关刀桥水库软弱基座型岸坡崩塌预测分析_张登旺.pdf

四 川 水 利关刀桥水库软弱基座型岸坡崩塌预测分析张登旺（四川省水利规划研究院，成都，）【摘 要】文章以关刀桥水库为例，根据勘察资料和崩塌现状，对软弱基座型岸坡主要工程地质问题进行了分析和评价，为软弱基座型岸坡的稳定性判定和崩塌范围预测提供借鉴和启迪。【关键词】软弱基座 崩塌成因 崩塌类型 岸坡稳定性 崩塌范围预测 中图分类号：文献标志码：文章编号：（）前言川中红层丘陵地区广泛分布软弱基座型岸坡，该类岸坡具有上硬下软的结构特征。因砂泥岩风化不均，导致基岩岸坡形成岩腔，上部砂岩受裂隙、地下水等地质营力作用，易形成危岩。软弱基座型岸坡主要工程地质问题是判断其稳定性和预测其崩塌范围。任光明等研究了软弱基座型斜坡变形破坏过程，提出上部岩体最终受坡体内最大剪应力带控制的结论；兰志勇等研究了软弱基座型斜坡变形破坏机制，认为该类斜坡的变形破坏机理为压缩（塑流）拉裂剪断三段式破坏；唐红梅等研究了软弱基座陡崖上危岩崩落序列，给出了危岩体崩落时间的计算方法。这些研究成果以地质定性和数值模拟为主，在工程实践中运用难度较大。本文以关刀桥水库软弱基座型岸坡为例，对其稳定性判定和塌岸范围预测进行分析和评价。基本地质条件关刀桥水库杨家坳库岸段和近坝库岸段皆为软弱基座型岸坡。地面坡度 ，地面高程。岸坡为高 的陡崖，在高程 有深 的岩腔；在高程 处有深 的岩腔；高程 为倒悬岩体，砂岩陡崖高约。岸坡岩性为：高程 以上为侏罗系上统遂宁组第九层（）紫红色泥岩；高程 为 紫红色砂岩，其中在 夹一层厚约 的紫红色泥岩；高程 以下为 紫红色泥岩；高程 以下为坡残积土。场地地质构造简单，岩层产状为 ，未见断裂构造。岩体强、弱风化带厚度分别为、。岸坡砂岩中主要有两组控制性裂隙：第组，裂隙宽，有的夹泥，间距，切割最深达 左右，该组裂隙为卸荷裂隙，近东西向展布，与山脊走向大体一致；第组，裂隙宽度，有的夹泥，间距，切割深度深达 左右，该组裂隙近与山体走向大角度斜交。受 年 月持续集中降雨影响，两段岸坡皆发生了崩塌（见图）。图 杨家坳库岸段岩体崩塌（左）和近坝库岸段岩体崩塌（右）张登旺：关刀桥水库软弱基座型岸坡崩塌预测分析 崩塌成因分析 杨杨家家坳坳库库岸岸段段岸岸坡坡崩崩塌塌成成因因下部泥岩软化崩解、风化形成深 的岩腔；上部砂岩中第组裂隙发育，间距。岩腔上方砂岩受层面裂隙、第组和第组裂隙组合切割影响，在岸坡走向方向的岩腔上部形成一系列宽 的砂岩块体。砂岩抗风化能力较强，在岩腔上方形成倒悬体危岩。第组裂隙切割倒悬体危岩深浅不一，在岩腔深度方向形成系列卸荷张裂隙。砂岩中的卸荷张裂隙在岩体重力作用下继续向下发展，张裂隙尖端位置岩体受拉，此时悬空危岩体的荷载（自重、危岩体间的相互作用）主要由其后面未拉裂的基岩承担，悬空危岩体的破坏可简化为拉裂式破坏（悬臂式破坏）。此外，长时间的降雨过程使雨水渗入张裂隙中（向裂隙），裂隙中夹泥，导致裂隙水不能迅速排除，地下水作用为悬臂向的推力。在地下水推力和岩块重力共同作用下，裂缝尖端处拉应力超过砂岩的抗拉强度，岩腔上部危岩体瞬即发生崩塌。因此，杨家坳库岸段岸坡崩塌类型为拉裂式崩塌。近近坝坝库库岸岸段段岩岩体体崩崩塌塌成成因因下部泥岩软化崩解、风化形成深，长约 的岩腔；上部厚层砂岩沉积过程中存在层间结合力较弱的层面，在砂岩自身重力作用下，结合力较弱的层面脱层形成 向层面裂隙；顺岸坡走向的第组裂隙切穿厚层砂岩，而第组裂隙不甚发育，间距达 左右。受层面裂隙、第组和第组裂隙组合切割影响，岩腔上方砂岩形成长，宽 的条状岩体，而岩腔长。故条状岩体两端置于岩腔两端未全部风化的泥岩和粉砂质泥岩上，从而在岩腔上部形成简支梁式的砂岩危岩。条状危岩自重在岩体某个剪应面上将产生最大剪应力，一旦最大剪应力超过岩石抗剪断强度，条状危岩体瞬即发生崩塌。其次，条状岩体的支撑端，在岩腔深度方向，条形危岩受层面裂隙、第组和第组裂隙组合切割影响，亦存在拉裂式崩塌。