基巖岸坡變形破壞機(jī)理及預(yù)測(cè)分析
——以X車渡碼頭為例

熊 坤

四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610017

0 引言

溪洛渡庫(kù)區(qū)X車渡碼頭地處云貴高原和四川盆地兩大地貌單元所接壤的大涼山地帶向川中盆地過(guò)渡地段,根據(jù)金沙江溪洛渡庫(kù)區(qū)岸坡結(jié)構(gòu)類型的劃分,該車渡碼頭所在的區(qū)域被劃分為緩傾薄層-互層狀逆向岸坡。據(jù)野外調(diào)查資料表明,區(qū)內(nèi)岸坡變形破壞僅3處,且均為層狀松散堆積結(jié)構(gòu)的岸坡。此外,據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)在整個(gè)溪洛渡199 km、寬5 km的庫(kù)區(qū)內(nèi),基巖岸坡變形破壞共81處,其中緩傾薄層-互層狀逆向岸坡變形破壞的僅X車渡碼頭1處。

傾薄層-互層狀逆向巖質(zhì)邊坡與常規(guī)巖質(zhì)邊坡經(jīng)過(guò)多個(gè)水文年,水庫(kù)水位反復(fù)升降[1]、漲落[2]導(dǎo)致邊坡逐級(jí)垮塌有所不同,該邊坡在水庫(kù)蓄水后不到1年的情況下,發(fā)生了變形破壞。

本文詳細(xì)分析了傾薄層-互層狀逆向巖質(zhì)邊坡在水庫(kù)蓄水后[3],處于特殊地質(zhì)條件下的變形破壞機(jī)理,希望在以后的工程建設(shè)中能夠借鑒該邊坡的破壞形式,有效對(duì)該類邊坡可能存在的安全隱患進(jìn)行早期識(shí)別和治理,避免工程安全隱患。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

溪洛渡庫(kù)區(qū)主要為高山、中山地貌,山嶺高程1 500～3 500 m,高差大于1 000 m;峽谷或嶂谷發(fā)育,兩岸坡度30°～50°,局部為陡崖。地形切割劇烈,山勢(shì)陡峻,懸崖陡壁延綿不絕,尤其金沙江兩岸為最甚。

本文研究的基巖岸坡位于X車渡碼頭下河車道所處的山前斜坡地段,金沙江左岸。該邊坡自然坡度34°～54°,岸坡方向62°(朝向金沙江上游)。目前該基巖岸坡已發(fā)生變形破壞(見(jiàn)圖1),變形破壞區(qū)域坡體分布高程580～625 m,前后緣高差約45 m。坡體縱向長(zhǎng)約69 m,橫向?qū)捈s77 m,基巖埋深18.6～26.9 m,滑坡體體積約5萬(wàn)m3,為小型巖質(zhì)滑坡體,下文統(tǒng)稱該基巖岸坡為H01。

圖1 基巖岸坡(H01)地形地貌

1.2 地層巖性

基巖岸坡H01范圍內(nèi)出露的地層主要為志留系龍馬溪組(S1l)黑色含碳質(zhì)頁(yè)巖和泥質(zhì)粉砂巖,由于含碳質(zhì)頁(yè)巖和泥質(zhì)粉砂巖含黏土礦物較多,力學(xué)性質(zhì)較差,抗風(fēng)化能力弱,具備遇水易軟化、失水易干裂的特性。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

