三峡库区某高切坡特征及稳定性评价

张 宇, 夏祖平, 陈 新, 刘国琪, 李尚高

(中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司,湖南 长沙 410014)

三峡库区某高切坡特征及稳定性评价

张 宇, 夏祖平, 陈 新, 刘国琪, 李尚高

(中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司,湖南 长沙 410014)

通过深入研究重庆市某高切坡的地质特征,分段采用不同方法计算切坡体的稳定性,得出切坡体可能的失稳部位及失稳方式,并在此基础上进行针对性治理,从而为其它类似工程的稳定分析与治理提供借鉴。

三峡库区;高切坡;地质特征;稳定性分析;治理方案

高切坡也称人工削坡工程。“陡”、“高”是高切坡主要形态特征,强烈而连续的卸荷则是高切坡主要力学根源,高切坡具有渐变性、失稳性、突变性。根据重庆市建委2002年制定的《进一步规范重庆市高切坡、深开挖、高填方项目管理的若干规定》中定义高切坡为≥15 m的岩质边坡及≥8 m的土质边坡。三峡库区存在大量的高切坡[1],某些高切坡位于居民生活区,这些高切坡的特征及稳定性如何,后期如何治理关系到人民群众生命安全,需特别重视处理。本文以重庆市某住宅楼后方高切坡为例,系统对该高切坡的特征及稳定性进行分析,并提出治理建议,对相关工程起到一定的借鉴作用。

1 地质条件概况

本区属新华夏系一级构造四川沉降褶皱带之川东褶皱束北东端部分,挽近期构造运动表现为大面积间歇性上升隆起,属区域构造相对稳定区。本区出露的基岩地层为侏罗系中统上沙溪庙组,分布广泛。构造形迹以向斜为主,区域断裂少见。区内50年基准期超越概率10%的地震动峰值加速度为0.05g,相应地震基本烈度为Ⅵ度。

本区属构造—剥蚀低山丘陵地貌,区内出露的上沙溪庙组(J2s)地层岩性为一套紫红色泥岩、粉砂质泥岩夹砂岩。第四系(Q)地层主要有残坡积物(Qedl)及地滑堆积物(Qdel)等。高切坡区位于万县向斜的北东端近核部,岩层倾角总体较平缓。根据区域地质资料分析,结合现场地质测绘,区内无断层分布,地质构造简单,多为单斜岩层。区内地表水系主要由长江及其支流构成,地下水类型为松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水。

2 基本特征

2.1 形态特征

该高切坡总长237 m,最大切坡高度13 m,切坡坡角50°～75°,切坡斜面面积3 095 m2。根据其形态特征可分为4段:

第1段位于剖面2-2′以东,为自然坡。坡长约68 m,坡高28～33 m;坡面走向N67°W,倾向NE,坡面角25°～30°,坡底距住宅楼13～23 m;第2段位于2-2′～4-4′剖面范围,坡长约64 m,最大切坡高度13 m,坡面走向N87°W,倾向NE。该段分2级,第一级切坡高度10～13 m,坡面角50°～60°,局部近70°。第二级为人工开挖的宽缓平台,宽度25～28 m,高度3～10 m,坡面角5°～20°;第3段位于4-4′～5-5′剖面范围,该段因人工开挖而形成凹地形,切坡可分为两级。第1级切坡地形略缓,坡长约20 m,坡高为3～7 m,坡面走向N87°W,倾向NE,坡角50°。第2级切坡地形陡,坡长约33 m,坡高7～13 m,坡面走向N84°W,倾向NE,坡角65°～70°;第4段位于5-5′～8-8′剖面范围,坡长约85 m,最大切坡高度13 m,坡面走向N84°W,倾向NE,开挖坡角65°～75°,见图1。

2.2 物质组成及结构特征

高切坡区主要出露地层为侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)及第四系松散堆积物(Q),根据现场勘察成果分析,分段描述如下:

图1 高切坡区地质平面图Fig.1 Geological plan of high cutting slope1.第四系地滑堆积物(Qdel):粉质粘土夹碎石、块石;2.第四系残坡积物(Qedl):粉质粘土夹碎石;3.侏罗系中统上沙溪庙组(J2s):紫红色厚层状泥质粉—细砂岩夹泥岩;4.侏罗系中统上沙溪庙组(J2s):紫红色厚层状泥岩夹薄层状砂岩;5.侏罗系中统上沙溪庙组(J2s):紫红色厚层状泥质粉砂岩夹泥岩;6.第四系与基岩分界线;7.岩性分界线;8.推测岩性分界线;9.地滑堆积物界线;10.裂隙产状及编号;11.岩层产状;12.钻孔位置;13.探槽及编号;14.剖面线及编号。

