嘉陵江苍溪航电枢纽船闸工程高边坡稳定性分析

黄星高

(中交公路规划设计院四川分公司，四川成都 610041)



嘉陵江苍溪航电枢纽船闸工程高边坡稳定性分析

黄星高

(中交公路规划设计院四川分公司，四川成都 610041)

【摘要】苍溪船闸工程右边墙开挖后将形成最大高约40 m的岩质高边坡，其规模较大，边坡开挖后岩体卸荷变形及结构面切割形成的潜在不稳定块体对边坡的临时和永久稳定带来较大影响。文章采用赤平投影分析、CSMR法、块体稳定理论等多种方法，分析该岩质高边坡在开挖后的稳定性及卸荷变形趋势，为船闸工程的设计、施工提供支持。

【关键词】岩质高边坡;稳定分析;赤平投影;CSMR法;楔形体破坏

1工程概况

苍溪航电枢纽工程是嘉陵江干流渠化开发规划的第三个梯级，其苍溪船闸工程位于嘉陵江右岸(图1)，闸室右侧边墙需开挖嘉陵江右岸山体，形成最大高40m的人工岩质高边坡后采用钢筋混凝土结构浇筑而成。

本文主要分析该船闸内侧闸墙建设所形成的岩质高边坡的稳定性。

图1　工程场地位置

2环境地质条件

2.1自然地理

苍溪航电工程位于四川省广元市苍溪县城上游3km处郑家濠沟附近，地貌类型主要为构造剥蚀低山丘陵及侵蚀堆积河谷地貌， 构造剥蚀低山丘陵区占本区面积的90 %以上，丘陵高程500～700m，相对高差50～200m。

2.2地质构造和地震

工程区大地构造属四川沉降带之川中旋扭构造体系，场地位于苍溪向斜南西段核部附近(图2)。

图2　地质构造纲要

工程区位于苍溪向斜南东翼，该向斜为一宽缓褶皱。岩层走向总体呈北东向，倾角平缓。工程区构造简单，无大的断裂构造，构造裂隙不发育。岩层倾角平缓，产状为230°∠6°～10°，裂隙稍发育，优势结构面为层面，同时陡坡地带卸荷裂隙较为发育。工程区岩体主要有4组裂隙，分别为：

裂隙①：层面裂隙，产状为230°∠6°～10°，裂隙平整，较粗糙。

裂隙②：产状为120°∠75°，裂面粗糙，起伏不平，张开，张开度0.3～0.8cm，无充填，延伸度约1.8～2.2m，间距一般1.6～2.0m，间距最小0.6～0.8m，平行边坡，为卸荷裂隙。

裂隙③：产状为260°∠70°，裂面粗糙，起伏不平，张开，张开度0.3～1cm，泥质松散充填，延伸度约6m，间距1.2～1.4m。

裂隙④：产状为165°∠65°～80°，裂面粗糙，起伏，微开，张开度0.2～0.5cm，无充填，延伸度6～8m，间距2.4～3.6m。

其中最发育裂隙为层面裂隙①和卸荷裂隙②。

区内历史地震主要受外围地震活动影响，影响烈度均较小，未见破坏性地震。根据GB18306-2001《中国地震动参数区划图》及其第1号修改单(2008年)，工程区场地地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.4s，对应的地震基本烈度Ⅵ度，区域构造稳定性属稳定区。

2.3地层岩性

船闸区出露地层主要为中生界白垩系苍溪组(Kc)的粉砂质泥岩、砂岩及第四系松散堆积层(Q)。

2.3.1中生界白垩系苍溪组(Kc)

根据工程区岩性特征，将苍溪组(Kc)分为三个亚层(Kc1、Kc2、Kc3)。该层岩石强风化带厚一般1.8～7.8m，中风化带厚一般15～26m。

(1)粉砂质泥岩(Kc1):紫红色，厚层状，水平状微层理发育，泥质结构，主要由黏土矿物组成，局部夹青灰色砂质团块。钻探揭露到该层，位于砂岩之下，钻探深度内未揭穿，揭露厚度大于11.0m。多为中风化及微风化岩石。

(2)砂岩(Kc2)：青灰色，浅灰色，巨厚层状块状构造，中～细粒结构，泥质胶结，胶结程度一般，主要成分由岩屑、长石、石英等组成，岩体完整，裂隙不发育，偶见70°～75°陡倾角裂隙，裂面粗糙不平，张开无充填，在钻探过程中漏水。船闸区揭露厚度0.0～28.75m。

(3)粉砂质泥岩夹砂岩(Kc3)：粉砂质泥岩，褐黄色、紫红色，薄～中厚层构造，泥质结构，局部砂质含量较重，水平状微层理发育。仅在船闸后缘坡顶揭露到该层，揭露厚度0.0～11.06m。

2.3.2第四系堆积层(Q)

