三峽工程雙線五級(jí)船閘高邊坡塊體滑動(dòng)模式及穩(wěn)定性計(jì)算分析

王福剛, 盧華鋒, 唐建東

(中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610000)

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三峽工程雙線五級(jí)船閘高邊坡塊體滑動(dòng)模式及穩(wěn)定性計(jì)算分析

王福剛, 盧華鋒, 唐建東

(中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610000)

【摘要】長(zhǎng)江三峽工程雙線五級(jí)船閘是在山體中深切開(kāi)挖后修建的，形成的最大工程邊坡高達(dá)170 m。邊坡開(kāi)挖后主要存在的局部穩(wěn)定問(wèn)題是由裂隙和斷層等各類(lèi)結(jié)構(gòu)面切割形成的塊體穩(wěn)定問(wèn)題。其中閘墻所處直立邊坡100 m3以上的塊體就有360多個(gè)，小于100 m3的塊體達(dá)473個(gè)，查明塊體的位置、邊界條件、規(guī)模、滑動(dòng)模式及其穩(wěn)定性是施工地質(zhì)的關(guān)鍵。在船閘開(kāi)挖過(guò)程中，采取各種手段對(duì)塊體的穩(wěn)定性等特征進(jìn)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(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】高邊坡；塊體滑動(dòng)模式；楔形體；參數(shù)選取；抗滑穩(wěn)定計(jì)算；加固處理

長(zhǎng)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(zhǎng)6 442 m。其中主體閘室段軸線方向?yàn)?10°58′08″，長(zhǎng)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(xù)五級(jí)船閘，每級(jí)組閘室有效尺寸為280 m(長(zhǎng))×34 m(寬)×5 m(最小水深)。

五級(jí)船閘于1994年動(dòng)工，一期工程1995年基本完成，1996年開(kāi)始二期閘墻直立坡的開(kāi)挖，1999年開(kāi)挖基本結(jié)束，形成的南北邊坡高達(dá)170 m，其中下部直立邊坡最高約79 m，一般為45～55 m。

五級(jí)船閘所處地層巖性主要為前震旦紀(jì)閃云斜長(zhǎng)花崗巖，呈巖基產(chǎn)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(fēng)化下帶和微風(fēng)化巖體。

邊坡出露結(jié)構(gòu)面以Ⅳ、Ⅴ級(jí)類(lèi)結(jié)構(gòu)面為主，少量Ⅲ結(jié)構(gòu)面。斷層規(guī)模一般不大，長(zhǎng)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(fā)育，與船閘軸線夾角多大于30°，規(guī)模較大的斷層有f1050、F215、F10、f1096斜穿左右閘室邊坡。斷層構(gòu)造巖大多膠結(jié)較差～差，呈疏松～半疏松狀或疏松～半堅(jiān)硬狀[1]。 裂隙延伸長(zhǎng)多為5～10 m，最發(fā)育的也是NE～NEE組，其次為NNW組、NNE組，最不發(fā)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(shù)無(wú)充填物，少數(shù)被綠簾石、綠泥石、鈣質(zhì)、鐵錳質(zhì)等充填。

邊坡主要存在由裂隙或裂隙與斷層構(gòu)成的塊體穩(wěn)定問(wèn)題。

1高邊坡塊體滑動(dòng)模式

巖質(zhì)邊坡的滑動(dòng)破壞大致可以分為平面滑動(dòng)破壞和楔形體滑動(dòng)破壞[2]。

典型的巖質(zhì)邊坡的平面滑動(dòng)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(cè)一般被結(jié)構(gòu)面切割或臨空。有時(shí)滑面是由兩個(gè)或兩個(gè)以上走向近似、傾角不同的結(jié)構(gòu)面組成的復(fù)合滑面。

在巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)模式中，楔形體滑動(dòng)破壞為最常見(jiàn)的破壞類(lèi)型。楔形體是由兩條或兩條以上的結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體切割而形成的，滑體同時(shí)沿這兩個(gè)面發(fā)生滑移，其滑移方向是沿著兩個(gè)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面組合形成的可能滑動(dòng)變形或失穩(wěn)的局部邊坡巖體統(tǒng)稱為塊體。

