壩體高邊坡危巖體失穩(wěn)模式研究

壩體高邊坡危巖體失穩(wěn)模式研究

西洛渡水電工程水庫的河谷較窄，岸壁陡峭，河谷呈相對(duì)對(duì)稱的“v”型。水電站大壩為雙曲拱壩,壩高為273m,谷底高程在360m左右,正常蓄水位高程為600m。壩區(qū)高邊坡巖體在長期風(fēng)化、卸荷的影響下,形成廣泛分布的危巖體,尤其是部分危巖懸于樞紐建筑物上空,哪怕是很小范圍的自然因素(如降雨、漸進(jìn)性的風(fēng)化等)和工程因素都會(huì)導(dǎo)致局部的危巖體失穩(wěn),對(duì)施工和運(yùn)行期樞紐區(qū)建(構(gòu))筑物帶來極大的威脅,甚至造成災(zāi)難性的后果。因此,對(duì)壩區(qū)高邊坡危巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)是十分必要的。另外,在西南地區(qū)大型水電站的建設(shè)過程中,高邊坡危巖體的問題具有很大的普遍性。因此,對(duì)水電站高邊坡危巖體進(jìn)行深入分析,提出危巖體的分類體系、失穩(wěn)模式和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法,對(duì)其他工程建設(shè)類似問題的分析評(píng)價(jià)也具有非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。1高邊坡危巖體的分布特點(diǎn)巖體結(jié)構(gòu)面是危巖體形成的控制因素,巖體結(jié)構(gòu)面的特征基本決定了危巖體的分布特征;同時(shí),危巖體的形成及分布特征也與地形地貌、邊坡地層巖性等有關(guān)。該工程壩區(qū)分布的主要巖層為晚二疊系峨眉山玄武巖(P2β),各巖層層間為假整合接觸。峨眉山玄武巖巖性堅(jiān)硬,適于危巖體的形成?？刂七吰挛r體發(fā)育的主要巖體結(jié)構(gòu)條件有以下4類:①壩區(qū)普遍發(fā)育的緩傾角層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶,它們通常構(gòu)成危巖體發(fā)育的下部控制邊界或條件;②高位邊坡第12和第13巖流層頂面發(fā)育厚度較大的凝灰?guī)r夾層,其厚度一般為數(shù)十厘米,最大可達(dá)2～3m,邊坡開挖揭露后,迅速風(fēng)化,產(chǎn)生壓縮變形,引起上部堅(jiān)硬巖層順平行坡面結(jié)構(gòu)面拉裂,甚至垮塌;③平行坡面頗為發(fā)育的NNW向陡傾角結(jié)構(gòu)面,這類結(jié)構(gòu)面在第12和第13巖流層通常表現(xiàn)較長的延伸;④第12巖流層中下部為呈碎裂結(jié)構(gòu)的玄武巖,這部分巖體風(fēng)化較為強(qiáng)烈,導(dǎo)致玄武巖隱裂隙顯現(xiàn),并切割巖體呈碎裂狀,開挖卸荷后極易松弛,形成局部的失穩(wěn)。陡峻的斜坡地形是危巖體形成的必要條件。此外,邊坡的高度對(duì)危巖體的形成也有明顯的影響。現(xiàn)有研究表明:75.4%的危巖體發(fā)育在坡度大于45°的陡坡地形。該水電站壩區(qū)處于峽谷段,山體渾厚,河谷斷面呈較為對(duì)稱的“V”型,兩岸谷坡陡峻,左岸坡度為40°～75°,右岸坡度為55°～75°,邊坡高度大于300m,這種地形、地貌條件有利于危巖體的形成。受上述地形特征和巖體結(jié)構(gòu)條件的影響,該壩區(qū)高邊坡危巖體十分發(fā)育。邊坡左右兩岸共發(fā)育有41塊(區(qū))危巖體,其中,左岸23塊(區(qū)),右岸18塊(區(qū)),對(duì)水電站的建設(shè)和建成后運(yùn)營將產(chǎn)生較大的潛在威脅。該壩區(qū)危巖體多分布在層間或?qū)觾?nèi)充填型結(jié)構(gòu)面部位,以層間或?qū)觾?nèi)充填型結(jié)構(gòu)面為底部、頂部邊界,以陡傾構(gòu)造裂隙作為后緣邊界;部分危巖體以緩傾構(gòu)造裂隙為底部、頂部邊界,以陡傾構(gòu)造裂隙作為后緣邊界。2危險(xiǎn)巖體的分類和失穩(wěn)模式2.1規(guī)則式危巖體根據(jù)對(duì)邊坡危巖體的調(diào)查分析,從危巖體穩(wěn)定性的控制條件出發(fā),確定危巖體主要有以下類型,即孤立式、懸掛式、貼坡式、軟弱基座式和碎裂結(jié)構(gòu)式等5種類型。