《武汉工程大学学报》 2013年11
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出版日期：2013-11-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
三峡库区高切坡破坏模式分析及防护对策
0引言 高切坡是山区经济建设中经常遇到的岩土工程问题，也称人工削坡工程.三峡水利工程建成后水位蓄至175 m高程，受此影响，大量基础设施需要迁建.因此，三峡移民建设工程中形成了大量高切坡.这些高切坡因地质条件复杂，岩石松软破碎，易于风化，所暴露的灾害隐患日益突出［1\|3］.因此，为保证库区人民生命财产安全，对高切坡变形破坏特征进行详细研究，实施有效治理，防止进一步破坏十分必要.1高切坡地质特征及结构面特征 湖北省宜昌市秭归县某居民点高切坡位于秭归县县城，地理坐标为东经110°58＇，北纬30°50＇.该切坡坡面总长度642 m，沿场平呈北东向展布，一般坡高14～42 m，最大坡高48 m，坡面面积17 825 m2，坡度40～70°.该高切坡受原始地形的影响，坡顶和坡底起伏较大. 该高切坡中上部为全、强风化花岗岩，岩质半疏松状，呈散体～碎裂结构，边坡岩体类型属Ⅳ类；坡内局部为中等风化岩体，短小裂隙发育较密集.根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330\|2002)［4］规定，切坡类型为Ⅰ1类岩质高切坡，防治工程安全等级为一级. 该高切坡为前震旦系结晶岩（γ1），岩性为闪云斜长花岗岩，另有少量的条带状伟晶岩脉、细粒花岗岩脉穿插于闪云斜长花岗岩之间.闪云斜长花岗岩呈岩基产出，灰、灰白色，中粗粒结构，分布广泛，为高切坡的主要物质组成. 高切坡区域内主要构造迹痕为构造裂隙，全强风化岩石多出露在高切坡中上部，其裂隙多闭合被覆盖而基本无法辨认，所以裂隙调查主要集中在中等风化岩体中.对高切坡稳定性影响大的裂隙发育区域主要集中在桩号K0+40～K0+120 m段、K0+120～K0+214 m段、K0+280～K0+420 m段（详细分段见地质平面图图1）.现场调查结果显示，三段均主要发育四组裂隙（裂隙走向倾向玫瑰花图见图2），边坡发育的裂隙多为张开型，无充填或充填风化碎屑，裂隙面普遍结合差.四组裂隙中第三组、第四组为倾向坡外，其相互切割致使坡内岩体呈次块状，在坡面形成不稳定块体，且已在坡面上形成多处沿缓倾角裂面产生的滑动破坏（裂隙与坡面赤平投影见图3）.图1高切坡工程地质平面图Fig.1High cutting slope engineering geological plan图2K0+40～K0+120m段裂隙走向、倾向玫瑰花图Fig.2Section K0 +40 ~ K0 +120 m fissures strike and dip roses图3桩号K0+040～0+120m段赤平投影图Fig.3Section K0 +040 ~ 0 +120m stereographic projection根据《建筑边坡工程技术规范》，通过类比经验数值综合考虑，取结构面抗剪强度值为：C=25 kPa，φ=20°.2高切坡变形破坏模式分析2.1切坡变形破坏模式分析 高切坡的产生本身由于人工开挖形成，其岩石表面由于新鲜出露，受本身地质条件及降雨、人工干预等影响，容易产生破坏，导致灾害产生.因此研究其破坏模式并防止其进一步破坏，首先应该分析切坡本身的自然条件、地形地貌特征、地层岩性、岩体风化状况、地质构造特征、水文地质特征、人为扰动情况等.可采用的方法主要为：现场地质调查、工程经验类比、工程实验、力学计算、数值模拟分析. 根据现场调查，本居民点高切坡为场平开挖形成，开挖时施工方式不科学，采用的坡角不合理，切坡形成后坡面未采取任何防护措施.岩体内部应力的改变，外部风化作用的加剧，过陡的坡角，使原本闭合的裂隙逐渐张开，裂面由于风化、水侵导致强度下降.同时根据边坡裂隙走向、倾向分析，切坡中下部岩体受两组倾向坡外裂隙相互切割呈块状，局部坡面形成不稳定块体，且已在坡面上形成多处沿缓倾角裂面产生的滑动破坏. 通过对自然边坡的调查和以往经验资料的类比，在区域内的闪云斜长花岗岩边坡中，坡面变形破坏主要受结构面控制，其次受坡形控制.