基岩岸坡变形破坏机理及预测分析——以X车渡码头为例

熊 坤

四川省交通勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610017

0 引言

溪洛渡库区X车渡码头地处云贵高原和四川盆地两大地貌单元所接壤的大凉山地带向川中盆地过渡地段,根据金沙江溪洛渡库区岸坡结构类型的划分,该车渡码头所在的区域被划分为缓倾薄层-互层状逆向岸坡。据野外调查资料表明,区内岸坡变形破坏仅3处,且均为层状松散堆积结构的岸坡。此外,据调查发现在整个溪洛渡199 km、宽5 km的库区内,基岩岸坡变形破坏共81处,其中缓倾薄层-互层状逆向岸坡变形破坏的仅X车渡码头1处。

倾薄层-互层状逆向岩质边坡与常规岩质边坡经过多个水文年,水库水位反复升降[1]、涨落[2]导致边坡逐级垮塌有所不同,该边坡在水库蓄水后不到1年的情况下,发生了变形破坏。

本文详细分析了倾薄层-互层状逆向岩质边坡在水库蓄水后[3],处于特殊地质条件下的变形破坏机理,希望在以后的工程建设中能够借鉴该边坡的破坏形式,有效对该类边坡可能存在的安全隐患进行早期识别和治理,避免工程安全隐患。

1 工程地质条件

1.1 地形地貌

溪洛渡库区主要为高山、中山地貌,山岭高程1 500～3 500 m,高差大于1 000 m;峡谷或嶂谷发育,两岸坡度30°～50°,局部为陡崖。地形切割剧烈,山势陡峻,悬崖陡壁延绵不绝,尤其金沙江两岸为最甚。

本文研究的基岩岸坡位于X车渡码头下河车道所处的山前斜坡地段,金沙江左岸。该边坡自然坡度34°～54°,岸坡方向62°(朝向金沙江上游)。目前该基岩岸坡已发生变形破坏(见图1),变形破坏区域坡体分布高程580～625 m,前后缘高差约45 m。坡体纵向长约69 m,横向宽约77 m,基岩埋深18.6～26.9 m,滑坡体体积约5万m3,为小型岩质滑坡体,下文统称该基岩岸坡为H01。

图1 基岩岸坡(H01)地形地貌

1.2 地层岩性

基岩岸坡H01范围内出露的地层主要为志留系龙马溪组(S1l)黑色含碳质页岩和泥质粉砂岩,由于含碳质页岩和泥质粉砂岩含黏土矿物较多,力学性质较差,抗风化能力弱,具备遇水易软化、失水易干裂的特性。

1.3 地质构造

X车渡码头研究区位于扬子准地台西部的二级构造单元上扬子台坳东南侧,西邻康滇地轴,东接四川台拗。区内构造类型以北东向和南北向的断裂、褶皱为主,而小规模的北西向断层则属北东向断裂的伴生构造。且该码头位于峨边-金阳断裂与华蓥山-莲峰断裂围限的断块上,处于峨边-金阳断裂下盘,离断裂最近距离4 km。该断裂地震活动性较弱,发生中强震的可能性小,自晚更新世以来未见新近活动痕迹,对工程区影响较小。工程区位于单斜岩层中,岩层产状330°∠16°。受构造影响,工程区内岩体裂隙发育主要为以下2组。裂隙①:76°∠70°,裂面光滑平整,微张-闭合状,无充填。裂隙②:170°∠70°,裂面光滑平整,微张-闭合状,无充填。

2 岸坡变形破坏诱发因素

2.1 地形地貌条件

基岩岸坡H01位于一个突出山嘴部位,三面临空,加之斜坡坡度较陡,为34°～54°,具有较好的临空条件,岸坡卸荷作用强烈,坡内存在内在构造裂隙、卸荷裂隙的不利组合,在这3种因素共同作用下,为滑坡体的滑动提供了有利的地形地貌条件。

2.2 地层岩性及岩土体性质

岸坡出露的地层主要为志留系龙马溪组含碳质页岩和泥质粉砂岩,由于含碳质页岩和泥质粉砂岩含黏土矿物较多,力学性质较差,抗风化能力弱,具有遇水易软化、失水易干裂的特性,使得基岩裂隙缓慢蔓延致贯通。此外,新构造运动和断层历史时期的运动造成该区岩层节理裂隙发育,使得岩体内部存在构造裂隙、卸荷裂隙的不利组合。

2.3 降雨作用

X车渡码头区域内降雨丰沛且强降雨相对集中,降雨使岩土体饱水增重、增加孔隙水压力和裂隙面动水压力,同时由于新构造和断层运动的影响,造成岩体破碎,为地表水和地下水的下渗提供了通道,加剧了页岩的风化速度,且对岩体起到了软化作用,降低了岩土体的物理力学参数。这些因素均导致增加下滑力、减低抗滑力,对边坡稳定性影响较大。

2.4 水库蓄水

由于溪洛渡水电站的建成,水库水位上涨,岩土体中的孔隙水水位上升,使岩土体饱水增重、增加孔隙水压力和裂隙面动水压力;加之长期对斜坡前缘侵泡软化,和水位反复升降,加剧了基岩的风化和裂隙的延展速率,对边坡稳定性影响较大。

2.5 人类活动

由于X车渡码头道路的修建,对岸坡前缘进行削坡处理,导致岸坡前缘变陡,临空条件更好。此外,在开挖边坡时,由于机械震动或者爆破,加剧了内侧边坡基岩的破碎,破坏了基岩的完整性。

3 岸坡变形演化过程及破坏机理分析

根据原址勘察资料(变形破坏之前),基岩岸坡H01所处地形较陡,且原址勘察时库区内还未开始蓄水,岸坡未见变形破坏迹象,随着施工开挖下河车道内侧边坡,导致岸坡逐步变陡,临空条件变好。

