唐建立,陳振全

(河南省水利勘測有限公司,河南鄭州 450003)

南水北調中線一期工程潞王墳膨脹巖試驗段渠坡塌滑機理分析

唐建立,陳振全

(河南省水利勘測有限公司,河南鄭州 450003)

南水北調中線工程潞王墳膨脹巖(土)試驗段設計樁號SY1+179.7～SY1+240.5段左岸邊坡二—四級馬道之間,施工開挖過程中,先后發(fā)生了3次塌滑。從渠坡工程地質條件出發(fā),通過對該段渠坡地層巖性特征、粘土巖的膨脹性及其結構面性質等方面進行分析,闡明了渠坡塌滑主要受粘土巖的膨脹性及軟巖結構面與邊坡坡向的組合關系所控制,粘土巖的膨脹性是邊坡塌滑的決定性因素,結構面與渠坡的不利組合為渠坡塌滑創(chuàng)造了有利的邊界條件。

南水北調中線工程;潞王墳膨脹巖試驗段;渠坡塌滑

0 引言

南水北調中線工程是從水量豐沛的長江流域向缺水的華北平原輸水,是緩解河南、河北和京津地區(qū)水資源危機的特大型跨流域調水工程,以城市供水為主要目標,兼顧農業(yè)與生態(tài),是黨中央、國務院對我國經濟社會發(fā)展需要做出的重大決策,不僅經濟效益巨大,而且政治意義深遠。

南水北調中線工程線路長1 427.17 km,渠道沿線地質條件復雜,其中穿越膨脹巖土渠段累計長約340 km,膨脹巖土因其特殊的工程性質,易造成渠道邊坡失穩(wěn),對工程的安全運行產生嚴重危害,而且其處理難度大、處理措施投資費用高。

總干渠沙河南—漳河南渠段總長472 km,渠線穿越膨脹巖土段累計長134.7 km,占渠線總長的28.5%。其中弱膨脹巖分布長43.4 km,中—強膨脹巖分布長66.6 km,第四系弱膨脹土分布長度約26.5 km。

2005年9月,南水北調中線干線工程建設管理局組織相關單位在鄭州召開了“南水北調中線工程總干渠膨脹土(巖)渠坡處理專家咨詢會”,與會專家和代表一致認為,膨脹土(巖)的處理是南水北調中線工程的主要技術難題之一,進行現場試驗研究是十分必要的,其研究成果可為南水北調中線工程總干渠膨脹土(巖)渠坡處理找到安全可靠、經濟合理的措施,也為工程設計的優(yōu)化提供依據,并建議現場試驗應按膨脹土段、膨脹巖段分別進行。

潞王墳膨脹巖試驗段位于河南省新鄉(xiāng)市鳳泉區(qū)潞王墳鄉(xiāng),試驗段起點設計樁號SY0+000(Ⅳ120+500),坐標X=3 920 144.132,Y=38 492 791.720,終點設計樁號SY1+500(Ⅳ122+000),坐標X=3 921 279.310,Y=38 493 769.790,全長1.5 km,主要對膨脹巖的工程特性進行專題研究。試驗段北依鳳凰山,地貌單元屬軟巖丘陵區(qū),地面高程91～134 m,沿線地層巖性主要為上第三系上新統(tǒng)潞王墳組(N2L)粘土巖、砂質粘土巖,局部夾有泥灰?guī)r、砂巖、礫巖薄層或透鏡體。

試驗段SY1+155～SY1+260段渠道設計渠底高程為91.54 m,設計水位98.694 m,設計邊坡為5級,一級馬道之下坡比為1∶2.5,二級坡比為1∶2.25,三級邊坡比為1∶2.0,四級邊坡比1∶1.75,除一級馬道設計寬度5 m外,其他馬道設計寬度均為2 m。該段渠道開挖過程中,二—四級馬道之間渠坡先后發(fā)生了3次渠坡塌滑現象,塌滑體總長度60.8 m,塌滑體總方量約900 m3(見圖1)。