在合理的坡形条件下，结构面的性状特征、力学性质成为边坡稳定的制约因素.切坡可能的变形破坏模式主要有： a.整体滑移：全风化层较厚的坡段，力学性质较差，在暴雨冲刷和重力作用下，会沿着特定的圆弧面，产生圆弧滑移破坏. b.局部剥落掉块：较陡的切坡坡面岩体长期遭受风化，在雨水冲刷和重力作用下，呈小型块状沿坡面滚落至坡脚.多发生在坡面较陡、无防护和植被的切坡段.第11期肖云：三峡库区高切坡破坏模式分析及防护对策武汉工程大学学报第35卷c.块体滑移：受结构面控制，被不利结构面切割的块体可能发生滑移. d.冲蚀：全强风化岩体中的疏松岩体在雨水冲刷下，沿坡面产生水砂流动，堆积在坡面的平缓段或坡脚.长时间的水砂流形成小型冲蚀沟槽，破坏坡面平衡. e.风化球滚落：全强风化花岗岩岩体中的坚硬状风化球，在疏松、半疏松状的围岩逐渐被水砂流、剥落掉块等形式破坏后，失去支撑力而从坡面上方滚落坡脚.2.2切坡稳定性计算 a.计算理论公式 全风化层采用圆弧滑动计算公式如下：KS=∑Ri∑Ti （1）Ni=(Gi+Gbi)cos θi+Pwisin(αi-θi) （2）Ti=(Gi+Gbi)sin θi+Pwicos(αi-θi) （3）Ri=Nitan φi+cili （4） 式(1)~(4)中：KS为边坡稳定性系数；ci为第i计算条块滑动面上岩土体的粘结强度标准值（kPa）；φi为第i计算条块滑动面上岩土体的摩擦角标准值（°）；li为第i计算条块滑动面长度（m）；θi、αi为第i计算条块底面倾角和地下水位面倾角(°)；Gi为第i计算条块单位宽度岩土体自重（kN/m）；Gbi为第i计算条块滑体地表建筑物的单位宽度自重（kN/m）；Pwi为第i计算条块单位宽度的动水压力（kN/m）；Ni为第i计算条块滑体在滑动面法线上的反力（kN/m）；Ti为第i计算条块滑体在滑动面切线上的反力（kN/m）；Ri为第i计算条块滑动面上的抗滑力（kN/m）； 由于存在多组倾向坡外的结构面以及部分地段过陡坡角，切坡受各类结构面及其组合以及潜在破裂面的控制，在长期的外力效应下，局部呈欠稳定状态.计算采用折线滑动法时，边坡稳定性系数可按下列方法计算：KS=∑RiΨiΨi+1…Ψn-1+Rn∑TiΨiΨi+1…Ψn-1+Tn （5）Ψi=cos(θi-θi+1)-sin(θi-θi+1)tan φi （6） 式（5）中Ψi为第i计算条块剩余下滑力向第i+1计算条块的传递系数. b.计算条件 根据各坡段的破坏模式分析，选取典型剖面进行计算，采用的计算方法如表1所示.表1计算剖面与计算方法Table 1Calculating profiles and methods坡段及桩号破坏模式计算剖面计算方法Ⅰ段：桩号K0+000～0+040小型崩塌破坏1\|1’圆弧滑动Ⅱ段：桩号K0+040～0+82块体滑移破坏2\|2’折线滑动Ⅲ段：桩号K0+82～0+104块体滑移破坏3\|3’折线滑动Ⅳ段：桩号K0+104～0+120块体滑移破坏4\|4’折线滑动V段：桩号K0+120～0+214块体滑移破坏5\|5’折线滑动Ⅵ段：桩号K0+214～0+280小型崩塌破坏11\|11’圆弧滑动VII段：桩号K0+280～0+420块体滑移破坏16\|16’、19\|19’折线滑动、圆弧滑动VIII段：桩号K0+420～0+642小型崩塌破坏23\|23’圆弧滑动计算工况分为三种： Ⅰ工况：天然工况（不考虑地震荷载）； Ⅱ工况：暴雨工况（降雨的重现期按20年选取）； Ⅲ工况：治理后暴雨工况. 根据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330\|2002），对于安全等级为一级的高切坡稳定性分析评价，采用圆弧滑动法时安全系数取1.3；采用折线滑动法时安全系数取1.35. c.稳定性计算结果 典型计算剖面见图4.各剖面在两种计算工况下的稳定性系数见表2.根据高切坡地质结构、形态特征和前述变形破坏分析、稳定计算结果进行综合评价如下：桩号K0+000～0+040、K0+214～0+280、K0+420～0+642段坡面较完整.经过计算在暴雨工况下，该段坡面稳定性较差，不符合规范要求，这与实际中的稳定状态相一致.