)江上游過(guò)渡中游的特殊地帶,更是我國(guó)第Ⅱ級(jí)階梯(中西部山地)與第Ⅲ級(jí)階梯(東部平原)的劃分界限。三峽受長(zhǎng)期海陸交互沉積環(huán)境演化影響,特別是在低夷平面地區(qū),廣泛發(fā)育三疊系巴東組(T2b)泥灰質(zhì)巖石。以往的研究基于泥灰質(zhì)巖表現(xiàn)出泥巖的隔水性和灰?guī)r的可溶性,通常認(rèn)為泥灰?guī)r巖溶是一種低程度的巖溶,是一種規(guī)模不大,形式孤立,主要發(fā)育在地表巖體露頭和以卸荷裂隙、斷裂作為通道的地下深部的巖溶系統(tǒng)。燕山期以來(lái)三峽庫(kù)區(qū)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),造成巴東組地層出現(xiàn)褶皺和斷裂,大大促進(jìn)了溶蝕泥灰?guī)r的普遍發(fā)育。

三峽工程庫(kù)區(qū)受蓄水影響規(guī)劃搬遷建房規(guī)模巨大,除了十多萬(wàn)居民外遷安置外,其余人員全部為就地向高處搬遷。數(shù)量眾多的本地居民原地搬遷到高處,需要平整出大量土地,而沿長(zhǎng)江兩岸三峽庫(kù)區(qū)多為高山峽谷地貌,高高程處可平整利用的土地非常少。因此,原地上山的大規(guī)模搬遷建設(shè)勢(shì)必要規(guī)劃削坡造地,形成數(shù)量眾多的人工高切坡,特別是受工程擾動(dòng)的泥灰?guī)r質(zhì)高切坡在溶蝕作用,以及風(fēng)化和卸荷作用等共同影響下,巖體強(qiáng)度逐漸降低,巖體結(jié)構(gòu)逐漸疏松,高切坡穩(wěn)定性降低,成為庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治和邊坡防護(hù)工程的重中之重。本文將以某典型溶蝕泥灰?guī)r高切坡工程為例,主要就溶蝕作用下的泥灰?guī)r高切坡工程穩(wěn)定性進(jìn)行探討。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 氣象

三峽庫(kù)區(qū)地處亞熱帶氣候區(qū),具有平均氣溫高、冬暖夏熱、降雨充沛、氣候濕潤(rùn)和無(wú)霜期長(zhǎng)等特點(diǎn),屬典型亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候;年平均氣溫在18℃左右,冬季氣溫平均在6℃～8℃,夏季平均氣溫在27℃～29℃。

三峽庫(kù)區(qū)多年降雨具有顯著的集中性。重慶地區(qū)雨季是5-9月,雨量占全年降水總量的69.3%;奉節(jié)以西至萬(wàn)州段雨季是4-9月,雨量占全年降水量的77.7%～80%;奉節(jié)以東的三峽段雨季是5-9月,雨量占全年降水總量的68.4%～70%。

奉節(jié)多年平均降雨量1 107.3 mm(表1),年最大降雨量1 407.6 mm。年降雨日數(shù)約130～140 d,雨季一般在5-9月,總降雨量占年雨量的70%以上。奉節(jié)、巴東地區(qū)年降雨量分配不均,而在1月、2月、12月,降雨量?jī)H占全年降雨量的7.87%。

表1 奉節(jié)地區(qū)氣溫、相對(duì)溫度及降雨量統(tǒng)計(jì)表

1.2 地層巖性

三峽庫(kù)區(qū)三疊系巴東組(T2b)泥灰質(zhì)按照巖石巖性差異可劃分為4段:第1段(T2b1)和第3段(T2b3)多為深灰色泥灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r,以石英顆粒、泥質(zhì)以及碳酸鹽礦物等為主,其中的泥質(zhì)成分可構(gòu)成鈣質(zhì)泥巖夾層,碳酸鹽礦物多為白云石和方解石。風(fēng)化作用使巖石中的碳酸鹽礦物溶解、淋失,泥質(zhì)含量相對(duì)增加,新鮮的巖層呈青灰色,風(fēng)化層所見(jiàn)的巖層都呈土黃色,在完全風(fēng)化后容易形成黃土,導(dǎo)致巴東組第1段和第3段通常發(fā)育典型易滑地層,巴東組第3段更因其層厚較大而成為主要問(wèn)題地層。

第2段(T2b2)和第4段(T2b4)是易滑地層,多為粉砂質(zhì)或紫紅色含鈣質(zhì)泥巖,礦物組成以泥質(zhì)為主,主要由綠泥石和云母組成。

高切坡工程場(chǎng)地出露地層有第四系(Q)及三疊系巴東組第2段(T2b2)和第3段(T2b3),切坡坡面和坡腳基本為碎石土,基巖埋藏深度較大,對(duì)邊坡穩(wěn)定不具有控制作用。

