引水隧洞进口上部危岩体稳定性研究

陈佳亮

(广东水电二局股份有限公司，广东 广州 511340)

1 引水隧洞工程地质条件

引水隧洞位于河源市源城区西南部，从新丰江水库右岸通过隧洞引水出水库，然后通过输水管线送至源城区自来水厂。引水隧洞地层主要由第四系洪冲积层 (Qpal)、坡积层(Qdl)及燕山三期黑云母花岗岩(Y52(3))、侏罗系下统蓝塘群粉砂岩(J1lnb)组成。引水隧洞沿线岩体由上而下可划分为全风化带(Ⅴ)、强风化带(Ⅳ)、弱风化带(Ⅲ) 、微风化带(Ⅱ)。

进洞口处坡度较缓，约20°～30°，附近见基岩出露。进洞口正上方约22.0～40.0 m高程处发育一危岩体，为弱风化花岗岩，裂隙较发育，前缘底部结构面张开错动，存在变形崩塌危险。

各岩土层、引水隧洞洞室围岩力学参数值见表1、表2。

表1 洞室围岩力学参数值

表2 围岩主要物理力学参数

2 危岩体结构面特征

岩体结构面以层岩结构面和次生构造结构面为主，其中危岩体底面为控制岩体稳定的主要结构面，延伸长，受自身重力和风化应力的作用，结构面张开，有不同程度的泥、砂质充填，并有植物根系分布，张开最宽处大于10 cm，平均宽度6 cm，层面较粗糙，贯通性较好，为危岩体变形破坏的主要潜在面。

在边坡岩体上共有45条结构面，结构面多为层面和次生结构面。结构面多为闭合-微张，少数结构面上部为张开。根据结构面产状，绘制倾向玫瑰花图及主要结构面、滑裂面与自然坡面的赤平投影图[1]，见图1、图2。

图1 倾向玫瑰花

图2 赤平投影

从图中可知边坡岩体主要揭露5组结构面，其中心产状及分布位置见表3。

表3 危岩体结构面特征

由边坡主要结构面和开挖、自然坡面的赤平投影图可知，结构面相互之间交切的交点多处于边坡面投影弧的另外一侧，表明各结构面的组合交线倾向坡里。但由于危岩体下缘已存在一张开的滑裂面，呈张开状，贯通性很好，且危岩体自然坡面上的灌木根系已沿结构面组3和滑裂面生长，基本可断定危岩体中部以下部分已与下部基岩部分脱离。滑裂面倾向与自然坡向一致，倾角略大于坡角。因此，结构面与滑裂面在边坡岩体中的组合可能对边坡岩体的稳定性造成不利影响[2-4]。

危岩体两侧前缘风化较为严重，强度较低，且结构面较为发育，削弱了岩体的整体强度。其中危岩体前缘偏向上游部位由结构面组1、2与滑裂面交切形成，已存在小规模岩块滑落现象，由于后期引水隧洞爆破施工的振动荷载会对该部位岩体稳定产生不利影响，故应对该部位岩体进行支护处理，以免对引水隧洞的施工安全和整个危岩体的稳定产生不利影响。

危岩体前缘中部发育一条辉绿岩脉，产状65°/90°，宽7 cm，由于滑裂面的存在产生错动，错距约10 cm，判定危岩体历史上已经产生下滑位移，且滑动方向偏向上游[5]。

3 危岩体稳定性计算

由于危岩体整体规模较小，在整个边坡中所占面积不大，因此采用剩余推力法计算其典型剖面的稳定性，该方法的原理为假定滑面取单位宽度计算，不计两侧摩擦力和滑体自身挤压力；滑动面各破裂面分别按直线计算，整体呈折线滑动[6]。

在主滑剖面上取序号为i的一个条块分析其受力情况，见图3。其上作用有垂直荷载(Wi)和水平荷载(Qi)，前者主要为重力，后者为指向坡外的水平向地震力KcWi及水压力PWi等。该条块承受了上一分条的剩余下滑力Ei-1、倾角为αi-1，以及本条块的剩余下滑力Ei的反力、倾角为αi，底部为垂直潜滑面的反力Ni，扬压力Ui及切反力Ti。

图3 第i条块受力分析

通过Σxi=0,Σyi=0，进行联立求解可得：

(1)基本荷载(仅考虑重力)时,稳定性系数如式(1)：

(1)

式中：ci为条块黏聚力,kPa；φi为条块内摩擦角，(°)；li为条块长度，m。

(2)组合荷载(主要考虑重力、静水压力、动水压力和地震力的作用)时，稳定性系数如式(2)～式(4)

