库水浸泡下全—强风化千枚岩桥基岸坡稳定性分析

唐 刚,廖 军*,邓 涛,王陈宾,谢 明,王睿麟,李 靖

(1.成都理工大学环境与土木工程学院,四川 成都 610059;2.成都理工大学传播科学与艺术学院,四川 成都 610059)

白鹤滩库区广泛分布着水敏感性极强的千枚岩。千枚岩在库水作用下,其强度会骤降,严重威胁库岸稳定性[1]。受当地复杂地质地形的影响,大量桥基坐落在全—强风化千枚岩库岸上,有时岸坡的全-强风化千枚岩会间杂出现,使岸坡稳定性分析变得更为复杂。因此,在全—强风化千枚岩间杂出现的库岸上修筑桥基,岸坡的强度及稳定性是亟需关注的重要工程问题。

千枚岩遇水后强度会骤然下降,部分学者对此开展了许多有益研究,赵建军等[2]、蔡国军等[3]、张丽娟[4]通过常规岩石力学试验,分析了千枚岩在不同浸水时间条件下的力学特性劣化规律,并且从微观机理上解释了其力学性质劣化机理。Hu等[5]利用不同水分状态下的单轴压缩试验和三轴压缩试验,分析了千枚岩强度的劣化规律。

由水库蓄水造成的岸坡失稳不胜枚举,如瓦依昂水库滑坡[6]、三峡库区的千将坪滑坡[7]等。为研究库水作用对岸坡稳定性的影响,目前国内外学者主要从以下方面开展研究。①库水循环升降作用,如刘新荣等[8]、邓华锋[9]、肖瑶等[10]通过室内外试验,得出岩土体受库水循环升降作用后强度的劣化规律,为库岸边坡的稳定性计算分析提供了依据。Wang 等[11]研究发现在库水位的上升或下降会增加或降低滑坡的稳定性。②库水下降作用,如Sun 等[12]考虑库水位快速下降时动水压力作用,得到了水库水位下降影响下边坡稳定性的演变规律。傅鹏辉[13]研究了库岸在库水位下降时的稳定性问题。③水库蓄水作用,如:宋丹青等[14-15]利用GPS对滑坡位移进行监测,并将边坡熵引入库岸边坡稳定性评价中,对监测结果进行验证。杨静熙等[16]总结了岸坡变形破坏在空间上的分布与演变规律,为准确预测蓄水后库岸稳定性提供了参考经验。曹博等[17]采用Morgenstern-Price法计算分析了水库蓄水过程中4种典型边坡类型的稳定性变化规律。冯文凯等[18]通过现场试验以及数值模拟,对白鹤滩库区土质岸坡在未来蓄水后的稳定性问题进行预测分析。

从上述研究成果来看,水敏感性较高的千枚岩在库水浸泡下,其抗剪强度参数产生劣化效应,对桥基岸坡稳定性不利。某大桥位于白鹤滩库区内,其工程地质条件较差的右岸桥基岸坡坡脚及坡面局部全—强风化千枚岩裸露,蓄水后,库岸上的全—强风化千枚岩长期位于运营水位以下,需要研究库水浸泡对桥基岸坡稳定性的影响。基于此,以现有白鹤滩库区的勘察资料为基础,选取白鹤滩库区该大桥右岸桥基岸坡为研究对象,以室内外岩土体物理力学参数试验为依据,考虑白鹤滩水库蓄水对岸坡千枚岩抗剪强度的劣化效应,结合数值模拟计算得到了该大桥右岸桥基岸坡稳定性的变化规律。研究成果对白鹤滩库区类似桥基岸坡的灾害分析与防治具有借鉴意义与参考价值。

1 工程概况

某大桥处小黑水河流近EW向,其右侧岸坡地形坡度约30～40°,地表植被不发育,坡面覆盖层为碎石混合土(Qcol+dl),结构较松散,下伏基岩为前震旦系通安组(Pt2t)的千枚岩,风化程度由全风化—强风化—中风化。坡体790 m以下全为裸露的结构破碎的千枚岩,根据GB 50021—2001(2009)《岩土工程勘察规范》,结合现场调查,该千枚岩为全风化与强风化间杂存在(图1),需要同时考虑,其在坡表也有多处裸露,降雨后经常发生坍塌,堵塞道路。为了便于研究,将裸露的基岩称为全—强风化千枚岩,该库岸工程地质剖面见图2。

图1 裸露千枚岩实拍

图2 大桥右岸工程地质剖面

白鹤滩库区蓄水后,水位将升至825 m,至此,桥址的右岸坡脚处以及部分坡表裸露的全—强风化千枚岩将长期处于库水浸泡中。库水浸泡下岸坡稳定性将对坐落于右岸的桥基产生重大影响。

2 桥基岸坡稳定性分析

本次研究工点上部为散体结构、下部为全—强风化的破碎基岩,而该基岩力学性质极差,特别是浸水后力学参数接近于土体。由前人研究的工程实例可知,此类库岸边坡,无论覆盖层厚度与坡体尺寸如何,其滑面均可能穿过全—强风化基岩层[19-24],见表1。因此,虽然本次工点的上部覆盖层较厚,库岸的稳定性可能仍主要由全—强风化基岩层的力学性质控制。

表1 基岩为全强风化岩层的边坡实例

2.1 计算参数选取

根据桥位区分布的岩土层性状,参考工程沿线岩土体物理力学试验成果及附近工程相关岩土体参数提出桥位区各岩土层物理力学参数建议值,见表2。

表2 桥位区各岩土层物理力学参数

全—强风化千枚岩的参数取值依据现场取回岩样的直剪试验成果。对全—强风化千枚岩进行了不同浸水时间条件下的直剪试验(图3),获取了抗剪强度参数变化规律,见表3。

图3 试验过程

表3 不同浸水时间下千枚岩力学参数

由表3可知千枚岩试样随着浸水时间的增加,其黏聚力(c)及内摩擦角(φ)均越来越小,抗剪强度降低。在浸水21 d时试样抗剪强度参数c和φ劣化程度分别达到55%和25%左右,说明浸水作用下,千枚岩的黏聚力更为敏感。

