岩质边坡滑移-弯曲破坏中间状态的工程地质分析.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流岩质边坡滑移-弯曲破坏中间状态的工程地质分析.精品文档.岩质边坡滑移-弯曲破坏中间状态的工程地质分析水利水电技术第36卷2005年第ii期岩质边坡滑移一弯曲破坏中问状态的工程地质分析严明,陈剑平2,黄润秋,张倬元,王士天(I.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家专业试验室,四川成都610059;2.吉林大学建设工程学院,吉林长春130026)【摘要】通过对一个顺向坡实例的详细调查发现,顺向坡的滑移一弯曲破坏,在强烈弯曲一隆起之后,整体失稳之前还存在一个中间状态碎裂散体化.在对其形成条件进行初步分析的基础上,提出了"四阶段"的滑移一弯曲破坏地质力学模式.【关键词】顺层边坡;滑移一弯曲;碎裂散体化;稳定性hII19)类号:P642.2文献标识码:A文章编号:1000.086o(2005)11.0041.04Engineeringgeologicalanalysisonintermediatestatebeforeslide-bendingfailureforrockslopeYANMing,CHENJian.ping2,HUANGRun.qiu,ZHANGZuo.yuan,WANGShitian(1.NationalLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,Sichuan,China;2.JillnUniversity,Changchun130026,Jilin,China)Abstract:Basedonadetailedinvestigationonaconsequentrockslope.itisf0undthataintermediatestateofcataclasticloosingbeforefailureistherebetweenthestagesofboththestrongbendingswellandtheinstabilityofrockbody;forwhichapreliminaryanalysisismadeontheformingcondition.andthenageomechanicalmodeof"fourstages"isputforwardherein.Keywords:consequentrockslope;slidebending;cataclasticloosing;stability1引言2边坡工程地质条件滑移一弯曲变形(或"溃曲"),是顺层岩质边坡中较常见的一种变形破裂模式.雅砻江霸王山滑坡,意大利瓦伊昂水库滑坡等都是由滑移一弯曲导致斜坡失稳的典型实例J.一般认为,它属于层状岩体的一种结构失稳形式,其演化可分为三个阶段:轻微弯曲一强烈弯曲一隆起一滑面贯通一整体失稳("三阶段"演化模式).基于上述地质认识,许多学者采用多种理论和方法,就其破坏判据进行了研究J.这些研究和认识,对于边坡工程地质勘测实践发挥了重要指导作用.近年来,作者在雅砻江锦屏一级水电站近坝库岸边坡稳定性研究中发现,顺层坡在强烈弯曲一隆起之后,整体失稳之前,还存在一个中间演化状态.这一发现,对于进一步认识顺层边坡滑移一弯曲破坏的力学机制,建立科学的破坏判据,评价稳定性具有重要意义.WaterResourcesandHydropowerEngineeringVo1.36No.11边坡位于雅砻江右岸(河流流向N25.E枯水期水位1638.7m,河道微向东岸凸出).高程2000.001TI以下相对较缓,坡度为35.45.高程2000.002200.O0m之间为陡壁.边坡南侧发育一季节性横向冲沟(无名沟).边坡为顺向坡.主要为中上三迭统杂古脑组三段()板岩,粉砂质板岩,中厚层状变质细砂岩,呈软硬互层状.岩层产状N5.12.W/SW/_36.边坡表部多被第四系崩坡积覆盖(厚1525n1).在边坡上部陡壁(断层崖)出露有杂古脑组二段大理岩().边坡区主要断层有,f5,等.总体产状为N55.一75.E/SE/_65.85.其中,断层出露于坡收稿日期:20050218基金项目:本项研究得到国家自然科学基金资助(40272118/1)0214).作者简介:严明(1964一),副教授.41严明,等岩质边坡滑移一弯曲破坏中间状态的工程地质分析脚,f5,f6出露于边坡上部.