南水北调中线渠道岩质边坡稳定性的影响因素分析

郭印亮，倪惠松

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

南水北调中线渠道岩质边坡稳定性的影响因素分析

郭印亮，倪惠松

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

南水北调中线京石段的部分渠道为岩质边坡，在开挖过程中，有的渠段揭露出的岩体质量逐渐变好，从而对设计边坡坡比进行了调整，节约了大量投资，加快了工程进度；有的渠段地质构造比较发育，岩体较为破碎，在地下水的作用下发生了滑坡现象。该文结合渠道施工的具体情况，详细分析了岩体完整性风化程度、岩石强度、结构面的产状、地下水等因素对岩质边坡稳定性的影响。

南水北调；岩体质量；岩质边坡；稳定性；影响因素

1 工程概况

南水北调中线工程是一项跨流域、跨省市的特大型水利工程，是优化我国水资源配置、实现全面建设小康社会宏伟目标的重大基础性战略工程，该工程的实施不仅可有效缓解京津和华北地区的缺水状况，而且可改善区域生态环境，支撑该地区国民经济和社会的可持续发展。

南水北调中线工程京石段全长227.391km，建筑物334座，包括大型河渠交叉建筑物23座、左岸排水建筑物105座、公路桥131座及7座隧洞等。进口（古运河）设计流量170m3/s，出口（北拒马河中支）设计流量50m3/s；加大进口流量240m3/s，加大出口流量60m3/s。

2 地质概况

2.1 地形地貌

南水北调中线工程京石段位于太行山东麓与华北平原的接壤地带，线路较长，分布有倾斜平原及丘陵两种地貌形态，其间夹河流地貌。倾斜平原主要分布在石家庄—唐县渠段，丘陵主要分布在唐县、顺平、满城、易县、涞水一带，上述两种地貌各占全长的50%。

2.2 地层岩性

根据初设阶段钻探、地质测绘及施工阶段渠道开挖揭露情况，渠道桩号330+171～357+491范围内出露的地层主要有上太古界阜平群南营组、中元古界蓟县系雾迷山组、新生界第四系中更新统及上更新统地层。局部渠段揭露出岩浆岩，岩性主要为燕山期的闪长岩，块状构造，多为全风化状态。地层岩性由老至新简述如下：

（1）阜平群南营组（Arn）：主要岩性为灰色、黄灰色黑云母斜长片麻岩，其次为斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩，有轻微的混合岩化，具片麻状构造。渠道开挖揭露出的岩体多为全风化或强风化状态，片麻理发育，片麻理多为走向NW，倾角较缓。全风化岩体呈砂状，强风化岩体裂隙发育，一般呈10～40cm的碎块状，块状岩体手捏即碎，强度较低。

（2）蓟县系雾迷山组（Jxw4）：主要岩性为含燧石条带白云岩，灰白色，细晶结构，层状构造。施工阶段开挖揭露出全风化、强风化及弱风化白云岩3类岩体；全风化岩体多呈红褐色的粘土夹碎石状，局部可见原岩构造；强风化白云岩呈黄褐色或灰白色，岩体裂隙较为发育，裂隙面间多充填红粘土及碎石，岩体坚硬部分开挖需要爆破；弱风化白云岩多呈灰白色，岩石强度较高，岩体完整性较好，开挖需要爆破。局部岩体裂隙稍发育，裂隙面可见锈染，较大裂隙内充填有红粘土。

2.3 地质构造

施工阶段渠道开挖未发现较大的区域性构造，在渠道开挖揭露的岩体中局部发育小型的断层、裂隙构造。正是由于这些小的断层、裂隙的发育，对渠道边坡的稳定构成了不利影响。

2.4 水文地质条件

渠道开挖时，桩号330+171～337+220范围内的地下水位一般高于渠底板0.5～1.5m，该段多为全风化或强风化片麻岩构成的边坡，岩体裂隙发育，高地下水位不利于渠道边坡的稳定，也给施工带来了较大困难。桩号337+220～357+491范围内未见地下水。

3 岩质边坡稳定性影响因素

影响岩质边坡稳定性的因素很多，主要有岩体本身的物理力学指标、构造发育程度、结构面产状、风化程度、地下水的作用、地震作用、地形地貌、植被作用、工程运行、工程荷载及人类活动等。

3.1 岩体本身的物理、力学及化学指标

岩石的抗压强度、密度、吸水率、软化系数、耐崩解性、抗剪强度等对岩体边坡的稳定性有较大影响。

3.2 岩体构造发育程度及结构面产状对岩质边坡的作用

影响岩质边坡稳定的最不利结构面是顺坡向结构面 （结构面倾角小于坡角），当两组结构面的产状组合达到一定条件时，可形成滑动楔体。有时岩体构造发育程度及结构面产状对岩质边坡的稳定性起到控制作用。

3.3 岩体风化程度及地下水作用

岩体风化使得岩体的强度及边坡稳定性变差。地下水的作用降低了滑动面的抗剪强度，对风化程度较高的岩体边坡稳定性更加不利。

3.4 地震作用

地震惯性力（主要是水平向）增加边坡下滑力，大大降低了边坡稳定性，是边坡失稳的触发因素。

3.5 植被的影响

植被在很多方面有利于边坡稳定，树木根系起加筋作用，可提高边坡表土的抗剪强度。

3.6 水库水位变化及工程荷载

水库水位骤降所形成的动水压力、拱坝坝肩承受的拱端推力、边坡坡顶的超载等都将影响边坡的稳定性。

4 影响岩质边坡稳定性的因素分析

4.1 岩石物理力学性质

根据岩石的抗压强度可将岩石划分为软岩和硬岩。一般情况下，硬岩的边坡稳定性要好于软岩，但受岩体完整性、风化程度、坡高、地下水、马道的设置等多种因素的影响，即便同一类软岩或硬岩，其边坡稳定性的差别也很大。南水北调中线S34标渠道有一段边坡，最高处坡高47m，岩性为弱风化的白云岩，岩体完整性较好，坡比采用了1∶0.75，边坡相当稳定。边坡岩性为强风化片麻岩的S26标的一段渠道，坡高仅6m，坡比为1∶2.5，由于受地下水及地质构造比较发育的影响，发生了滑坡现象。

