鄂北渠首竖井崩塌分析及工程地质问题处理

张著彬 余 伟 黄淦成

(湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430064)

1 工程概况

鄂北地区水资源配置工程是从丹江口水库引水，向唐东地区、随州府澴河北区以及大悟澴水区供水，解决湖北省鄂北地区干旱缺水问题的大型水资源配置工程。引水线路起点位于清泉沟老隧洞进口，为保证下游受水区水量调度及运行期线路管理和维护的顺利进行，在距离进水闸后90m的引水隧洞取水竖井内设检修闸和节制闸。取水竖井为矩形竖井，平面尺寸20m×10m(长×宽)，竖井高38.98m，底板高程141.52m，建基面高程140.02m。取水竖井工程是引水线路的节点工程，竖井的如期完工，关系到鄂北引水工程全线顺利通水。

2 取水竖井工程地质

取水竖井位于引水隧洞桩号0-020～0+000段，南靠朱连山北坡，北临丹江口水库库尾。地表以剥蚀—溶蚀丘陵地貌为主，地面高程174～178m，南北侧相对高差130m左右，地表溶沟、溶槽等岩溶地貌发育，溶沟、溶槽多以泥质物充填。

竖井穿越地层主要为奥陶系下统水田河组(O1sh)厚至巨厚层含泥质条纹(带)灰岩，灰色，局部夹薄层含泥质条带灰岩，含燧石或砂、砾屑团块及结核。弱风化下限高程168m。岩层倾向202°，倾角70°，隧洞走向138°。

竖井紧邻丹江口水库库尾，隧洞进口水文地质专题研究结论显示：竖井区地下水与丹江口库水位连通性不强。区内地下水主要为基岩裂隙水与岩溶水。勘察期一个水文年观测水位为144.80～160.50m。区内渗透试验显示岩体呈弱透水性，渗透系数K=(2.89～6.13)×10-5cm/s。

竖井区地质构造主要表现为裂隙，未见褶皱及断层(见表1)。

表1 竖井裂隙分布情况统计

3 竖井崩塌情况

在竖井开挖施工完成后，初期支护采用挂网锚喷支护方式，锚杆采用φ25砂浆锚杆，间排距1.5m，梅花形布置，长度5m，入岩4m。喷射混凝土采用C25混凝土，喷射厚度10cm。

竖井开挖至井底140.00m高程后，井壁已按照设计进行了初期支护，右井壁首先出现撕裂声响，约20min后取水竖井右壁挂网、锚喷混凝土出现撕裂，小块剥落后出现部分岩体整体崩塌，塌方高程140.00～162.00m，塌方最深处7m，总体方量约800～900m3。

塌方渣体大部分为弱—微风化灰岩，局部含少量土块，灰岩垮塌体块径较大，可见厚层块状灰岩(50.0～100.0cm)(见图1)。

图1 取水竖井右壁垮塌情况

4 竖井崩塌成因

竖井开挖完成后，井壁在发育的陡倾角裂隙的切割下形成危岩体，右侧井壁危岩体沿陡倾、临空的结构面塌滑。竖井井壁稳定性影响因素包括裂隙切割状况、水的作用、缓倾结构面及软弱夹层等。

4.1 软弱结构面的影响

竖井右壁塌方后，根据地质素描揭示垮塌部位出露四组优势裂隙面：L1、L3、L5、L9，裂隙面产状分别为202°∠75°～85°、280°～290°∠70°～75°、280°～290°∠70°～75°、110°∠26°。四组裂隙与岩壁切割岩体形成危岩体(见图2、图3)。

图3 右侧井壁裂隙切割示意图

右侧滑塌体井壁走向138°，与长大顺层裂隙L1交角26°，小角度相交，为逆向坡，不利于井壁稳定，与长大裂隙L3交角52°，大角度相交，L1、L3、L5、L9(推测)右侧井壁组合切割形成楔形体，楔形体在重力作用下沿缓倾角裂隙L9(推测)向临空面滑出，是本次滑塌产生的主要原因之一。

竖井右壁塌方后，地质素描揭示垮塌体存在两处软弱结构面，分别为162.00m高程附近L5泥质条带，141.00m高程附近裂隙面L9。L5泥质条带近水平分布于右壁滑塌体上缘，上游方向分布明显，下游方向逐渐尖灭，滑塌体产生后，下游方向岩体产生拉裂，断口新鲜。L9裂隙面产状110°∠26°，为缓倾角裂隙，不利于岩体稳定，上部岩体在结构面切割形成独立体后沿L9缓倾角裂隙面造成进一步滑塌。

