三峽庫區某溶蝕泥灰巖高切坡穩定性研究

劉志紅,王 瀟,嚴良淼,路 浩

(中國建筑材料工業地質勘查中心陜西總隊,陜西 西安 710003)

三峽地區不僅是長江上游過渡中游的特殊地帶,更是我國第Ⅱ級階梯(中西部山地)與第Ⅲ級階梯(東部平原)的劃分界限。三峽受長期海陸交互沉積環境演化影響,特別是在低夷平面地區,廣泛發育三疊系巴東組(T2b)泥灰質巖石。以往的研究基于泥灰質巖表現出泥巖的隔水性和灰巖的可溶性,通常認為泥灰巖巖溶是一種低程度的巖溶,是一種規模不大,形式孤立,主要發育在地表巖體露頭和以卸荷裂隙、斷裂作為通道的地下深部的巖溶系統。燕山期以來三峽庫區經歷了強烈的構造運動,造成巴東組地層出現褶皺和斷裂,大大促進了溶蝕泥灰巖的普遍發育。

三峽工程庫區受蓄水影響規劃搬遷建房規模巨大,除了十多萬居民外遷安置外,其余人員全部為就地向高處搬遷。數量眾多的本地居民原地搬遷到高處,需要平整出大量土地,而沿長江兩岸三峽庫區多為高山峽谷地貌,高高程處可平整利用的土地非常少。因此,原地上山的大規模搬遷建設勢必要規劃削坡造地,形成數量眾多的人工高切坡,特別是受工程擾動的泥灰巖質高切坡在溶蝕作用,以及風化和卸荷作用等共同影響下,巖體強度逐漸降低,巖體結構逐漸疏松,高切坡穩定性降低,成為庫區地質災害防治和邊坡防護工程的重中之重。本文將以某典型溶蝕泥灰巖高切坡工程為例,主要就溶蝕作用下的泥灰巖高切坡工程穩定性進行探討。

1 工程地質條件

1.1 氣象

三峽庫區地處亞熱帶氣候區,具有平均氣溫高、冬暖夏熱、降雨充沛、氣候濕潤和無霜期長等特點,屬典型亞熱帶濕潤性季風氣候;年平均氣溫在18℃左右,冬季氣溫平均在6℃～8℃,夏季平均氣溫在27℃～29℃。

三峽庫區多年降雨具有顯著的集中性。重慶地區雨季是5-9月,雨量占全年降水總量的69.3%;奉節以西至萬州段雨季是4-9月,雨量占全年降水量的77.7%～80%;奉節以東的三峽段雨季是5-9月,雨量占全年降水總量的68.4%～70%。

奉節多年平均降雨量1 107.3 mm(表1),年最大降雨量1 407.6 mm。年降雨日數約130～140 d,雨季一般在5-9月,總降雨量占年雨量的70%以上。奉節、巴東地區年降雨量分配不均,而在1月、2月、12月,降雨量僅占全年降雨量的7.87%。

表1 奉節地區氣溫、相對溫度及降雨量統計表

1.2 地層巖性

三峽庫區三疊系巴東組(T2b)泥灰質按照巖石巖性差異可劃分為4段:第1段(T2b1)和第3段(T2b3)多為深灰色泥灰巖和泥質灰巖,以石英顆粒、泥質以及碳酸鹽礦物等為主,其中的泥質成分可構成鈣質泥巖夾層,碳酸鹽礦物多為白云石和方解石。風化作用使巖石中的碳酸鹽礦物溶解、淋失,泥質含量相對增加,新鮮的巖層呈青灰色,風化層所見的巖層都呈土黃色,在完全風化后容易形成黃土,導致巴東組第1段和第3段通常發育典型易滑地層,巴東組第3段更因其層厚較大而成為主要問題地層。

第2段(T2b2)和第4段(T2b4)是易滑地層,多為粉砂質或紫紅色含鈣質泥巖,礦物組成以泥質為主,主要由綠泥石和云母組成。

高切坡工程場地出露地層有第四系(Q)及三疊系巴東組第2段(T2b2)和第3段(T2b3),切坡坡面和坡腳基本為碎石土,基巖埋藏深度較大,對邊坡穩定不具有控制作用。

1.3 水文地質條件

水文地質條件受地形、巖性、構造及水文氣候等因素控制和影響,本場地位于低山丘陸地區,為溝脊(梁)相間地形,東西兩側各發育一條近南北向的深切沖溝,中間為一寬緩山梁,地勢總體北高南低,地形條件有利于地表水的排泄,地表水分別排向鄰近的沖溝匯聚后排向朱衣河。此外,場地還分布有多個小池塘,場地地表水體比較發育。

場地西側的礦石溝發源于本區北部挖斷山,溝道較長除匯集地表水外,北部山體基巖裂隙水排向礦石溝,溝道長年有流水,流量約為2～3 L/s。其它溝道一般為干溝。場地東側覆蓋層薄,地形對地表水的排泄比較有利,強風化泥巖透水性中等,不利于地下水的下滲和富集,無穩定地下水位。

1.4 巖土體的物理力學性質

碎石土層試驗范圍值19.69～21.27 kN/m3,平均值為20.48 kN/m3,沒有進行其它現場及室內巖土試驗。根據高切坡第四系覆蓋層成因,顆粒組成、級配、密度、厚度等特征,結合鉆孔露水情況、土體的可鉆性及所鉆巖芯等資料分析,確定高切坡坡巖體類型屬IV類,弱風化帶巖體較完整,邊坡巖體類型屬Ⅲ類。