第1段边坡组成物质主要为第四系残坡积物Qedl(编号②),厚度7.3～11.5 m;第2段切坡组成物质上部为Qedl,厚度1.8～4.5 m。切坡面出露基岩分2层,上部为紫红色厚层状泥岩夹薄层状砂岩(编号④),厚度>10 m;下部为紫红色厚层状粉砂岩夹砂岩(编号⑤),厚度>26 m。第3、4段切坡组成物质上部为Qedl,厚度1.8～6.5 m,局部分布有地滑堆积物Qdel(编号①),厚度1.0～3.0 m。切坡面出露基岩分2层,上部为浅灰—灰白色厚层状粉—细砂岩(编号③),厚度>8.25m;下部为紫红色厚层状泥岩夹薄层状砂岩(编号④),厚度11 m。基岩岩层产状为:N10°W,SW∠6°～10°,为单斜地层。高切坡岩体属平缓层状结构,为斜交坡。

该区地质构造较为简单,断层不发育,节理主要发育4组:① N45°～60°W,NE∠80°～83°,面平,宽0.1～0.5 cm,延伸长5～6 m,充泥,结合差。②N55°～85°W,NE∠55°～70°,面较平,宽0.2～0.3 cm,延伸长4～9 m,面平,充泥,见有少量近水平擦痕,压扭性节理。基本顺坡向,卸荷追踪,局部沿节理面有渗水现象,结合差。③ N75°E,NW∠80°,面平,微弯,宽0.2 cm,延伸长5 m,结合差。④N5°W,NE∠30°,面粗糙,微弯,有少许泥充填,宽0.2 cm,延伸长5 m左右,结合差。

2.3 水文地质条件

切坡区外围两侧不远处均为深切冲沟,为地表水集中排泄的主要通道。测区范围内无天然地表水体分布。高切坡汇水面积为0.02 km2。地下水类型为松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水。根据钻孔揭露,地下水埋深3.2～6.2 m。地滑堆积体渗透系数一般为1×10-2～1×10-3cm/s,属中等透水层;由泥岩夹砂岩组成的地质体,渗透系数一般为1×10-6～1×10-5cm/s,属微透水层。

3 稳定性分析

3.1 变形破坏现状

根据平面地质测绘,高切坡已发生的变形破坏有滑坡、崩塌等。第1段边坡2-2′剖面下部原有一圈椅型地形,勘测期间因暴雨此处发生了浅层滑坡(照片1),体积约250 m3;第1段边坡2-2′剖面附近小陡坎和第4段切坡坡顶有浅层滑坡发生(照片2、照片3);第2段切坡因抗滑桩前部土体开挖,桩间土坍塌导致桩体外露,桩间的连拱大多发生了变形甚至垮塌。桩后土体经长期暴雨作用下形成流土从桩间空隙中滑出(照片4);第4段切坡分布有地滑堆积物(剖面5-5′与剖面6-6′间(照片5),体积约1 000 m3;第2、3、4段边坡基岩已经发生的变形破坏主要为暴露在切坡面上的泥岩在干湿作用下发生剥落破坏,局部砂岩倒悬发生小的崩塌(照片6),规模小;也可见岩体沿结构面交线发生小的楔形体破坏。

照片1 土体滑坡Photo 1 Soil landslide

照片2 土体坍塌Photo 2 Slope failure

照片3 切坡顶部的土体坍塌Photo 3 Slope failure at the top of slope

照片4 桩间土发生流土Photo 4 Soil flow in earth among pile

照片5 地滑堆积物Photo 5 Landslide debris

3.2 稳定性分析计算与评价

根据高切坡地质条件和已发生的变形破坏现象,本高切坡变形破坏模式包括第四系松散堆积物的圆弧滑动、基岩楔形体滑动和崩塌。基于这三种变形破坏模式,分别进行稳定性分析。

3.2.1 圆弧滑动的稳定性分析

选取第1段高切坡的2-2′剖面进行稳定验算分析。后缘以建筑物分布区为界,前缘以坡脚为界,滑面为随机搜索的圆弧滑面(图2)。

根据《三峡库区高切坡防护工程地质勘察与初步设计技术工作要求》,采用瑞典条分法[2]计算其稳定性系数,计算工况分别选择自重、自重+暴雨两种工况。岩土体物理力学参数及计算结果见表1。

从计算成果可以看出,是否有地下水的作用对松散土体的稳定性系数影响很大,因此判断松散土体的稳定对地下水作用敏感。

3.2.2 楔形体稳定性分析[3]

该高切坡第3、4段发育4组节理裂隙,根据赤平极射投影图分析,岩层倾向与高切坡坡向大角度相交,近于垂直,为斜交坡。J2组、J3组、J4组节理彼此间组合交线的交点位于切坡同侧,结构面交线倾角小于切坡倾角,有可能构成楔形体(图3),造成高切坡的局部楔形体破坏,但规模很小。

