賈 嘉,陳志堅(jiān)

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

東疏港高速公路作為江蘇省連云港市改善交通狀況與物流運(yùn)輸條件的重要工程,對(duì)連云港市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城市核心競(jìng)爭(zhēng)力提升具有重要意義。高速公路(走向52.5°)采用明挖方式橫穿中云臺(tái)山,由此在其兩側(cè)形成高陡巖質(zhì)邊坡,其中左坡(也稱(chēng)東坡,坡面傾向232.5°)開(kāi)挖坡高超過(guò)200 m(包括天然邊坡的總坡高，約280 m)。受高速公路總體走向、右側(cè)云門(mén)寺水庫(kù)和左側(cè)田灣核電站輸電高壓線(xiàn)塔的限制,路塹邊坡總體坡度42.4°,按照10 m一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)放坡,共分為20級(jí),各分級(jí)坡度均為55°,除第5、9、13、15級(jí)臺(tái)階寬度為10 m外,其余臺(tái)階寬度均為3 m,屬于一級(jí)邊坡工程。

由于邊坡高陡、結(jié)構(gòu)面發(fā)育,存在局部失穩(wěn)和落石災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),故采取掛網(wǎng)噴錨支護(hù)和被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)綜合治理措施。但受南側(cè)廢棄采石場(chǎng)非控制爆破開(kāi)挖產(chǎn)生的強(qiáng)烈松動(dòng)和卸荷作用,尤其是兩面臨空作用的影響,路塹邊坡巖體中發(fā)育的順傾向壓性斷層(產(chǎn)狀NE10°～20°/NW∠36°～50°,構(gòu)成主動(dòng)滑面)、綠泥石片巖(產(chǎn)狀NE40°～60°/SE∠10°～30°,構(gòu)成被動(dòng)滑面)和2組陡傾角裂隙(產(chǎn)狀NW300°～320°/NE、SW∠70°～88°的裂隙構(gòu)成縱向切割面,產(chǎn)狀NE30°～40°/ NW、SE∠70°～88°的裂隙構(gòu)成橫向切割面)在左坡南側(cè)、坡高60～130 m處構(gòu)成不利組合,產(chǎn)生高位三角體穩(wěn)定問(wèn)題(在高陡邊坡的高處,滑坡產(chǎn)生的落石勢(shì)能巨大,且車(chē)輛等交通工具難以到達(dá),治理難度大、代價(jià)高昂)。同時(shí)連云港地區(qū)常見(jiàn)的歷時(shí)長(zhǎng)降水或短時(shí)暴雨會(huì)導(dǎo)致地表水通過(guò)裂隙等途徑滲入三角體,降低巖體力學(xué)參數(shù),增大下滑力與裂隙水壓力,從而易導(dǎo)致三角體失穩(wěn)[1]。經(jīng)歷雨量充沛的2019年豐水季節(jié)后,三角體已形成2條開(kāi)度2～4 cm的后緣拉裂縫,已有研究表明[2],該邊坡設(shè)置的被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)無(wú)法阻攔該三角體失穩(wěn)產(chǎn)生的落石,這將對(duì)高速公路的安全運(yùn)營(yíng)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成惡劣后果。

對(duì)于邊坡三角體的穩(wěn)定性問(wèn)題,可先由赤平極射投影法[3]、工程類(lèi)比分析法等定性分析方法進(jìn)行初步判別;再結(jié)合極限平衡法、數(shù)值分析法等定量分析方法進(jìn)行驗(yàn)證[4]。楊毅[5]通過(guò)研究受三組結(jié)構(gòu)面控制的邊坡穩(wěn)定性,提出針對(duì)具有多組結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡,可分別將結(jié)構(gòu)面與坡面進(jìn)行分析的研究思路;于忠鋒[6]對(duì)二維和三維的剛體極限平衡法進(jìn)行對(duì)比研究,證明三維剛體極限平衡模型的分析結(jié)果更加符合實(shí)際;袁聞等[7]通過(guò)對(duì)三維剛體極限平衡法的理論研究,提出了多種可用于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的三維方法。對(duì)該邊坡多年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示三角體穩(wěn)定性尚存問(wèn)題;吳傳杰等[8]對(duì)該三角體使用3DEC進(jìn)行數(shù)值模擬,根據(jù)模擬結(jié)果得出三角體在位移增大的條件下滑動(dòng)面可能貫穿抗力體從而引起滑動(dòng)破壞。在此基礎(chǔ)上使用赤平極射投影法、剛體極限平衡法與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合對(duì)該三角體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 邊坡區(qū)基本地質(zhì)條件及三角體滑動(dòng)邊界條件