1 渠坡塌滑體特征

試驗段SY1+155～SY1+260段渠道于2007年12月開始施工,在邊坡開挖過程中,自12月5日始,在以后的19天內,左岸邊坡二—四級馬道之間共發(fā)生3次渠坡塌滑現象,塌滑體總長度60.8 m,塌滑體總方量約900 m3。

第一次塌滑發(fā)生在12月5日上午8點半左右,當時二—三級馬道之間的渠道邊坡開挖尚未達到設計要求,正值施工單位在該處使用挖掘機進行修坡,塌滑體從三級馬道下5.4～6.6 m的位置向下滑動。塌滑體沿總干渠走向長度18.8 m,順渠道邊坡傾向方向寬度6.0 m,塌滑深度約1.15 m,塌滑體積約129.7 m3。該塌滑體主滑動面、后壁及側壁光滑平直,壁面均具蠟狀光澤,見有明顯的擦痕。在滑動體以上的渠坡(三級馬道以下)可見有兩條平行滑動體的小拉張裂縫,延伸不長?；瑒芋w的巖性主要為砂質粘土巖,主滑動面的巖性為粘土巖(見照片1、2)。

1.巖性界線;2.塌滑后壁;3.邊坡馬道。

照片1 塌滑體后緣張裂隙Photo 1 Tension facture at landslide body rear edge

照片2 塌滑體側壁、滑動面Photo 2 Side wall and slip surface of landslide body

第二次塌滑發(fā)生在2008年12月12日下午17點左右,在緊靠第一次塌滑體右側偏上位置沿原有主滑面又發(fā)生了一次滑動,塌滑體亦位于二級—三級馬道之間。塌滑體沿總干渠走向長度28.9 m,滑動體上部(三級馬道以下)可見有平行滑動體的小拉張裂縫,延伸不長。該塌滑體在SY1+211.6～SY1+228.6處與為第一次塌滑體相連接。塌滑體的巖性主要為砂質粘土巖和粘土巖,主滑動面的巖性主要為粘土巖。

第三次塌滑規(guī)模最大,發(fā)生在2008年12月24日上午,在第一次塌滑體的左上側位置渠坡沿前兩次塌滑體主滑面又發(fā)生了滑動,滑坡后壁呈弧形?；瑒芋w沿主滑動面切穿了三級馬道,滑坡后壁延至三級馬道—四級馬道之間,塌滑體沿總干渠走向長48.2 m,滑體最大厚度約1.55 m。該次塌滑體上游剪切裂縫較為明顯,同時在塌滑體上還見有順坡向裂隙。塌滑體在樁號SY1+209.8～SY1+227.9位置與第二次塌滑體相連接。該塌滑體左翼巖性主要為粘土巖,右翼巖性主要為成巖較差的泥灰?guī)r,主滑動面的巖性主要為粘土巖和砂質粘土巖。

由三次滑坡形成的時間和空間上的關系可以看出:三次滑塌,并不是孤立存在的,首先,三次塌滑相隔的時間短,第二次塌滑與第一次塌滑相隔僅7 d,第三次與第二次塌滑相隔12 d,并且三次滑坡的主滑面基本一致,滑動體的切割深度基本相同。其次,三次塌滑在空間上展布有一定的規(guī)律,第一次塌滑分布在渠坡的最下游(二級馬道的坡腳處),第二次塌滑位于其右上側,第三次塌滑基本位于其左上側位置,三次塌滑體的體積和寬度呈現漸次增大趨勢?？梢?三次塌滑為同一類型滑坡,滑坡的形成機理和控制因素相同。

2 場區(qū)工程地質概況

2.1 渠坡地層巖性

潞王墳試驗段工程場區(qū)塌滑體一帶出露地層為一套河湖相沉積、上第三系上新統(tǒng)潞王墳組軟巖,其巖性以粘土巖、砂質粘土巖為主,夾有泥灰?guī)r、砂巖(或礫巖)薄層或透鏡體。地層波狀起伏,巖性分布很不均一,沉積規(guī)律很差?，F將該段地層巖性分述如下:該段渠坡典型地質剖面見圖2。