因此，近坝库岸段岩体崩塌类型主要为错断式崩塌，亦存在拉裂式崩塌。通过分析两段库岸的崩塌成因可知，软弱基座型岸坡崩塌类别主要为拉裂式崩塌和错断式崩塌。两类崩塌皆具有不确定性和突然性，雨水渗入岩体裂隙会加速危岩的崩塌。崩塌范围预测 软软弱弱基基座座型型岸岸坡坡稳稳定定性性判判定定在预测软弱基座型岸坡的崩塌范围前，应先判断其稳定性。软弱基座型岸坡崩塌方式主要为拉裂式崩塌和错断式崩塌，在不考虑水压力、上部荷载和地震力等作用，可采用工程地质手册中下列两式判断软弱基座型岸坡的稳定性。拉裂式崩塌：（）（）错断式崩塌：（）（）式中，为安全系数（为临界状态）；为岩体容重；为岩体抗拉强度；为岩腔的深度（悬臂的长度）；为岩体的厚度；为岩体裂缝的深度；为岩体的厚度。两计算式需要知道砂岩的抗拉强度值、抗剪断强度值，此外确定岩体抗剪断强度亦有助于崩塌范围的确定。现实是岩体的抗压强度做得多、抗拉强度做得少、抗剪断强度一般选做。由于试验资料不足，故涉及到工程岩体抗剪断强度参数估算问题，目前估算方法大致有以下四类。第一类，岩体分类法（经验法），通过岩体分类后确定岩体抗剪断强度。水利水电工程地质勘察规范（）规定：“规划阶段及可行性研究阶段，当试验资料不足时，可根据表 结合地质条件提出地质建议值”。水力发电工程地质勘察规范（）要求按表 结合地质条件提出地质建议值。工程岩体分级标准（）附录 条通过岩体基本质量级别，给出了岩体抗剪断强度。第二类，抗剪断强度折减系数法。建筑边坡工程技术规范（）第 条规定了内摩擦角折减系数，但未规定粘聚力的折减系数。第 条条文说明中有“研究表明，较之岩块，岩体的内摩擦角降低不大，而粘聚力却削弱很多”的解释说明，导致粘聚力 值的折减全凭地质工程师经验打折，折减系数无依据，使用很不方便。第三类，目前国外正使用，国内处于探索阶段的方法，如 分类法、准则等。对 四 川 水 利上述方法，水利水电工程边坡设计规范（）认为“在国际同行业中，此类报道尚不是很多”且其在工程中应用尚处于探索阶段，故未纳入规范。第四类，库仑理论反算值。假定岩体符合库仑准则（莫尔圆包络线为直线），在已知岩石抗拉强度、抗压强度（抗拉、抗压试验均为单轴）的情况下，可通过库仑公式反算出岩体的抗剪断强度。岩体为耐压不受拉材料，可取砂岩抗压强度的 作为抗拉强度来反算出砂岩抗剪断强度。其结果与试验值的对比见表。表 砂岩抗剪断强度试验值与经验估算值对比项目试验统计平均值库仑理论公式值经验值 经验值 （）（）（）（）（）（）（）（）砂岩 备注库仑理论公式：（）；式中，为内摩擦角；为粘聚力；为岩体单轴抗压强度（取试验平均值 ）；为岩体单轴抗拉强度（取试验平均值 ）综合判定确定岸坡砂岩岩体分类为类，表中数据未按软质岩的软化系数折减 上述四类方法中有的尚处于探索阶段，有的理论上有瑕疵，有的不便于使用，建议采用经验法较稳妥。从表 中可知，岸坡砂岩内摩擦角 的理论值与规范的经验值的下限接近，粘聚力的理论值偏大；而试验值的 值与经验值的上限接近，粘聚力的试验值亦较经验值偏大。考虑到砂岩的抗拉强度和抗压强度都是在极限条件下破坏，库仑理论的估算抗剪断强度接近于岩石材料的真实值，在判断岸坡稳定时可采用该值，亦可不打折。经综合研判后，确定砂岩抗剪断强度为、；抗拉强度按抗压强度的 来确定。在确定砂岩抗拉、抗剪断强度后可按前述公式判定软弱基座型岸坡的稳定性。软软弱弱基基座座型型岸岸坡坡崩崩塌塌范范围围预预测测软弱基座型岸坡破坏为瞬时崩塌，具不确定性和突然性，预测其崩塌范围较困难，目前无固定的方法。库水对 的泥岩有浪蚀影响，浪蚀易带走基座泥岩，导致砂岩岩腔进一步发展，扩大上部砂岩的崩塌范围。预测方法推荐采用水库塌岸图解法建筑边坡工程技术规范塌滑边界公式法进行崩塌范围预测。本着安全的原则且考虑到基座中“软质岩的抗剪断强度应按软化系数折减”的规定，对相关力学参数进行了折减。边坡坡残积土水下稳定坡角取；强风化泥岩水上稳定坡角取，水下稳定坡角取。