黄河石门至禹门口段高陡边坡稳定性分析研究

2018-06-26

水利建设与管理 2018年6期

(天津水务集团有限公司，天津 300204)

1 概述

黄河晋陕大峡谷南端西岸为黄龙山，东岸为南吕梁山西南段龙门山，其中石门到禹门口段长约4km，两岸高山对峙，河中水流湍急。两岸地层主要为奥陶系上马家沟组的厚层石灰岩、峰峰组角砾状灰岩夹泥灰岩，自然边坡陡立，局部发育负边坡。路边可见崩塌落石。研究区域平面图如图1所示。

本文对此段两岸高陡边坡进行了稳定性评价工作，通过多种分析计算两岸边坡的稳定性，希望这种综合分析的方法能对边坡稳定性评价工作有帮助。

2 边坡地貌

该段黄河河道为峡谷，属于晋陕大峡谷的南端，峡谷窄小，两岸基岩出露，直立陡峭，水流湍急。河床及边坡如图2所示。

两岸基岩裸露，为高陡边坡，河西岸半山修建有煤矿专用线下桑线，东岸有沿黄公路(图3)。

图1 研究区域平面

图2 河床及边坡

图3 岸坡照片

3 边坡稳定性分析

根据现场地形情况，选取三处典型边坡，均存在水平岩层的高陡边坡问题，最缓处自然边坡约30°～55°，其余高陡，甚至存在负边坡情况。采用三种方式计算如下：

3.1 边坡自然稳定坡角的确定

边坡自然坡度主要采用岩体质量法经验公式，该公式基于全国铁路公路200多个边坡统计分析得出。

3.1.1 经验公式介绍

由于回弹值与块度乘积正好反映了不同

强度和组合时的岩体质量，因此将岩体质量定义为

RQ=Rlog(D)

根据对铁路大量边坡的统计分析，并进行曲线拟合得到岩体质量RQ与边坡坡度之间的关系为

θ=14.7ln(γwRlogD)+13

(1)

式中θ——边坡稳定坡角；

D——岩石的视块度，由下式求得：

(2)

式中di——野外所测岩石的节理间距；

n——野外所测的节理组数；

γw——地下水折减系数，其取值见表1；

R——为HT75型回弹仪所测回弹值。

若野外所测回弹值为岩石风化层的回弹值，则需进行如下转化：

R=Rf/fR

(3)

式中Rf——岩石风化层的回弹值；

fR——风化折减系数，其取值见表2。

由于野外所测的回弹值为HT225型，因此要经过下式进行转化：

208R75=194.7R225-595

(4)

表1 地下水折减系数

表2 风化折减系数

3.1.2 现场测量节理裂隙

典型边坡Ⅰ：地层产状270°∠6°，靠近岸边层理间距约0.5m，远离岸边层理间距约1.0m；节理分布两组，分别为350°∠82°、265°∠85°，靠近岸边节理间距为0.2～0.5m，远离岸边节理间距约3.0m。

典型边坡Ⅱ：地层产状280°∠7°，靠近岸边层理间距约0.5m，远离岸边层理间距约1.0m；节理分布两组，分别为285°∠87°、190°∠86°，靠近岸边节理间距为0.5～1.0m，远离岸边节理间距约3.0～3.5m。

典型边坡Ⅲ：地层产状283°∠6°，靠近岸边层理间距约0.5m，远离岸边层理间距约1.0m；节理分布两组，分别为250°∠80°、150°∠82°，节理间距为0.5m。

3.1.3 计算结果

该地区的岩石为奥陶系灰岩，地层产状为280°∠7°，节理为两组，产状分别为285°∠87°、190°∠86°，节理间距均为0.5m左右，此处岩石表面局部潮湿，地下水折减系数按0.8取值，由此计算得灰岩边坡稳定坡角约为70°。

3.2 UDEC软件数值分析

强度准则涉及力学参数有岩体内聚力C和摩擦角φ。软件运行参数：查阅相关资料，根据经验值确定灰岩岩体内摩擦角φ=35°，灰岩岩体内聚力C=0.85MPa。结合灰岩节理强度经验值并考虑节理强度可能受地下水的影响，取灰岩节理内摩擦角jφ=25°，内聚力jC=0.025MPa。

