黃星高

(中交公路規(guī)劃設計院四川分公司，四川成都 610041)

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嘉陵江蒼溪航電樞紐船閘工程高邊坡穩(wěn)定性分析

黃星高

(中交公路規(guī)劃設計院四川分公司，四川成都 610041)

【摘要】蒼溪船閘工程右邊墻開挖后將形成最大高約40 m的巖質高邊坡，其規(guī)模較大，邊坡開挖后巖體卸荷變形及結構面切割形成的潛在不穩(wěn)定塊體對邊坡的臨時和永久穩(wěn)定帶來較大影響。文章采用赤平投影分析、CSMR法、塊體穩(wěn)定理論等多種方法，分析該巖質高邊坡在開挖后的穩(wěn)定性及卸荷變形趨勢，為船閘工程的設計、施工提供支持。

【關鍵詞】巖質高邊坡;穩(wěn)定分析;赤平投影;CSMR法;楔形體破壞

1工程概況

蒼溪航電樞紐工程是嘉陵江干流渠化開發(fā)規(guī)劃的第三個梯級，其蒼溪船閘工程位于嘉陵江右岸(圖1)，閘室右側邊墻需開挖嘉陵江右岸山體，形成最大高40m的人工巖質高邊坡后采用鋼筋混凝土結構澆筑而成。

本文主要分析該船閘內側閘墻建設所形成的巖質高邊坡的穩(wěn)定性。

圖1　工程場地位置

2環(huán)境地質條件

2.1自然地理

蒼溪航電工程位于四川省廣元市蒼溪縣城上游3km處鄭家濠溝附近，地貌類型主要為構造剝蝕低山丘陵及侵蝕堆積河谷地貌， 構造剝蝕低山丘陵區(qū)占本區(qū)面積的90 %以上，丘陵高程500～700m，相對高差50～200m。

2.2地質構造和地震

工程區(qū)大地構造屬四川沉降帶之川中旋扭構造體系，場地位于蒼溪向斜南西段核部附近(圖2)。

圖2　地質構造綱要

工程區(qū)位于蒼溪向斜南東翼，該向斜為一寬緩褶皺。巖層走向總體呈北東向，傾角平緩。工程區(qū)構造簡單，無大的斷裂構造，構造裂隙不發(fā)育。巖層傾角平緩，產狀為230°∠6°～10°，裂隙稍發(fā)育，優(yōu)勢結構面為層面，同時陡坡地帶卸荷裂隙較為發(fā)育。工程區(qū)巖體主要有4組裂隙，分別為：

裂隙①：層面裂隙，產狀為230°∠6°～10°，裂隙平整，較粗糙。

裂隙②：產狀為120°∠75°，裂面粗糙，起伏不平，張開，張開度0.3～0.8cm，無充填，延伸度約1.8～2.2m，間距一般1.6～2.0m，間距最小0.6～0.8m，平行邊坡，為卸荷裂隙。

裂隙③：產狀為260°∠70°，裂面粗糙，起伏不平，張開，張開度0.3～1cm，泥質松散充填，延伸度約6m，間距1.2～1.4m。

裂隙④：產狀為165°∠65°～80°，裂面粗糙，起伏，微開，張開度0.2～0.5cm，無充填，延伸度6～8m，間距2.4～3.6m。

其中最發(fā)育裂隙為層面裂隙①和卸荷裂隙②。

區(qū)內歷史地震主要受外圍地震活動影響，影響烈度均較小，未見破壞性地震。根據(jù)GB18306-2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》及其第1號修改單(2008年)，工程區(qū)場地地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.4s，對應的地震基本烈度Ⅵ度，區(qū)域構造穩(wěn)定性屬穩(wěn)定區(qū)。

2.3地層巖性

船閘區(qū)出露地層主要為中生界白堊系蒼溪組(Kc)的粉砂質泥巖、砂巖及第四系松散堆積層(Q)。

2.3.1中生界白堊系蒼溪組(Kc)

