黃河石門至禹門口段高陡邊坡穩(wěn)定性分析研究

(天津水務集團有限公司，天津 300204)

1 概 述

黃河晉陜大峽谷南端西岸為黃龍山，東岸為南呂梁山西南段龍門山，其中石門到禹門口段長約4km，兩岸高山對峙，河中水流湍急。兩岸地層主要為奧陶系上馬家溝組的厚層石灰?guī)r、峰峰組角礫狀灰?guī)r夾泥灰?guī)r，自然邊坡陡立，局部發(fā)育負邊坡。路邊可見崩塌落石。研究區(qū)域平面圖如圖1所示。

本文對此段兩岸高陡邊坡進行了穩(wěn)定性評價工作，通過多種分析計算兩岸邊坡的穩(wěn)定性，希望這種綜合分析的方法能對邊坡穩(wěn)定性評價工作有幫助。

2 邊坡地貌

該段黃河河道為峽谷，屬于晉陜大峽谷的南端，峽谷窄小，兩岸基巖出露，直立陡峭，水流湍急。河床及邊坡如圖2所示。

兩岸基巖裸露，為高陡邊坡，河西岸半山修建有煤礦專用線下桑線，東岸有沿黃公路(圖3)。

圖1 研究區(qū)域平面

圖2 河床及邊坡

圖3 岸坡照片

3 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場地形情況，選取三處典型邊坡，均存在水平巖層的高陡邊坡問題，最緩處自然邊坡約30°～55°，其余高陡，甚至存在負邊坡情況。采用三種方式計算如下：

3.1 邊坡自然穩(wěn)定坡角的確定

邊坡自然坡度主要采用巖體質(zhì)量法經(jīng)驗公式，該公式基于全國鐵路公路200多個邊坡統(tǒng)計分析得出。

3.1.1 經(jīng)驗公式介紹

由于回彈值與塊度乘積正好反映了不同

強度和組合時的巖體質(zhì)量，因此將巖體質(zhì)量定義為

RQ=Rlog(D)

根據(jù)對鐵路大量邊坡的統(tǒng)計分析，并進行曲線擬合得到巖體質(zhì)量RQ與邊坡坡度之間的關系為

θ=14.7ln(γwRlogD)+13

(1)

式中θ——邊坡穩(wěn)定坡角；

D——巖石的視塊度，由下式求得：

(2)

式中di——野外所測巖石的節(jié)理間距；

n——野外所測的節(jié)理組數(shù)；

γw——地下水折減系數(shù)，其取值見表1；

R——為HT75型回彈儀所測回彈值。

若野外所測回彈值為巖石風化層的回彈值，則需進行如下轉(zhuǎn)化：

R=Rf/fR

(3)

式中Rf——巖石風化層的回彈值；

fR——風化折減系數(shù)，其取值見表2。

由于野外所測的回彈值為HT225型，因此要經(jīng)過下式進行轉(zhuǎn)化：

208R75=194.7R225-595

(4)

表1 地下水折減系數(shù)

表2 風化折減系數(shù)

3.1.2 現(xiàn)場測量節(jié)理裂隙

典型邊坡Ⅰ：地層產(chǎn)狀270°∠6°，靠近岸邊層理間距約0.5m，遠離岸邊層理間距約1.0m；節(jié)理分布兩組，分別為350°∠82°、265°∠85°，靠近岸邊節(jié)理間距為0.2～0.5m，遠離岸邊節(jié)理間距約3.0m。

典型邊坡Ⅱ：地層產(chǎn)狀280°∠7°，靠近岸邊層理間距約0.5m，遠離岸邊層理間距約1.0m；節(jié)理分布兩組，分別為285°∠87°、190°∠86°，靠近岸邊節(jié)理間距為0.5～1.0m，遠離岸邊節(jié)理間距約3.0～3.5m。

