三峽工程雙線五級船閘高邊坡塊體滑動模式及穩定性計算分析

王福剛, 盧華鋒, 唐建東

(中國建筑西南勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610000)

?

三峽工程雙線五級船閘高邊坡塊體滑動模式及穩定性計算分析

王福剛, 盧華鋒, 唐建東

(中國建筑西南勘察設計研究院有限公司, 四川成都 610000)

【摘要】長江三峽工程雙線五級船閘是在山體中深切開挖后修建的，形成的最大工程邊坡高達170 m。邊坡開挖后主要存在的局部穩定問題是由裂隙和斷層等各類結構面切割形成的塊體穩定問題。其中閘墻所處直立邊坡100 m3以上的塊體就有360多個，小于100 m3的塊體達473個，查明塊體的位置、邊界條件、規模、滑動模式及其穩定性是施工地質的關鍵。在船閘開挖過程中，采取各種手段對塊體的穩定性等特征進行了分析并提出加固處理措施，確保了船閘高邊坡的安全施工和后期的有效運行。

【關鍵詞】高邊坡；塊體滑動模式；楔形體；參數選取；抗滑穩定計算；加固處理

長江三峽工程永久船閘包括上游引航道、主體閘室段和下游引航道，線路總長6 442 m。其中主體閘室段軸線方向為110°58′08″，長1 621 m，左右兩線閘室間為寬54～57 m的巖體中隔墩，為雙線連續五級船閘，每級組閘室有效尺寸為280 m(長)×34 m(寬)×5 m(最小水深)。

五級船閘于1994年動工，一期工程1995年基本完成，1996年開始二期閘墻直立坡的開挖，1999年開挖基本結束，形成的南北邊坡高達170 m，其中下部直立邊坡最高約79 m，一般為45～55 m。

五級船閘所處地層巖性主要為前震旦紀閃云斜長花崗巖，呈巖基產出，其中含有片巖捕虜體以及后期侵入花崗巖脈、偉晶巖脈、輝綠巖脈和石英脈。

閘墻直立坡主要為弱風化下帶和微風化巖體。

邊坡出露結構面以Ⅳ、Ⅴ級類結構面為主，少量Ⅲ結構面。斷層規模一般不大，長度多小于100 m，少量在100 m以上，多為陡傾角，其走向主要為NE～NEE組最發育，與船閘軸線夾角多大于30°，規模較大的斷層有f1050、F215、F10、f1096斜穿左右閘室邊坡。斷層構造巖大多膠結較差～差，呈疏松～半疏松狀或疏松～半堅硬狀[1]。 裂隙延伸長多為5～10 m，最發育的也是NE～NEE組，其次為NNW組、NNE組，最不發育的是NW～NWW組，走向與船閘軸線夾角多大于30°。裂隙面多平直稍粗，陡傾角為主，多數無充填物，少數被綠簾石、綠泥石、鈣質、鐵錳質等充填。

邊坡主要存在由裂隙或裂隙與斷層構成的塊體穩定問題。

1高邊坡塊體滑動模式

巖質邊坡的滑動破壞大致可以分為平面滑動破壞和楔形體滑動破壞[2]。

典型的巖質邊坡的平面滑動破壞一般是滑體與邊坡傾向大致相近的單一滑面滑移，滑面的傾角緩于邊坡坡角，滑面在坡面出露，滑體兩側一般被結構面切割或臨空。有時滑面是由兩個或兩個以上走向近似、傾角不同的結構面組成的復合滑面。

在巖質邊坡的失穩模式中，楔形體滑動破壞為最常見的破壞類型。楔形體是由兩條或兩條以上的結構面對巖體切割而形成的，滑體同時沿這兩個面發生滑移，其滑移方向是沿著兩個結構面的組合交棱線方向，且該交棱線的傾角緩于邊坡坡角，并在邊坡出露。

