南水北调中线一期工程潞王坟膨胀岩试验段渠坡塌滑机理分析

唐建立,陈振全

(河南省水利勘测有限公司,河南郑州 450003)

南水北调中线一期工程潞王坟膨胀岩试验段渠坡塌滑机理分析

唐建立,陈振全

(河南省水利勘测有限公司,河南郑州 450003)

南水北调中线工程潞王坟膨胀岩(土)试验段设计桩号SY1+179.7～SY1+240.5段左岸边坡二—四级马道之间,施工开挖过程中,先后发生了3次塌滑。从渠坡工程地质条件出发,通过对该段渠坡地层岩性特征、粘土岩的膨胀性及其结构面性质等方面进行分析,阐明了渠坡塌滑主要受粘土岩的膨胀性及软岩结构面与边坡坡向的组合关系所控制,粘土岩的膨胀性是边坡塌滑的决定性因素,结构面与渠坡的不利组合为渠坡塌滑创造了有利的边界条件。

南水北调中线工程;潞王坟膨胀岩试验段;渠坡塌滑

0 引言

南水北调中线工程是从水量丰沛的长江流域向缺水的华北平原输水,是缓解河南、河北和京津地区水资源危机的特大型跨流域调水工程,以城市供水为主要目标,兼顾农业与生态,是党中央、国务院对我国经济社会发展需要做出的重大决策,不仅经济效益巨大,而且政治意义深远。

南水北调中线工程线路长1 427.17 km,渠道沿线地质条件复杂,其中穿越膨胀岩土渠段累计长约340 km,膨胀岩土因其特殊的工程性质,易造成渠道边坡失稳,对工程的安全运行产生严重危害,而且其处理难度大、处理措施投资费用高。

总干渠沙河南—漳河南渠段总长472 km,渠线穿越膨胀岩土段累计长134.7 km,占渠线总长的28.5%。其中弱膨胀岩分布长43.4 km,中—强膨胀岩分布长66.6 km,第四系弱膨胀土分布长度约26.5 km。

2005年9月,南水北调中线干线工程建设管理局组织相关单位在郑州召开了“南水北调中线工程总干渠膨胀土(岩)渠坡处理专家咨询会”,与会专家和代表一致认为,膨胀土(岩)的处理是南水北调中线工程的主要技术难题之一,进行现场试验研究是十分必要的,其研究成果可为南水北调中线工程总干渠膨胀土(岩)渠坡处理找到安全可靠、经济合理的措施,也为工程设计的优化提供依据,并建议现场试验应按膨胀土段、膨胀岩段分别进行。

潞王坟膨胀岩试验段位于河南省新乡市凤泉区潞王坟乡,试验段起点设计桩号SY0+000(Ⅳ120+500),坐标X=3 920 144.132,Y=38 492 791.720,终点设计桩号SY1+500(Ⅳ122+000),坐标X=3 921 279.310,Y=38 493 769.790,全长1.5 km,主要对膨胀岩的工程特性进行专题研究。试验段北依凤凰山,地貌单元属软岩丘陵区,地面高程91～134 m,沿线地层岩性主要为上第三系上新统潞王坟组(N2L)粘土岩、砂质粘土岩,局部夹有泥灰岩、砂岩、砾岩薄层或透镜体。

试验段SY1+155～SY1+260段渠道设计渠底高程为91.54 m,设计水位98.694 m,设计边坡为5级,一级马道之下坡比为1∶2.5,二级坡比为1∶2.25,三级边坡比为1∶2.0,四级边坡比1∶1.75,除一级马道设计宽度5 m外,其他马道设计宽度均为2 m。该段渠道开挖过程中,二—四级马道之间渠坡先后发生了3次渠坡塌滑现象,塌滑体总长度60.8 m,塌滑体总方量约900 m3(见图1)。

1 渠坡塌滑体特征

试验段SY1+155～SY1+260段渠道于2007年12月开始施工,在边坡开挖过程中,自12月5日始,在以后的19天内,左岸边坡二—四级马道之间共发生3次渠坡塌滑现象,塌滑体总长度60.8 m,塌滑体总方量约900 m3。