X車渡碼頭研究區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西部的二級(jí)構(gòu)造單元上揚(yáng)子臺(tái)坳?yáng)|南側(cè),西鄰康滇地軸,東接四川臺(tái)拗。區(qū)內(nèi)構(gòu)造類型以北東向和南北向的斷裂、褶皺為主,而小規(guī)模的北西向斷層則屬北東向斷裂的伴生構(gòu)造。且該碼頭位于峨邊-金陽(yáng)斷裂與華鎣山-蓮峰斷裂圍限的斷塊上,處于峨邊-金陽(yáng)斷裂下盤,離斷裂最近距離4 km。該斷裂地震活動(dòng)性較弱,發(fā)生中強(qiáng)震的可能性小,自晚更新世以來(lái)未見(jiàn)新近活動(dòng)痕跡,對(duì)工程區(qū)影響較小。工程區(qū)位于單斜巖層中,巖層產(chǎn)狀330°∠16°。受構(gòu)造影響,工程區(qū)內(nèi)巖體裂隙發(fā)育主要為以下2組。裂隙①:76°∠70°,裂面光滑平整,微張-閉合狀,無(wú)充填。裂隙②:170°∠70°,裂面光滑平整,微張-閉合狀,無(wú)充填。

2 岸坡變形破壞誘發(fā)因素

2.1 地形地貌條件

基巖岸坡H01位于一個(gè)突出山嘴部位,三面臨空,加之斜坡坡度較陡,為34°～54°,具有較好的臨空條件,岸坡卸荷作用強(qiáng)烈,坡內(nèi)存在內(nèi)在構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙的不利組合,在這3種因素共同作用下,為滑坡體的滑動(dòng)提供了有利的地形地貌條件。

2.2 地層巖性及巖土體性質(zhì)

岸坡出露的地層主要為志留系龍馬溪組含碳質(zhì)頁(yè)巖和泥質(zhì)粉砂巖,由于含碳質(zhì)頁(yè)巖和泥質(zhì)粉砂巖含黏土礦物較多,力學(xué)性質(zhì)較差,抗風(fēng)化能力弱,具有遇水易軟化、失水易干裂的特性,使得基巖裂隙緩慢蔓延致貫通。此外,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和斷層歷史時(shí)期的運(yùn)動(dòng)造成該區(qū)巖層節(jié)理裂隙發(fā)育,使得巖體內(nèi)部存在構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙的不利組合。

2.3 降雨作用

X車渡碼頭區(qū)域內(nèi)降雨豐沛且強(qiáng)降雨相對(duì)集中,降雨使巖土體飽水增重、增加孔隙水壓力和裂隙面動(dòng)水壓力,同時(shí)由于新構(gòu)造和斷層運(yùn)動(dòng)的影響,造成巖體破碎,為地表水和地下水的下滲提供了通道,加劇了頁(yè)巖的風(fēng)化速度,且對(duì)巖體起到了軟化作用,降低了巖土體的物理力學(xué)參數(shù)。這些因素均導(dǎo)致增加下滑力、減低抗滑力,對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大。

2.4 水庫(kù)蓄水

由于溪洛渡水電站的建成,水庫(kù)水位上漲,巖土體中的孔隙水水位上升,使巖土體飽水增重、增加孔隙水壓力和裂隙面動(dòng)水壓力;加之長(zhǎng)期對(duì)斜坡前緣侵泡軟化,和水位反復(fù)升降,加劇了基巖的風(fēng)化和裂隙的延展速率,對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大。

2.5 人類活動(dòng)

由于X車渡碼頭道路的修建,對(duì)岸坡前緣進(jìn)行削坡處理,導(dǎo)致岸坡前緣變陡,臨空條件更好。此外,在開(kāi)挖邊坡時(shí),由于機(jī)械震動(dòng)或者爆破,加劇了內(nèi)側(cè)邊坡基巖的破碎,破壞了基巖的完整性。

3 岸坡變形演化過(guò)程及破壞機(jī)理分析

根據(jù)原址勘察資料(變形破壞之前),基巖岸坡H01所處地形較陡,且原址勘察時(shí)庫(kù)區(qū)內(nèi)還未開(kāi)始蓄水,岸坡未見(jiàn)變形破壞跡象,隨著施工開(kāi)挖下河車道內(nèi)側(cè)邊坡,導(dǎo)致岸坡逐步變陡,臨空條件變好。