根據巖土狀態和分類,參考《建筑邊坡工程技術規范》(GB5033-2002)、《工程巖體分級標準》(GB5007-2002)等已有資料和技術標準規范,主要物理力學指標建議如表2。

表2 主要物理力學指標建議值表

2 邊坡現狀

高切坡坡度32°～57°,高度11～25 m,沒有發現變形破壞現象。

高切坡鉆孔ZK28在高程265.2～250.16 m處有溶蝕現象(圖1):泥灰巖:黃綠色,弱風化,層狀結構,裂隙發育,個別裂隙充填方解石。局部有溶蝕現象。巖體較為完整,巖芯呈長柱狀,最長45 cm。RQD=60%。

圖1 鉆孔揭露的溶蝕現象

3 數值分析

通過數值模擬分析研究溶蝕泥灰巖高切坡應力場、應變場特征,直觀形象、數據翔實。從工程研究需求出發,判斷高切坡穩定性。

3.1 數值建模

數值計算采用彈塑性模型和庫侖強度理論,相關巖土體物理力學參數詳見表1。根據高切坡工程地質剖面圖,按照風化程度和巖性,建模的地層從上到下依次為三層:松散碎石土、強風化泥巖、弱風化泥巖。建立的高切坡計算模型如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 模型

圖3 各地層幾何形態

圖4 網格劃分結果

圖5 高切坡總位移云圖

圖6 高切坡豎直方向位移云圖

圖7 高切坡水平方向位移云圖

高切坡幾何模型和地質界面都在ANSYS中生成,劃分網格后將節點和單元幾何信息通過接口程序轉化為FLAC3D可識別的前處理數據格式。在FLAC3D中導入上述數據,恢復生成同樣的網格模型。整個高切破數值模型含有1 412個節點,1 305個單元,單元類型為四面體、五面體和六面體混合網格單元。

3.2 數值分析

3.2.1 位移場規律分析

從位移場云圖可知,該高切坡上部覆蓋層位移相對較大,特別是在上部覆蓋層表層位移最大巖體內位移不明顯。坡體位移運動趨勢到中高程凹角處終止,高切坡覆蓋層下部位移不明顯。從位移場規律可知,該高切坡破壞模式為覆蓋層內的圓弧型滑動變形破壞,且坡體覆蓋層上部最先發生位移,為下坐式。

3.2.2 應力場規律分析

天然自重工況下,高切坡主應力矢量場如圖8所示,其分布具有一定的規律性,即最大和最小主應力均發生偏轉,最大主應力方向在高切坡坡面附近與坡面地形平行,最小主應力則垂直于坡面,愈往深部則分別變為垂直方向和水平方向。

圖8 高切坡主應力矢量圖

如圖9高切坡剪應力圖所示,剪應力集中帶在高切坡覆蓋層和強風化泥灰巖交界面出現,最大值約為0.1 MPa。剪應力集中帶附近巖土體發展為控制高切坡滑動變形破壞的關鍵阻滑段,特點為應力集中,承受著很大的剪應力,預示了高切坡很可能在覆蓋層和強風化界面一定范圍內發生剪切或壓剪破壞,形成底滑面。同時,剪應力集中帶的出現范圍更進一步印證了位移場揭示的高切坡的變形破壞為坡體上部下坐式。因此,坡體中的關鍵阻滑段只要不發生剪切或壓剪破壞,上部坡體就不會對下部坡體產生下推力量,坡腳處將不會形成剪出口,高切坡將保持穩定。

圖9 高切坡剪應力圖

3.2.3 塑性區規律分析

如圖10剪切塑性屈服區域分布可知,高切坡覆蓋層在溶蝕作用下,巖土體強度弱化,結構松散,在天然自重作用下容易發生剪切或壓剪破壞,坡體安全系數進一步降低,處于不穩定狀態。

圖10 高切坡剪切屈服區域分布圖

由高切坡塑性區分布可知,高切坡當受外界不利影響時(暴雨、地震、人工擾動),很可能失穩。需要強調的是,根據摩爾庫倫屈服準則數值分析得到的塑性區分布情況是偏保守的,因為該屈服準則認為材料發生屈服即可視為破壞。事實上,巖土體材料進入屈服狀態后,在一定程度上還將在硬化狀態下繼續工作,不會提前發生破壞。

從圖11高切坡張拉屈服區域分布圖可知,高切坡張拉屈服區域未連成面,分布散亂。高切坡在天然自重和溶蝕作用下整體發生張拉滑動破壞的可能性不大;即使發生,也僅僅是高切坡坡面地形變化較大的局部區域,不會對高切坡整體穩定性造成重大影響。

圖11 高切坡張拉屈服區域分布圖

4 討論

通過數值分析可知,溶蝕泥灰巖高切坡在飽水工況下在覆蓋層中發生圓弧型滑動變形破壞,高切坡的失穩模式為下坐式。

高切坡穩定性問題是個多因素影響的復雜問題。穩定性分析更多還是要依據位移場、應力場、塑性區分布以及各種變形值分布,這是數值模擬方法的優勢所在。然而,數值模擬大多依賴某些專業的軟件,建模和分析過程中涉及很多難以精確的約束條件(邊界條件,巖土體參數選取,模型建立等),特別是數值模擬軟件求取穩定系數操作過程不如極限平衡法直接、直觀,且有的數值模擬軟件針對大型研究對象求取穩定系數就非常耗時,模型的調整也頗費時間。因此,工程實踐要根據數值模擬法的優缺點,有針對性的選擇。