4.2 岩体完整程度及岩石强度

S34标峨山渠段（桩号355+280～355+800）右侧为岩质边坡，渠底高程64.04～64.01m，一级边坡高6.6m，二级至六级边坡高9m，最高处的高程约117.63m，边坡总高度53m，按边坡岩性及高度综合分类属岩质高边坡。岩体表层裂隙比较发育，岩体破碎成20～50cm的岩块，且岩块之间夹有碎石及粘土，整体呈黄褐色。根据岩体的构造发育情况、裂隙面充填情况及岩石强度等因素综合判别为强风化岩体，初步设计阶段确定的开挖边坡坡比为1∶2。随着渠道施工开挖工作的进行，揭露的岩体风化界线逐步明晰，强风化岩体的厚度较薄，其下为较完整的弱风化岩体，岩石强度较高，呈灰白色，边坡岩体稳定性较好。经综合分析、计算，在确保边坡稳定的前提下，将渠道右侧岩体的边坡坡比由1∶2调整为1∶1。而后的边坡岩体开挖表明，下部岩体完整性更好，岩石裂隙间距一般大于2m，节理不发育，岩石单轴抗压强度达到90MPa，属坚硬岩石。根据岩体质量情况分析认为，边坡下部岩体完整，强度高，渠道右岸边坡坡比可以由1∶1调整为1∶0.75。经过两次边坡坡比的调整，节约了工程资金200万元，同时也大大加快了施工单位的工程进度。

4.3 结构面产状

渠道开挖揭露岩体产状为：走向NE70°～80°，倾向SE，倾角10°～20°。 岩层走向与渠道走向夹角8°～18°，渠道边坡坡比为1∶0.75～1∶1。渠道右岸的岩层倾向渠外，边坡岩面倾向相对边坡呈反倾状，有利于渠道边坡稳定。渠道右岸的岩体多为弱风化，虽局部岩体呈薄层状，但边坡比较稳定。渠道左岸的岩层倾向渠内，为顺坡向结构面，且岩层倾角小于坡角，因此左岸边坡稳定性较差。 渠道桩号357+117.5～357+152.5，高程46.5～82.7m范围内的岩体在施工期间发生了滑坡，该处岩体为弱风化含燧石条带白云岩。滑坡的原因主要为滑坡所在部位的岩体节理比较发育，存在倾向渠内的节理面，节理面倾角小于坡角，岩体被多组节理面切割成块状，且节理面内夹有薄层红粘土。发生滑坡前有过两次降雨，雨水渗入节理面内，在夹有薄层红粘土的岩体薄弱处，块状岩体发生了滑坡。渠道左岸的强风化岩体比较破碎，发生滑坡的可能性更大，为保证左岸岩质边坡的稳定，采取了下列工程措施：对可能产生滑坡的区域，清除不稳定的岩块，用浆砌石填实补平，再进行浆砌石挡墙护坡。

由此可见，岩体的地质构造发育程度、风化程度、岩石程度、结构面产状对岩质边坡的稳定起到控制性的作用。

4.4 地下水

南水北调中线京石段S26标（桩号332+833～332+950）渠道一级马道以下揭露出全风化及强风化片麻岩，岩体裂隙比较发育，将坡面岩体切割成大小不等的块状，裂隙面间充填有厚1～3mm的紫红色粘土。由于地下水位较高，渠道两侧的地下水通过岩体内的孔隙、裂隙在坡面及坡角处逸出。在地下水的作用下，桩号332+833～332+950范围内沿裂隙面发生了3处塌坡现象。分析认为，地下水的活动降低了边坡的稳定性，主要表现在以下几个方面：

（1）地下水增大了滑动面上的孔隙水压力，减小了有效应力，降低了滑动面上的抗剪强度；

（2）地下水软化了全风化片麻岩，使其强度降低；

（3）增加了土体重量，加大了下滑力。由于坡角处存在排水沟，坡角处的岩体浸于水中，重量减轻，抗滑力降低；

（4）水的渗流作用产生不利于边坡稳定的动水压力。

因此地下水是影响边坡稳定的重要因素。

5 结语

影响岩质边坡稳定性的因素很多，包括岩体的完整程度、风化程度、岩石强度、结构面与坡面产状的组合关系、地下水、裂隙面的粗糙及平滑状况、裂隙内的充填物类别等。对于边坡工程，应对上述因素进行综合分析，合理选用适宜的边坡坡比，保证边坡的稳定性。

［1］常士镖，张苏民.工程地质手册［K］.北京：中国建筑工业出版社.2007.

［2］河北省水利水电勘测设计研究院.初步设计报告.第一篇综合说明［R］.2004.

［3］河北省水利水电勘测设计研究院.初步设计报告.第三篇工程地质［R］.2004.

［4］顾晓鲁，钱鸿缙.地基与基础［M］.北京：中国建筑工业出版社.2003.

［5］GB50021—2001，岩土工程勘察规范［S］.

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2009-12-09

郭印亮（1969-），男（汉族），河北邯郸人，高级工程师，主要从事岩土工程勘察工作，（Tel）13820302079。