水库达到最高蓄水位后,基岩岸坡H01中下部岸坡被水浸没,岩土体饱水增重,同时炭质页岩岩体遇水易软化、失水干裂,加剧了岩体的风化速率和裂隙的扩展速率,导致被水浸没部分岩体逐步向后渐进式剥皮垮塌。

随着库区水位反复升降[4],渐进式剥皮垮塌发展到一定阶段后将逐步形成小型垮塌,经多次垮塌之后,岸坡坡度逐步接近直立,临空条件逐步发展至威胁到整个边坡稳定性的阶段。

当基岩岸坡H01临空条件发展至一定阶段,在库区水作用的影响下,斜坡体内将沿软弱结构面自下而上逐步发展,后缘岩体在自重和降雨作用下,卸荷裂隙逐步向下延伸,当前缘临空条件达到该岸坡整体失稳必备条件时,加之降雨使岩土体饱水增重、增加孔隙水压力和裂隙面动水压力,最终导致岸坡整体发生剪切破坏。

由于地壳的抬升,金沙江强烈下切及侧缘支沟的形成,使该处岸坡处于三面临空状态,在岩体自重应力作用下,缓倾薄层状砂泥岩反向岸坡向河床临空方向发生弯曲变形,三组相互切割的裂隙被拉裂加深加宽,构成弯曲-拉裂变形体。

4 岸坡变形监测及预测

从地貌上来看,可把基岩岸坡H01三面临空的突出山嘴部位整体视为潜在不稳定斜坡,可将该潜在不稳定斜坡统称为H02(见图2),根据后缘地形变坡点和地貌、临空条件,确定潜在不稳定斜坡H02的边界范围。从整体上看,潜在不稳定斜坡H02未见明显边界和变形痕迹。但该潜在不稳定斜坡所处斜坡坡度较陡,为34°～54°,具有较好的临空条件,岸坡卸荷强烈,存在内在构造裂隙、卸荷裂隙的不利组合,在这3种因素共同作用下,该斜坡可能有进一步发生滑动的可能性。

图2 潜在不稳定斜坡H02范围

在潜在不稳定斜坡H02顶部完成钻孔ZK01,从钻孔内岩芯来看,39.7 m以上为泥质粉砂岩,其下为含碳质泥灰岩,泥质粉砂岩较破碎,岩芯呈块状、饼状和短柱状,含碳质泥灰岩较完整,岩芯中裂隙主要为水平裂隙,少见垂直裂隙,基岩抗风化能力均较差,在钻孔钻进结束时,上部泥质粉砂岩已多处风化呈薄饼状。

为了分析潜在不稳定斜坡H02的稳定性和预测其未来发展趋势[5],在钻孔ZK01安置了一处孔内测斜监测,进行了18个月的孔内位移监测,由于监测数据较多,本次仅选择第1月、第9月和第18月的位移监测数据形成位移示意图(见图3)。

图3 钻孔ZK01孔内测斜监测数据示意图注: A向位移向下游为负,向上游为正;B向位移向右岸为正,向左岸为负。

从图3可得到以下结论:①斜坡前缘伴随钻孔深度的增长,孔内位移活动逐步减弱,地表位移位移最为活跃。②从监测位移数据来看,A向累计位移量为-0.17～32.45 mm,A向位移量最大为32.45 mm,发生在孔口处,位移方向主要朝向河流上游(即坡面方向),伴随钻孔深度增加,孔内位移逐步减弱,30 m内最为活跃。说明该斜坡上部岩土体正沿坡面方向向坡外发生缓慢变形,属于拉裂变形。③B向累计位移值为-4.14～1.82 mm,B向位移值最大为-4.14 mm,发生2.0 m处,位移方向主要朝向左岸方向(即坡内方向),随着钻孔深度增加,底部位移方向主要朝向右岸方向(即坡外方向),最大位移为1.48 mm,发生52.0 m处,说明该斜坡上部岩土向坡内持续变形,下部岩体受剪切作用向坡外持续变形,属于弯曲变形。整体而言,该斜坡正处于缓慢变形中,且孔内变形处于持续扩大趋势,该斜坡存在局部或者整体崩滑的可能性,需要引起高度重视。

综合分析可知,水库蓄水之后对该段岸坡的稳定性影响较大,库岸再造将从斜坡前缘开始,渐进式逐级剥落和坍塌。未来随着水库的运营,该段库岸斜坡难以维持现有状态,将发生逐级滑移后退式塌岸,威胁该段路基的稳定。

前缘斜坡由于塌岸变得越来越陡,当斜坡下滑力大于抗滑力时,斜坡将发生整体向前滑动,将会对路基带来毁灭性的损坏,因此,库岸再造问题必须引起高度重视,否则将威胁整个岸坡的稳定性。

5 结束语

本文以溪洛渡库区X车渡码头基岩岸坡为例,虽该基岩岸坡岩层产状平缓且倾向坡内,不应发生库岸再造,但在水库蓄水之后,边坡逐步发生变形破坏,可见在库水反复涨落循环的作用下,塌岸情况远远超过理论的预测和分析。经分析推演处于特殊地质环境下的岸坡变形演化过程,确定该类岸坡变形破坏类型主要为弯曲-拉裂,通过斜坡钻孔内位移监测分析,斜坡整体变形趋势与边坡破坏类型一致。

随着水利水电行业的兴起,越来越多的地质问题逐步崭露头角,常规地质认识已不能满足现行行业所有需求,本文分析研究处于特殊地质环境下的逆向基岩岸坡破坏类型,期望在后期工程建设中能够对该类边坡引起足够重视,对可能存在的安全隐患进行早期识别和早期治理,避免造成严重的工程安全事故及工程损失。