表1 剖面圆弧滑动计算参数及成果表

按下列工况,选择代表性节理组合进行稳定验算,其采用参数和计算成果见表2。

工况Ⅰ:J3、J4组合,自重;工况Ⅱ:J3、J4组合,自重+暴雨(裂隙充水高度按H/3考虑);工况Ⅲ:J2、J3组合,自重。

图3 高切坡赤平极射投影图Fig.3 Stereographic projection of high cutting slope

表2 楔形体破坏计算参数和计算成果表

计算表明楔形体在自重工况下是稳定的,在雨季将失稳,计算结果与在雨季边坡出现的垮塌情况一致。

3.2.3 边坡崩塌分析

第2、3、4段高切坡出露基岩为泥质粉砂岩、泥岩,泥岩中所含矿物以伊利石、蒙脱石为主,具强亲水性,遇水膨胀、浸水崩解、失水干裂,在干湿作用下易呈鳞片状从母岩脱落。下部泥岩发生剥落破坏后,导致中部的泥质粉砂岩以上岩体悬空;下部泥岩剥落较深时,泥质粉砂岩以上岩体在自重的作用下产生卸荷裂隙,随着卸荷裂隙进一步张开,泥质粉砂岩不足以承受上部岩体的重量时,就会发生崩塌坡坏。图4示意了这种破坏形式渐进的发展过程。崩塌规模不大,主要表现在雨季出现垮塌。

3.2.4 边坡稳定性评价

根据以上计算成果分析,第1段切坡在天然状态、不考虑孔隙水压力的条件下(工况Ⅰ),边坡稳定性系数为1.424,大于边坡稳定安全系数1.30,处于稳定状态。在雨季,考虑水压力条件下(工况Ⅱ),边坡稳定性系数为1.141,小于边坡稳定安全系数1.30,第1段边坡处于整体欠稳定状态,需进行工程处理。

图4 泥岩夹砂岩地层高切坡渐进变形破坏示意图Fig.4 Sketch map of progressive failure of high cutting slope of mudstone alternated with sandstone1.泥岩;2.砂岩;3.裂隙;4.剥落堆积;5.崩塌堆积。

第2、3、4段切坡岩体属平缓层状结构,为斜交坡。具稳定的地质结构,且经勘察查明边坡除泥岩表层风化剥落、崩塌掉块外未发现其他变形迹象。因此边坡整体基本稳定,但局部存在泥岩表层风化剥落、崩塌、楔型体破坏,但规模较小。因此局部不稳定。

4 防治方案建议[4-5]

根据对该边坡的详细勘察,边坡的主要变形破坏表现为表部松散土体在雨季滑动和泥岩逐渐剥落后导致岩体崩塌破坏。因此该高切坡防护工程的防治目标是:通过工程措施控制该边坡不产生滑动(或变形),使其趋于稳定。保护该区市政设施的安全,达到防灾减灾的目的。

针对表部松散土体在雨季被冲刷和水土流失,在长期暴雨作用下有可能滑坡的破坏模式,建议在高切坡周边修建截、排水系统。第1段边坡地形较缓,建议在坡脚修建挡土墙。第2、3、4段高切坡,岩体风化严重,组成坡体的泥岩长期风化剥落将会产生崩塌破坏的情况,建议削坡后进行格构锚固。

5 结语

本文以三峡库区重庆市某高切坡为例,提出山丘地区高切坡的研究及设计思路:

(1) 通过地质平面测绘及勘探,查明高切坡的地形地质特征,初步确定其变形破坏机制,宏观判断高切坡可能的失稳模式及变性特点。

(2) 针对不同的变形破坏原理,在不同工况下分别采用圆弧滑动、楔形体破坏等分析方法,判断并计算高切坡各部位的稳定性。

(3) 根据高切坡各部位潜在的不稳定块体的分布特征,采用多种支护形式有针对性地确定切坡体工程治理措施的实施区域。

(4) 高切坡地处密集建筑群之中,且常发生土体小规模滑坡,建议加强边坡变形监测。

[1] 三峡库区地质灾害防治工作指挥部.三峡库区三期地质灾害防治工程设计技术要求[R].宜昌:三峡库区地质灾害防治工作指挥部,2004.

[2] 陈祖煜.土质边坡稳定分析原理方法程序[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[3] 刘国琪.重庆市三峡库区万州区龙宝蓄产公司高切坡防护工程地质勘察报告[R].长沙:中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,2005.

[4] 国务院三峡工程建设委员会办公室.三峡库区高切坡防护规划大纲[R].重庆:中国长江三峡集团公司,2003.

[5] 刘洪清,重庆市三峡库区万州区龙宝胜利路和祥街小学教师宿舍高切坡防护工程地质勘察报告[R].长沙:中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,2005.

(责任编辑：陈文宝)

Characteristics and Stability Evaluation of a High Cutting Slope in theThree Gorges Reservoir Area

ZHANG Yu, XIA Zuping, CHEN Xin, LIU Guoqi, LI Shanggao

(PowerChinaZhongnanEngineeringCorporation,Changsha,Hunan410014)

In-depth study of geological features of a high cutting slope in Chongqing,different methods to calculate the tangent slope stability,come to the instability region and instability mode of the cutting slope.On this basis,the paper adopts targeted treatment.It provide reference for stability analysis and management for other similar projects.

Three Gorges Reservoir area; high cutting slope; geological characteristics; stability analysis; governance programmes

2016-04-15;改回日期:2016-04-21

张宇(1982-),男,工程师,硕士,构造地质学专业,从事水电工程勘察设计工作。E-mail:16633335@qq.com

TV223

A

1671-1211(2016)03-0524-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.063

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.030.html 数字出版日期:2016-05-04 09:24