典型邊坡Ⅲ：地層產(chǎn)狀283°∠6°，靠近岸邊層理間距約0.5m，遠離岸邊層理間距約1.0m；節(jié)理分布兩組，分別為250°∠80°、150°∠82°，節(jié)理間距為0.5m。

3.1.3 計算結(jié)果

該地區(qū)的巖石為奧陶系灰?guī)r，地層產(chǎn)狀為280°∠7°，節(jié)理為兩組，產(chǎn)狀分別為285°∠87°、190°∠86°，節(jié)理間距均為0.5m左右，此處巖石表面局部潮濕，地下水折減系數(shù)按0.8取值，由此計算得灰?guī)r邊坡穩(wěn)定坡角約為70°。

3.2 UDEC軟件數(shù)值分析

強度準則涉及力學參數(shù)有巖體內(nèi)聚力C和摩擦角φ。軟件運行參數(shù)：查閱相關資料，根據(jù)經(jīng)驗值確定灰?guī)r巖體內(nèi)摩擦角φ=35°，灰?guī)r巖體內(nèi)聚力C=0.85MPa。結(jié)合灰?guī)r節(jié)理強度經(jīng)驗值并考慮節(jié)理強度可能受地下水的影響，取灰?guī)r節(jié)理內(nèi)摩擦角jφ=25°，內(nèi)聚力jC=0.025MPa。

3.2.1 典型邊坡Ⅰ數(shù)值分析

典型邊坡Ⅰ東岸岸坡分析如圖4所示。

圖4 典型邊坡Ⅰ東岸岸坡

典型邊坡Ⅰ位于黃河東岸，岸坡目前在天然條件下穩(wěn)定，由于重力作用巖塊可能沿節(jié)理裂隙發(fā)生最大位移為0.46cm，節(jié)理張開縫隙約0.91mm。岸坡天然坡角(41°)小于經(jīng)驗公式所得灰?guī)r邊坡穩(wěn)定坡角(70°)，天然狀態(tài)下岸坡穩(wěn)定。

圖5 黃窯科Ⅱ號橋位西岸岸坡

3.2.2 典型邊坡Ⅱ數(shù)值分析

典型邊坡Ⅱ位于黃河西岸岸坡，如圖5所示，UDEC軟件數(shù)值分析結(jié)果顯示，目前在天然狀態(tài)下穩(wěn)定，由于重力作用巖塊可能沿節(jié)理裂隙發(fā)生最大位移為0.44cm，節(jié)理張開縫隙約0.88mm。若按照經(jīng)驗公式所得灰?guī)r邊坡穩(wěn)定坡角70°計算，距坡角水平距離約15.6m范圍內(nèi)巖塊存在滑落、掉塊的可能。

3.2.3 典型邊坡Ⅲ數(shù)值分析結(jié)果

典型邊坡Ⅲ位于黃河東岸岸坡，如圖6所示，存在巖塊滑落的可能，由于重力作用巖塊可能沿節(jié)理裂隙發(fā)生最大位移為22.5cm，節(jié)理張開縫隙約45mm，模擬結(jié)果顯示，在近河岸處可能發(fā)生巖塊滑落現(xiàn)象。若按照經(jīng)驗公式所得灰?guī)r邊坡穩(wěn)定坡角70°計算，距坡角水平距離約35.8m范圍內(nèi)巖塊存在滑落、掉塊的可能。

圖6 典型邊坡Ⅲ岸坡

3.3 赤平投影分析

邊坡受兩組結(jié)構面的切割，控制邊坡的穩(wěn)定性時，為判斷滑動方向，可以利用赤平投影進行初步分析。

3.3.1 典型邊坡Ⅰ赤平投影結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果，典型邊坡Ⅰ岸坡坡角約54°，坡頂角度約31°。此處灰?guī)r發(fā)育兩組節(jié)理，節(jié)理產(chǎn)狀分別為250°∠80°、150°∠82°，層理產(chǎn)狀為283°∠6°，赤平投影如圖7所示。

