刘志红,王 潇,严良淼,路 浩

(中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队,陕西 西安 710003)

三峡地区不仅是长江上游过渡中游的特殊地带,更是我国第Ⅱ级阶梯(中西部山地)与第Ⅲ级阶梯(东部平原)的划分界限。三峡受长期海陆交互沉积环境演化影响,特别是在低夷平面地区,广泛发育三叠系巴东组(T2b)泥灰质岩石。以往的研究基于泥灰质岩表现出泥岩的隔水性和灰岩的可溶性,通常认为泥灰岩岩溶是一种低程度的岩溶,是一种规模不大,形式孤立,主要发育在地表岩体露头和以卸荷裂隙、断裂作为通道的地下深部的岩溶系统。燕山期以来三峡库区经历了强烈的构造运动,造成巴东组地层出现褶皱和断裂,大大促进了溶蚀泥灰岩的普遍发育。

三峡工程库区受蓄水影响规划搬迁建房规模巨大,除了十多万居民外迁安置外,其余人员全部为就地向高处搬迁。数量众多的本地居民原地搬迁到高处,需要平整出大量土地,而沿长江两岸三峡库区多为高山峡谷地貌,高高程处可平整利用的土地非常少。因此,原地上山的大规模搬迁建设势必要规划削坡造地,形成数量众多的人工高切坡,特别是受工程扰动的泥灰岩质高切坡在溶蚀作用,以及风化和卸荷作用等共同影响下,岩体强度逐渐降低,岩体结构逐渐疏松,高切坡稳定性降低,成为库区地质灾害防治和边坡防护工程的重中之重。本文将以某典型溶蚀泥灰岩高切坡工程为例,主要就溶蚀作用下的泥灰岩高切坡工程稳定性进行探讨。

1 工程地质条件

1.1 气象

三峡库区地处亚热带气候区,具有平均气温高、冬暖夏热、降雨充沛、气候湿润和无霜期长等特点,属典型亚热带湿润性季风气候;年平均气温在18℃左右,冬季气温平均在6℃～8℃,夏季平均气温在27℃～29℃。

三峡库区多年降雨具有显著的集中性。重庆地区雨季是5-9月,雨量占全年降水总量的69.3%;奉节以西至万州段雨季是4-9月,雨量占全年降水量的77.7%～80%;奉节以东的三峡段雨季是5-9月,雨量占全年降水总量的68.4%～70%。

奉节多年平均降雨量1 107.3 mm(表1),年最大降雨量1 407.6 mm。年降雨日数约130～140 d,雨季一般在5-9月,总降雨量占年雨量的70%以上。奉节、巴东地区年降雨量分配不均,而在1月、2月、12月,降雨量仅占全年降雨量的7.87%。

表1 奉节地区气温、相对温度及降雨量统计表

1.2 地层岩性

三峡库区三叠系巴东组(T2b)泥灰质按照岩石岩性差异可划分为4段:第1段(T2b1)和第3段(T2b3)多为深灰色泥灰岩和泥质灰岩,以石英颗粒、泥质以及碳酸盐矿物等为主,其中的泥质成分可构成钙质泥岩夹层,碳酸盐矿物多为白云石和方解石。风化作用使岩石中的碳酸盐矿物溶解、淋失,泥质含量相对增加,新鲜的岩层呈青灰色,风化层所见的岩层都呈土黄色,在完全风化后容易形成黄土,导致巴东组第1段和第3段通常发育典型易滑地层,巴东组第3段更因其层厚较大而成为主要问题地层。

第2段(T2b2)和第4段(T2b4)是易滑地层,多为粉砂质或紫红色含钙质泥岩,矿物组成以泥质为主,主要由绿泥石和云母组成。

高切坡工程场地出露地层有第四系(Q)及三叠系巴东组第2段(T2b2)和第3段(T2b3),切坡坡面和坡脚基本为碎石土,基岩埋藏深度较大,对边坡稳定不具有控制作用。

1.3 水文地质条件

水文地质条件受地形、岩性、构造及水文气候等因素控制和影响,本场地位于低山丘陆地区,为沟脊(梁)相间地形,东西两侧各发育一条近南北向的深切冲沟,中间为一宽缓山梁,地势总体北高南低,地形条件有利于地表水的排泄,地表水分别排向邻近的冲沟汇聚后排向朱衣河。此外,场地还分布有多个小池塘,场地地表水体比较发育。

场地西侧的矿石沟发源于本区北部挖断山,沟道较长除汇集地表水外,北部山体基岩裂隙水排向矿石沟,沟道长年有流水,流量约为2～3 L/s。其它沟道一般为干沟。场地东侧覆盖层薄,地形对地表水的排泄比较有利,强风化泥岩透水性中等,不利于地下水的下渗和富集,无稳定地下水位。

1.4 岩土体的物理力学性质

碎石土层试验范围值19.69～21.27 kN/m3,平均值为20.48 kN/m3,没有进行其它现场及室内岩土试验。根据高切坡第四系覆盖层成因,颗粒组成、级配、密度、厚度等特征,结合钻孔露水情况、土体的可钻性及所钻岩芯等资料分析,确定高切坡坡岩体类型属IV类,弱风化带岩体较完整,边坡岩体类型属Ⅲ类。