为了直观反映抗剪强度参数劣化规律,黏聚力和内摩擦角与浸水时间的关系曲线见图4。由图4可知,在浸水后期,全—强风化千枚岩黏聚力和内摩擦角的变化逐渐趋于稳定,其黏聚力和内摩擦角的劣化趋势相似。

a)黏聚力

b)内摩擦角图4 浸水后全—强风化千枚岩抗剪强度参数劣化曲线

2.2 计算模型概化及方案

2.2.1模型概化

由于岸坡结构特征较为复杂,计算时主要研究考虑全—强风化千枚岩力学参数的劣化对桥基岸坡稳定性的影响,为了简便准确地获得计算结果,需要对分析模型进行适当的假设概化,以达到最佳的分析结果。假设:①在岩层中全风化千枚岩岩层厚度薄,分析时与强风化千枚岩岩层归为一类;②将同一层材料视为均质体;③桥墩及上部结构等效成荷载作用在桥基上。按上述假设条件,利用Geostudio有限元分析软件的Slope单元建立图5所示的分析模型。

图5 岸坡稳定性计算模型

2.2.2计算方案

考虑正常水位线825 m水位条件下的岸坡稳定性特征。在825 m水位以下,全—强风化千枚岩岩层考虑表3中千枚岩力学参数劣化情况;在825 m水位以上,考虑全—强风化千枚岩天然强度。其他材料根据水位情况均只考虑天然和饱和2种状态。

2.3 计算结果及分析

岩土体抗剪强度参数不同劣化程度下的稳定系数变化的分析方法为:根据不同浸水时间下力学参数劣化试验值,对库岸进行最危险滑带搜索,计算安全系数。根据桥梁岸坡剖面,按照表2所列碎石土、中风化千枚岩力学参数,利用Geo-slope分别计算表3所示工况下的岸坡稳定性。根据SL 386—2007《水利水电工程边坡设计规范》,以Morgenstern-Price(摩根斯坦-普瑞斯)法计算结果作为边坡稳定性评价依据,参考Bishop(毕肖普)法、Janbu(简布)法结果,计算结果见图6。

a)Bishop方法

b)Janbu方法

c)Morgenstern-Price方法图6 岩土体抗剪强度参数劣化安全系数变化趋势

从图6可以看出,3种计算方法的安全系数计算结果变化趋势相似,均呈下降趋势。由直剪试验结果可知,随着浸水时间的增加,黏聚力和内摩擦角呈现先急剧减小、后逐渐趋于平缓的趋势,因此在库水浸泡作用下岸坡安全系数同样也呈现先急剧减小,后逐渐趋于平缓的趋势。究其原因是在库水浸泡的作用下,千枚岩结构受到损伤,裂隙发育,胶结能力下降,同时矿物颗粒之间的镶嵌程度也受到水的作用而变得松散,导致黏聚力与内摩擦角劣化,致使安全系数下降。

本次将主要运用可靠程度较高的Morgenstern-Price方法开展对考虑全—强风化千枚岩抗剪强度参数不同劣化程度条件下桥基岸坡稳定性的分析。由图4中显示的力学参数劣化速率与拟合的对数公式可知,随着浸水时间的增加,力学参数的劣化会逐渐减缓并趋于某一定值,不会无限劣化,该规律与肖瑶等[25]的研究结果一致。图6c的安全系数变化趋势中也反映了该现象,安全系数在浸水7 d之内降低速度较快,后趋于平缓,由图6c中拟合的对数公式可知,安全系数最终也会趋于一定值。

根据图4、图6c的结果,经过计算得到浸水95 d时,黏聚力劣化了75%左右,内摩擦角劣化了33%左右,岸坡安全系数为1.189,根据SL 386—2007《水利水电工程边坡设计规范》,水库水位处于正常蓄水位的正常运营条件下,安全系数标准取1.2,因此处于欠稳定状态,但随着库水浸泡时间的增加,抗剪强度参数仍会继续缓慢地劣化,安全系数会小幅变小,岸坡更不稳定,需引起重视,建议对边坡增设抗滑、支挡结构与表面护坡措施进行加固,同时由于库水浸泡作用与室内试验浸泡存在一定的差别,可能与现场实际时间会有一定的区别。

3 结论

本文考虑白鹤滩水库蓄水对岸坡千枚岩抗剪强度的劣化效应,计算得到了某大桥右岸桥基岸坡稳定性的变化规律,得到以下结论。

a)全—强风化千枚岩随着浸水时间的增加,其抗剪强度参数会劣化,劣化趋势为先急后缓,最终会趋于某一定值。

b)浸水后,全—强风化千枚岩黏聚力的劣化幅度比内摩擦角大,黏聚力对此作用更为敏感。

c)全—强风化千枚岩岸坡安全系数随浸水时间增加,其劣化趋势与抗剪强度参数一致,在浸水前7 d,岸坡安全系数降低速度较快,后趋于平缓。

d)经过计算得到在浸水95 d后,安全系数为1.189,小于1.2,处于欠稳定状态,但随着库水浸泡时间的增加,抗剪强度参数仍会继续缓慢地劣化,安全系数会小幅变小,岸坡更不稳定,需引起重视,建议增加抗滑、支挡结构与表面护坡措施进行治理。