由于危巖體發(fā)育于坡面上,因此將危巖體沿坡面方向的尺寸定為寬度,將危巖體與坡面垂直方向的尺寸定為厚度,將危巖體頂部和底部高程的差定為高度。a.孤立式危巖體是指危巖體整體已與母巖分離,孤立于坡面上,靠與坡面的摩擦力、嵌合力或植被的攔擋保持現(xiàn)狀。此類危巖體多出現(xiàn)在坡度較緩或覆蓋層較厚的坡面上(圖1)。b.懸掛式危巖體是指巖體底面臨空,上部與后部母巖尚未脫離,懸掛于坡面上的穩(wěn)定性較差的巖體。危巖體底部臨空的原因主要是下部的差異風(fēng)化(圖2)。c.貼坡式危巖體是指后部存在與邊坡傾斜一致的、貫通或斷續(xù)貫通的結(jié)構(gòu)面,貼于坡面上的不穩(wěn)定或欠穩(wěn)定的巖體(圖3)。d.軟弱基座式危巖體是指底部存在物理力學(xué)性質(zhì)較低的軟弱層,巖體在重力等作用下擠壓軟弱層,使巖體后部拉裂而形成的危巖體(圖4)。e.碎裂結(jié)構(gòu)式危巖體是指在多組結(jié)構(gòu)面與臨空面構(gòu)成不利組合作用下,呈塊狀、次塊狀碎裂結(jié)構(gòu)的易失穩(wěn)破壞的巖體(圖5)。2.2危巖體破壞模式危巖體的類型不同,變形失穩(wěn)模式也不盡相同,在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上對(duì)高邊坡危巖體進(jìn)行分析,其變形失穩(wěn)模式可以歸結(jié)為偏心滾落模式、錯(cuò)落破壞模式、整體滑移模式、塑流-拉裂模式和潰屈模式。a.偏心滾落模式是指危巖體受漸進(jìn)風(fēng)化及重力作用,塊體重心逐漸偏移失去支撐而失穩(wěn)。地下水對(duì)基座的軟化、侵蝕是促使危巖體以該模式破壞的主要因素,對(duì)應(yīng)此模式的主要為孤立式危巖體。b.在自重等作用下,危巖體與母巖之間連接的巖橋被剪斷,與母巖分離而整體崩落的失穩(wěn)模式稱為錯(cuò)落破壞模式,對(duì)應(yīng)此模式的主要為懸掛式危巖體。c.危巖體覆于坡面上,后緣結(jié)構(gòu)面為主控結(jié)構(gòu)面,當(dāng)危巖體所受抗滑力低于下滑力時(shí),沿后緣結(jié)構(gòu)面滑移而失穩(wěn)的模式稱為整體滑移模式,一般認(rèn)為貼坡式危巖體以這種模式失穩(wěn)為主。d.下伏軟巖在上覆巖層壓力作用下產(chǎn)生塑性流動(dòng)并向臨空方向擠出,上覆危巖體因拉裂、解體和不均勻沉陷而失穩(wěn)破壞的模式稱為塑流-拉裂模式,軟弱基座式危巖體對(duì)應(yīng)此模式。e.危巖體結(jié)構(gòu)碎裂,在風(fēng)化、水流侵蝕作用下而結(jié)構(gòu)潰屈的失穩(wěn)破壞模式稱為潰屈模式,碎裂式危巖體以這種模式失穩(wěn)。3主要影響因素危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的方法很多,主要有計(jì)算法和綜合性評(píng)價(jià)方法。計(jì)算法就是利用剛體極限平衡理論或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算危巖體的穩(wěn)定系數(shù),從而評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性;綜合性評(píng)價(jià)方法主要有灰色聚類評(píng)價(jià)法、可靠性理論評(píng)價(jià)法以及時(shí)序分析法等。以上這些評(píng)價(jià)方法需要的最主要的參數(shù)是危巖體主控結(jié)構(gòu)面的參數(shù),其中最重要的是結(jié)構(gòu)面的連通情況,但危巖體主控結(jié)構(gòu)面的連通情況是很難現(xiàn)場(chǎng)確定的,因此這些方法的應(yīng)用存在很大的局限性。所以,需要尋找一種根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的與危巖體地質(zhì)特征相關(guān)的體系來確定危巖體穩(wěn)定性等級(jí)的方法。