由一組或多組結構面組合形成的可能滑動變形或失穩的局部邊坡巖體統稱為塊體。

船閘高邊坡塊體滑動破壞模式主要分為兩大類，即單面滑動和雙面滑動。同時根據塊體結構面組合即臨空面的不同可分為多種類型。

1.1 單面滑動模式

根據永久船閘邊坡開挖所揭露結構面組合情況，單面滑動塊體主要可分為以下幾種類型：

(1)由結構面向臨空面斜切縱橫向邊坡拐角，向臨空面產生滑移(圖1)；

(2)由側向臨空邊坡、側向切割結構面和與邊坡傾向一致的結構面組合產生的滑移(圖2)；

圖1　單面滑動模式一

圖2　單面滑動模式二

(3)由兩組側向結構面和與邊坡傾向一致的結構面組合產生的滑移(圖3)，根據出露部位和產狀的不同又可分為(a)、(b)、(c)三類；

(a)

(b)

(c)

(4)由兩組側向結構面、一組后緣(或坡頂)切割面與邊坡傾向一致的結構面組合產生的滑移(圖4)，根據出露部位和產狀的不同又可分為(a)、(b)、(c)三類。

(a)　　　　　　(b)　　　　　　(c)圖4　單面滑動模式四

1.2雙面滑動模式

雙面滑動的兩組控制性結構面走向一般與邊坡走向夾角較大，結構面交棱線傾角緩于邊坡坡角且傾向坡外。該類滑動往往由多條結構面相互切割組合而成，但總的可以概括為以下四類(圖5)：

(1)在坡頂緣由兩組結構面相互切割形成楔形塊體沿兩組結構面滑動，滑動方向與交棱線傾向相同(圖5(a))；

(2)在坡頂緣由兩組結構面相互切割，交棱線傾向坡外，坡頂面后緣有與邊坡走向一致的結構面切割，塊體沿交棱線傾向方向滑動(圖5(b))；

(3)在坡面上由兩組結構面相互切割，交棱線傾向坡外，頂部有結構面完全切割上述結構面，塊體沿兩結構面交棱線傾向方向滑動(圖5(c))；

(4)在坡面上由兩組結構面相互切割，交棱線傾向坡外，頂部由兩組以上結構面完全切割，塊體沿兩結構面交棱線傾向方向滑動(圖5(d))。

圖5　雙面滑動模式

單面滑動必須由與邊坡走向近一致的外傾結構面控制，該類結構面在邊坡出露有一定局限性，所以分布相對較少；雙面滑動只要兩組結構面交棱線傾向坡外，并與其它結構面相互組合成切割完全的塊體，就可能產生滑動，此類結構面在坡面分布較多，所以雙面滑動為永久船閘邊坡塊體滑移的主要滑動模式。

2穩定計算參數選取

結構面力學參數的選取是塊體穩定性計算分析的關鍵因素之一。三峽工程開工建設之前就對巖體及其結構面進行了諸多的現場力學試驗[3]，結構面抗剪強度建議值以現場抗剪斷峰值強度作依據，并參考有關規范和工程類比，據此提出結構面抗剪強度參數建議值(表1)。

表1　前期巖體結構面抗剪強度參數建議值

在船閘開挖初期對塊體的穩定分析一般以此建議力學參數值進行計算。在永久船閘的開挖施工中，對巖體結構面又進行了大量的現場抗剪強度試驗，結合施工前及施工過程中所進行的力學試驗成果對巖體結構面抗剪強度指標作了進一步分析，提出永久船閘閃云斜長花崗巖體結構面抗剪強度參數建議值(表2)[4]。

表2　開挖期巖體結構面抗剪強度參數建議值

從上述建議值可以看出，巖體結構面在開挖前與開挖期抗剪強度參數建議值變化不大，所以不同時期永久船閘塊體穩定計算所選取抗剪強度參數也基本相同，這也保證了塊體穩定分析計算的一致性及合理性。

3塊體穩定計算

在巖體邊坡穩定性分析中，比較常用的方法有剛體極限平衡法、有限元法、離散單元法等。其中有限元法、離散單元法計算分析較復雜，適用于大型邊坡塊體；而采用剛體極限平衡法計算分析簡便，適用于一般小型邊坡塊體，為一般工作中常采用的計算方法。本文中主要圍繞此類計算分析方法進行敘述。

邊坡塊體穩定分析方法一般采用穩定安全系數法，安全系數是結構和巖土工程中最早出現、也是使用最廣泛的衡量安全度的一種指標，其可以表示為：

由于雙面滑動受兩個結構面組合影響，其滑動方向是沿著兩個結構面交棱線方向，其抗滑力及滑動力是需投影到投影軸后再進行計算；而單面滑動直接沿著滑動結構面方向滑移。所以兩者在計算上有著一定差異，但原理都是一樣的。

