雷打坡巖石結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性分析

1、雷打坡巖石結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性分析摘要：西泌河水庫雷打坡邊坡離西泌河水庫約4.2 km, 外凸的體積約580×104m3, 水庫蓄水后對庫容及水工建筑物安全構(gòu)成威脅。以雷打坡巖石結(jié)構(gòu)地質(zhì)調(diào)查資料為基礎(chǔ)， 采用多種邊坡穩(wěn)定性分析方法對其進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明， 雷打坡的巖質(zhì)邊坡斜插河床， 不會產(chǎn)生滑動破壞， 但其下游側(cè)的崩塌堆積體在水庫蓄水后將發(fā)生巖體失穩(wěn)， 需采取相應(yīng)工程措施進(jìn)行處理。關(guān)鍵詞：邊坡； 穩(wěn)定； 處理； 西泌河；1 工程概況西泌河水庫位于西泌河下游河段， 大壩樞紐區(qū)位于貴州省晴隆縣蓮城鎮(zhèn)與馬場鄉(xiāng)交界處， 壩址以上集雨面積336.85 km2.西泌河水庫正常蓄水位690.

2、00 m, 正常庫容為1 395×104m3;校核洪水位為694.36 m, 總庫容1 715×104m3.水庫的供水范圍為晴隆縣城 （蓮城鎮(zhèn)） 、光照鎮(zhèn)規(guī)模村紡織和加工產(chǎn)業(yè)聚集園區(qū)、孟寨村新型建材聚集區(qū)的生產(chǎn)生活用水、孟寨灌區(qū)灌溉用水以及灌區(qū)內(nèi)的農(nóng)村人畜飲水， 年供水量為2 543×104m3, 灌溉供水量50.4×104m3 （保證率P=80%） ;水庫壩后電站裝機(jī)8 MW, 多年平均發(fā)電量2 680×104k W·h.雷打坡邊坡距離壩址約4.2 km, 外凸的體積約580×104m3, 水庫蓄水后對庫容

3、及水工建筑物安全構(gòu)成威脅。雷打坡邊坡分布于庫尾河床右岸， 地表為一向河床凸出的三角形山體， 底部長約625 m, 高約240 m, 兩側(cè)為淺切沖溝。邊坡巖體為雙層結(jié)構(gòu)， 上部為T1yn2的中厚層灰?guī)r （中硬巖類） , 下部為T1yn2的泥巖 （軟質(zhì)巖） , 屬下軟上硬雙層結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡。巖層產(chǎn)狀：走向N7490°W/傾NE∠30°。巖層傾角與邊坡坡度相等， 斜坡面即巖層面。巖層沿斜坡面斜插河床， 下伏巖層面 （特別是T1yn2的灰?guī)r及泥巖接觸界面） 為其潛在的可能滑移面， 邊坡巖體中發(fā)育兩組陡傾裂隙 （ （1） 走向N1525°E/NW∠7582°

4、;； （3） 走向N30°W/∠90°） .構(gòu)成其側(cè)向切割面。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料分析， 在邊坡下游崩塌體中發(fā)育有拉裂現(xiàn)象。2 雷打坡巖石結(jié)構(gòu)2.1 基本地質(zhì)條件雷打坡邊坡為自然營力作用形成的邊坡， 通過西泌河水庫的修建， 形成以人類活動為主導(dǎo)的工程邊坡。按巖性分類， 邊坡為各種結(jié)構(gòu)面切割的巖質(zhì)邊坡， 邊坡坡度變化較小， 坡度在10300左右， 形成斜坡和陡坡， 邊坡高度約為240 m, 高度大于150 m, 為超高邊坡。邊坡的坡腳高程為EL665.3mEL666.3m, 邊坡出露的巖性為灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r。整個邊坡呈外凸的三角形， 三角形頂部的角度約700, 在剖面上的形態(tài)為

5、下陡上緩。EL800m高程以下的邊坡坡度約300, 坡面長度約430 m.EL800mEL920高程的邊坡坡度約為150, 坡面長度約155 m.坡頂位置遭受風(fēng)化剝蝕呈現(xiàn)為負(fù)地形， 水平長度約55 m左右。邊坡在地形上分為兩部分， 靠上游側(cè)邊坡基巖裸露， 根據(jù)鉆孔和現(xiàn)場的地質(zhì)描述， 地層巖性為中厚層灰?guī)r， 在坡面以下約30 m處有夾泥巖的夾層現(xiàn)象。上游邊坡的坡腳長約375 m.靠下游側(cè)邊坡為崩塌體覆蓋， 根據(jù)地質(zhì)剖面， 覆蓋層厚度約在619 m, 覆蓋層下部巖層的巖性為T1yn2的灰?guī)r夾泥巖， 下游邊坡的坡腳長約250 m.其上下游的剖面圖見圖1圖2.2.2 邊坡構(gòu)造及結(jié)構(gòu)面邊坡位于法郎向斜西