此外,在泥质板岩,T22(8层薄层大理岩中,层间挤压带十分发育,平均间距约3m.边坡区主要裂隙有:(1)NNW组(层面裂隙);(2)NEE组(陡倾);(3)NWW组(陡倾).3边坡变形破坏现象该边坡变形迹象极为明显,已发育为一个边界清晰的变形体(变形体).变形体呈横河展布的窄条形(见图1),上游侧紧邻无名沟,下游大体以勘线的小冲沟为界,后缘为断层f6切割.前缘高程1650.00m,后缘高程2020.00m,相对高差约370m;顺坡长约680m,宽约80130m,总方量约130×10m.主要变形迹象如下.图1变形体远眺3.1底部蠕滑一张裂现象变形体底部蠕滑带,微微切层发育,到坡面平距约5O80/1,总体倾角为35.坡体上部,根据SD15揭露,底滑带沿硐深52in处,T-223(|3zD,底部的g12发育.带厚2038ClI1,由黄褐色软塑状的泥,夹白色及黑色角砾,碎块组成,潮湿,松散,底面局部可见倾向擦痕.伴随坡体滑移,硐深5053m段硐壁上部及硐顶(g.:上盘),可见多条上窄下宽的楔形拉张裂缝(见图2),充填块碎石,松散干燥.硐顶因塌顶形成空缝(洞),宽约2050cm,可见深度3.57m.一硐n图2沿底滑带的滑移一张裂现象坡体下部,根据SD13揭露,底滑带沿硐深82.3m处的层间挤压带发育.该带位于T2(S)层强风化薄层大理岩中,产状为N12.W/SW/_36.,由厚约515cm的泥化碎粉岩,片状岩组成,摩擦镜面发育,扰动迹象明显.3.2坡体内部顺层滑移一张裂现象根据对SD15调查发现,坡体除沿g.:发生整体蠕滑外,坡体内部还存在许多次级蠕滑面.这种蠕滑面多沿砂,板岩界面处的层间挤压带发育,并往往在砂岩中形成一系列的层间张裂,张裂缝宽数厘米至十余厘米.3.3坡体上部的岩体松动现象在上述底部蠕滑带以里,岩体完整程度较高,无显着松动迹象;以外,原岩结构的成层性保存完好,但岩体松动明显.根据SD15揭露,主(底)滑带以外发育张开裂隙(缝)1O条;根据声波测试,硐深1544in段,=1900m/s,Kv=0.1.3.4坡体下部的碎裂一散体化现象变形体下部,岩体已不仅仅是松动,质量降低,而是较大范围地出现高度碎裂化,即已近于完全解体.根据SD13揭露,底滑带(硐深82.3in)以外,028m段为崩坡积的松散碎石土,2845m段可见因挤压,揉皱,折断而使层理紊乱的砂板岩;457O.5in段为松散块碎石土(成分为砂板岩);70.582.3in段为强风化薄层大理岩,发育有深度大于5in的楔形张裂缝.水利水电技术第36卷2005年第11期上述4570.5m段的松散堆积,从其块碎石成分,结合2845m段出现层理紊乱的砂板岩看,已不是单纯的崩坡积,而是下部岩层强烈变形,架空,顶部陷落的产物.3.5变形体形成年代测试对主(底)滑带,典型次滑带中的滑带土,典型张裂带(XL6)中的石英粉末取样进行热释光(TL)测年.结果表明,该变形体形成于距今3.4万3.8万年间.综上,上述边坡变形破裂特征可概括为:(1)坡体中上部具有明显的滑移一张裂迹象;(2)坡体下部或前缘高度碎裂一散体化,并有板岩扰动,挠曲的残留.4变形破坏机制分析实际上,紧邻该变形体的上游河段(长约0.91km),发育有多个变形迹象明显的滑移一弯曲变形体¨(I,),其赋存的地形地质条件与本文所述变形体极其相似,即均发育于软硬互层的中缓倾顺向坡中.结合本文所述变形体的变形破裂特征看,该变形体也应是坡体滑移一弯曲(溃曲)所致.但是,从变形体下部的物质组成,结构特征看,该变形体所处演化阶段,不同于其上游岸坡所见其他变形体,而是处于"强烈弯曲一隆起","整体失稳"中间的一个演化状态(阶段),这一阶段可称之为"碎裂一散体化阶段".显然,其变形破裂属于继"结构变形破坏"之后的"材料破坏"范畴.为何,边坡在"强烈隆曲"之后,未直接进入"整体失稳"阶段?初步分析在岩层层厚一定的情况下,它主要是受岩层倾角控制的.实际上,在滑移一弯曲演化过程中,在重力(下滑分量)作用下,随着下部岩层的隆曲,一方面弯曲段层面脱开,并因其底滑面抗剪强度丧失而向上扩展,隆曲范围,挠度加剧;另一方面弯曲段岩层随着一系列破裂(如剖面x型剪裂)的产生和发展,刚度势必降低,进而将出现岩层折断(剪断),坍塌,岩体质量劣化,从而失去作为板梁发生进一步弯曲的结构条件,弯曲段岩层的应力状态也将由复杂的隆弯应力一简单的压应力.