3.2.1 典型边坡Ⅰ数值分析

典型边坡Ⅰ东岸岸坡分析如图4所示。

图4 典型边坡Ⅰ东岸岸坡

典型边坡Ⅰ位于黄河东岸，岸坡目前在天然条件下稳定，由于重力作用岩块可能沿节理裂隙发生最大位移为0.46cm，节理张开缝隙约0.91mm。岸坡天然坡角(41°)小于经验公式所得灰岩边坡稳定坡角(70°)，天然状态下岸坡稳定。

图5 黄窑科Ⅱ号桥位西岸岸坡

3.2.2 典型边坡Ⅱ数值分析

典型边坡Ⅱ位于黄河西岸岸坡，如图5所示，UDEC软件数值分析结果显示，目前在天然状态下稳定，由于重力作用岩块可能沿节理裂隙发生最大位移为0.44cm，节理张开缝隙约0.88mm。若按照经验公式所得灰岩边坡稳定坡角70°计算，距坡角水平距离约15.6m范围内岩块存在滑落、掉块的可能。

3.2.3 典型边坡Ⅲ数值分析结果

典型边坡Ⅲ位于黄河东岸岸坡，如图6所示，存在岩块滑落的可能，由于重力作用岩块可能沿节理裂隙发生最大位移为22.5cm，节理张开缝隙约45mm，模拟结果显示，在近河岸处可能发生岩块滑落现象。若按照经验公式所得灰岩边坡稳定坡角70°计算，距坡角水平距离约35.8m范围内岩块存在滑落、掉块的可能。

图6 典型边坡Ⅲ岸坡

3.3 赤平投影分析

边坡受两组结构面的切割，控制边坡的稳定性时，为判断滑动方向，可以利用赤平投影进行初步分析。

3.3.1 典型边坡Ⅰ赤平投影结果

根据现场测量结果，典型边坡Ⅰ岸坡坡角约54°，坡顶角度约31°。此处灰岩发育两组节理，节理产状分别为250°∠80°、150°∠82°，层理产状为283°∠6°，赤平投影如图7所示。

图7 典型边坡Ⅰ东岸岸坡

节理与层理赤平投影交点分别为A、B、C，弧1、弧2为东岸边坡坡底与坡顶赤平投影。点A落于坡面以外，说明结构面交线虽较边坡平缓，但在坡顶面上无出露点，属于较稳定状态；点B落于坡面以外，说明结构面交线虽较边坡平缓，但在坡顶面上无出露点，属于较稳定状态；点C在图中与边坡面不同侧，属于最稳定状态。综合层理与节理赤平投影结果，此处边坡属于较稳定状态。

3.3.2 典型边坡Ⅱ赤平投影结果

根据现场测量结果，典型边坡西岸岸坡坡角约82°，坡顶角度约41°。此处灰岩发育两组节理，节理产状分别为105°∠80°、210°∠85°，层理产状为290°∠6°，赤平投影如图8所示。

图8 典型边坡Ⅲ西岸岸坡

节理与层理赤平投影交点分别为A、B、C，弧1、弧2为西岸边坡坡底与坡顶赤平投影。参照《铁路工程地质手册》中赤平投影对岩体滑动可能性的分析，点A在图8中与边坡面不同侧，属于最稳定状态；点B落于坡面以外，说明结构面交线虽较边坡平缓，但在坡顶面上无出露点，属于较稳定状态；点C与坡面在同一侧，但组合交线较边坡陡，属于稳定状态。综合层理与节理赤平投影结果，此处边坡属于较稳定状态。

3.3.3 典型边坡Ⅲ赤平投影结果

根据现场测量结果，典型边坡Ⅲ位于黄河东岸，岸坡坡角约88°，坡顶角度约37°。此处灰岩发育两组节理，节理产状分别为265°∠85°、350°∠82°，层理产状为270°∠6°，赤平投影如图9所示。

图9 典型边坡Ⅲ岸坡

节理与层理赤平投影交点分别为A、B、C，弧1、弧2为东岸边坡坡底与坡顶赤平投影。点A落于坡面以外，说明结构面交线虽较边坡平缓，但在坡顶面上无出露点，属于较稳定状态；点B落于坡面以外，说明结构面交线虽较边坡平缓，但在坡顶面上无出露点，属于较稳定状态；点C落于两部分坡面投影弧之间，而且交线在两部分坡面均出露，构成不稳定条件。综合层理与节理赤平投影结果，此处边坡属于不稳定状态。