(1)泥灰?guī)r(N2L) 灰白色,少量灰綠色,泥質隱晶結構,層狀構造,巖性不均,節(jié)理裂隙較發(fā)育,沿裂隙有鐵錳質及泥質充填,成巖程度差異較大,既有成巖好的,又有成巖差的。該層主要分布于三級馬道以上至四級馬道附近,三級馬道以下多呈薄層或透鏡體狀分布于粘土巖和砂質粘土巖之間。

圖2 塌滑段樁號SY1+200處左側渠坡地質橫剖面Fig.2 Geological profile of leftQupo at SY1+200 landslide body

(2)粘土巖(N2L) 棕紅色,局部棕紅雜灰綠色,具滑感,多呈硬塑—堅硬狀,裂隙發(fā)育,裂隙面見有蠟狀光澤和擦痕,具有吸水膨脹、失水干縮的特點,易崩解。該層主要分布于樁號SY1+155～SY1+210的三—二級馬道之間,其他部位呈薄層或透鏡體狀分布。

(3)砂質粘土巖(N2L) 棕黃色,稍具滑感,有明顯的砂粒,局部棕紅雜灰綠色,成巖差,多呈可塑—硬塑狀。該層主要分布于三—二級馬道之間,多與粘土巖成互層狀分布。

(4)砂巖(N2L) 黃,褐黃色,局部雜淺黃色,中細粒結構,多數成巖差,呈松散狀,局部成巖好,呈堅硬狀鑲嵌在成巖差的砂巖中。該層主要分布于二級馬道以下。

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2.2 巖體物理力學性質

為了研究該段渠坡巖層的工程特性,在塌滑體、滑動面及其周邊巖層中共取34組樣品,根據《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》(GBJ112—87)[1]和《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》(SL264—2001)[2]的要求進行了室內膨脹性及抗剪強度等物理力學性試驗,提出各巖層物理力學性參數建議值見表1。

表1 巖層物理力學性參數建議值表Table 1 The advised data for rock formation physicalmechanics

膨脹性試驗成果表明:該渠段的粘土巖自由膨脹率一般44.0%～105%,具弱—強膨脹潛勢;泥灰?guī)r自由膨脹率28.0%～40.0%,不具膨脹性;砂質粘土巖自由膨脹率20%,不具膨脹性。其中塌滑體滑動面灰綠、棕紅色粘土巖自由膨脹率80%～105%,具中等—強膨脹潛勢;塌滑體后緣及兩側的棕紅色、灰綠色粘土巖自由膨脹率44.0%～93.0%,具弱—中等膨脹潛勢,個別具強膨脹潛勢。

粘土巖結構面殘余剪試驗成果表明:粘聚力C′為12.6～28.3,內摩擦角φ′為38.2°～40.1°,通過工程實例類比,其強度明顯大于現場滑動面的強度。

各巖層殘余剪強度遠小于其自然快剪強度?，F場取樣上第三系軟巖各類原生結構面和構造裂隙發(fā)育,結構面一般較平直且無充填,其強度大致可取巖層的殘余剪強度指標[3],巖體強度受軟巖結構面強度控制,因此渠坡巖體的抗剪強度較低。

2.3 巖體結構

根據場區(qū)工程地質情況,該段渠坡為上第三系軟巖邊坡,破壞類型屬于剪切滑動。由于主滑動面光滑平直,切割較淺,因此屬于膨脹性軟巖邊坡淺層平面滑動類型,滑塌受巖體內結構面強度及類型控制。

渠坡巖體原生結構面主要為上第三系軟巖層理面,上第三系軟巖層巖性分布不均一,沉積規(guī)律性很差,層面起伏大,層理發(fā)育。根據現場地質編錄資料,該段渠坡大部分巖層的層理面走向與總干渠的走向基本一致,傾向與渠道邊坡同向,層理面傾角一般17°～20°。