影響危巖體穩(wěn)定性的因素很多,最主要的是危巖體的地質(zhì)特征,包括坡體特征、結(jié)構(gòu)面特征和風(fēng)化特征等,另外,危巖體自身特征對(duì)其穩(wěn)定性也有影響,同時(shí)也可以采用同類危巖體穩(wěn)定狀態(tài)來類比。影響危巖體穩(wěn)定性的每一個(gè)因素又包含了多個(gè)因子,他們相互作用、相互影響。評(píng)價(jià)系統(tǒng)在分析各個(gè)因子對(duì)危巖體穩(wěn)定性影響大小的基礎(chǔ)上,確定各個(gè)因子的權(quán)重,從而建立了危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)。3.1地質(zhì)特征3.1.1類巖體次區(qū)域a.邊坡坡度。①陡坡(坡度大于60°)分值為3～4分;②中緩坡(坡度在35°～60°之間)分值為1.6～3分;③緩坡(坡度小于35°)分值為0～1.6分。b.巖體質(zhì)量。①Ⅴ類巖體(松弛結(jié)構(gòu)或散體結(jié)構(gòu))分值為4.5～6分;②Ⅳ類巖體(鑲嵌結(jié)構(gòu)或碎裂結(jié)構(gòu))分值為2.4～4.5分;③Ⅲ類巖體(次塊狀結(jié)構(gòu))分值為0～2.4分。c.邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征。①完全不穩(wěn)定或不穩(wěn)定:以大范圍的平面破壞、類似土質(zhì)邊坡的破壞、平面滑動(dòng)、大的楔形滑動(dòng)為破壞特征的Ⅴ類或Ⅳ類巖體邊坡,分值為3.75～5分;②局部穩(wěn)定:以某些節(jié)理或很多楔形體滑動(dòng)為破壞特征的Ⅲ類巖體邊坡,分值為2～3.75分;③穩(wěn)定或完全穩(wěn)定:僅以某些塊體崩落為破壞特征或不存在破壞的Ⅱ類或Ⅰ類巖體邊坡,分值為0～2分。3.1.2密度學(xué)和結(jié)構(gòu)面a.結(jié)構(gòu)面分布組合特征。①不利方位的連續(xù)節(jié)理:危巖體表現(xiàn)出不利方位的控制性節(jié)理模式、層理面或其他非連續(xù)體,分值為15～20分;②不利方位的非連續(xù)節(jié)理:危巖體表現(xiàn)出非常顯著的不利方位節(jié)理模式、層理面或其他非連續(xù)體,分值為8～15分;③隨機(jī)方位的非連續(xù)節(jié)理:可能有一些分散的帶不利方位節(jié)理的塊體,但不存在起控制作用的節(jié)理組,分值為0～8分。b.是否構(gòu)成幾何可移動(dòng)性塊體。①構(gòu)成潛在滑動(dòng)的塊體或楔形體,分值為7.5～10分;②有構(gòu)成塊體的潛在發(fā)育結(jié)構(gòu)面,分值為4～7.5分;③基本不構(gòu)成幾何可移動(dòng)性塊體,分值為0～4分。c.結(jié)構(gòu)面表面特征。①黏土充填或鏡面:諸如黏土和強(qiáng)風(fēng)化等低摩擦材料將巖石壁面分離,使節(jié)理面的任何宏觀和微觀粗糙度失效,這些充填材料與巖石的接觸摩擦角比巖石之間的接觸摩擦角小得多,鏡面節(jié)理也具有非常小的摩擦角,分值為7.5～10分;②結(jié)構(gòu)面表面平整:宏觀光滑但微觀粗糙的節(jié)理,表面無任何起伏,摩擦直接來源于巖石表面的粗糙度,分值為4～7.5分;③結(jié)構(gòu)面表面粗糙而不規(guī)則或有起伏:節(jié)理表面粗糙,節(jié)理不規(guī)則,足以引起塊體之間的嵌鎖或有宏觀和微觀粗糙特征但不具嵌鎖能力,分值為0～4分。3.1.3風(fēng)壓分布特征:或缺少或偶有侵蝕a.結(jié)構(gòu)特征。①大量的侵蝕特征:諸如危險(xiǎn)的侵蝕性懸崖等嚴(yán)重情形,分值為9.75～13分;②明顯的侵蝕特征:存在較多而明顯的差異風(fēng)化特征,分值為5.2～9.75分;③很少或偶有侵蝕特征:只有微弱的差異風(fēng)化特征,分值為0～5.2分。b.風(fēng)化速度差異。①極大差異:這種差異使侵蝕特征很快形成,分值為9～12分;②大的差異:這種差異使侵蝕特征每年都會(huì)形成,分值為4.8～9分;③小或中等差異,分值為0～4.8分。3.2地層充填料a.危巖體規(guī)模。規(guī)模大于或等于100m3,分值為4.5～6分;規(guī)模在10～100m3之間,分值為2.4～4.5分;規(guī)模小于或等于10m3,分值為0～2.4分。