(2)

Ti=[Wicosαi-KcWisinαi-(PWi-1-

PWi)cosαi-Ui+Ei-1sin(αi-1-αi)-

PDisinβi]tanφi+cili

(3)

Ni=Wisinαi-KcWicosαi+

(PWi-1-PWi)sinαi+Ei-1cos(αi-1-

αi)+PDicosβi

(4)

式中：βi为第i条块所作用的动水压力(PDi)与滑动面之间的夹角，(°)。

(3)计算剖面。计算剖面选取危岩体中部的典型剖面。地表变形迹象显示，危岩体的潜在破坏模式为顺层面滑动，因此，与危岩体下部裸露坡面相一致的顺坡向层面为潜在滑面，滑面与水平面成38°坡角。

(4)计算参数。滑体容重26 kN/m3，滑面内摩擦角25.3°，由于危岩体仅前缘有一定的变形现象，但整体并未产生大的变形，判断其处于临界状态，设其现状稳定性系数为1.0，据此反演计算其滑面c值。经迭代计算，当c=44 kPa时，其稳定性系数1.0063，c值大于全风化带的c值22 kPa，小于风化岩体的c值0.3～0.6 MPa，这也与危岩体未形成完全贯通破坏面的结论一致[7-9]。

由于危岩体位于待开挖的引水隧洞上部，引水隧洞开挖采用爆破施工，爆炸产生的冲击力必然对该危岩体的稳定性产生不良影响，因此必须分析爆破振动对危岩体稳定性的影响。

分析爆破振动边坡稳定性的方法主要基于极限平衡理论和应力变形分析，惯性失稳常采用统计分析法、结构动力分析法(拟静力法、时程分析法)等方法，用拟静力法模拟爆破荷载简单实用，因此在地震和爆破边坡稳定性分析中应用广泛。因此本次分析也采用拟静力法，参照地震力作用下的边坡稳定性计算方法进行计算。

假设坡体为一刚体，最大的地震作用力按式(5)、式(6)计算：

Q=βH(T)KsG

(5)

Ks=a/g

(6)

式中：βH(T)为放大系数谱；T为振动周期；Ks为地震系数;G为坡体自重；a为坡体实际所受地震加速度。

分别按7度和8度地震烈度下的等效加速度进行边坡稳定性计算，结果分别为0.898和0.750，稳定性系数分别下降了0.102和0.250，可见爆破振动对边坡稳定性的影响非常大，而且计算未考虑振动对危岩体物理力学指标的影响，如考虑振动影响，稳定性系数将下降的更为严重。

由于振动对岩体物理力学性质的影响难以量化，因此将设计安全系数适当加大，设为1.3，爆破水平振动加速度定为2.5 m/s2，此时边坡的计算推力为590 kN/m。

4 危岩体加固治理设计

根据工程地质评价和稳定性计算结论，在爆破振动情况下边坡处于不稳定状态，边坡上受节理裂隙切割形成的岩石块体有可能松动坠落，对引水隧洞施工人员及机械造成威胁。因此必须进行支护加固处理[10]。

对危岩体中部以下节理裂隙中生长出的植被进行人工清除，并尽量清除裂隙内的泥沙充填后，采用水泥灌浆或砂浆勾缝，防止降水入渗。

在危岩体坡脚以下部位设置混凝土抗滑护脚墙，每延米布设7排14根Φ28钢筋，每延米所布置钢筋抗剪能力达1078 kN，远大于590 kN/m的设计推力，因此设置混凝土抗滑护脚墙后，危岩体的整体稳定性满足规范要求。

边坡护脚墙以上至第一条大裂隙上部，采用挂网喷射混凝土支护，并采用4排6 mΦ28 HRB335钢筋锚杆，全黏结灌浆，纵横间距均为3 m。

5 结 语

在地质勘察资料的基础上，结合倾向玫瑰花图及主要结构面、滑裂面与自然坡面的赤平投影图研究危岩体结构面特征，再采用拟静力法计算危岩体在爆破振动情况下的稳定系数。最后根据稳定性分析结果提出危岩体加固治理措施，加固措施以设置混凝土抗滑护脚墙、挂网喷射混凝土、清除裂隙内植被泥沙为主。研究分析引水隧洞危岩体稳定性，通过不同加固措施的组合，有利于预防施工安全事故，确保危岩体在施工期和运行期的安全，可对类似工程危岩体的治理设计提供支撑和参考。