第一次塌滑发生在12月5日上午8点半左右,当时二—三级马道之间的渠道边坡开挖尚未达到设计要求,正值施工单位在该处使用挖掘机进行修坡,塌滑体从三级马道下5.4～6.6 m的位置向下滑动。塌滑体沿总干渠走向长度18.8 m,顺渠道边坡倾向方向宽度6.0 m,塌滑深度约1.15 m,塌滑体积约129.7 m3。该塌滑体主滑动面、后壁及侧壁光滑平直,壁面均具蜡状光泽,见有明显的擦痕。在滑动体以上的渠坡(三级马道以下)可见有两条平行滑动体的小拉张裂缝,延伸不长。滑动体的岩性主要为砂质粘土岩,主滑动面的岩性为粘土岩(见照片1、2)。

1.岩性界线;2.塌滑后壁;3.边坡马道。

照片1 塌滑体后缘张裂隙Photo 1 Tension facture at landslide body rear edge

照片2 塌滑体侧壁、滑动面Photo 2 Side wall and slip surface of landslide body

第二次塌滑发生在2008年12月12日下午17点左右,在紧靠第一次塌滑体右侧偏上位置沿原有主滑面又发生了一次滑动,塌滑体亦位于二级—三级马道之间。塌滑体沿总干渠走向长度28.9 m,滑动体上部(三级马道以下)可见有平行滑动体的小拉张裂缝,延伸不长。该塌滑体在SY1+211.6～SY1+228.6处与为第一次塌滑体相连接。塌滑体的岩性主要为砂质粘土岩和粘土岩,主滑动面的岩性主要为粘土岩。

第三次塌滑规模最大,发生在2008年12月24日上午,在第一次塌滑体的左上侧位置渠坡沿前两次塌滑体主滑面又发生了滑动,滑坡后壁呈弧形。滑动体沿主滑动面切穿了三级马道,滑坡后壁延至三级马道—四级马道之间,塌滑体沿总干渠走向长48.2 m,滑体最大厚度约1.55 m。该次塌滑体上游剪切裂缝较为明显,同时在塌滑体上还见有顺坡向裂隙。塌滑体在桩号SY1+209.8～SY1+227.9位置与第二次塌滑体相连接。该塌滑体左翼岩性主要为粘土岩,右翼岩性主要为成岩较差的泥灰岩,主滑动面的岩性主要为粘土岩和砂质粘土岩。

由三次滑坡形成的时间和空间上的关系可以看出:三次滑塌,并不是孤立存在的,首先,三次塌滑相隔的时间短,第二次塌滑与第一次塌滑相隔仅7 d,第三次与第二次塌滑相隔12 d,并且三次滑坡的主滑面基本一致,滑动体的切割深度基本相同。其次,三次塌滑在空间上展布有一定的规律,第一次塌滑分布在渠坡的最下游(二级马道的坡脚处),第二次塌滑位于其右上侧,第三次塌滑基本位于其左上侧位置,三次塌滑体的体积和宽度呈现渐次增大趋势。可见,三次塌滑为同一类型滑坡,滑坡的形成机理和控制因素相同。

2 场区工程地质概况

2.1 渠坡地层岩性

潞王坟试验段工程场区塌滑体一带出露地层为一套河湖相沉积、上第三系上新统潞王坟组软岩,其岩性以粘土岩、砂质粘土岩为主,夹有泥灰岩、砂岩(或砾岩)薄层或透镜体。地层波状起伏,岩性分布很不均一,沉积规律很差。现将该段地层岩性分述如下:该段渠坡典型地质剖面见图2。

(1)泥灰岩(N2L) 灰白色,少量灰绿色,泥质隐晶结构,层状构造,岩性不均,节理裂隙较发育,沿裂隙有铁锰质及泥质充填,成岩程度差异较大,既有成岩好的,又有成岩差的。该层主要分布于三级马道以上至四级马道附近,三级马道以下多呈薄层或透镜体状分布于粘土岩和砂质粘土岩之间。

图2 塌滑段桩号SY1+200处左侧渠坡地质横剖面Fig.2 Geological profile of leftQupo at SY1+200 landslide body

(2)粘土岩(N2L) 棕红色,局部棕红杂灰绿色,具滑感,多呈硬塑—坚硬状,裂隙发育,裂隙面见有蜡状光泽和擦痕,具有吸水膨胀、失水干缩的特点,易崩解。该层主要分布于桩号SY1+155～SY1+210的三—二级马道之间,其他部位呈薄层或透镜体状分布。