中云臺(tái)山山脈走向?yàn)楸睎|向,山腳和山頂海拔分別為3 m和290 m,邊坡區(qū)基巖大量出露,巖性單一，為前震旦系海洲群云臺(tái)組變粒巖(Pt2-3y),屬堅(jiān)硬巖,全強(qiáng)風(fēng)化層厚度大多小于2 m?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果表明,左坡主要軟弱結(jié)構(gòu)面為綠泥石片巖夾層,產(chǎn)狀NE40°～60°/SE∠10°～30°,厚度1.5～2.5 m,性質(zhì)軟弱,片理發(fā)育,開(kāi)挖揭露后即快速風(fēng)化,左坡主要發(fā)育4層,構(gòu)成三角體的被動(dòng)滑動(dòng)面。左坡主要結(jié)構(gòu)面為片理面和構(gòu)造裂隙，其中片理產(chǎn)狀為NE40°～60°/SE∠10°～30°,3組裂隙分別為:①北西向陡傾角裂隙,產(chǎn)狀NW300°～320°/NE、SW∠70°～88°,其與左坡坡面近正交,延伸幾十米至幾百米,而且切割深、裂隙面平直、產(chǎn)狀穩(wěn)定，多呈微張～閉合,它構(gòu)成欠穩(wěn)定三角體的縱向切割面;②北東向陡傾角裂隙,產(chǎn)狀NE30°～40°/ NW、SE∠70°～88°,其與左坡坡面走向斜交,延伸長(zhǎng)度多在十幾米至幾十米,切割深度幾米至十幾米,其間距也較①大,但沿該組裂隙存在蝕變現(xiàn)象,導(dǎo)致其抗風(fēng)化能力很差,在天然地表多表現(xiàn)為沖刷深槽,深槽寬度可達(dá)30～40 cm,深度可達(dá)1～3 m,開(kāi)挖揭露后,裂隙面兩側(cè)巖體容易風(fēng)化,透水性增強(qiáng),并構(gòu)成了三角體的多級(jí)后緣拉裂面;③北北東向大裂隙或壓性小斷層(如圖1所示),產(chǎn)狀NE10°～20°/NW∠36°～50°,間距40～50 m、產(chǎn)狀起伏較大,屬順向結(jié)構(gòu)面,其傾角為45°～50°,根據(jù)相關(guān)規(guī)范,無(wú)充填結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角為24°～35°,故其具備臨空條件時(shí),容易存在抗滑穩(wěn)定問(wèn)題,構(gòu)成三角體的底滑面如圖2所示。

圖1 北北東向壓扭性斷層面(三角體底滑面)

工程區(qū)年降水量約930 mm,雨期集中在7—9月。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,左坡地下水主要接受降水入滲補(bǔ)給,地下水的排泄區(qū)域主要為路塹邊坡開(kāi)挖面、尤其是南側(cè)廢棄采石場(chǎng),受開(kāi)挖卸荷影響,左坡坡面以下約30 m深度范圍為強(qiáng)透水帶。在豐水季節(jié),邊坡約30 m深度范圍內(nèi)仍間歇性賦存豐富的地下水,并快速向路塹邊坡開(kāi)挖面,尤其是南側(cè)廢棄采石場(chǎng)排泄,從而對(duì)三角體產(chǎn)生較大的滲透壓力,這是影響三角體穩(wěn)定性的最主要因素之一。

2 赤平極射投影法的判別

赤平極射投影法能夠定性評(píng)判巖質(zhì)邊坡三角體穩(wěn)定性,可用于確定結(jié)構(gòu)面與臨空面的組合關(guān)系。邊坡三角體的臨空面、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀如表1所列,所制得的赤平投影圖如圖3所示,由此得到的交線(xiàn)產(chǎn)狀如表2所列。

表2 三角體結(jié)構(gòu)面、臨空面交線(xiàn)產(chǎn)狀

圖3 三角體赤平投影圖

圖3顯示,數(shù)量眾多的北東向與北西向結(jié)構(gòu)面共同起切割三角體內(nèi)部巖體作用,因這兩組結(jié)構(gòu)面延伸短,一般切割深度較淺,難以形成滑動(dòng)面,但易導(dǎo)致掉塊現(xiàn)象發(fā)生;北北東向壓扭性斷層面的走向、傾向與坡面相近,但傾角較坡腳小,屬對(duì)穩(wěn)定性不利的條件,該結(jié)構(gòu)面也是三角體的主動(dòng)滑面;綠泥石片巖夾層走向與邊坡坡向相近,但傾向相反,同時(shí)北北東向壓扭性斷層面終止于該夾層,因此其對(duì)三角體穩(wěn)定性起積極作用,屬于三角體的被動(dòng)滑面。北北東向壓扭性小斷層面與綠泥石片巖面投影弧交點(diǎn)位于坡面投影弧內(nèi)側(cè),二者交線(xiàn)雖傾向邊坡南部采石場(chǎng)處,但傾角僅4°,由此可見(jiàn)三角體的實(shí)際滑動(dòng)方向取決于抗力體的受切割程度。

3 監(jiān)測(cè)成果分析

對(duì)134平臺(tái)南部的地下水滲壓與104平臺(tái)三角體位置埋設(shè)錨桿軸力的多年監(jiān)測(cè)對(duì)于三角體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)意義。近年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 地下水位全量變化時(shí)程曲線(xiàn)