船閘高邊坡塊體滑動(dòng)破壞模式主要分為兩大類(lèi)，即單面滑動(dòng)和雙面滑動(dòng)。同時(shí)根據(jù)塊體結(jié)構(gòu)面組合即臨空面的不同可分為多種類(lèi)型。

1.1 單面滑動(dòng)模式

根據(jù)永久船閘邊坡開(kāi)挖所揭露結(jié)構(gòu)面組合情況，單面滑動(dòng)塊體主要可分為以下幾種類(lèi)型：

(1)由結(jié)構(gòu)面向臨空面斜切縱橫向邊坡拐角，向臨空面產(chǎn)生滑移(圖1)；

(2)由側(cè)向臨空邊坡、側(cè)向切割結(jié)構(gòu)面和與邊坡傾向一致的結(jié)構(gòu)面組合產(chǎn)生的滑移(圖2)；

圖1　單面滑動(dòng)模式一

圖2　單面滑動(dòng)模式二

(3)由兩組側(cè)向結(jié)構(gòu)面和與邊坡傾向一致的結(jié)構(gòu)面組合產(chǎn)生的滑移(圖3)，根據(jù)出露部位和產(chǎn)狀的不同又可分為(a)、(b)、(c)三類(lèi)；

(a)

(b)

(c)

(4)由兩組側(cè)向結(jié)構(gòu)面、一組后緣(或坡頂)切割面與邊坡傾向一致的結(jié)構(gòu)面組合產(chǎn)生的滑移(圖4)，根據(jù)出露部位和產(chǎn)狀的不同又可分為(a)、(b)、(c)三類(lèi)。

(a)　　　　　　(b)　　　　　　(c)圖4　單面滑動(dòng)模式四

1.2雙面滑動(dòng)模式

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

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

(2)在坡頂緣由兩組結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面切割，塊體沿交棱線傾向方向滑動(dòng)(圖5(b))；

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

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

圖5　雙面滑動(dòng)模式

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

2穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)選取

結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)的選取是塊體穩(wěn)定性計(jì)算分析的關(guān)鍵因素之一。三峽工程開(kāi)工建設(shè)之前就對(duì)巖體及其結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了諸多的現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)試驗(yàn)[3]，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度建議值以現(xiàn)場(chǎng)抗剪斷峰值強(qiáng)度作依據(jù)，并參考有關(guān)規(guī)范和工程類(lèi)比，據(jù)此提出結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議值(表1)。

表1　前期巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議值

在船閘開(kāi)挖初期對(duì)塊體的穩(wěn)定分析一般以此建議力學(xué)參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。在永久船閘的開(kāi)挖施工中，對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面又進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)合施工前及施工過(guò)程中所進(jìn)行的力學(xué)試驗(yàn)成果對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度指標(biāo)作了進(jìn)一步分析，提出永久船閘閃云斜長(zhǎng)花崗巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議值(表2)[4]。

表2　開(kāi)挖期巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議值

從上述建議值可以看出，巖體結(jié)構(gòu)面在開(kāi)挖前與開(kāi)挖期抗剪強(qiáng)度參數(shù)建議值變化不大，所以不同時(shí)期永久船閘塊體穩(wěn)定計(jì)算所選取抗剪強(qiáng)度參數(shù)也基本相同，這也保證了塊體穩(wěn)定分析計(jì)算的一致性及合理性。

3塊體穩(wěn)定計(jì)算

在巖體邊坡穩(wěn)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(jì)算分析較復(fù)雜，適用于大型邊坡塊體；而采用剛體極限平衡法計(jì)算分析簡(jiǎn)便，適用于一般小型邊坡塊體，為一般工作中常采用的計(jì)算方法。本文中主要圍繞此類(lèi)計(jì)算分析方法進(jìn)行敘述。

邊坡塊體穩(wěn)定分析方法一般采用穩(wěn)定安全系數(shù)法，安全系數(shù)是結(jié)構(gòu)和巖土工程中最早出現(xiàn)、也是使用最廣泛的衡量安全度的一種指標(biāo)，其可以表示為：

由于雙面滑動(dòng)受兩個(gè)結(jié)構(gòu)面組合影響，其滑動(dòng)方向是沿著兩個(gè)結(jié)構(gòu)面交棱線方向，其抗滑力及滑動(dòng)力是需投影到投影軸后再進(jìn)行計(jì)算；而單面滑動(dòng)直接沿著滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面方向滑移。所以兩者在計(jì)算上有著一定差異，但原理都是一樣的。