b.危巖體易碎情況。整體性較差、極易碎裂的危巖,分值為3～4分;整體性一般、較易碎裂的危巖,分值為1.6～3分;整體性好、不易碎裂的危巖,分值為0～1.6分。3.3類危巖體評(píng)價(jià)同類型危巖體全部失穩(wěn),分值為7.5～10分;同類型危巖體部分失穩(wěn)或局部失穩(wěn),分值為4～7.5分;同類型危巖體局部失穩(wěn)或個(gè)別失穩(wěn),分值為0～4分。根據(jù)以上評(píng)價(jià)體系可知,當(dāng)分值大于或等于75分時(shí),為Ⅰ類危巖體,穩(wěn)定性差;當(dāng)分值在40～75分之間時(shí),為Ⅱ類危巖體,穩(wěn)定性較差;當(dāng)分值小于40分時(shí),為Ⅲ類危巖體,穩(wěn)定性一般。利用該評(píng)價(jià)體系對(duì)溪洛渡水電工程壩區(qū)邊坡發(fā)育的危巖體進(jìn)行評(píng)分,得出該壩區(qū)高邊坡Ⅰ類危巖體有14塊(區(qū)),其中左岸7塊(區(qū)),右岸7塊(區(qū));Ⅱ類危巖體有24塊(區(qū)),其中左岸14塊(區(qū)),右岸10塊(區(qū));Ⅲ類危巖體有3塊(區(qū)),其中左岸2塊(區(qū)),右岸1塊(區(qū))。4危巖體失穩(wěn)后沖擊建構(gòu)筑物評(píng)價(jià)危巖體的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)應(yīng)考慮危巖體的穩(wěn)定性、危巖體失穩(wěn)后沖擊建(構(gòu))筑物的能量和所威脅建(構(gòu))筑物的重要程度等3個(gè)因子。由于危巖體只有在失穩(wěn)破壞后才會(huì)對(duì)建(構(gòu))筑物構(gòu)成威脅,因此危巖體的穩(wěn)定性是危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的前提。在確定穩(wěn)定性的前提下考慮建(構(gòu))筑物的重要性和危巖體失穩(wěn)后沖擊建(構(gòu))筑物的能量對(duì)危巖體危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià),如表1所示。根據(jù)所威脅的建(構(gòu))筑物對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目的重要程度,將建(構(gòu))筑物分為3類:①重要建(構(gòu))筑物。作為整個(gè)工程項(xiàng)目關(guān)鍵的組成部分,如果其遭到損害,整個(gè)工程項(xiàng)目將不能運(yùn)行。②較重要建(構(gòu))筑物。作為整個(gè)工程項(xiàng)目重要的組成部分,如果其遭到損害,對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目的正常運(yùn)行有重要影響。③一般建(構(gòu))筑物。作為整個(gè)工程項(xiàng)目的次要組成部分,如果其遭到損害,基本不影響整個(gè)工程項(xiàng)目的正常運(yùn)行或影響很小。根據(jù)危巖體失穩(wěn)后沖擊建(構(gòu))筑物能量的大小,將沖擊能量分為3個(gè)級(jí)別:當(dāng)沖擊能量大于104kJ時(shí),沖擊能量為大;當(dāng)沖擊能量在103～104kJ之間時(shí),沖擊能量為中等;當(dāng)沖擊能量小于等于103kJ時(shí),沖擊能量為小。5危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)a.該水電站壩區(qū)高邊坡左右兩岸主要有41塊(區(qū))危巖體,其中左岸23塊(區(qū)),右岸18塊(區(qū)),它們對(duì)工程的建設(shè)和建成后運(yùn)營有較大的潛在威脅。危巖體的分布明顯受地形和巖體結(jié)構(gòu)條件的限制。b.根據(jù)危巖體的邊界條件和形態(tài)特征將危巖體分為孤立式、懸掛式、貼坡式、軟弱基座式和碎裂結(jié)構(gòu)式等5類,對(duì)應(yīng)的變形失穩(wěn)模式依次為偏心滾落模式、錯(cuò)落破壞模式、整體滑移模式、塑流-拉裂模式和潰屈模式