6、段揚起端南翼近核部。巖層傾向左岸， 傾角30°， 為順向坡。巖體為層狀結(jié)構(gòu)。據(jù)地表地質(zhì)測繪及鉆探揭露， 未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造， 節(jié)理裂隙及卸荷裂隙較發(fā)育， 巖體中主要發(fā)育構(gòu)造裂隙有兩組。 （1） 走向N1525°E/傾NW∠7582°。裂隙規(guī)模較大， 地表可見最大延伸長度10 m, 裂面上有擦痕， 線密度12條/m, 強(qiáng)風(fēng)化帶裂隙張開， 沿裂隙局部夾泥； （2） 走向N1030°W/傾NE∠6290°， 地表可見長度35 m, 裂面平直， 強(qiáng)風(fēng)化帶局部張開夾泥。根據(jù)地表調(diào)查及轉(zhuǎn)貼揭露， 結(jié)合水電水利工程邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程 （DL/T533

7、7-2006） 分類標(biāo)準(zhǔn)， 邊坡按巖體結(jié)構(gòu)分類見表1.2.3 邊坡巖體質(zhì)量分類由于邊坡靠近原可研階段的上壩址， 根據(jù)壩址巖層分布情況， 分布地層主要為三迭系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組 （T1yn） , 巖性以灰?guī)r為主夾泥質(zhì)灰?guī)r及泥巖， 巖體風(fēng)化以溶蝕風(fēng)化和裂隙性風(fēng)化為主要特征。溶蝕風(fēng)化一般是地表裂隙、構(gòu)造軟弱帶受巖溶的影響， 溶蝕張開或充填黏土或巖屑等， 由表層向深部逐漸減弱， 一般溶蝕縫寬0.13 cm不等， 呈上寬下窄的喇叭狀， 一直風(fēng)化的鉛直深度可達(dá)45 m.裂隙性風(fēng)化主要沿裂隙分布， 強(qiáng)風(fēng)化帶裂隙張開夾泥， 弱風(fēng)化帶裂隙一般閉合。局部裂隙面兩側(cè)有鐵質(zhì)、泥質(zhì)浸染呈黃褐色。微風(fēng)化帶裂隙閉合， 裂隙面為方

8、解石脈膠結(jié)。根據(jù)地表地質(zhì)測繪及平洞、鉆孔及物探資料綜合分析， 原上壩址覆蓋層厚度及巖體的風(fēng)化分帶如下：河床：砂礫石覆蓋層一般厚25 m, 強(qiáng)風(fēng)化深79 m, 弱風(fēng)化深2023 m.兩岸：基巖出露區(qū)， 巖體強(qiáng)風(fēng)化深一般56 m, 弱風(fēng)化深1922 m.地層為巖溶發(fā)育地層， 上階段鉆孔及平洞勘探范圍未揭露出較大規(guī)模的溶洞和管道。存在構(gòu)造裂隙和溶蝕裂隙構(gòu)成滲漏通道。強(qiáng)風(fēng)化巖體中， 裂隙發(fā)育， 巖體破碎， 裂隙面、層面均有不同程度的張開， 巖體透水性較強(qiáng)。進(jìn)入弱風(fēng)化巖體， 巖體的透水性也逐漸變小， 至弱風(fēng)化巖體下部， 其透水率一般均小于3 Lu.根據(jù)試驗資料， 灰?guī)r弱風(fēng)化帶巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值

9、46.36 MPa, 軟化系數(shù)0.79, 縱波波速3 6844 201 m/s, 屬中硬巖類。泥巖弱風(fēng)化帶巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度30.0 MPa, 屬軟質(zhì)巖類。根據(jù)各地層單元巖性特征、巖體強(qiáng)度及節(jié)理發(fā)育情況等劃分巖體類別如下 （按水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范 （GB 50487-2008） 附錄V壩基巖體工程地質(zhì)分類） :灰?guī)r段弱-微風(fēng)化巖體屬B2類巖體。泥巖段弱-微風(fēng)化巖體屬C1類巖體。根據(jù)以上分類及邊坡裂隙發(fā)育情況， 結(jié)合水電水利工程邊坡邊坡工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程 （DL/T5337-2006） 分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級。對于T1yn2地層， 水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范 （GB50487-2008） 附錄