水庫(kù)達(dá)到最高蓄水位后,基巖岸坡H01中下部岸坡被水浸沒(méi),巖土體飽水增重,同時(shí)炭質(zhì)頁(yè)巖巖體遇水易軟化、失水干裂,加劇了巖體的風(fēng)化速率和裂隙的擴(kuò)展速率,導(dǎo)致被水浸沒(méi)部分巖體逐步向后漸進(jìn)式剝皮垮塌。

隨著庫(kù)區(qū)水位反復(fù)升降[4],漸進(jìn)式剝皮垮塌發(fā)展到一定階段后將逐步形成小型垮塌,經(jīng)多次垮塌之后,岸坡坡度逐步接近直立,臨空條件逐步發(fā)展至威脅到整個(gè)邊坡穩(wěn)定性的階段。

當(dāng)基巖岸坡H01臨空條件發(fā)展至一定階段,在庫(kù)區(qū)水作用的影響下,斜坡體內(nèi)將沿軟弱結(jié)構(gòu)面自下而上逐步發(fā)展,后緣巖體在自重和降雨作用下,卸荷裂隙逐步向下延伸,當(dāng)前緣臨空條件達(dá)到該岸坡整體失穩(wěn)必備條件時(shí),加之降雨使巖土體飽水增重、增加孔隙水壓力和裂隙面動(dòng)水壓力,最終導(dǎo)致岸坡整體發(fā)生剪切破壞。

由于地殼的抬升,金沙江強(qiáng)烈下切及側(cè)緣支溝的形成,使該處岸坡處于三面臨空狀態(tài),在巖體自重應(yīng)力作用下,緩傾薄層狀砂泥巖反向岸坡向河床臨空方向發(fā)生彎曲變形,三組相互切割的裂隙被拉裂加深加寬,構(gòu)成彎曲-拉裂變形體。

4 岸坡變形監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)

從地貌上來(lái)看,可把基巖岸坡H01三面臨空的突出山嘴部位整體視為潛在不穩(wěn)定斜坡,可將該潛在不穩(wěn)定斜坡統(tǒng)稱為H02(見(jiàn)圖2),根據(jù)后緣地形變坡點(diǎn)和地貌、臨空條件,確定潛在不穩(wěn)定斜坡H02的邊界范圍。從整體上看,潛在不穩(wěn)定斜坡H02未見(jiàn)明顯邊界和變形痕跡。但該潛在不穩(wěn)定斜坡所處斜坡坡度較陡,為34°～54°,具有較好的臨空條件,岸坡卸荷強(qiáng)烈,存在內(nèi)在構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙的不利組合,在這3種因素共同作用下,該斜坡可能有進(jìn)一步發(fā)生滑動(dòng)的可能性。

圖2 潛在不穩(wěn)定斜坡H02范圍

在潛在不穩(wěn)定斜坡H02頂部完成鉆孔ZK01,從鉆孔內(nèi)巖芯來(lái)看,39.7 m以上為泥質(zhì)粉砂巖,其下為含碳質(zhì)泥灰?guī)r,泥質(zhì)粉砂巖較破碎,巖芯呈塊狀、餅狀和短柱狀,含碳質(zhì)泥灰?guī)r較完整,巖芯中裂隙主要為水平裂隙,少見(jiàn)垂直裂隙,基巖抗風(fēng)化能力均較差,在鉆孔鉆進(jìn)結(jié)束時(shí),上部泥質(zhì)粉砂巖已多處風(fēng)化呈薄餅狀。

為了分析潛在不穩(wěn)定斜坡H02的穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[5],在鉆孔ZK01安置了一處孔內(nèi)測(cè)斜監(jiān)測(cè),進(jìn)行了18個(gè)月的孔內(nèi)位移監(jiān)測(cè),由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較多,本次僅選擇第1月、第9月和第18月的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)形成位移示意圖(見(jiàn)圖3)。