3.1單面滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算

在不考慮地震的影響和動(dòng)水壓力的情況下，單面滑動(dòng)的力學(xué)狀態(tài)見(jiàn)圖6。滑動(dòng)破壞的安全系數(shù)計(jì)算公式如下[5]：

圖6　單面滑動(dòng)計(jì)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(nèi)摩擦角；Ni和Si分別為法向和剪切方向的應(yīng)力分量。

Ni=Wicosφi

Si=Wisinφi

上述公式與《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中平面滑動(dòng)計(jì)算公式一致。根據(jù)實(shí)際情況在計(jì)算中也可以加入地震力和動(dòng)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(jì)算公式如下：

F=ηckWi

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

對(duì)存在地下水滲流的邊坡，還應(yīng)考慮地下水的作用，動(dòng)水壓力Pwi按如下公式計(jì)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(dòng)水壓力指向低水頭方向。同時(shí)注意在考慮動(dòng)水壓力時(shí)，水下塊體的重度取浮重度。

3.2雙面滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算

由兩組不同傾向的結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的滑體呈楔形，通常都假定滑體沿兩結(jié)構(gòu)面的交線滑動(dòng)，一般仍作為平面課題，計(jì)算沿交線方向的滑體穩(wěn)定性，此時(shí)假定兩結(jié)構(gòu)面的c、φ值相同。按空間力系求解，也可假定兩結(jié)構(gòu)面的c、φ值不同。

為求解滑體穩(wěn)定性，必須先求算出兩結(jié)構(gòu)面交線的方位角和傾角，可利用赤平投影或通過(guò)計(jì)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(shù)=tanφ)相同，先求交線的方位角αab和交線傾角βab。

設(shè):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(wěn)定系數(shù)Kc:

3.2.2按近似考慮兩面的傾斜

假定兩面的摩擦系數(shù)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(yīng)力N1、N2，則：

3.2.4按工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)計(jì)算[8]

假定楔形體的兩個(gè)滑面分別為F1面(ABD)和F2面(DBC)，F(xiàn)1面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分別為C1、φ1，F(xiàn)2面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分別為C2、φ2，交棱線BD的長(zhǎng)度為l(圖7)，則滑體的穩(wěn)定系數(shù)為:

式中:α1、α2分別為滑面F1、F2的法線與交結(jié)線BD的法線夾角。

圖7　雙面滑動(dòng)計(jì)算模式

3.3實(shí)例計(jì)算

通過(guò)前述，我們可以看出計(jì)算塊體的公式(尤其是雙面滑動(dòng)計(jì)算)繁多，而計(jì)算塊體穩(wěn)定的軟件更是不少，根據(jù)不同的公式或軟件計(jì)算所得的塊體穩(wěn)定系數(shù)存在一定差異，有時(shí)差異還特別大，如何選擇合理的計(jì)算公式或軟件來(lái)進(jìn)行計(jì)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(jì)算公式和軟件進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果的合理性及準(zhǔn)確性進(jìn)行分析。為了計(jì)算方便，本實(shí)例計(jì)算均不考慮地震及動(dòng)水壓力作用。

構(gòu)成塊體的結(jié)構(gòu)面及邊界條件等基本參數(shù)見(jiàn)表3[9]。

表3　結(jié)構(gòu)面參數(shù)建議值

結(jié)構(gòu)面1及結(jié)構(gòu)面2交棱線傾向191.4°，傾角46°，長(zhǎng)度6.19 m，塊體高度4.45 m；結(jié)構(gòu)面2在邊坡出露跡線長(zhǎng)4.9 m，塊體容重為26.8 kN/m3。

計(jì)算分別采用《巖土工程勘察設(shè)計(jì)手冊(cè)》(林宗元主編)第6篇第17章邊坡工程中的公式、《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)的計(jì)算公式以及理正巖土巖質(zhì)邊坡計(jì)算軟件、國(guó)外Rocscience_Swedge邊坡穩(wěn)定計(jì)算軟件和自編按空間力系求解的計(jì)算軟件，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　不同計(jì)算方式成果