10、V取巖體完整性系數(shù)為0.5, 抗壓強(qiáng)度取為平均值46 MPa, 按規(guī)范 （DL/T5337-2006） 附錄B式B.1 （BQ=90+3RC+250×KV, RC為巖體飽和單軸抗壓強(qiáng)度， KV為巖體完整性系數(shù)） , 計算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)為90+3×46+250×0.5=353, 邊坡巖體質(zhì)量級別為III類。對于其中的泥灰?guī)r， 水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范 （GB50487-2008） 附錄V取巖體完整性系數(shù)為0.50, 抗壓強(qiáng)度取為40 MPa, 按規(guī)范 （DL/T5337-2006） 附錄B式B.1, 計算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)為90+3×40+250&

11、times;0.50=335, 邊坡巖體質(zhì)量級別為IV類。由于邊坡以灰?guī)r為主， 局部夾泥巖， 故邊坡巖體的質(zhì)量級別為類。3 邊坡分析及成果3.1 對雷打坡邊坡的初步判斷根據(jù)雷打坡邊坡的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等， 參考水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范 （SL/386-2007） 附錄A, 由于層面的產(chǎn)狀與邊坡走向的夾角為30°， 巖質(zhì)邊坡的結(jié)構(gòu)分類為層狀順向邊坡， 邊坡穩(wěn)定性受坡角及巖層傾角組合、巖層厚度、順坡向軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度及抗剪強(qiáng)度所控制。邊坡的破壞方式可能為： （1） 層面或軟弱夾層易形成滑動面， 坡腳切斷后易產(chǎn)生滑動； （2） 傾角較陡時易產(chǎn)生潰屈或傾倒； （3

12、） 傾角較緩時易產(chǎn)生傾倒破壞； （4） 節(jié)理或裂隙易形成楔形體滑動。通過對雷打坡邊坡 （邊坡地形見圖3） 進(jìn)行赤平投影分析， 對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行初步判斷 （參考水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范 （SL/386-2007） 附錄B） .分析成果：右岸邊坡的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面為兩組： （1） 290°∠80°； （2） 60°∠70°。邊坡的平面滑動最可能發(fā)生在傾向方向， 兩組節(jié)理釋放了側(cè)向方向的約束， 使得平面滑動的可能性增大。另外， 邊坡不容易發(fā)生楔形體滑動；第一組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面290°∠80°的傾向稍微變化， 落入陰影區(qū)， 就可能在下游側(cè)發(fā)生

13、傾倒破壞。3.2 邊坡穩(wěn)定性分析3.2.1 邊坡的形態(tài)特征雷打坡邊坡分布于庫尾河床右岸， 距離壩址約4.2 km, 地表為一向河床凸出的三角形山體， 底部長約625 m, 高約240 m, 兩側(cè)為淺切沖溝。邊坡巖體為雙層結(jié)構(gòu)， 上部為T1yn2的中厚層灰?guī)r （中硬巖類） , 下部為T1yn2的泥巖 （軟質(zhì)巖） , 屬下軟上硬雙層結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡。地形坡度一般在30°左右， 巖層傾角與邊坡坡度角相近， 巖層沿坡面斜插河床， 河床寬約50 m.邊坡的結(jié)構(gòu)類型為層狀順向邊坡。其物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為風(fēng)化與卸荷作用。邊坡在地形上分為兩部分， 靠上游側(cè)邊坡基巖裸露， 根據(jù)鉆孔和現(xiàn)場的地質(zhì)描述， 地

14、層巖性為中厚層灰?guī)r， 在坡面以下約30 m處有夾泥巖的夾層現(xiàn)象。上游邊坡的坡腳長約375 m.靠下游側(cè)邊坡為崩塌體覆蓋， 根據(jù)地質(zhì)剖面， 覆蓋層厚度約在619 m, 覆蓋層下部巖層的巖性為T1yn2的灰?guī)r夾泥巖， 下游邊坡的坡腳長約250 m.3.2.2 邊坡的邊界特征及影響因素根據(jù)地形特征， 初步判定坡體的變形邊界為邊坡的兩側(cè)沖溝位置?？刂七吰聨r體穩(wěn)定性和變形失穩(wěn)破壞機(jī)理的主要因素有以下幾方面： （1） 巖體結(jié)構(gòu)特征； （2） 巖體應(yīng)力； （3） 地下水條件； （4） 巖體 （包括不連續(xù)面和完整巖石） 的力學(xué)參數(shù)； （5） 地形地貌特征和邊坡幾何形狀等。3.2.3 邊坡變形破壞模式及邊坡分析