在水体冲刷作用下出现有水图4典型地质剖面图Fig.4Typical geological profile表2各剖面在两种工况下的稳定性系数Table 2The stability factors in both conditions of profiles剖面编号 稳定性系数工况1工况2规范规定值 1\|1’1.4361.2001.302\|2’1.4281.2011.353\|3’1.5551.2521.354\|4’1.4141.1871.355\|5’1.8261.2141.3511\|11’1.5091.2301.3016\|16’1.3811.1181.3519\|19’1.3281.2281.323\|23’1.5551.2311.30砂流、坍塌破坏，局部稳定性较差. 桩号K0＋040～K0＋214、K0+280～0+420段坡形呈上缓下陡，上部散体状结构，下部块状结构，部分地段呈陡坎.坡面中上部为全强风化岩体，在地表水体冲刷作用下，坡面多处形成浅沟，在坡顶及坡面出现崩塌，不稳定.坡面发育四组裂隙，存在倾坡外的结构面，由裂隙切割形成的块体易沿倾坡外裂隙滑移.经过计算，安全系数小于1.35，安全储备不够.目前破坏主要为爆破导致岩体裂隙张开，局部掉块.3高切坡防护对策研究 根据上述切坡的变形破坏特征及稳定性分析结果，本高切坡整体是稳定的，但是存在坡顶残坡积土和强风化岩体坍塌、局部软岩的风化剥落和破碎岩体崩塌、掉块等破坏形式.考虑到本切坡高度较大，坡度较陡，若发生稍大规模的崩塌掉块，将对坡下的居民区安全造成严重影响；同时，由于未对坡面采取封闭措施，随着风化过程的发展，风化掉块将逐步加剧，对后续管理工作带来极大不便. 针对边坡目前的情况，本方案采用在有危岩体和节理发育的区域采取清坡后锚喷混凝土进行边坡防护；在全强风化区域采取清坡后格构锚进行支护.同时辅以清除坡面松动岩体、设置坡面排水孔、坡脚挡墙、截排水沟及坡面植被恢复等措施. 该方案的关键问题是对锚杆的设计，分坡段对锚杆进行设计.经过计算，桩号K0+000～0+040、桩号K0+214～0+280、桩号K0+280～0+420、桩号K0+420～0+642四段的锚固段长度均接近于3 m，而通过圆弧法计算所得的滑面深度范围为3.5~4.5 m，因此锚杆长度可确定为8 m.其他段上部全风化层的锚杆设计可参照以上计算结果，下部中风化层的稳定性受到结构面的控制.根据规范的要求，锚杆的长度则应穿过最深的结构面，并且保证锚固段的长度大于等于3 m，因此根据各坡段结构面分布状态的不同，锚杆的长度分为5.0 m、6.0 m和8.0 m三种. 基于以上设计思路，采用锚喷及格构支护的同时，注重排水，坡脚防护，辅助植被恢复等措施，能真正做到防护有针对性、经济有效、绿色环保.4结语 三峡库区高切坡的产生本身由于人工开挖形成，其岩石表面由于新鲜出露，受本身地质条件及降雨、人工干预破坏等的影响，容易产生破坏. 研究高切坡的变形破坏模式，首先摸清高切坡的自然条件、地形地貌特征、地层岩性、岩体风化状况、地质构造特征、水文地质特征、人为扰动情况等. 可采用的方法主要为：现场地质调查、工程经验类比、工程实验、力学计算、数值模拟分析. 切坡可能的变形破坏主要有全风化层的整体滑移破坏；坡面较陡、无防护和植被的切坡段局部剥落掉块；受结构面切割影响，受不利结构面切割的块体滑移；全强风化岩体中的疏松岩体在雨水冲刷下，沿坡面产生水砂流动；全强风化花岗岩岩体中的坚硬状风化球滚落. 稳定性计算结果显示，a.桩号K0+000～0+040、K0+214～0+280、K0+420～0+642段坡面较完整，但在暴雨工况下该段坡面稳定性较差，不符合规范要求，在水体冲刷作用下出现有水砂流、坍塌破坏，这与实际中的稳定状态相一致.b.桩号K0＋040～K0＋214、K0+280～0+420段坡面中上部为全强风化岩体，呈散体状结构.下部为块状结构中风化岩体，发育四组裂隙，存在倾坡外的结构面，经过计算安全系数小于1.35，安全储备不够. 结合切坡的变形破坏特征及稳定性分析结果，高切坡治理过程中应尽量减小对岩石自身结构的破坏.同时防护措施要有针对性，实行分段治理，科学选定高切坡支护方式［5］.除主要治理措施外，应注重排水，同时注重城市景观设计即植被恢复.做到防护措施绿色、有效、经济.致谢 感谢武汉工程大学和湖北省科技厅的资金资助！