渠坡開挖過程中,由于上部的荷載不斷的減少,邊坡的巖體在減荷的方向上(臨空面)必然產生伸長變形,即卸荷回彈變形。由層狀軟巖組成的邊坡,由于各層巖石性質差異較大,變形程度各不相同,卸荷回彈將會引起原生結構面的回彈破裂,使巖層層理面張開,抗剪強度降低。此外卸荷回彈變形超過巖層本身的抗變形能力時,還會在巖層內部產生一系列的張性結構面,如坡頂的鉛直拉裂面、坡體內與坡面近于平行的壓致拉裂面、坡底近于水平的緩傾角拉裂面等。

圖3 節(jié)理裂隙玫瑰圖Fig.3 Joints and fissures rose

圖4 赤平投影圖Fig.4 Stereographic projection

3 塌滑體形成機理分析

根據場區(qū)工程地質條件,該段邊坡地層巖性主要為上第三系泥灰?guī)r、粘土巖、砂質粘土巖、砂巖,影響渠坡穩(wěn)定性的因素主要有粘土巖的膨脹性、上第三系軟巖層理面和構造裂隙面的性質及其與邊坡坡向的組合關系、邊坡天然應力條件,另外渠道施工爆破及重型機械震動也是形成這次渠坡塌滑破壞的一個重要因素。

3.1 粘土巖的膨脹性因素

膨脹巖土的礦物成分是決定其工程性質的主要物質基礎。根據該工程巖礦鑒定成果:泥灰?guī)r的主要礦物為碎屑礦物(含量60%～80%)和粘土礦物(含量20%～40%),其中碎屑礦物成分主要為石英、方解石,以方解石為主,粘土礦物成分主要有蒙脫石和伊利石,以蒙脫石為主。粘土巖的主要礦物為粘土礦物(含量60%～70%)和碎屑礦物(含量30%～40%),粘土礦物主要由蒙脫石和伊利石組成,以蒙脫石為主,碎屑礦物以石英或方解石為主。

該渠段粘土巖自由膨脹率一般44.0%～105%,具弱—強膨脹潛勢;泥灰?guī)r自由膨脹率28.0%～40.0%,不具膨脹性;砂質粘土巖自由膨脹率20%,不具膨脹性。其中塌滑體滑動面灰綠、棕紅色粘土巖自由膨脹率80%～105%,具中等—強膨脹潛勢;塌滑體后緣及兩側的棕紅色、灰綠色粘土巖自由膨脹率44.0%～93.0%,具弱—中等膨脹潛勢,個別具強膨脹潛勢。

總之,該渠段粘土巖具膨脹潛勢,加之巖體內各類結構面發(fā)育,邊坡施工中由于粘土巖暴露地表,外界環(huán)境條件的改變,風化及水理作用,使該膨脹巖原始結構發(fā)生變化,結構面張開度進一步擴展,導致渠坡巖體抗剪強度大大降低,因此粘土巖的膨脹性直接影響著渠道邊坡的穩(wěn)定性。

3.2 結構面性質及其與邊坡的組合關系

該段渠坡破壞類型屬于軟巖邊坡剪切滑動,滑面平直,屬于平面滑動類型,邊坡的穩(wěn)定性受巖體內各類結構面強度性質控制,巖體內的結構面主要為層理面和構造裂隙面。

除巖體中的原生結構面外,該渠段渠坡上第三系軟巖中構造裂隙也較為發(fā)育。該段渠坡構造裂隙也較發(fā)育。其中走向270°～295°和走向300°～340°的兩組裂隙,與渠坡走向基本垂直,裂隙面傾向北東,傾角45°～65°,其裂隙面附著有1～2 mm泥化層,見有蠟狀光澤、擦痕、黑色鐵錳質薄膜及灰綠色粘土礦物,且含水率較高,該兩組裂隙與渠坡坡向垂直,因此最易形成塌滑體的側向切割面。走向0°～40°和走向50°～90°的兩組裂隙與渠坡走向基本一致。由于坡面附近主應力跡線均會出現明顯的偏轉,該組裂隙受到坡面拉應力的作用,張開度加大,易形成渠坡塌滑。