15、成果根據(jù)雷打坡邊坡實際情況， 并結(jié)合國內(nèi)類似順層邊坡發(fā)生的失穩(wěn)破壞模式， 對邊坡可能發(fā)生的失穩(wěn)破壞模式進(jìn)行分析， 該類邊坡變形破壞模式主要有3種。 （1） 下部巖層被剪切破壞， 引起上部巖體產(chǎn)生順層滑動。 （2） 由于上部巖體的擠壓， 下部巖層產(chǎn)生隆起、拉裂形成潰屈破壞， 在潰屈破壞后， 邊坡巖體將發(fā)生牽引式漸進(jìn)滑移失穩(wěn)。 （3） 側(cè)向失穩(wěn)。本工程對該邊坡進(jìn)行多種方法分析， 其主要成果如下：1） 按規(guī)范， 本邊坡被定義為4級邊坡， 采用極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性分析， 上游巖質(zhì)邊坡在各種工況下， 其穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求， 只是富余度不是很大。下游崩塌體邊坡在進(jìn)行削方后， 在各種工況下， 其穩(wěn)定性滿足規(guī)

16、范要求 （即不會發(fā)生順層破壞） .基于歐拉理論板梁穩(wěn)定計算公式， 上游和下游邊坡 （清方壓腳后） 均不會發(fā)生潰屈失穩(wěn)。2） 根據(jù)二維數(shù)值分析， 邊坡變形主要發(fā)生在距離坡面較近的巖體周圍， 并會朝臨空方向變位。同時由于軟弱層面和硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面 （層面） 的存在， 使得各層之間的位移并不連續(xù)， 也反映出軟弱夾層巖體邊坡的差異變形特征。在坡腳、軟弱層面和層面的周邊及地形變化處， 出現(xiàn)較多的剪切應(yīng)力集中區(qū)， 這些位置容易發(fā)生剪切破壞。在坡頂容易出現(xiàn)拉應(yīng)力分布區(qū)， 在坡腳和坡度變化的位置也分布有少量的拉應(yīng)力。剪切塑性屈服區(qū)位于坡腳及泥巖層面附近。在邊坡頂部泥巖層面附近也產(chǎn)生了局部的拉伸屈服區(qū)， 拉伸屈服容易

17、產(chǎn)生拉裂縫。這些表明邊坡容易在結(jié)構(gòu)面 （層面） 周圍形成較大應(yīng)力的剪切帶， 并在坡腳位置累積剪切應(yīng)變 （由上至下及由外向里累積） .3） 根據(jù)三維數(shù)值分析， 從X方向位移云圖來看 （垂直河流） , 位移最大的部分集中在泥巖層面以上， 位于邊坡的中部且靠近兩側(cè)臨空的坡面上， 其位移方向朝向河床， 最大值約1.5 cm, 并由兩側(cè)向中部貫通的趨勢， 反映在坡體兩側(cè) （腰部） 多面臨空， 約束小， 位移較大。從Y方向位移云圖來看， 位移最大的部分同樣集中在泥巖層面以上， 在上下游均發(fā)生朝向臨空方向位移 （上游坡體向上游位移， 下游坡體向下游位移） , 最大值約0.2 cm, 位于坡體高度1/3的位置

18、， 靠近坡腳。4） 對三維邊坡進(jìn)行強(qiáng)度折減法的安全系數(shù)分析， 穩(wěn)定性系數(shù)為1.41.對比二維分析可以知道 （穩(wěn)定性系數(shù)為1.27） , 邊坡的三維效應(yīng)突出 （三角形坡面較為穩(wěn)定） .通過破壞時的位移分布表明， 邊坡發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)的可能性小于順坡向失穩(wěn)。即不容易產(chǎn)生側(cè)向失穩(wěn)， 但需注意局部裂隙導(dǎo)致的失穩(wěn)。4 處理措施經(jīng)初步分析， 雷打坡的巖質(zhì)邊坡斜插河床， 不會產(chǎn)生滑動破壞， 但其下游側(cè)的崩塌堆積體在水庫蓄水后將發(fā)生巖體失穩(wěn)， 故采取以下工程措施進(jìn)行處理：1） 頂部削坡減載。即對崩塌體頂部進(jìn)行開挖削坡減輕下滑荷載， 開挖高程從山頂開挖至879.00 m高程， 采用順層開挖的方式， 開挖厚度約為25 m.然后對開挖后的邊坡進(jìn)行C20砼噴護(hù)及剖面綠化。2） 堆石坡底壓腳。將開挖出來的土石方堆填在山體坡腳處， 坡面用干砌石護(hù)面， 以提高坡體抗滑能力。3） 加強(qiáng)邊坡永久監(jiān)測。參考文獻(xiàn)1錢云鵬， 涂宏茂， 劉勤， 等。結(jié)構(gòu)逆可靠度最可能失效點的改進(jìn)搜索算法J.工程力學(xué)， 2013 （1） :