3.1單面滑動穩定計算

在不考慮地震的影響和動水壓力的情況下，單面滑動的力學狀態見圖6。滑動破壞的安全系數計算公式如下[5]：

圖6　單面滑動計算模式

式中:Wi為塊體重量；Ai為滑面i的面積；ci、φi分別為滑面i的凝聚力及內摩擦角；Ni和Si分別為法向和剪切方向的應力分量。

Ni=Wicosφi

Si=Wisinφi

上述公式與《建筑邊坡工程技術規范》中平面滑動計算公式一致。根據實際情況在計算中也可以加入地震力和動水壓力[6]。

地震力一般只考慮水平地震力的作用，水平地震力計算公式如下：

F=ηckWi

式中：F為水平地震力；ηc為綜合影響系數，取0.25；k為水平地震系數，7度地震取0.1，8度地震取0.2，9度地震取0.4。

對存在地下水滲流的邊坡，還應考慮地下水的作用，動水壓力Pwi按如下公式計算：

式中:γw為水的重度；Vi為塊體水下體積；θi為地下水位線傾角。動水壓力指向低水頭方向。同時注意在考慮動水壓力時，水下塊體的重度取浮重度。

3.2雙面滑動穩定計算

由兩組不同傾向的結構面構成的滑體呈楔形，通常都假定滑體沿兩結構面的交線滑動，一般仍作為平面課題，計算沿交線方向的滑體穩定性，此時假定兩結構面的c、φ值相同。按空間力系求解，也可假定兩結構面的c、φ值不同。

為求解滑體穩定性，必須先求算出兩結構面交線的方位角和傾角，可利用赤平投影或通過計算求得，然后求算K值。常用有以下方法[7]：

3.2.1按平面力系求解

假定兩面的f值(摩擦系數=tanφ)相同，先求交線的方位角αab和交線傾角βab。

設:c1、c2、F1、F2分別為a、b面的粘聚力和面積，則

式中：αa、αb、βa、βb分別為a、b面的方位角和傾角。已知βab，可求解滑體的穩定系數Kc:

3.2.2按近似考慮兩面的傾斜

假定兩面的摩擦系數不同，分別為f1、f2，則：

式中:θ1、θ2分別為a、b面的傾角。

3.2.3按空間力系求解

首先求出兩面所受正應力N1、N2，則：

3.2.4按工程地質手冊(第四版)計算[8]

假定楔形體的兩個滑面分別為F1面(ABD)和F2面(DBC)，F1面的抗剪強度指標分別為C1、φ1，F2面的抗剪強度指標分別為C2、φ2，交棱線BD的長度為l(圖7)，則滑體的穩定系數為:

式中:α1、α2分別為滑面F1、F2的法線與交結線BD的法線夾角。

圖7　雙面滑動計算模式

3.3實例計算

通過前述，我們可以看出計算塊體的公式(尤其是雙面滑動計算)繁多，而計算塊體穩定的軟件更是不少，根據不同的公式或軟件計算所得的塊體穩定系數存在一定差異，有時差異還特別大，如何選擇合理的計算公式或軟件來進行計算也就比較重要了。下面我們以永久船閘左線一閘室北坡L1N008楔形塊體為例，采用多種計算公式和軟件進行計算，并對計算結果的合理性及準確性進行分析。為了計算方便，本實例計算均不考慮地震及動水壓力作用。

構成塊體的結構面及邊界條件等基本參數見表3[9]。

表3　結構面參數建議值

結構面1及結構面2交棱線傾向191.4°，傾角46°，長度6.19 m，塊體高度4.45 m；結構面2在邊坡出露跡線長4.9 m，塊體容重為26.8 kN/m3。

計算分別采用《巖土工程勘察設計手冊》(林宗元主編)第6篇第17章邊坡工程中的公式、《工程地質手冊》(第四版)的計算公式以及理正巖土巖質邊坡計算軟件、國外Rocscience_Swedge邊坡穩定計算軟件和自編按空間力系求解的計算軟件，計算結果見表4。

表4　不同計算方式成果

從表4可以看出，幾種不同計算方式計算的結果差異不大。按工程地質手冊計算結果略偏大，按理正及Swedge邊坡穩定計算軟件計算結果完全一樣，與巖土工程勘察設計手冊按空間力系計算公式計算結果也比較接近。采用自編軟件計算穩定系數略低于通用軟件計算結果，對于工程來說略偏安全，所以是可行的。