1.3 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件受地形、巖性、構(gòu)造及水文氣候等因素控制和影響,本場(chǎng)地位于低山丘陸地區(qū),為溝脊(梁)相間地形,東西兩側(cè)各發(fā)育一條近南北向的深切沖溝,中間為一寬緩山梁,地勢(shì)總體北高南低,地形條件有利于地表水的排泄,地表水分別排向鄰近的沖溝匯聚后排向朱衣河。此外,場(chǎng)地還分布有多個(gè)小池塘,場(chǎng)地地表水體比較發(fā)育。

場(chǎng)地西側(cè)的礦石溝發(fā)源于本區(qū)北部挖斷山,溝道較長(zhǎng)除匯集地表水外,北部山體基巖裂隙水排向礦石溝,溝道長(zhǎng)年有流水,流量約為2～3 L/s。其它溝道一般為干溝。場(chǎng)地東側(cè)覆蓋層薄,地形對(duì)地表水的排泄比較有利,強(qiáng)風(fēng)化泥巖透水性中等,不利于地下水的下滲和富集,無(wú)穩(wěn)定地下水位。

1.4 巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)

碎石土層試驗(yàn)范圍值19.69～21.27 kN/m3,平均值為20.48 kN/m3,沒(méi)有進(jìn)行其它現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)巖土試驗(yàn)。根據(jù)高切坡第四系覆蓋層成因,顆粒組成、級(jí)配、密度、厚度等特征,結(jié)合鉆孔露水情況、土體的可鉆性及所鉆巖芯等資料分析,確定高切坡坡巖體類(lèi)型屬I(mǎi)V類(lèi),弱風(fēng)化帶巖體較完整,邊坡巖體類(lèi)型屬Ⅲ類(lèi)。

根據(jù)巖土狀態(tài)和分類(lèi),參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB5033-2002)、《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB5007-2002)等已有資料和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,主要物理力學(xué)指標(biāo)建議如表2。

表2 主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

2 邊坡現(xiàn)狀

高切坡坡度32°～57°,高度11～25 m,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)變形破壞現(xiàn)象。

高切坡鉆孔ZK28在高程265.2～250.16 m處有溶蝕現(xiàn)象(圖1):泥灰?guī)r:黃綠色,弱風(fēng)化,層狀結(jié)構(gòu),裂隙發(fā)育,個(gè)別裂隙充填方解石。局部有溶蝕現(xiàn)象。巖體較為完整,巖芯呈長(zhǎng)柱狀,最長(zhǎng)45 cm。RQD=60%。

圖1 鉆孔揭露的溶蝕現(xiàn)象

3 數(shù)值分析

通過(guò)數(shù)值模擬分析研究溶蝕泥灰?guī)r高切坡應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)特征,直觀形象、數(shù)據(jù)翔實(shí)。從工程研究需求出發(fā),判斷高切坡穩(wěn)定性。

3.1 數(shù)值建模

數(shù)值計(jì)算采用彈塑性模型和庫(kù)侖強(qiáng)度理論,相關(guān)巖土體物理力學(xué)參數(shù)詳見(jiàn)表1。根據(jù)高切坡工程地質(zhì)剖面圖,按照風(fēng)化程度和巖性,建模的地層從上到下依次為三層:松散碎石土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、弱風(fēng)化泥巖。建立的高切坡計(jì)算模型如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 模型

圖3 各地層幾何形態(tài)

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖5 高切坡總位移云圖

圖6 高切坡豎直方向位移云圖

圖7 高切坡水平方向位移云圖

高切坡幾何模型和地質(zhì)界面都在ANSYS中生成,劃分網(wǎng)格后將節(jié)點(diǎn)和單元幾何信息通過(guò)接口程序轉(zhuǎn)化為FLAC3D可識(shí)別的前處理數(shù)據(jù)格式。在FLAC3D中導(dǎo)入上述數(shù)據(jù),恢復(fù)生成同樣的網(wǎng)格模型。整個(gè)高切破數(shù)值模型含有1 412個(gè)節(jié)點(diǎn),1 305個(gè)單元,單元類(lèi)型為四面體、五面體和六面體混合網(wǎng)格單元。

3.2 數(shù)值分析

3.2.1 位移場(chǎng)規(guī)律分析

從位移場(chǎng)云圖可知,該高切坡上部覆蓋層位移相對(duì)較大,特別是在上部覆蓋層表層位移最大巖體內(nèi)位移不明顯。坡體位移運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)到中高程凹角處終止,高切坡覆蓋層下部位移不明顯。從位移場(chǎng)規(guī)律可知,該高切坡破壞模式為覆蓋層內(nèi)的圓弧型滑動(dòng)變形破壞,且坡體覆蓋層上部最先發(fā)生位移,為下坐式。