根據(jù)工程區(qū)巖性特征，將蒼溪組(Kc)分為三個亞層(Kc1、Kc2、Kc3)。該層巖石強風化帶厚一般1.8～7.8m，中風化帶厚一般15～26m。

(1)粉砂質泥巖(Kc1):紫紅色，厚層狀，水平狀微層理發(fā)育，泥質結構，主要由黏土礦物組成，局部夾青灰色砂質團塊。鉆探揭露到該層，位于砂巖之下，鉆探深度內未揭穿，揭露厚度大于11.0m。多為中風化及微風化巖石。

(2)砂巖(Kc2)：青灰色，淺灰色，巨厚層狀塊狀構造，中～細粒結構，泥質膠結，膠結程度一般，主要成分由巖屑、長石、石英等組成，巖體完整，裂隙不發(fā)育，偶見70°～75°陡傾角裂隙，裂面粗糙不平，張開無充填，在鉆探過程中漏水。船閘區(qū)揭露厚度0.0～28.75m。

(3)粉砂質泥巖夾砂巖(Kc3)：粉砂質泥巖，褐黃色、紫紅色，薄～中厚層構造，泥質結構，局部砂質含量較重，水平狀微層理發(fā)育。僅在船閘后緣坡頂揭露到該層，揭露厚度0.0～11.06m。

2.3.2第四系堆積層(Q)

3巖質高邊坡的地質結構

如前文第2.2節(jié)所述，組成蒼溪船閘右邊墻高邊坡的巖層為白堊系蒼溪組砂巖、泥巖，根據(jù)巖層厚度及結構，自上而下大致分為三層，分別為Kc3、Kc2、Kc1。其中Kc3為薄～中厚層狀的粉砂質泥巖和砂巖的互層產出，Kc2為較純粹的巨厚層塊狀結構的青灰色砂巖，Kc1為較純粹的中～厚層狀產出的紫紅色粉砂質泥巖(圖3)。

圖3　船閘邊坡地質結構

根據(jù)鉆探及地表調查揭示，Kc3砂巖、泥巖互層產出時，層間結合不緊密，層間裂隙較為發(fā)育，且在砂巖和泥巖中多發(fā)育薄夾層，兩層中厚層的泥巖中夾薄層砂巖或兩層中厚層的砂巖中夾薄層泥巖，也導致其強風化層較為發(fā)育。而Kc2巨厚層狀的青灰色砂巖則幾乎為一個單一沉積層，鉆探及調查均未發(fā)現(xiàn)明顯層面，該層構成了該巖質高邊坡下半部或者說構成了船閘右邊墻所開挖部分。據(jù)鉆探揭露，Kc1為性質較為單一的紫紅色粉砂質泥巖，該層地表未發(fā)現(xiàn)露頭，主要通過鉆探揭露，位于船閘基坑開挖線之下，局部會有所揭露。鉆探表明，這里所區(qū)分的三層巖層之間無明顯的軟弱泥化夾層發(fā)育。

根據(jù)調查蒼溪船閘場址區(qū)主要發(fā)育一組卸荷裂隙、一組層面裂隙和兩組構造裂隙。其產狀如前文第2.2節(jié)所述，其中層面裂隙沿基巖沉積層面發(fā)育，在Kc3中較為發(fā)育，在Kc2、Kc1中均較為少見。卸荷裂隙主要和該段河岸走向相關，傾向坡外。而構造裂隙則和場地歷史時期曾經受到的構造應力有關，發(fā)育為兩組近垂直相交的“X”型節(jié)理，和層面近乎垂直。從發(fā)育密度來看，層面裂隙主要在邊坡上部Kc3中較為發(fā)育，卸荷裂隙相對而言在巨厚層砂巖中較為明顯，而構造裂隙總體而言密度較低且多為密閉裂隙。

根據(jù)對Kc1粉砂質泥巖、Kc2巨厚層砂巖巖芯鉆探取樣進行室內巖石力學試驗(表1)，Kc1粉砂質泥巖試驗結果離散型較小，而Kc2砂巖試驗結果離散型相對較大，但仍在允許的范圍內。總體而言砂巖、泥巖單軸抗壓強度有一定差異，而抗剪強度(垂直于層面)則差異較小。