從表4可以看出，幾種不同計(jì)算方式計(jì)算的結(jié)果差異不大。按工程地質(zhì)手冊(cè)計(jì)算結(jié)果略偏大，按理正及Swedge邊坡穩(wěn)定計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果完全一樣，與巖土工程勘察設(shè)計(jì)手冊(cè)按空間力系計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果也比較接近。采用自編軟件計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)略低于通用軟件計(jì)算結(jié)果，對(duì)于工程來(lái)說(shuō)略偏安全，所以是可行的。

4加固及處理建議

通過(guò)對(duì)塊體的穩(wěn)定計(jì)算，確定了塊體的穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)穩(wěn)定塊體可不需進(jìn)行處理，而對(duì)穩(wěn)定性差的塊體則需進(jìn)行加固處理，確保邊坡的穩(wěn)定。那么，針對(duì)不同穩(wěn)定狀態(tài)、不同規(guī)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(jù)每一個(gè)塊體工程特性等實(shí)際情況為設(shè)計(jì)提供合理化建議。

4.1開(kāi)挖程序和控制爆破技術(shù)

為避免邊坡開(kāi)挖過(guò)程中相互干擾影響巖體穩(wěn)定，在開(kāi)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(jiān)硬、抗爆性強(qiáng)的爆破技術(shù)，如合理采用光面爆破、預(yù)裂爆破、裝藥方式與藥量控制、適當(dāng)?shù)奶荻伪聘叨鹊龋员M量減輕巖體的受損程度和達(dá)到較好成形的要求。

4.2排水措施

地下水及巖體強(qiáng)度是影響邊坡穩(wěn)定最敏感的因素，當(dāng)結(jié)構(gòu)面內(nèi)充滿水后，其凝聚力幾乎為零，對(duì)邊坡的穩(wěn)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(bǔ)給源的截、排、防系統(tǒng)和坡體內(nèi)地下水疏排系統(tǒng)。

4.3邊坡加固支護(hù)

對(duì)邊坡不穩(wěn)定塊體一般采取錨固與噴錨等措施進(jìn)行加固處理，以保證邊坡穩(wěn)定。

對(duì)于開(kāi)挖出露或部分出露的定位、半定位塊體根據(jù)其穩(wěn)定狀態(tài)，一般采取錨桿或錨索針對(duì)性加固，錨固深度大于塊體最大埋深。對(duì)于不能完全確定的塊體及結(jié)構(gòu)面發(fā)育的部位還可以進(jìn)行系統(tǒng)錨固。

對(duì)于塊體方量較小、分布較密集的可采用掛網(wǎng)噴錨加固。

4.4清挖

邊坡開(kāi)挖后，對(duì)于一些穩(wěn)定性較差或已松動(dòng)塊體，若采取錨固，將會(huì)給施工帶來(lái)不便或產(chǎn)生危險(xiǎn)。若方量較小，一般可進(jìn)行清挖；對(duì)于方量較大塊體一般不宜清除，可采用錨固與灌漿相結(jié)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(wěn)定，同時(shí)需進(jìn)行回填混凝土，增加工程造價(jià)。

5結(jié)束語(yǔ)

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(jié)構(gòu)面較發(fā)育且無(wú)明顯規(guī)律，隨機(jī)性較強(qiáng)，在邊坡開(kāi)挖前不能對(duì)塊體的分布進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，尤其是小型塊體更是隨機(jī)性較強(qiáng)。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(kāi)挖安全，及時(shí)有效的對(duì)邊坡塊體進(jìn)行支護(hù)處理就成為施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

在整個(gè)船閘施工階段，地質(zhì)勘探人員采用邊開(kāi)挖邊地質(zhì)編錄，及時(shí)分析發(fā)布簡(jiǎn)報(bào)，并加強(qiáng)巡視，與設(shè)計(jì)、施工方隨時(shí)保持聯(lián)動(dòng)，及時(shí)溝通，提出合理的加固處理建議，為永久船閘施工開(kāi)挖提供了有力保障。

永久船閘施工期一共編寫(xiě)地質(zhì)簡(jiǎn)報(bào)500多期，并簽發(fā)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)系單無(wú)數(shù)，為設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)，使永久船閘整個(gè)施工中從未出現(xiàn)因地質(zhì)原因而產(chǎn)生的責(zé)任事故。

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【中圖分類(lèi)號(hào)】U416.1+4

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2015-10-14