(3)砂质粘土岩(N2L) 棕黄色,稍具滑感,有明显的砂粒,局部棕红杂灰绿色,成岩差,多呈可塑—硬塑状。该层主要分布于三—二级马道之间,多与粘土岩成互层状分布。

(4)砂岩(N2L) 黄,褐黄色,局部杂浅黄色,中细粒结构,多数成岩差,呈松散状,局部成岩好,呈坚硬状镶嵌在成岩差的砂岩中。该层主要分布于二级马道以下。

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2.2 岩体物理力学性质

为了研究该段渠坡岩层的工程特性,在塌滑体、滑动面及其周边岩层中共取34组样品,根据《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112—87)[1]和《水利水电工程岩石试验规程》(SL264—2001)[2]的要求进行了室内膨胀性及抗剪强度等物理力学性试验,提出各岩层物理力学性参数建议值见表1。

表1 岩层物理力学性参数建议值表Table 1 The advised data for rock formation physicalmechanics

膨胀性试验成果表明:该渠段的粘土岩自由膨胀率一般44.0%～105%,具弱—强膨胀潜势;泥灰岩自由膨胀率28.0%～40.0%,不具膨胀性;砂质粘土岩自由膨胀率20%,不具膨胀性。其中塌滑体滑动面灰绿、棕红色粘土岩自由膨胀率80%～105%,具中等—强膨胀潜势;塌滑体后缘及两侧的棕红色、灰绿色粘土岩自由膨胀率44.0%～93.0%,具弱—中等膨胀潜势,个别具强膨胀潜势。

粘土岩结构面残余剪试验成果表明:粘聚力C′为12.6～28.3,内摩擦角φ′为38.2°～40.1°,通过工程实例类比,其强度明显大于现场滑动面的强度。

各岩层残余剪强度远小于其自然快剪强度。现场取样上第三系软岩各类原生结构面和构造裂隙发育,结构面一般较平直且无充填,其强度大致可取岩层的残余剪强度指标[3],岩体强度受软岩结构面强度控制,因此渠坡岩体的抗剪强度较低。

2.3 岩体结构

根据场区工程地质情况,该段渠坡为上第三系软岩边坡,破坏类型属于剪切滑动。由于主滑动面光滑平直,切割较浅,因此属于膨胀性软岩边坡浅层平面滑动类型,滑塌受岩体内结构面强度及类型控制。

渠坡岩体原生结构面主要为上第三系软岩层理面,上第三系软岩层岩性分布不均一,沉积规律性很差,层面起伏大,层理发育。根据现场地质编录资料,该段渠坡大部分岩层的层理面走向与总干渠的走向基本一致,倾向与渠道边坡同向,层理面倾角一般17°～20°。

渠坡开挖过程中,由于上部的荷载不断的减少,边坡的岩体在减荷的方向上(临空面)必然产生伸长变形,即卸荷回弹变形。由层状软岩组成的边坡,由于各层岩石性质差异较大,变形程度各不相同,卸荷回弹将会引起原生结构面的回弹破裂,使岩层层理面张开,抗剪强度降低。此外卸荷回弹变形超过岩层本身的抗变形能力时,还会在岩层内部产生一系列的张性结构面,如坡顶的铅直拉裂面、坡体内与坡面近于平行的压致拉裂面、坡底近于水平的缓倾角拉裂面等。

图3 节理裂隙玫瑰图Fig.3 Joints and fissures rose

图4 赤平投影图Fig.4 Stereographic projection

3 塌滑体形成机理分析

根据场区工程地质条件,该段边坡地层岩性主要为上第三系泥灰岩、粘土岩、砂质粘土岩、砂岩,影响渠坡稳定性的因素主要有粘土岩的膨胀性、上第三系软岩层理面和构造裂隙面的性质及其与边坡坡向的组合关系、边坡天然应力条件,另外渠道施工爆破及重型机械震动也是形成这次渠坡塌滑破坏的一个重要因素。

3.1 粘土岩的膨胀性因素

膨胀岩土的矿物成分是决定其工程性质的主要物质基础。根据该工程岩矿鉴定成果:泥灰岩的主要矿物为碎屑矿物(含量60%～80%)和粘土矿物(含量20%～40%),其中碎屑矿物成分主要为石英、方解石,以方解石为主,粘土矿物成分主要有蒙脱石和伊利石,以蒙脱石为主。粘土岩的主要矿物为粘土矿物(含量60%～70%)和碎屑矿物(含量30%～40%),粘土矿物主要由蒙脱石和伊利石组成,以蒙脱石为主,碎屑矿物以石英或方解石为主。