对于中缓倾角顺向坡,由于重力的法向分量较大,以及弯曲过程中岩层刚度的降低,使得岩层弯曲及其导致的滑面强度丧失,都将局限于边坡下部一定的范围内,若其不至于改变边坡整体的,缓慢的蠕滑水利水电技术第36卷2005年第11期严明,等岩质边坡滑移一弯曲破坏中间状态的工程地质分析趋势时,下部弯曲段继岩层折断,坍塌之后,将发生以岩块位错,混合,压碎,密实为特征的高度碎裂一散体化过程.此时,中上部岩层的滑移一张裂,岩体松动虽有所加剧,但原岩结构的成层性将依然得以保存.对于中陡倾角顺向坡,情况则不同.由于重力的法向分量较小,岩层弯曲(以及底滑面脱开,强度丧失)的范围极易向上扩展.当其发展至整个底滑面的抗剪强度不足以承受重力的下滑分量时,将发生整体失稳(整体结构失稳),形成滑坡或岩崩.继弯曲岩层发生剪断(折断),坍塌之后,虽有岩块混合,压碎,但它常常是伴随整体失稳过程的.从演化阶段上,很难将这一碎裂化过程区分出来.如2004年2月20日,在锦屏一级电站进场公路开挖中发生的"大奔流岩崩"即是一典型实例(见图3).图3大奔流一带边坡下部岩层弯曲现象因此,顺向坡滑移一弯曲破坏过程中,下部岩层在"强烈弯曲一隆起"之后出现"碎裂一散体化"现象是必然的.作为一个独立的演化阶段,则存在于中缓倾角顺向坡的演化过程中.综上,中缓倾角顺向坡滑移一弯曲破坏的过程可概括为以下四个阶段(见图4).图4中,(a)滑移一轻微弯曲阶段;(b)滑移一强烈弯曲一隆起阶段;(c)滑移一碎裂一散体化阶段;(d)整体失稳阶段.严明,等岩质边坡滑移一弯曲破坏中间状态的工程地质分析图4滑移一弯曲破坏演化模式5结语"碎裂一散体化过程"的发现与识别,对于顺向坡稳定性研究具有重要意义:(1)从本文实例看,处于碎裂一散体化阶段的边坡,尽管其安全储备很低,但基本稳定或接近极限状态.因此,处于早期演化阶段(轻微弯曲,强烈弯曲一隆起)的边坡,其(自然条件下)稳定性应是比较高的.(2)由于中缓倾角顺向坡在整体失稳前还存在一个以材料破坏为特征的碎裂一散体化阶段或过程,因此,其破坏判据,应有别于目前依据"三阶段"演化地质模式,按结构失稳概念所得的结果.限于篇幅,这里不再介绍.参考文献:1王士天,黄润秋,李渝生,等.雅砻江锦屏水电站重大工程地质问题研究M.成都:成都科技大学出版社,1998.2张倬元,王士天,王兰生,编着.工程地质分析原理M.北京:地质出版社,1981.3孙广忠.岩体结构力学M.北京:科学出版社,1988.4秦四清,张倬元,等.非线性工程地质学导引M.成都:西南交通大学出版社,1993.5李荣强.突变理论在顺层边坡稳定分析中的应用J.同济大学,1993,21(3).(上接第40页)(2)施加锚杆后:锚头施加预应力并锁定后,墙体在锚力作用下后倾,计算求得的桩顶位移为一7.1mm,大约至高程一7.00ITI以下转向正位移,呈反弯曲线.现场测试的桩顶端位移范围为一5一12mm,大约至一5一7ITI以下转向正位移,呈反弯曲线.从计算所得到的堤岸断面应力情况看出,无支护开挖情形下堤岸的塑性区主要分布在开挖面和岸坡坡脚处,表明岸坡在无支护开挖下有破坏的可能;施加预应力锚杆后,使岸坡的塑性区极度缩小,塑性区仅仅出现在坡脚底部极小范围内,不会对岸坡的稳定性产生危害.以上说明通过桩锚土的相互作用,锚杆调整了桩与土体之间的应力,大大提高了堤岸的整体强度,说明预应力锚杆用于海河堤岸结构支护是有效的.5结语本文采用三维显式有限差分方法,建立了堤岸加(责任编辑欧阳越)固的预应力锚固数值仿真模型,通过计算机模拟,获得了锚杆加固堤岸结构的变形,塑性区分布规律.数值计算与锚杆现场试验结果的对比分析表明,应用FLAC如程序计算预应力锚固问题,采用提高岩土体力学参数的方法来模拟端部扩大或二次灌浆等加固效果是可行的;通过对海河堤岸锚杆加固过程的数值模拟,表明理论计算与实测结果在总体规律上基本吻合,因而验证了海河堤岸改造工程设计的可靠性.参考文献:1CECS22:90,土层锚杆设计与施工规范s.2ItascaConsultingGroupInc.FLAC3D(Version2.0)USersmanualUSA:ItascaConsultingGroupInc.z.1997.3程桦,孙钧.三峡船闸及高边坡非线性大变形数值分析J.岩土力学,1998,19(4).4漆泰岳,陆士良,高波.FLAC锚杆单元模型的修正极其应用J.岩石力学与工程,2004,23(13).5冯元祯.连续介质力学M.北京:科学出版社,1987.(责任编辑欧阳越)水利水电技术第36卷2005年第l1期