江苏连云港路堑岩质高边坡三角体稳定性分析

贾 嘉,陈志坚

(河海大学地球科学与工程学院,江苏 南京 210098)

东疏港高速公路作为江苏省连云港市改善交通状况与物流运输条件的重要工程,对连云港市的经济发展与城市核心竞争力提升具有重要意义。高速公路(走向52.5°)采用明挖方式横穿中云台山,由此在其两侧形成高陡岩质边坡,其中左坡(也称东坡,坡面倾向232.5°)开挖坡高超过200 m(包括天然边坡的总坡高，约280 m)。受高速公路总体走向、右侧云门寺水库和左侧田湾核电站输电高压线塔的限制,路堑边坡总体坡度42.4°,按照10 m一级的标准放坡,共分为20级,各分级坡度均为55°,除第5、9、13、15级台阶宽度为10 m外,其余台阶宽度均为3 m,属于一级边坡工程。

由于边坡高陡、结构面发育,存在局部失稳和落石灾害风险,故采取挂网喷锚支护和被动柔性防护网综合治理措施。但受南侧废弃采石场非控制爆破开挖产生的强烈松动和卸荷作用,尤其是两面临空作用的影响,路堑边坡岩体中发育的顺倾向压性断层(产状NE10°～20°/NW∠36°～50°,构成主动滑面)、绿泥石片岩(产状NE40°～60°/SE∠10°～30°,构成被动滑面)和2组陡倾角裂隙(产状NW300°～320°/NE、SW∠70°～88°的裂隙构成纵向切割面,产状NE30°～40°/ NW、SE∠70°～88°的裂隙构成横向切割面)在左坡南侧、坡高60～130 m处构成不利组合,产生高位三角体稳定问题(在高陡边坡的高处,滑坡产生的落石势能巨大,且车辆等交通工具难以到达,治理难度大、代价高昂)。同时连云港地区常见的历时长降水或短时暴雨会导致地表水通过裂隙等途径渗入三角体,降低岩体力学参数,增大下滑力与裂隙水压力,从而易导致三角体失稳[1]。经历雨量充沛的2019年丰水季节后,三角体已形成2条开度2～4 cm的后缘拉裂缝,已有研究表明[2],该边坡设置的被动柔性防护网无法阻拦该三角体失稳产生的落石,这将对高速公路的安全运营和人民生命财产安全造成恶劣后果。

对于边坡三角体的稳定性问题,可先由赤平极射投影法[3]、工程类比分析法等定性分析方法进行初步判别;再结合极限平衡法、数值分析法等定量分析方法进行验证[4]。杨毅[5]通过研究受三组结构面控制的边坡稳定性,提出针对具有多组结构面的岩质边坡,可分别将结构面与坡面进行分析的研究思路;于忠锋[6]对二维和三维的刚体极限平衡法进行对比研究,证明三维刚体极限平衡模型的分析结果更加符合实际;袁闻等[7]通过对三维刚体极限平衡法的理论研究,提出了多种可用于岩质边坡稳定性计算的三维方法。对该边坡多年的监测数据显示三角体稳定性尚存问题;吴传杰等[8]对该三角体使用3DEC进行数值模拟,根据模拟结果得出三角体在位移增大的条件下滑动面可能贯穿抗力体从而引起滑动破坏。在此基础上使用赤平极射投影法、刚体极限平衡法与监测数据相结合对该三角体的稳定性进行分析。

1 边坡区基本地质条件及三角体滑动边界条件

中云台山山脉走向为北东向,山脚和山顶海拔分别为3 m和290 m,边坡区基岩大量出露,岩性单一，为前震旦系海洲群云台组变粒岩(Pt2-3y),属坚硬岩,全强风化层厚度大多小于2 m。现场调查结果表明,左坡主要软弱结构面为绿泥石片岩夹层,产状NE40°～60°/SE∠10°～30°,厚度1.5～2.5 m,性质软弱,片理发育,开挖揭露后即快速风化,左坡主要发育4层,构成三角体的被动滑动面。左坡主要结构面为片理面和构造裂隙，其中片理产状为NE40°～60°/SE∠10°～30°,3组裂隙分别为:①北西向陡倾角裂隙,产状NW300°～320°/NE、SW∠70°～88°,其与左坡坡面近正交,延伸几十米至几百米,而且切割深、裂隙面平直、产状稳定，多呈微张～闭合,它构成欠稳定三角体的纵向切割面;②北东向陡倾角裂隙,产状NE30°～40°/ NW、SE∠70°～88°,其与左坡坡面走向斜交,延伸长度多在十几米至几十米,切割深度几米至十几米,其间距也较①大,但沿该组裂隙存在蚀变现象,导致其抗风化能力很差,在天然地表多表现为冲刷深槽,深槽宽度可达30～40 cm,深度可达1～3 m,开挖揭露后,裂隙面两侧岩体容易风化,透水性增强,并构成了三角体的多级后缘拉裂面;③北北东向大裂隙或压性小断层(如图1所示),产状NE10°～20°/NW∠36°～50°,间距40～50 m、产状起伏较大,属顺向结构面,其倾角为45°～50°,根据相关规范,无充填结构面的内摩擦角为24°～35°,故其具备临空条件时,容易存在抗滑稳定问题,构成三角体的底滑面如图2所示。

图1 北北东向压扭性断层面(三角体底滑面)

