碎裂结构边坡变形机理及治理对策研究

Jou rnal of Engineering Geology 工程地质学报 1004-9665/2009/17(3)20317205　
碎裂结构边坡变形机理及治理对策研究3
霍宇翔　黄润秋　巨能攀　赵建军
(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室　成都　610059)
摘　要　碎裂结构边坡稳定性受多组相交结构面控制,且受降雨、地震等多因素影响强烈,具有一定的特殊性。

本文以某花岗岩碎裂结构边坡为例,在边坡的地质条件和岩体结构研究的基础上,结合施工及监测反馈信息,深入分析了边坡变形破坏模式,并根据稳定性计算结果,提出锚索、钢筋桩与排水相结合的支护方案。

研究结果表明:坡体内部陡倾卸荷裂缝发育形成后缘切割面,中下部滑面追踪陡缓两组结构面发展;支护措施实施后,边坡经历“5・12”地震及雨季,多点位移计监测结果表明,地震和降雨对边坡稳定性影响较大,支护措施较好地控制了边坡变形。

关键词　碎裂结构　边坡　变形机理　治理对策
中图分类号:T D824.7+1 文献标识码:A
D EFO R M AT I O N M ECHAN I S M AND STAB I L I ZAT I O N M EASURES O F BRO KEN GRAN I T I C ROCK S LO P
E THAT EXPER I ENCED W ENCHUAN EARTHQUAKE
HUO Yuxiang　HUANG Runqiu　JU Nengpan　ZHAO J ianjun
(S tate Key L aboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironm ent Protection,Chengdu U niversity of Technology,Chengdu　610059) Abstract　The stability of r ock sl ope with cataclastic texture is contr olled by j oints that are cr ossed each other,and affected by terrain,rainfall and other fact ors.This paper p resents a case study on the stability of a granitic r ock sl ope with br oken and cataclastic structures.The geol ogical conditi on and the r ockmass structure p r operties were in2 vestigated in detail.This study further t ook int o account the data that are revealed during constructi on and monit o2 ring of the sl ope.It thor oughly analyzed the sl ope defor mati on mechanis m during the excavating.On the basis of the sl ope stability results,it suggested the stabilizati on measures.The results show that the sli p surface in t op of the sl ope was f or med by unl oading cracks.The other sli p surfaces were devel oped under the effects of t w o gr oup s of structural p lanes.I n particular,the multi-point extens ometers buried in the sl ope recorded the sl ope def or mati on characteristics during the5.12W enchuan Earthquake and after ward railfalls.Then after the supporting,the sl ope defor mati on was obvi ously under the contr ol.
Key words　Cataclastic texture,B r oken r ock mass,Sl ope stability,Def or mati on mechanis m,Stabilizati on meas2 ures,W enchuan Earthquake,Granity
3收稿日期:2008-09-08;收到修改稿日期:2009-01-13.
基金项目:国家自然科学基金雅砻江水电开发联合研究基金重点资助项目(50539050).
第一作者简介:霍宇翔,地质工程专业.Email:huo826@g
1引　言
随着我国水电工程建设在西南地区快速发展,
受地形地貌限制,工程开挖形成大量高陡边坡,这些高陡边坡的稳定性状况严重影响施工和工程设施运营的安全。

尤其是强风化强卸荷岩体形成的碎裂结构边坡稳定性较差,与一般的岩质边坡相比,碎裂结构边坡稳定性受多组相交结构面控制,且受地形、降
雨等多因素影响强烈,具有一定的特殊性[1,2]。

大渡河中游某碎裂结构边坡开挖坡高达160m ,坡度达73°,边坡开挖后马道出现明显裂缝及多处浅表层破坏。

本文通过岩体结构分区结合边坡变形特征及施工揭露信息,研究了边坡变形机理及变形所处阶段,在此基础上提出针对性防护对策,根据汶川地震期间监测结果分析,支护措施有效地控制了边坡变形的发展。