根据岩土状态和分类,参考《建筑边坡工程技术规范》(GB5033-2002)、《工程岩体分级标准》(GB5007-2002)等已有资料和技术标准规范,主要物理力学指标建议如表2。

表2 主要物理力学指标建议值表

2 边坡现状

高切坡坡度32°～57°,高度11～25 m,没有发现变形破坏现象。

高切坡钻孔ZK28在高程265.2～250.16 m处有溶蚀现象(图1):泥灰岩:黄绿色,弱风化,层状结构,裂隙发育,个别裂隙充填方解石。局部有溶蚀现象。岩体较为完整,岩芯呈长柱状,最长45 cm。RQD=60%。

图1 钻孔揭露的溶蚀现象

3 数值分析

通过数值模拟分析研究溶蚀泥灰岩高切坡应力场、应变场特征,直观形象、数据翔实。从工程研究需求出发,判断高切坡稳定性。

3.1 数值建模

数值计算采用弹塑性模型和库仑强度理论,相关岩土体物理力学参数详见表1。根据高切坡工程地质剖面图,按照风化程度和岩性,建模的地层从上到下依次为三层:松散碎石土、强风化泥岩、弱风化泥岩。建立的高切坡计算模型如图2、图3、图4所示。

图2 模型

图3 各地层几何形态

图4 网格划分结果

图5 高切坡总位移云图

图6 高切坡竖直方向位移云图

图7 高切坡水平方向位移云图

高切坡几何模型和地质界面都在ANSYS中生成,划分网格后将节点和单元几何信息通过接口程序转化为FLAC3D可识别的前处理数据格式。在FLAC3D中导入上述数据,恢复生成同样的网格模型。整个高切破数值模型含有1 412个节点,1 305个单元,单元类型为四面体、五面体和六面体混合网格单元。

3.2 数值分析

3.2.1 位移场规律分析

从位移场云图可知,该高切坡上部覆盖层位移相对较大,特别是在上部覆盖层表层位移最大岩体内位移不明显。坡体位移运动趋势到中高程凹角处终止,高切坡覆盖层下部位移不明显。从位移场规律可知,该高切坡破坏模式为覆盖层内的圆弧型滑动变形破坏,且坡体覆盖层上部最先发生位移,为下坐式。

3.2.2 应力场规律分析

天然自重工况下,高切坡主应力矢量场如图8所示,其分布具有一定的规律性,即最大和最小主应力均发生偏转,最大主应力方向在高切坡坡面附近与坡面地形平行,最小主应力则垂直于坡面,愈往深部则分别变为垂直方向和水平方向。

图8 高切坡主应力矢量图

如图9高切坡剪应力图所示,剪应力集中带在高切坡覆盖层和强风化泥灰岩交界面出现,最大值约为0.1 MPa。剪应力集中带附近岩土体发展为控制高切坡滑动变形破坏的关键阻滑段,特点为应力集中,承受着很大的剪应力,预示了高切坡很可能在覆盖层和强风化界面一定范围内发生剪切或压剪破坏,形成底滑面。同时,剪应力集中带的出现范围更进一步印证了位移场揭示的高切坡的变形破坏为坡体上部下坐式。因此,坡体中的关键阻滑段只要不发生剪切或压剪破坏,上部坡体就不会对下部坡体产生下推力量,坡脚处将不会形成剪出口,高切坡将保持稳定。

图9 高切坡剪应力图

3.2.3 塑性区规律分析

如图10剪切塑性屈服区域分布可知,高切坡覆盖层在溶蚀作用下,岩土体强度弱化,结构松散,在天然自重作用下容易发生剪切或压剪破坏,坡体安全系数进一步降低,处于不稳定状态。

图10 高切坡剪切屈服区域分布图

由高切坡塑性区分布可知,高切坡当受外界不利影响时(暴雨、地震、人工扰动),很可能失稳。需要强调的是,根据摩尔库伦屈服准则数值分析得到的塑性区分布情况是偏保守的,因为该屈服准则认为材料发生屈服即可视为破坏。事实上,岩土体材料进入屈服状态后,在一定程度上还将在硬化状态下继续工作,不会提前发生破坏。

从图11高切坡张拉屈服区域分布图可知,高切坡张拉屈服区域未连成面,分布散乱。高切坡在天然自重和溶蚀作用下整体发生张拉滑动破坏的可能性不大;即使发生,也仅仅是高切坡坡面地形变化较大的局部区域,不会对高切坡整体稳定性造成重大影响。

图11 高切坡张拉屈服区域分布图

4 讨论

通过数值分析可知,溶蚀泥灰岩高切坡在饱水工况下在覆盖层中发生圆弧型滑动变形破坏,高切坡的失稳模式为下坐式。

高切坡稳定性问题是个多因素影响的复杂问题。稳定性分析更多还是要依据位移场、应力场、塑性区分布以及各种变形值分布,这是数值模拟方法的优势所在。然而,数值模拟大多依赖某些专业的软件,建模和分析过程中涉及很多难以精确的约束条件(边界条件,岩土体参数选取,模型建立等),特别是数值模拟软件求取稳定系数操作过程不如极限平衡法直接、直观,且有的数值模拟软件针对大型研究对象求取稳定系数就非常耗时,模型的调整也颇费时间。因此,工程实践要根据数值模拟法的优缺点,有针对性的选择。