圖5 錨桿軸力全量變化時(shí)程曲線(xiàn)

邊坡134平臺(tái)南部的滲透壓力觀測(cè)孔距邊坡南部采石場(chǎng)臨空面較近,實(shí)測(cè)地下水水位最大值為131.72 m,最小值為125.99 m,這對(duì)三角體穩(wěn)定性計(jì)算提供了重要依據(jù)。從全量數(shù)據(jù)分析,三角體位置的地下水水位隨全年降水過(guò)程發(fā)生明顯的抬升,降水后可快速消散,這說(shuō)明該區(qū)域地下水入滲補(bǔ)給與排泄條件較好,可產(chǎn)生較大水頭壓力,這將對(duì)三角體抗滑穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

104平臺(tái)的錨桿一直處于受拉狀態(tài),錨桿軸力在監(jiān)測(cè)年內(nèi)實(shí)測(cè)最大值達(dá)119.52 kN(超過(guò)設(shè)計(jì)警戒值60 kN)。該部分巖體仍處于應(yīng)力調(diào)整狀態(tài),因沿北北東向緩傾角裂隙面存在的剩余下滑力導(dǎo)致錨桿軸力較大以維持巖體穩(wěn)定,同時(shí)受溫度影響的錨桿軸力日變化率也超過(guò)警戒值,由此可見(jiàn)目前三角體的穩(wěn)定性存在威脅。

4 三角體穩(wěn)定性分析

4.1 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)參數(shù)取值與工況確定

通過(guò)使用剛體極限平衡法邊坡三角體穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)。按照北北東向壓扭性斷層面傾向進(jìn)行劃分可將三角體劃分為上部不受抗力體作用,沿北北東向結(jié)構(gòu)面進(jìn)行單滑面滑動(dòng)的滑動(dòng)體與下部受北北東向壓扭性結(jié)構(gòu)面與綠泥石片巖夾層共同控制,沿兩滑面交線(xiàn)發(fā)生滑動(dòng)的楔形體。

對(duì)三角體進(jìn)行計(jì)算時(shí),考慮到三角體在旱季有利條件與雨季不利條件下的情況以及主動(dòng)滑面夾泥情況,設(shè)置“枯水期+‘結(jié)合差型’主滑面”、“枯水期+‘巖屑夾泥型’主滑面”、“降水工況+‘結(jié)合差型’主滑面”與“降水工況+‘巖屑夾泥型’主滑面”4種工況進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

由于三角體主動(dòng)滑面與被動(dòng)滑面抗剪強(qiáng)度參數(shù)未知，因此其取值根據(jù)規(guī)范《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[16]中的相關(guān)規(guī)定，參照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]以及《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[18]中的規(guī)定進(jìn)行取值。巖體力學(xué)參數(shù)與結(jié)構(gòu)面參數(shù)取值分別如表3、表4所列。

表3 三角體巖體力學(xué)參數(shù)

表4 三角體結(jié)構(gòu)面參數(shù)

4.2 穩(wěn)定性計(jì)算成果及分析

對(duì)于邊坡三角體的穩(wěn)定性計(jì)算考慮邊坡后緣靜水壓力、沿滑面揚(yáng)壓力、地震動(dòng)荷載,不考慮三角體處的噴錨、防護(hù)網(wǎng)支護(hù)對(duì)三角體的抗滑力與阻滑力。根據(jù)勘察規(guī)范,Ⅰ級(jí)邊坡工程地震工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)取1.15。

分析三角體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可得,三角體下部受抗力體作用的部分處于穩(wěn)定狀態(tài)。上部沿北北東向緩傾角結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動(dòng)破壞的巖體在降水工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),說(shuō)明對(duì)于該部分巖體而言,在強(qiáng)降雨、地震與底滑面泥化的不利條件的影響下存在發(fā)生滑動(dòng)破壞的可能。

表5 三角體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

(1) 赤平極射投影結(jié)果顯示三角體位置的4組結(jié)構(gòu)面中,北北東向壓扭性斷層面與綠泥石片巖夾層面對(duì)三角體起主要控制作用,北東向與北西向結(jié)構(gòu)面主要對(duì)巖體起切割作用。三角體下部巖體的實(shí)際滑動(dòng)方向取決于底滑面對(duì)三角體抗力體的切割程度。

(2) 對(duì)邊坡的監(jiān)測(cè)工作驗(yàn)證了三角體位置巖體仍沿底滑面存在剩余下滑力,雖然支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)三角體的穩(wěn)定有利,但其穩(wěn)定性仍存在威脅。

(3) 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果顯示,三角體上部巖體在不利工況下穩(wěn)定性系數(shù)較低,存在發(fā)生滑動(dòng)破壞的可能性,結(jié)合赤平極射投影分析可得,北東向與北西向結(jié)構(gòu)面易將巖體切割成塊狀,導(dǎo)致靠近三角體南側(cè)臨空面的塊體發(fā)生滑動(dòng)破壞。