2边坡工程地质条件
大渡河中游某碎裂结构边坡,设计开挖12级,上部坡比1:1～1:1.15,下部1:0.3,每级坡高15m ,桩号0+150～0+280。

开口线高程1070m ,已开挖
至995m 高程。

边坡位于大渡河左岸,上游侧发育一条深切冲
沟,自然边坡上缓(30°)下陡(50°左右),开口线以
上为缓坡(15°左右)。

边坡主要出露澄江期中粗粒花岗岩(γ),受地质构造影响强烈,发育10条以上辉绿岩脉(β),部分辉绿岩脉受构造影响强烈形成灰绿色挤压破碎带。

受浅表生改造影响,岩体较破碎,卸荷裂隙极为发育。

变形体周边汇水条件好,除上游侧深切冲沟外,0+350开口线(1090m )位置出露一冲沟,1055m 马道出露一泉眼,常年流水。

开挖面可见大量地下水出露。

开挖面总体上位于强风化强卸荷区,岩体破碎,夹泥结构面极为发育(图1),以辉绿岩挤压面g m 2为界,两侧岩体结构特征有较大差异。

g m 2上游侧岩体破碎呈碎块状结构,全～强风化,结构面夹泥呈土黄、黄褐色,岩体被切割为10～20c m 岩块;g m 2下游侧边坡岩体相对较完整呈碎裂～次块状结构,黄灰色,节理裂隙密集发育。

边坡发育3组优势结构面(图2),结构面组合不利于边坡稳定。

图1　边坡岩体结构分区及支护方案布置立面图
Fig .1
Face figure of sl ope r ock mass structure p r operties and supporting measure
1.1500kN 预应力锚索;
2.多点位移计(40m 长);
3.节理裂隙;
4.裂缝;
5.支护措施分界
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图2　边坡优势结构面赤平投影极点图
Fig.2Stereographic polar p r ojecti on of
dom inate structural p lanes and sl ope surface
3边坡变形破坏模式研究
3.1　已有变形破坏现象
持续强降雨后,995～1025m上游侧开挖面出现120m3的垮塌,同时在1040m马道及1040～1025坡面上发现多条张开宽度4～8c m、延伸70余米的裂缝(图1)。

根据现场调查,边坡变形主要发生在0+255上游侧,其中g m
2
上游侧为强烈变形区,坡面上出现7
条贯通的竖向裂缝,多沿与g m
2
同组的挤压面或裂
隙形成。

g m
2
下游侧变形主要集中在1025～1040边坡上部,坡面上可见两条横向裂缝,张开宽度约2～5c m,延伸10m左右。

3.2　坡体结构特征研究
该处边坡开挖坡度陡、高度大,存在两个临空面,岩体中存在两组卸荷裂隙。

开挖面可见结构面张开宽度大且充填大量次生泥、岩块等。

碎裂结构边坡坡体内部结构控制边坡变形破坏模式并决定支护对策的合理选择,因此根据钻孔施工反馈信息分析结合地面调查研究坡体内部结构特征。

分别在0 +200和0+240剖面布置两支多点位移计(图1)。

根据多点位移计钻孔返回的岩粉颜色和特征以及揭露裂缝的信息分析(表1),推测变形强烈区域强风化强卸荷深度距开挖坡面水平深度30m左右,裂缝多为前期卸荷形成,主要位于强风化强卸荷岩体内。

表1多点位移计钻孔反馈信息
Table2　Feedback I nfor mati on fr om boreholes installed
with four-point dis p lace ment monit ors
编号
钻孔返回物性状
灰黄色
岩粉夹泥
灰白色
碎石、岩粉
裂　缝
M10～34.5m34.5～40m18.5m,24.5m发现40c m裂缝M20～28.5m28.5～40m12.5m处发现20c m裂缝
M40～32m32～40m16m处发现80c m的裂缝
M50～8.5m
8.5～40m未发现明显裂缝
3.3　边坡变形破坏模式分析
根据上述分析,该段边坡的变形主要受岩体结构控制,上部滑面可能已贯通,中下部滑面逐渐形成(图3),推测滑面水平深度距坡面15～20m。

滑面后缘可能沿陡倾卸荷裂隙或裂缝形成,滑面中下部主要沿陡缓相接的两组节理组合形成,侧缘边界由陡倾上游冲沟的卸荷裂隙形成。

图30+200、0+240剖面工程地质图
及支护方案布置图
Fig.3Geol ogy engineering conditi on and supporting
measures at0+200and0+240secti on
a.0+200剖面;
b.0+240剖面
913
17(3)　霍宇翔等:碎裂结构边坡变形机理及治理对策研究
自然边坡高陡,卸荷强烈,开挖后受降雨等影
响,结构面进一步张开,若不及时进行有效的支护,滑面可能逐渐贯通,最终导致边坡破坏。