綜上所述,由于該段渠坡各層軟巖的層理面走向與總干渠的走向基本一致,傾向與渠道邊坡傾向一致,層理面,卸荷回彈使層理面張開,巖體抗剪強度降低,邊坡巖體很容易沿軟弱層理面產生滑動;渠坡上第三系軟巖構造裂隙發(fā)育,與渠坡坡向垂直的裂隙易形成塌滑體的側向切割面,與渠坡走向基本一致的裂隙,由于坡面附近的應力跡線出現偏轉,最大主應力與坡面近于平行,裂隙受到坡面拉應力的作用,張開度加大,易形成滑坡后壁;以上各類結構面與渠坡的不利組合為渠坡滑動創(chuàng)造了有利的幾何邊界條件。

3.3 其它因素的影響

對于已經處于極限平衡狀態(tài)的渠道邊坡,施工爆破及重型機械震動均會使渠道邊坡的失穩(wěn)破壞加速。該渠坡塌滑就發(fā)生在機械削坡過程中,機械震動對渠坡穩(wěn)定性有一定的影響。因此在邊坡開挖過程中修坡工序盡量使用人工修坡,避免重型機械施工對邊坡穩(wěn)定的影響。

4 結語

綜上所述,根據場區(qū)工程地質條件分析,潞王墳膨脹巖試驗段樁號SY1+179.7～SY1+240.5段三次渠坡巖體塌滑,其形成主要受粘土巖的膨脹性及軟巖結構面與邊坡坡向的組合關系所控制,粘土巖的膨脹性是邊坡塌滑的決定性因素,結構面與渠坡的不利組合為渠坡塌滑創(chuàng)造了有利的邊界條件。

軟巖邊坡(特別是膨脹巖邊坡)施工時,不但要預留足夠的保護層厚度,并且要在邊坡開挖后最短的時間段內,及時采取措施對邊坡進行封閉,防止干濕交替引起巖體脹縮變形;在雨季施工時,渠坡上部要布設排水溝,使雨水集中匯流,減少降水對邊坡的沖刷。

[1] GBJ112—87,膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范[S].

[2] SL264—2001,水利水電工程巖石試驗規(guī)程[S].

[3] 劉佑榮,唐輝明.巖體力學[M].武漢:中國地質大學出版社,1999.

(責任編輯:胡立智)

The Mechanism Analysis about Channel Slope Landslide of Luwang Grave Swelling Rock(soil)Test Section of the South-to-NorthWater Transfer Project

TANG Jianli,CHEN Zhenquan
(Henan Water&Power Consalting Engineering Co.,L td.,Zhengzhou,Henan450003)

The landslide has occurred be tween 2～4 class horses road of Piles SY1+179.7～SY1+240.5 left bank slope at Luwang grave expansive rock(soil)test section of the South-to-North water diversion for 3 times during the projectwas construct and excavate.In this paper,based on the engineering geological conditions of channel slope,the lithologic characters of strata,and expandability of claystone and its features of structural plane were analyzed.Those showed that the landslide of channel slope were mainly controlled by expandability of claystone and the combination of structural plane ofweek rock and slope aspects,the expandability of claystone was the determinate factor of landslide and the unfavorable combination of structural plane and channel slope is beneficial boundary conditions of the landslide.

Middle Route South-to-NorthWaterDiversion;Luwang grave expansive rock(soil)test section;the landslide of channel slope

TV68

A

1671-1211(2010)05-0554-05

2010-03-17;改回日期:2010-09-27

唐建立(1982-),男,助理工程師,勘查技術與工程專業(yè),從事工程地質與水文地質勘察工作。E-mail:wf969@yahoo.com.cn