4.2 地下水的影响

勘探期钻孔水位为159.42m，于2014年7月至2015年5月间对观测孔水位进行长期观测发现，其水位为144.80～160.50m。根据前期竖井区域钻孔压、抽水试验成果揭示岩层渗透系数K=7.78×10-6～6.13×10-5cm/s，为相对隔水岩组。竖井开挖过程中，井壁局部存在微弱渗水，滑塌面湿润，滑塌发生前，竖井区存在较强降雨过程，雨水随结构面向下入渗，在竖井区结构面形成较大外水压力，因此地下水作用也是本次滑塌形成的重要原因之一。

综合以上分析，本次竖井右侧井壁滑塌主要是井壁岩体受不利结构面切割为楔形体、暴雨入渗改变结构面受力及结构面的强度而失稳。

5 竖井边坡稳定性分析

5.1 岩体物理力学参数选取

根据竖井工程地质条件，并结合竖井右壁出现的崩塌险情原因分析，提出竖井区围岩类型及岩体物理力学参数取值。竖井围岩类型整体以Ⅲ类为主，岩体及结构面物理力学参数取值如下：岩石密度2.67～2.78g/cm3，天然抗压强度74.5～140.0MPa，饱和抗压强度48.2～95.0MPa，为较硬—坚硬岩，内摩擦角φ=38°，黏聚力c=1.0MPa，变形模量E=8.0GPa，泊松比μ=0.25，单位弹性抗力系数K0=10MPa/cm，岩体渗透系数K=(2.89～6.13)×10-5cm/s，外水折减系数Be=0.30。主要裂隙面L1摩擦系数0.25，黏聚力c=0.02MPa；L3摩擦系数0.20，黏聚力c=0.01MPa；L9摩擦系数0.20，黏聚力c=0.01MPa。

5.2 竖井边坡稳定性分析

竖井边坡稳定性采用平面滑动法进行计算，竖井边坡工程安全等级为一级，相应安全系数取1.35。

根据优势裂隙发育情况结合矩形竖井走向，采用极限平衡法进行稳定性计算，上游侧、右侧井壁边坡稳定采用平面滑动法进行计算；下游侧、左侧井壁采用折线滑动法，并根据滑动面的倾斜方向，分为下滑段和抗滑段进行计算，公式如下：

(1)

式中F——初期支护锚固力(顺滑动面方向)，kN；

λ——岩体的重度，kN/m3；

c——结构面的黏聚力，kPa；

φ——结构面的内摩擦角，(°)；

A——结构面的面积，m2；

V——岩体的体积，m3；

θ——结构面的倾角，(°)。

折线滑动法

(2)

式中W1——滑体下滑部分所受的重力，kN；

W2——滑体阻滑部分所受的重力，kN；

α1i——滑体下滑部分第i条块所在折线段滑面的倾角，(°)；

α2j——滑体下滑部分第j条块所在折线段滑面的倾角，(°)；

c——折线形滑面上的综合单位黏聚力，kPa；

l1i——滑体下滑部分第i条块所在折线段滑面的长度，m；

l2j——滑体阻滑部分第j条块所在折线段滑面的长度，m。

右侧井壁已发生崩塌，取安全系数小于1.0计算初期支护锚固力F，对左、右侧，上、下游侧井壁分别进行边坡稳定计算(见表2)。

表2 边坡稳定计算成果

根据竖井井壁稳定性计算结果，左侧、下游侧井壁安全系数高，在初期支护的情况下，井壁稳定性好。上游侧井壁安全系数1.25，小于一级安全等级边坡的安全系数要求，属于基本稳定边坡，右侧井壁也发生崩塌险情，属不稳定边坡，因此，需对右侧井壁和上游侧井壁采取工程加固措施。

根据上述分析和参数取值，为防止治理过程中井壁发生二次崩塌，对右侧井壁下段高程162.00～140.00m已崩塌段进行了针对性的治理[1-2]，主要措施如下：

a.对竖井进行了开挖渣料的回填，回填高度168m。

b.采用钢围檩(圈梁)对井壁进行支撑，内设对撑，并同时从下部引水隧洞将竖井回填渣料向外转移，竖井内渣料每下降5m，设置一道钢围檩，直到竖井底部。

c.钢围檩施工完后在竖井内搭建满堂脚手架，并对右侧井壁及上游侧井壁进行长预应力锚杆支护，锚杆间距1.5m，梅花形布置，锚杆长度12m，直径25mm。

经上述工程措施处理后，后续施工及运行过程中竖井基本处于稳定状态。

6 结 论

鄂北水资源配置工程渠首取水竖井右侧井壁崩塌类型，为倾向临空面的结构面控制的滑移式崩塌变形，由于裂隙组合作用下结构面与竖井井壁临空面、软弱夹层切割形成锲形危岩体，在自重应力作用下向临空面滑移式崩塌。根据稳定性计算分析，竖井左侧、下游侧井壁安全系数高，上游侧和右侧井壁属基本稳定—不稳定边坡，针对欠稳定井壁采用了预应力锚杆结合钢桁架内撑的处理措施，如期完成了井壁开挖及结构混凝土的施工，保证了整个引水线路的顺利通水。