4边坡治理对策
4.1　边坡稳定性分析
根据上述分析确定的潜在滑面,采用极限平衡
法进行稳定性计算,计算工况采用最可能出现的天然(工况1)和持续降雨(工况2),岩土体力学参数采用试验结合类比方法确定(表2)。

表2
0+200、0+240剖面稳定性系数计算结果表Table 2　Result of stability coefficient
at 0+200、0+240secti on
工况
0+200剖面
0+240剖面
一般条分法
毕肖普法
传递系数法
一般条分法
毕肖普法
传递系数法
工况1 1.006 1.0400.994 1.162 1.202 1.151工况2
0.892
0.888
0.900
1.024
1.012
1.040
计算结果表明,g m 2上游侧稳定性较差,在天然
状态下,处于极限平衡状态,持续降雨条件下,产生整体破坏的可能性极大。

g m 2下游侧下部岩体较完整,变形主要集中在1010～1040m 两级边坡,持续
降雨条件下,变形可能逐渐加剧,存在失稳的可能。

4.2　边坡支护措施
根据稳定性分析结果和施工揭露的滑面信息,
g m 2上游侧岩体较破碎,后缘已形成明显的拉裂,必须采用主动支护结构进行加固。

边坡g m 2下游侧,上部滑面深度10m 左右,下部主要为浅表层块体的稳定性问题。

基于变形破坏模式(图1)。

(1)g m 2上游侧,在1010～1040边坡中部布置4排30～35m 长,1500kN 级预应力锚索,每级中部
预留一排锚索位置,根据监测结果决定是否增加。

底部采用10～12m 长,间距3m ×3m 的钢筋桩。

(2)g m 2下游侧,采用10～12m 长,间距3m ×3m 的钢筋桩。

(3)在1010～1040边坡底部布置间距6m 的20m 长仰斜排水孔,其余位置采用深度4m ,间距4m ×4m 的仰斜排水孔。

4.3　边坡监测结果分析
边坡经历2008年5・12汶川大地震(施工区地
震烈度Ⅵ度[6]
)、2008年6月10日～7月初的集中降雨期。

汶川大地震前,已完成钢筋桩施工和锚索注浆。

监测结果(图4)表明
:
图4
多点位移计M04位移-时间曲线图
Fig .4
D is p lace ment and ti m e relati onshi p fr om f our -point dis p lace ment monit oring
023Journal of Engineering Geology 工程地质学报　2009
(1)地震造成边坡仅产生3～4mm 的整体变
形,越靠近地表变形越大。

与该边坡下游侧碎裂结构区出现裂缝的情况相比,钢筋桩较好地控制该部位边坡浅表部的变形。

(2)边坡变形受降雨和地震影响较强烈,集中降雨和地震后,位移出现明显增大趋势,随着地下水排出,变形逐渐稳定。

(3)从变形的深度来看,25m 以外存在明显变形,而25m 以内基本稳定,说明分析推测的滑面与监测结果较吻合。

5　结　论
研究边坡为高陡碎裂结构边坡,处于强风化强
卸荷区,存在多个临空面,风化卸荷强烈,且地下水发育。

通过系统研究得出以下结论:
(1)对变形迹象明显的高陡碎裂结构边坡,应重视岩体结构调查,并结合施工反馈信息,推测坡体内部结构特征,根据变形现象,分析边坡变形破坏模式及变形所处阶段和发展趋势。

在此基础上,提出针对性的治理措施,这套工作方法可为同类边坡治理提供参考。

(2)对于高陡碎裂结构硬质岩边坡,卸荷作用对岩体结构影响强烈,坡体内部存在沿卸荷结构面形成的裂缝,可能形成变形破坏的后缘边界。

在该类边坡研究中应加以重视。

(3)变形体由陡倾卸荷裂隙形成后缘边界,陡缓相接的两组结构面组合形成中下部滑面,并逐渐发展贯通。

(4)降雨和地震对碎裂结构边坡稳定性影响强烈。

钢筋桩较好地控制了边坡浅表部变形,锚索可较好地控制边坡整体变形,排出地下水可明显减缓
边坡变形。

参
考文
献
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