3岩质高边坡的地质结构

如前文第2.2节所述，组成苍溪船闸右边墙高边坡的岩层为白垩系苍溪组砂岩、泥岩，根据岩层厚度及结构，自上而下大致分为三层，分别为Kc3、Kc2、Kc1。其中Kc3为薄～中厚层状的粉砂质泥岩和砂岩的互层产出，Kc2为较纯粹的巨厚层块状结构的青灰色砂岩，Kc1为较纯粹的中～厚层状产出的紫红色粉砂质泥岩(图3)。

图3　船闸边坡地质结构

根据钻探及地表调查揭示，Kc3砂岩、泥岩互层产出时，层间结合不紧密，层间裂隙较为发育，且在砂岩和泥岩中多发育薄夹层，两层中厚层的泥岩中夹薄层砂岩或两层中厚层的砂岩中夹薄层泥岩，也导致其强风化层较为发育。而Kc2巨厚层状的青灰色砂岩则几乎为一个单一沉积层，钻探及调查均未发现明显层面，该层构成了该岩质高边坡下半部或者说构成了船闸右边墙所开挖部分。据钻探揭露，Kc1为性质较为单一的紫红色粉砂质泥岩，该层地表未发现露头，主要通过钻探揭露，位于船闸基坑开挖线之下，局部会有所揭露。钻探表明，这里所区分的三层岩层之间无明显的软弱泥化夹层发育。

根据调查苍溪船闸场址区主要发育一组卸荷裂隙、一组层面裂隙和两组构造裂隙。其产状如前文第2.2节所述，其中层面裂隙沿基岩沉积层面发育，在Kc3中较为发育，在Kc2、Kc1中均较为少见。卸荷裂隙主要和该段河岸走向相关，倾向坡外。而构造裂隙则和场地历史时期曾经受到的构造应力有关，发育为两组近垂直相交的“X”型节理，和层面近乎垂直。从发育密度来看，层面裂隙主要在边坡上部Kc3中较为发育，卸荷裂隙相对而言在巨厚层砂岩中较为明显，而构造裂隙总体而言密度较低且多为密闭裂隙。

根据对Kc1粉砂质泥岩、Kc2巨厚层砂岩岩芯钻探取样进行室内岩石力学试验(表1)，Kc1粉砂质泥岩试验结果离散型较小，而Kc2砂岩试验结果离散型相对较大，但仍在允许的范围内。总体而言砂岩、泥岩单轴抗压强度有一定差异，而抗剪强度(垂直于层面)则差异较小。

4高边坡的稳定性分析

根据设计方案，船闸内侧将形成最高约40m的人工岩质高边坡，边坡主要由强～中风化砂泥岩互层及砂岩组成。本文拟在上述对该岩质边坡的地质分析的基础上，采用赤平投影分析、CSMR边坡质量分类、刚体极限平衡分析几个方面分别进行分析，预测边坡开挖后可能的边坡破坏型式和规模，为设计和施工提供参考。

根据调查，边坡岩体内发育4组结构面，依据GB50330-2002《建筑边坡工程技术规范》附录A进行分类(表2)。边坡岩体强风化砂岩属于Ⅳ类岩体，中风化砂岩属于Ⅲ类岩体。

4.1赤平投影分析

根据岩层结构面和边坡坡向作船闸右边墙岩质边坡赤平极射投影图(图4)。

图4　船闸右边墙高边坡赤平投影

该段边坡为逆向坡，岩层倾向坡内，岩层倾角平缓(6°～10°)，故对边坡整体稳定性有利。但卸荷裂隙结构面②与X型构造节理③、④的相交，其交线均倾向坡外，倾角小于坡角，形成“楔形体”，存在边坡产生楔形体崩塌的可能。综上所述，岩层倾向坡内，岩体完整性较好，故边坡总体是稳定的。但由于结构面组合后形成块体，存在局部崩塌的可能。

表1　船闸高边坡岩石室内试验成果统计

表2　边坡岩体分类

4.2半定量的CSMR边坡质量分类

CSMR分类是岩质边坡的稳定性分类，其主要系根据边坡的岩体质量和影响边坡的各种因素进行综合测评，然后对其稳定性进行分类，半定量地进行岩质边坡稳定性评价。CSMR分类因素主要分为两个部分：一部分是岩体基本质量RMR，由岩石强度、RQD、结构面间距、结构面条件及地下水等因素综合确定；另一部分是各种边坡影响因素的修正，包括边坡高度系数(ξ)、结构面方位系数(F1、F2、F3)、结构面条件系数(λ)及边坡开挖系数(F4)。采用积差评分模型，其表达式为：

CSMR=ξ·RMR-λ·F1·F2·F3+F4

(1)