4加固及處理建議

通過對塊體的穩定計算，確定了塊體的穩定狀態，對穩定塊體可不需進行處理，而對穩定性差的塊體則需進行加固處理，確保邊坡的穩定。那么，針對不同穩定狀態、不同規模、具不同邊界條件的塊體采取何種加固處理措施，就需要我們根據每一個塊體工程特性等實際情況為設計提供合理化建議。

4.1開挖程序和控制爆破技術

為避免邊坡開挖過程中相互干擾影響巖體穩定，在開挖程序上要作合理安排。

在爆破工藝方面，宜采取適合于裂隙巖體堅硬、抗爆性強的爆破技術，如合理采用光面爆破、預裂爆破、裝藥方式與藥量控制、適當的梯段爆破高度等，以盡量減輕巖體的受損程度和達到較好成形的要求。

4.2排水措施

地下水及巖體強度是影響邊坡穩定最敏感的因素，當結構面內充滿水后，其凝聚力幾乎為零，對邊坡的穩定極為不利。因而采取有效的排水降壓措施是十分重要的，排水措施主要包括建議有效的排除地下水補給源的截、排、防系統和坡體內地下水疏排系統。

4.3邊坡加固支護

對邊坡不穩定塊體一般采取錨固與噴錨等措施進行加固處理，以保證邊坡穩定。

對于開挖出露或部分出露的定位、半定位塊體根據其穩定狀態，一般采取錨桿或錨索針對性加固，錨固深度大于塊體最大埋深。對于不能完全確定的塊體及結構面發育的部位還可以進行系統錨固。

對于塊體方量較小、分布較密集的可采用掛網噴錨加固。

4.4清挖

邊坡開挖后，對于一些穩定性較差或已松動塊體，若采取錨固，將會給施工帶來不便或產生危險。若方量較小，一般可進行清挖；對于方量較大塊體一般不宜清除，可采用錨固與灌漿相結合的加固處理措施為宜，避免清挖后下部大范圍處于臨空，影響上部巖體穩定，同時需進行回填混凝土，增加工程造價。

5結束語

永久船閘二期邊坡不僅坡高大，且主要為直立邊坡，邊坡巖體結構面較發育且無明顯規律，隨機性較強，在邊坡開挖前不能對塊體的分布進行準確預測，尤其是小型塊體更是隨機性較強。如何在不影響施工工期，克服施工相互干擾大的條件下，確保邊坡開挖安全，及時有效的對邊坡塊體進行支護處理就成為施工的重點和難點。

在整個船閘施工階段，地質勘探人員采用邊開挖邊地質編錄，及時分析發布簡報，并加強巡視，與設計、施工方隨時保持聯動，及時溝通，提出合理的加固處理建議，為永久船閘施工開挖提供了有力保障。

永久船閘施工期一共編寫地質簡報500多期，并簽發現場聯系單無數，為設計提供了準確的地質依據，使永久船閘整個施工中從未出現因地質原因而產生的責任事故。

參考文獻

[1]長江水利委員會．長江三峽工程永久船閘中隔墩巖體力學特性綜合研究[R]. 2000.

[2]陳祖煜，汪小剛．巖質邊坡穩定分析-原理方法程序[M]. 中國水利水電出版社，2005.

[3]長江水利委員會．長江三峽工程水利樞紐初步設計報告(樞紐工程)第三篇：工程地質[R]. 1992.

[4]薛果夫, 滿作武．長江三峽水利樞紐工程地質勘察與研究(下冊)[M]. 中國地質大學出版社，2008.

[5]張玉燈．FLAC3D 在巖質邊坡穩定性分析中的應用[J]. 路基工程，2008(6)：164-165.

[6]GB 50330-2002 建筑邊坡工程技術規范[S].

[7]林宗元．巖土工程勘察手冊[M]. 遼寧科學技術出版社，1996.

[8]工程地質手冊編委．工程地質手冊[M]. 4版，北京:中國建筑工業出版社，2007.

[9]長江委三峽勘測研究院．三峽工程施工地質簡報總第240期[R]. 1999.

【中圖分類號】U416.1+4

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2015-10-14