4高邊坡的穩(wěn)定性分析

根據(jù)設計方案，船閘內側將形成最高約40m的人工巖質高邊坡，邊坡主要由強～中風化砂泥巖互層及砂巖組成。本文擬在上述對該巖質邊坡的地質分析的基礎上，采用赤平投影分析、CSMR邊坡質量分類、剛體極限平衡分析幾個方面分別進行分析，預測邊坡開挖后可能的邊坡破壞型式和規(guī)模，為設計和施工提供參考。

根據(jù)調查，邊坡巖體內發(fā)育4組結構面，依據(jù)GB50330-2002《建筑邊坡工程技術規(guī)范》附錄A進行分類(表2)。邊坡巖體強風化砂巖屬于Ⅳ類巖體，中風化砂巖屬于Ⅲ類巖體。

4.1赤平投影分析

根據(jù)巖層結構面和邊坡坡向作船閘右邊墻巖質邊坡赤平極射投影圖(圖4)。

圖4　船閘右邊墻高邊坡赤平投影

該段邊坡為逆向坡，巖層傾向坡內，巖層傾角平緩(6°～10°)，故對邊坡整體穩(wěn)定性有利。但卸荷裂隙結構面②與X型構造節(jié)理③、④的相交，其交線均傾向坡外，傾角小于坡角，形成“楔形體”，存在邊坡產生楔形體崩塌的可能。綜上所述，巖層傾向坡內，巖體完整性較好，故邊坡總體是穩(wěn)定的。但由于結構面組合后形成塊體，存在局部崩塌的可能。

表1　船閘高邊坡巖石室內試驗成果統(tǒng)計

表2　邊坡巖體分類

4.2半定量的CSMR邊坡質量分類

CSMR分類是巖質邊坡的穩(wěn)定性分類，其主要系根據(jù)邊坡的巖體質量和影響邊坡的各種因素進行綜合測評，然后對其穩(wěn)定性進行分類，半定量地進行巖質邊坡穩(wěn)定性評價。CSMR分類因素主要分為兩個部分：一部分是巖體基本質量RMR，由巖石強度、RQD、結構面間距、結構面條件及地下水等因素綜合確定；另一部分是各種邊坡影響因素的修正，包括邊坡高度系數(shù)(ξ)、結構面方位系數(shù)(F1、F2、F3)、結構面條件系數(shù)(λ)及邊坡開挖系數(shù)(F4)。采用積差評分模型，其表達式為：

CSMR=ξ·RMR-λ·F1·F2·F3+F4

(1)

式中：坡高系數(shù)按右式計算 ξ=0.57+34.4/H，H為坡高(m)；

RMR分類參數(shù)及評分標準參見DL/T5337-2006規(guī)范附錄B表B.2；

λ取值參見DL/T5337-2006規(guī)范附錄B表B.4；

F1為反映結構面傾向與邊坡傾向間關系的系數(shù)；

F2為與結構面的傾角相關的系數(shù)；

F3為反映邊坡傾角與結構面傾角關系的系數(shù)；

F1、F2、F3取值參見DL/T5337-2006規(guī)范附錄B表B.3；

F4為開挖方法系數(shù)，取值參見DL/T5337-2006規(guī)范附錄B表B.5。

根據(jù)DL/T5337-2006《水電水利工程邊坡工程地質勘察技術規(guī)程》附錄B取值規(guī)定，坡高按最高40m計，坡高系數(shù)ξ=1.43，RMR取值見表3。結構面傾角與邊坡傾向夾角的10°～20°，系數(shù)F1=0.7；結構面傾角系數(shù)F2=1；邊坡傾角與結構面傾角的關系(邊坡傾角+結構面傾角)合為165°～195°，系數(shù)F3=25；邊坡開挖方法為光面爆破，系數(shù)F4=8，結構面為裂隙，系數(shù)λ=0.9。

根據(jù)式(1)，CSMR值計算為55.0～57.8 ，根據(jù)DL/T5337—2006《水電水利工程邊坡工程地質勘察技術規(guī)程》附錄B表B.6，邊坡穩(wěn)定性評價為：巖體類別為Ⅲ類，巖體質量為中等，其穩(wěn)定性為基本穩(wěn)定，應進行局部加固處理。