式中：坡高系数按右式计算 ξ=0.57+34.4/H，H为坡高(m)；

RMR分类参数及评分标准参见DL/T5337-2006规范附录B表B.2；

λ取值参见DL/T5337-2006规范附录B表B.4；

F1为反映结构面倾向与边坡倾向间关系的系数；

F2为与结构面的倾角相关的系数；

F3为反映边坡倾角与结构面倾角关系的系数；

F1、F2、F3取值参见DL/T5337-2006规范附录B表B.3；

F4为开挖方法系数，取值参见DL/T5337-2006规范附录B表B.5。

根据DL/T5337-2006《水电水利工程边坡工程地质勘察技术规程》附录B取值规定，坡高按最高40m计，坡高系数ξ=1.43，RMR取值见表3。结构面倾角与边坡倾向夹角的10°～20°，系数F1=0.7；结构面倾角系数F2=1；边坡倾角与结构面倾角的关系(边坡倾角+结构面倾角)合为165°～195°，系数F3=25；边坡开挖方法为光面爆破，系数F4=8，结构面为裂隙，系数λ=0.9。

根据式(1)，CSMR值计算为55.0～57.8 ，根据DL/T5337—2006《水电水利工程边坡工程地质勘察技术规程》附录B表B.6，边坡稳定性评价为：岩体类别为Ⅲ类，岩体质量为中等，其稳定性为基本稳定，应进行局部加固处理。

表3　RMR取值

4.3刚体极限平衡分析

当岩质边坡的结构面组合的交线倾向坡外，且具有临空面等滑动条件时，可能发生楔形体破坏。根据DL/T5337—2006《水电水利工程边坡工程地质勘察技术规程》附录E，该类楔形体破坏的稳定性系数Fs可按式(2)计算：

(2)

式中：Na、Nb为由重力W引起的作用于结构面a、b上的法向分力(kN)；

φa、φb为结构面a、b的内摩擦角(°)；

Ca、Cb为结构面a、b的内聚力(kPa)；

Aa、Ab为结构面a、b的面积(m2)；

βab为结构面a、b交线的倾角；

W为楔形体的重力(kN)。

根据图4船闸右边墙人工边坡赤平投影作图分析，卸荷裂隙②与”X”型构造裂隙③、④交线倾向坡外，倾角小于坡角，形成“三角型楔形体”，有发生楔形体破坏型崩塌的可能，这里选取裂隙②、③组合，根据式(2)计算其稳定性系数。

由上文描述可知，控制边坡块体稳定的楔形体主要由卸荷裂隙和一组X节理控制。卸荷裂隙产状为220°∠75°，裂面粗糙，起伏不平，张开，张开度0.3～0.8cm，无充填，延伸度约1.8～2.2m，间距一般1.6～2.0m。与卸荷裂隙产生不利组合的一组节理为X节理的一个，产状为165°∠65°～80°(取为165°∠75°)，裂面微开，无充填，延伸度6～8m，间距2.4～3.6m。据此，楔形体计算模型取两倍卸荷裂隙延伸长度(即4m)，作为可能发生楔形体破坏的边坡计算高度。裂隙面强度参数参考《岩体力学》的定义，根据《铁路工程地质手册》有关节理面经验数据，取C=10kPa(与裂隙的联通情况有关)，φ=24°(tgφ=0.45)。取砂岩天然容重γ=24kN/m3，不考虑地下水影响。

利用上述式(2)，计算结果为：

Fs=1.40

计算结果显示楔形体总体而言处于稳定状态，不易发生楔形体破坏。

但是需要注意的是，上述公式计算的结果仅仅说明该类大规模楔形体破坏不易发生，而并不能排除偶有发生小规模楔形体破坏的可能。

5结论

(1)苍溪船闸右边墙人工高边坡最高达40m左右，且坡角闸室部分近垂直开挖高度达22m。根据钻探及现场调查，该人工高边坡地质结构主要由Kc3、Kc2、Kc1三层组成。其中Kc3砂泥岩互层厚15m左右，位于边坡上部，具备放坡空间，可采用放坡的办法减小应力集中对边坡稳定的不利影响；Kc2青灰色砂岩强度较高，裂隙较少发育，岩体较完整，厚度达25m左右，构成了闸室右边墙边坡的主要岩体，总体而言该层砂岩稳定性较好，但其中发育的卸荷裂隙和一组X节理的组合，其相交线倾向坡外，有发生楔形体破坏的可能；Kc1粉砂质泥岩位于闸室基础之下，对边坡稳定影响较小。

(2)经过分析计算，总体而言该岩质边坡岩层缓倾坡内，边坡整体稳定，无控制边坡的长大软弱结构面发育；零星发育的卸荷裂隙和X型节理的组合对边坡的局部稳定不利，有发生小规模楔形体破坏的可能，该船闸右边墙人工岩质高边坡在Kc3进行了足够的放坡，降低边坡应力集中的程度之后，闸墙直立边坡可不考虑全墙系统的锚固措施，可根据开挖状况，发现局部裂隙密集的地方进行加固即可。

参考文献

[1]GB50330-2002 建筑边坡工程技术规范[S].

[2]DL/T5337-2006 水电水利工程边坡工程地质勘察规程[S].

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[5]李红旭. 某水电站地下厂房关键块体稳定分析[J]. 人民长江,2011(1).

【中图分类号】TV61

【文献标志码】B

[定稿日期]2016-05-06