综合分析岸坡岩体完整性、裂隙结构面结合程度、裂隙面产状和直立边坡自稳能力等因素，岸坡砂岩岩体类别属类岩体，库水位以上砂岩破裂角取 。崩塌边界按文献中的塌滑范围公式法、水库塌岸图解法塌滑范围公式法等两种方法进行计算，计算简图（见图）。上述方法计算的水下部分范围线应以强风化线为控制底界，不应超越强风化线。经计算，推荐方法预测岸坡崩塌区的范围为 ，比采用塌滑边界公式法预测的范围宽。图 杨家坳库岸段岸坡崩塌范围分析 结论通过上述分析，可以得到以下结论：（）红层区软弱基座型岸坡，具有上硬下软的结构特征，其崩塌类型主要为拉裂式崩塌和错断式崩塌，具有不确定性和突然性，雨水渗入岩体裂隙会加速其崩塌。（）通过估算软弱基座型岸坡岩体的抗拉、抗剪断强度，可快速判定岸坡的稳定性。在稳定性计算时，内摩擦角可不打折；在预测崩塌范围的，内摩擦角可按软化系数打折，以利安全。（）库水对软弱基座型岸坡的泥岩有浪蚀影响，易带走基座泥岩，将导致岩腔进一步发展，扩大上部砂岩的崩塌范围。软弱基座型岸坡崩塌范围预测方法可采用水库塌岸图解法塌滑边界公式法，水下部分计算范围线应以强风化线为控制底界。张登旺：关刀桥水库软弱基座型岸坡崩塌预测分析 参 考 文 献任光明，宋彦辉，聂德新，等软弱基座型斜坡变形破坏过程研究 岩石力学与工程学报，（）兰志勇，赵建军，翟 崇，等软弱基座型斜坡变形破坏机制模拟研究工程地质学报，（）：唐红梅，王林峰，陈红凯，等软弱基座陡崖上危岩崩落序列岩土工程学报，（）常士瞟，张苏民，项 勃，等工程地质手册北京：中国建筑工业出版社，水利部水利水电规划设计总院水利水电工程地质勘察规范：北京：中国计划出版社，中国电力企业联合会水力发电工程地质勘察规范：北京：中国计划出版社，中华人民共和国水利部工程岩体分级标准：北京：中国计划出版社，重庆市城乡建设委员会建筑边坡工程技术规范：北京：中国建筑工业出版社，黄河勘测规划设计有限公司水利水电工程边坡设计规范：北京：中国水利水电出版社，作者简介：张登旺（），男，四川中江人，高级工程师，从事水利水电工程勘察和水利稽察工作。（上接第 页）击数一般 击，深部（深约 范围）标贯击数一般 击。现场调查发现，昔格达组地层中裂隙一般不甚发育，或者甚为短小，延伸不长，且多为闭合状态。因此，在同一岩性段内，标贯击数随深度存在明显增高的趋势，受结构面的影响甚小。表 昔格达组地层现场标贯试验值岩性位置井深（）实测击数（击）粉砂质泥岩区中坝乡灯盏窝 区德昌县安家沟 区太和铁矿 以下 静静探探静探试验易受冲沟及其沟水软化影响，实测比贯入阻力较低，且变异性高。现场静探试验值见表。表 昔格达组地层现场静探试验值土的类型样本数比贯入阻力（）最大值最小值平均值标准差变异系数修正系数标准值粉砂质泥岩 粉砂岩 现现场场载载荷荷试试验验根据冕宁县大桥水库现场载荷试验成果，昔格达组岩体具有与其弱中等胶结软岩性质相当的变形模量和承载能力。岩体的变形形式主要为近似直线形式，其变形和强度指标受岩体含水量、干容重和胶结程度的明显影响。结语昔格达组地层在安宁河谷地带沉积厚度大、分布广，成因复杂，除以河湖相沉积为主外，河湖边缘局部还存在洪积、冲积与湖相混合的堆积成因。胶结成岩程度低，结构构造不均一，工程性状差。半胶结的粘土岩富含粘土矿物，具有压缩性较强、遇水极易软化、失水崩解等特点。通过对该套地层的研究，不仅可提高对昔格达组地层更全面的认识，填补区调成果的相关研究缺失，同时对区段内的工程建设也具有参考指导价值。参 考 文 献徐则民，刘文连，黄润秋，等西昌昔格达组物质组成及源区分析第四纪研究，（）：陆得志安宁河中段昔格达组地层特性：刘惠军，聂德新昔格达地层研究综述地球科学进展，（增刊）：邓力争大桥水库昔格达地层岩体现场载荷试验研究四川水力发电，（）：作者简介：曾德志（），男，四川资中人，高级工程师，从事水利水电工程地质勘察工作；：周道平（），男，四川泸县人，高级工程师，从事水利水电工程地质勘察工作。：