该渠段粘土岩自由膨胀率一般44.0%～105%,具弱—强膨胀潜势;泥灰岩自由膨胀率28.0%～40.0%,不具膨胀性;砂质粘土岩自由膨胀率20%,不具膨胀性。其中塌滑体滑动面灰绿、棕红色粘土岩自由膨胀率80%～105%,具中等—强膨胀潜势;塌滑体后缘及两侧的棕红色、灰绿色粘土岩自由膨胀率44.0%～93.0%,具弱—中等膨胀潜势,个别具强膨胀潜势。

总之,该渠段粘土岩具膨胀潜势,加之岩体内各类结构面发育,边坡施工中由于粘土岩暴露地表,外界环境条件的改变,风化及水理作用,使该膨胀岩原始结构发生变化,结构面张开度进一步扩展,导致渠坡岩体抗剪强度大大降低,因此粘土岩的膨胀性直接影响着渠道边坡的稳定性。

3.2 结构面性质及其与边坡的组合关系

该段渠坡破坏类型属于软岩边坡剪切滑动,滑面平直,属于平面滑动类型,边坡的稳定性受岩体内各类结构面强度性质控制,岩体内的结构面主要为层理面和构造裂隙面。

除岩体中的原生结构面外,该渠段渠坡上第三系软岩中构造裂隙也较为发育。该段渠坡构造裂隙也较发育。其中走向270°～295°和走向300°～340°的两组裂隙,与渠坡走向基本垂直,裂隙面倾向北东,倾角45°～65°,其裂隙面附着有1～2 mm泥化层,见有蜡状光泽、擦痕、黑色铁锰质薄膜及灰绿色粘土矿物,且含水率较高,该两组裂隙与渠坡坡向垂直,因此最易形成塌滑体的侧向切割面。走向0°～40°和走向50°～90°的两组裂隙与渠坡走向基本一致。由于坡面附近主应力迹线均会出现明显的偏转,该组裂隙受到坡面拉应力的作用,张开度加大,易形成渠坡塌滑。

综上所述,由于该段渠坡各层软岩的层理面走向与总干渠的走向基本一致,倾向与渠道边坡倾向一致,层理面,卸荷回弹使层理面张开,岩体抗剪强度降低,边坡岩体很容易沿软弱层理面产生滑动;渠坡上第三系软岩构造裂隙发育,与渠坡坡向垂直的裂隙易形成塌滑体的侧向切割面,与渠坡走向基本一致的裂隙,由于坡面附近的应力迹线出现偏转,最大主应力与坡面近于平行,裂隙受到坡面拉应力的作用,张开度加大,易形成滑坡后壁;以上各类结构面与渠坡的不利组合为渠坡滑动创造了有利的几何边界条件。

3.3 其它因素的影响

对于已经处于极限平衡状态的渠道边坡,施工爆破及重型机械震动均会使渠道边坡的失稳破坏加速。该渠坡塌滑就发生在机械削坡过程中,机械震动对渠坡稳定性有一定的影响。因此在边坡开挖过程中修坡工序尽量使用人工修坡,避免重型机械施工对边坡稳定的影响。

4 结语

综上所述,根据场区工程地质条件分析,潞王坟膨胀岩试验段桩号SY1+179.7～SY1+240.5段三次渠坡岩体塌滑,其形成主要受粘土岩的膨胀性及软岩结构面与边坡坡向的组合关系所控制,粘土岩的膨胀性是边坡塌滑的决定性因素,结构面与渠坡的不利组合为渠坡塌滑创造了有利的边界条件。

软岩边坡(特别是膨胀岩边坡)施工时,不但要预留足够的保护层厚度,并且要在边坡开挖后最短的时间段内,及时采取措施对边坡进行封闭,防止干湿交替引起岩体胀缩变形;在雨季施工时,渠坡上部要布设排水沟,使雨水集中汇流,减少降水对边坡的冲刷。

[1] GBJ112—87,膨胀土地区建筑技术规范[S].

[2] SL264—2001,水利水电工程岩石试验规程[S].

[3] 刘佑荣,唐辉明.岩体力学[M].武汉:中国地质大学出版社,1999.

(责任编辑: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,助理工程师,勘查技术与工程专业,从事工程地质与水文地质勘察工作。E-mail:wf969@yahoo.com.cn