3.2.2 應(yīng)力場(chǎng)規(guī)律分析

天然自重工況下,高切坡主應(yīng)力矢量場(chǎng)如圖8所示,其分布具有一定的規(guī)律性,即最大和最小主應(yīng)力均發(fā)生偏轉(zhuǎn),最大主應(yīng)力方向在高切坡坡面附近與坡面地形平行,最小主應(yīng)力則垂直于坡面,愈往深部則分別變?yōu)榇怪狈较蚝退椒较颉?/p>

圖8 高切坡主應(yīng)力矢量圖

如圖9高切坡剪應(yīng)力圖所示,剪應(yīng)力集中帶在高切坡覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r交界面出現(xiàn),最大值約為0.1 MPa。剪應(yīng)力集中帶附近巖土體發(fā)展為控制高切坡滑動(dòng)變形破壞的關(guān)鍵阻滑段,特點(diǎn)為應(yīng)力集中,承受著很大的剪應(yīng)力,預(yù)示了高切坡很可能在覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化界面一定范圍內(nèi)發(fā)生剪切或壓剪破壞,形成底滑面。同時(shí),剪應(yīng)力集中帶的出現(xiàn)范圍更進(jìn)一步印證了位移場(chǎng)揭示的高切坡的變形破壞為坡體上部下坐式。因此,坡體中的關(guān)鍵阻滑段只要不發(fā)生剪切或壓剪破壞,上部坡體就不會(huì)對(duì)下部坡體產(chǎn)生下推力量,坡腳處將不會(huì)形成剪出口,高切坡將保持穩(wěn)定。

圖9 高切坡剪應(yīng)力圖

3.2.3 塑性區(qū)規(guī)律分析

如圖10剪切塑性屈服區(qū)域分布可知,高切坡覆蓋層在溶蝕作用下,巖土體強(qiáng)度弱化,結(jié)構(gòu)松散,在天然自重作用下容易發(fā)生剪切或壓剪破壞,坡體安全系數(shù)進(jìn)一步降低,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 高切坡剪切屈服區(qū)域分布圖

由高切坡塑性區(qū)分布可知,高切坡當(dāng)受外界不利影響時(shí)(暴雨、地震、人工擾動(dòng)),很可能失穩(wěn)。需要強(qiáng)調(diào)的是,根據(jù)摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則數(shù)值分析得到的塑性區(qū)分布情況是偏保守的,因?yàn)樵撉?zhǔn)則認(rèn)為材料發(fā)生屈服即可視為破壞。事實(shí)上,巖土體材料進(jìn)入屈服狀態(tài)后,在一定程度上還將在硬化狀態(tài)下繼續(xù)工作,不會(huì)提前發(fā)生破壞。

從圖11高切坡張拉屈服區(qū)域分布圖可知,高切坡張拉屈服區(qū)域未連成面,分布散亂。高切坡在天然自重和溶蝕作用下整體發(fā)生張拉滑動(dòng)破壞的可能性不大;即使發(fā)生,也僅僅是高切坡坡面地形變化較大的局部區(qū)域,不會(huì)對(duì)高切坡整體穩(wěn)定性造成重大影響。

圖11 高切坡張拉屈服區(qū)域分布圖

4 討論

通過(guò)數(shù)值分析可知,溶蝕泥灰?guī)r高切坡在飽水工況下在覆蓋層中發(fā)生圓弧型滑動(dòng)變形破壞,高切坡的失穩(wěn)模式為下坐式。

高切坡穩(wěn)定性問(wèn)題是個(gè)多因素影響的復(fù)雜問(wèn)題。穩(wěn)定性分析更多還是要依據(jù)位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)分布以及各種變形值分布,這是數(shù)值模擬方法的優(yōu)勢(shì)所在。然而,數(shù)值模擬大多依賴(lài)某些專(zhuān)業(yè)的軟件,建模和分析過(guò)程中涉及很多難以精確的約束條件(邊界條件,巖土體參數(shù)選取,模型建立等),特別是數(shù)值模擬軟件求取穩(wěn)定系數(shù)操作過(guò)程不如極限平衡法直接、直觀,且有的數(shù)值模擬軟件針對(duì)大型研究對(duì)象求取穩(wěn)定系數(shù)就非常耗時(shí),模型的調(diào)整也頗費(fèi)時(shí)間。因此,工程實(shí)踐要根據(jù)數(shù)值模擬法的優(yōu)缺點(diǎn),有針對(duì)性的選擇。