圖3 鉆孔ZK01孔內(nèi)測(cè)斜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)示意圖注: A向位移向下游為負(fù),向上游為正;B向位移向右岸為正,向左岸為負(fù)。

從圖3可得到以下結(jié)論:①斜坡前緣伴隨鉆孔深度的增長(zhǎng),孔內(nèi)位移活動(dòng)逐步減弱,地表位移位移最為活躍。②從監(jiān)測(cè)位移數(shù)據(jù)來(lái)看,A向累計(jì)位移量為-0.17～32.45 mm,A向位移量最大為32.45 mm,發(fā)生在孔口處,位移方向主要朝向河流上游(即坡面方向),伴隨鉆孔深度增加,孔內(nèi)位移逐步減弱,30 m內(nèi)最為活躍。說(shuō)明該斜坡上部巖土體正沿坡面方向向坡外發(fā)生緩慢變形,屬于拉裂變形。③B向累計(jì)位移值為-4.14～1.82 mm,B向位移值最大為-4.14 mm,發(fā)生2.0 m處,位移方向主要朝向左岸方向(即坡內(nèi)方向),隨著鉆孔深度增加,底部位移方向主要朝向右岸方向(即坡外方向),最大位移為1.48 mm,發(fā)生52.0 m處,說(shuō)明該斜坡上部巖土向坡內(nèi)持續(xù)變形,下部巖體受剪切作用向坡外持續(xù)變形,屬于彎曲變形。整體而言,該斜坡正處于緩慢變形中,且孔內(nèi)變形處于持續(xù)擴(kuò)大趨勢(shì),該斜坡存在局部或者整體崩滑的可能性,需要引起高度重視。

綜合分析可知,水庫(kù)蓄水之后對(duì)該段岸坡的穩(wěn)定性影響較大,庫(kù)岸再造將從斜坡前緣開(kāi)始,漸進(jìn)式逐級(jí)剝落和坍塌。未來(lái)隨著水庫(kù)的運(yùn)營(yíng),該段庫(kù)岸斜坡難以維持現(xiàn)有狀態(tài),將發(fā)生逐級(jí)滑移后退式塌岸,威脅該段路基的穩(wěn)定。

前緣斜坡由于塌岸變得越來(lái)越陡,當(dāng)斜坡下滑力大于抗滑力時(shí),斜坡將發(fā)生整體向前滑動(dòng),將會(huì)對(duì)路基帶來(lái)毀滅性的損壞,因此,庫(kù)岸再造問(wèn)題必須引起高度重視,否則將威脅整個(gè)岸坡的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以溪洛渡庫(kù)區(qū)X車渡碼頭基巖岸坡為例,雖該基巖岸坡巖層產(chǎn)狀平緩且傾向坡內(nèi),不應(yīng)發(fā)生庫(kù)岸再造,但在水庫(kù)蓄水之后,邊坡逐步發(fā)生變形破壞,可見(jiàn)在庫(kù)水反復(fù)漲落循環(huán)的作用下,塌岸情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)理論的預(yù)測(cè)和分析。經(jīng)分析推演處于特殊地質(zhì)環(huán)境下的岸坡變形演化過(guò)程,確定該類岸坡變形破壞類型主要為彎曲-拉裂,通過(guò)斜坡鉆孔內(nèi)位移監(jiān)測(cè)分析,斜坡整體變形趨勢(shì)與邊坡破壞類型一致。

隨著水利水電行業(yè)的興起,越來(lái)越多的地質(zhì)問(wèn)題逐步嶄露頭角,常規(guī)地質(zhì)認(rèn)識(shí)已不能滿足現(xiàn)行行業(yè)所有需求,本文分析研究處于特殊地質(zhì)環(huán)境下的逆向基巖岸坡破壞類型,期望在后期工程建設(shè)中能夠?qū)υ擃愡吰乱鹱銐蛑匾?對(duì)可能存在的安全隱患進(jìn)行早期識(shí)別和早期治理,避免造成嚴(yán)重的工程安全事故及工程損失。