工程区年降水量约930 mm,雨期集中在7—9月。监测数据表明,左坡地下水主要接受降水入渗补给,地下水的排泄区域主要为路堑边坡开挖面、尤其是南侧废弃采石场,受开挖卸荷影响,左坡坡面以下约30 m深度范围为强透水带。在丰水季节,边坡约30 m深度范围内仍间歇性赋存丰富的地下水,并快速向路堑边坡开挖面,尤其是南侧废弃采石场排泄,从而对三角体产生较大的渗透压力,这是影响三角体稳定性的最主要因素之一。

2 赤平极射投影法的判别

赤平极射投影法能够定性评判岩质边坡三角体稳定性,可用于确定结构面与临空面的组合关系。边坡三角体的临空面、结构面产状如表1所列,所制得的赤平投影图如图3所示,由此得到的交线产状如表2所列。

表2 三角体结构面、临空面交线产状

图3 三角体赤平投影图

图3显示,数量众多的北东向与北西向结构面共同起切割三角体内部岩体作用,因这两组结构面延伸短,一般切割深度较浅,难以形成滑动面,但易导致掉块现象发生;北北东向压扭性断层面的走向、倾向与坡面相近,但倾角较坡脚小,属对稳定性不利的条件,该结构面也是三角体的主动滑面;绿泥石片岩夹层走向与边坡坡向相近,但倾向相反,同时北北东向压扭性断层面终止于该夹层,因此其对三角体稳定性起积极作用,属于三角体的被动滑面。北北东向压扭性小断层面与绿泥石片岩面投影弧交点位于坡面投影弧内侧,二者交线虽倾向边坡南部采石场处,但倾角仅4°,由此可见三角体的实际滑动方向取决于抗力体的受切割程度。

3 监测成果分析

对134平台南部的地下水渗压与104平台三角体位置埋设锚杆轴力的多年监测对于三角体稳定性评价具有指导意义。近年的监测数据见图4和图5。

图4 地下水位全量变化时程曲线

图5 锚杆轴力全量变化时程曲线

边坡134平台南部的渗透压力观测孔距边坡南部采石场临空面较近,实测地下水水位最大值为131.72 m,最小值为125.99 m,这对三角体稳定性计算提供了重要依据。从全量数据分析,三角体位置的地下水水位随全年降水过程发生明显的抬升,降水后可快速消散,这说明该区域地下水入渗补给与排泄条件较好,可产生较大水头压力,这将对三角体抗滑稳定产生不利影响。

104平台的锚杆一直处于受拉状态,锚杆轴力在监测年内实测最大值达119.52 kN(超过设计警戒值60 kN)。该部分岩体仍处于应力调整状态,因沿北北东向缓倾角裂隙面存在的剩余下滑力导致锚杆轴力较大以维持岩体稳定,同时受温度影响的锚杆轴力日变化率也超过警戒值,由此可见目前三角体的稳定性存在威胁。

4 三角体稳定性分析

4.1 稳定性评价参数取值与工况确定

通过使用刚体极限平衡法边坡三角体稳定性定量评价。按照北北东向压扭性断层面倾向进行划分可将三角体划分为上部不受抗力体作用,沿北北东向结构面进行单滑面滑动的滑动体与下部受北北东向压扭性结构面与绿泥石片岩夹层共同控制,沿两滑面交线发生滑动的楔形体。

对三角体进行计算时,考虑到三角体在旱季有利条件与雨季不利条件下的情况以及主动滑面夹泥情况,设置“枯水期+‘结合差型’主滑面”、“枯水期+‘岩屑夹泥型’主滑面”、“降水工况+‘结合差型’主滑面”与“降水工况+‘岩屑夹泥型’主滑面”4种工况进行稳定性计算。

由于三角体主动滑面与被动滑面抗剪强度参数未知，因此其取值根据规范《建筑边坡工程技术规范》[16]中的相关规定，参照《工程岩体试验方法标准》[17]以及《水力发电工程地质勘察规范》[18]中的规定进行取值。岩体力学参数与结构面参数取值分别如表3、表4所列。

表3 三角体岩体力学参数

表4 三角体结构面参数

4.2 稳定性计算成果及分析

对于边坡三角体的稳定性计算考虑边坡后缘静水压力、沿滑面扬压力、地震动荷载,不考虑三角体处的喷锚、防护网支护对三角体的抗滑力与阻滑力。根据勘察规范,Ⅰ级边坡工程地震工况下的稳定安全系数应取1.15。

分析三角体稳定性计算结果可得,三角体下部受抗力体作用的部分处于稳定状态。上部沿北北东向缓倾角结构面发生滑动破坏的岩体在降水工况下处于欠稳定状态,说明对于该部分岩体而言,在强降雨、地震与底滑面泥化的不利条件的影响下存在发生滑动破坏的可能。

表5 三角体稳定性计算结果

5 结论

(1) 赤平极射投影结果显示三角体位置的4组结构面中,北北东向压扭性断层面与绿泥石片岩夹层面对三角体起主要控制作用,北东向与北西向结构面主要对岩体起切割作用。三角体下部岩体的实际滑动方向取决于底滑面对三角体抗力体的切割程度。

(2) 对边坡的监测工作验证了三角体位置岩体仍沿底滑面存在剩余下滑力,虽然支护结构对三角体的稳定有利,但其稳定性仍存在威胁。

(3) 稳定性计算结果显示,三角体上部岩体在不利工况下稳定性系数较低,存在发生滑动破坏的可能性,结合赤平极射投影分析可得,北东向与北西向结构面易将岩体切割成块状,导致靠近三角体南侧临空面的块体发生滑动破坏。