圖7 典型邊坡Ⅰ東岸岸坡

節(jié)理與層理赤平投影交點分別為A、B、C，弧1、弧2為東岸邊坡坡底與坡頂赤平投影。點A落于坡面以外，說明結(jié)構面交線雖較邊坡平緩，但在坡頂面上無出露點，屬于較穩(wěn)定狀態(tài)；點B落于坡面以外，說明結(jié)構面交線雖較邊坡平緩，但在坡頂面上無出露點，屬于較穩(wěn)定狀態(tài)；點C在圖中與邊坡面不同側(cè)，屬于最穩(wěn)定狀態(tài)。綜合層理與節(jié)理赤平投影結(jié)果，此處邊坡屬于較穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3.2 典型邊坡Ⅱ赤平投影結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果，典型邊坡西岸岸坡坡角約82°，坡頂角度約41°。此處灰?guī)r發(fā)育兩組節(jié)理，節(jié)理產(chǎn)狀分別為105°∠80°、210°∠85°，層理產(chǎn)狀為290°∠6°，赤平投影如圖8所示。

圖8 典型邊坡Ⅲ西岸岸坡

節(jié)理與層理赤平投影交點分別為A、B、C，弧1、弧2為西岸邊坡坡底與坡頂赤平投影。參照《鐵路工程地質(zhì)手冊》中赤平投影對巖體滑動可能性的分析，點A在圖8中與邊坡面不同側(cè)，屬于最穩(wěn)定狀態(tài)；點B落于坡面以外，說明結(jié)構面交線雖較邊坡平緩，但在坡頂面上無出露點，屬于較穩(wěn)定狀態(tài)；點C與坡面在同一側(cè)，但組合交線較邊坡陡，屬于穩(wěn)定狀態(tài)。綜合層理與節(jié)理赤平投影結(jié)果，此處邊坡屬于較穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3.3 典型邊坡Ⅲ赤平投影結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果，典型邊坡Ⅲ位于黃河東岸，岸坡坡角約88°，坡頂角度約37°。此處灰?guī)r發(fā)育兩組節(jié)理，節(jié)理產(chǎn)狀分別為265°∠85°、350°∠82°，層理產(chǎn)狀為270°∠6°，赤平投影如圖9所示。

圖9 典型邊坡Ⅲ岸坡

節(jié)理與層理赤平投影交點分別為A、B、C，弧1、弧2為東岸邊坡坡底與坡頂赤平投影。點A落于坡面以外，說明結(jié)構面交線雖較邊坡平緩，但在坡頂面上無出露點，屬于較穩(wěn)定狀態(tài)；點B落于坡面以外，說明結(jié)構面交線雖較邊坡平緩，但在坡頂面上無出露點，屬于較穩(wěn)定狀態(tài)；點C落于兩部分坡面投影弧之間，而且交線在兩部分坡面均出露，構成不穩(wěn)定條件。綜合層理與節(jié)理赤平投影結(jié)果，此處邊坡屬于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 穩(wěn)定性評價結(jié)論

綜合幾種計算結(jié)果，可以得出結(jié)論：天然條件下典型邊坡穩(wěn)定，但東岸岸坡均存在巖塊滑落的可能，其中典型邊坡Ⅱ可能發(fā)生巖塊滑落、掉塊的范圍較小(15.6m)。

4 結(jié) 論

綜上所述，針對復雜的高陡邊坡的穩(wěn)定性計算評價，需采用多重分析計算，才能得出較接近事實的結(jié)論。

[1] 陳祖煜.巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析方法與軟件系統(tǒng)[J].水利水電，1998(3)：48-51.

[2] 光耀華.巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析中的抗剪強度參數(shù)概率統(tǒng)計分析方法,1995(1)：65-72.

[3] 李天斌.巖質(zhì)工程高邊坡穩(wěn)定性及其控制的系統(tǒng)研究[J].巖石力學家與工程學報，2003,22(2)：341.