表3　RMR取值

4.3剛體極限平衡分析

當巖質邊坡的結構面組合的交線傾向坡外，且具有臨空面等滑動條件時，可能發(fā)生楔形體破壞。根據(jù)DL/T5337—2006《水電水利工程邊坡工程地質勘察技術規(guī)程》附錄E，該類楔形體破壞的穩(wěn)定性系數(shù)Fs可按式(2)計算：

(2)

式中：Na、Nb為由重力W引起的作用于結構面a、b上的法向分力(kN)；

φa、φb為結構面a、b的內摩擦角(°)；

Ca、Cb為結構面a、b的內聚力(kPa)；

Aa、Ab為結構面a、b的面積(m2)；

βab為結構面a、b交線的傾角；

W為楔形體的重力(kN)。

根據(jù)圖4船閘右邊墻人工邊坡赤平投影作圖分析，卸荷裂隙②與”X”型構造裂隙③、④交線傾向坡外，傾角小于坡角，形成“三角型楔形體”，有發(fā)生楔形體破壞型崩塌的可能，這里選取裂隙②、③組合，根據(jù)式(2)計算其穩(wěn)定性系數(shù)。

由上文描述可知，控制邊坡塊體穩(wěn)定的楔形體主要由卸荷裂隙和一組X節(jié)理控制。卸荷裂隙產狀為220°∠75°，裂面粗糙，起伏不平，張開，張開度0.3～0.8cm，無充填，延伸度約1.8～2.2m，間距一般1.6～2.0m。與卸荷裂隙產生不利組合的一組節(jié)理為X節(jié)理的一個，產狀為165°∠65°～80°(取為165°∠75°)，裂面微開，無充填，延伸度6～8m，間距2.4～3.6m。據(jù)此，楔形體計算模型取兩倍卸荷裂隙延伸長度(即4m)，作為可能發(fā)生楔形體破壞的邊坡計算高度。裂隙面強度參數(shù)參考《巖體力學》的定義，根據(jù)《鐵路工程地質手冊》有關節(jié)理面經驗數(shù)據(jù)，取C=10kPa(與裂隙的聯(lián)通情況有關)，φ=24°(tgφ=0.45)。取砂巖天然容重γ=24kN/m3，不考慮地下水影響。

利用上述式(2)，計算結果為：

Fs=1.40

計算結果顯示楔形體總體而言處于穩(wěn)定狀態(tài)，不易發(fā)生楔形體破壞。

但是需要注意的是，上述公式計算的結果僅僅說明該類大規(guī)模楔形體破壞不易發(fā)生，而并不能排除偶有發(fā)生小規(guī)模楔形體破壞的可能。

5結論

(1)蒼溪船閘右邊墻人工高邊坡最高達40m左右，且坡角閘室部分近垂直開挖高度達22m。根據(jù)鉆探及現(xiàn)場調查，該人工高邊坡地質結構主要由Kc3、Kc2、Kc1三層組成。其中Kc3砂泥巖互層厚15m左右，位于邊坡上部，具備放坡空間，可采用放坡的辦法減小應力集中對邊坡穩(wěn)定的不利影響；Kc2青灰色砂巖強度較高，裂隙較少發(fā)育，巖體較完整，厚度達25m左右，構成了閘室右邊墻邊坡的主要巖體，總體而言該層砂巖穩(wěn)定性較好，但其中發(fā)育的卸荷裂隙和一組X節(jié)理的組合，其相交線傾向坡外，有發(fā)生楔形體破壞的可能；Kc1粉砂質泥巖位于閘室基礎之下，對邊坡穩(wěn)定影響較小。

(2)經過分析計算，總體而言該巖質邊坡巖層緩傾坡內，邊坡整體穩(wěn)定，無控制邊坡的長大軟弱結構面發(fā)育；零星發(fā)育的卸荷裂隙和X型節(jié)理的組合對邊坡的局部穩(wěn)定不利，有發(fā)生小規(guī)模楔形體破壞的可能，該船閘右邊墻人工巖質高邊坡在Kc3進行了足夠的放坡，降低邊坡應力集中的程度之后，閘墻直立邊坡可不考慮全墻系統(tǒng)的錨固措施，可根據(jù)開挖狀況，發(fā)現(xiàn)局部裂隙密集的地方進行加固即可。

參考文獻

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【中圖分類號】TV61

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2016-05-06