链子崖危岩体稳定分析与治理.pdf

质第卷第期年月中国 地灾 害 与防 治学报 理链子崖危岩体稳定分析与治理王景宏水利部长江水 利委 员会设计局提要本文论 述了链子崖危岩体的地质特征、变形破 坏机制提出了岩体 力学参数取值 原则并根据 大量现场 及室内试验工作 积累的试验资料得出危 岩体 力学参数进而对危 岩体进行了稳定性分析、计算,在前述工作荃础上提出工程 治理措 施,并简论了防治工程效益关键词危岩体破坏 机制力学参教稳 定 分析治理工程效益一、危岩体 变形破坏机制链子崖危岩体位于湖北株归县新滩镇、长江南岸,扼兵书宝剑峡出口处,与新滩滑坡隔江对 峙危岩体北端高耸岸边百米以上,河谷深切、岸壁陡峭、江深流急,地处川江航道的咽喉地段一地层岩性及构造危岩区自东 向西 依次 出露志留系、泥 盆 系、石碳系和二迭 系地层危岩体自下而上 依次为云台观组、黄龙组、马鞍组、栖霞组四个工程地质岩段链 子 崖危岩体 地处黄陵背斜西翼南端,与株归向斜东南翼毗邻西距仙女山断裂,东距九湾溪 断裂,断层纵切,构成 了该区的地质构造格局地层呈单斜构造,走 向为一,倾 向,倾角一区内断 层较发育,共发现条,主要断层有条构成缝的,缝处 的,缝段的,而且这些断层大多构成 了危岩体的切割面。

二危岩区工程地质特征及边界条件链 子 崖危岩体位于长江南岸第一斜坡,为一南北 向展布的长条形岩体,北部和东部两面 临空,均 为近百米高的陡崖西部和南端与山体相连,大部分被裂缝所切割危岩体顶面为灰岩层 面构成的层面坡危岩体南北 长约,东西宽一,南高北低,俯视长江,被 三十多条裂缝切割成三个 主要的危岩段,即缝、,缝体和缝至缝三个危岩段,总体积约危岩体底部为软弱的马鞍段煤系地层和大面积挖煤形成的采空区,下部为瘤状灰岩,夹薄层碳质页岩,中上部为质地坚硬的厚层灰岩,顶部为疙瘩状灰 岩 夹薄层泥岩,形成 了上硬下软的软基座坡体链子崖危岩体防治工程方 案编制技术负责人一由于一缝段危岩体紧 临长江,严重威胁长江航运的安全,本文着重分析其变形破坏机制、稳定状 态和 整 治措施一】缝段 危 岩体,西边以缝及构成,缝的断层为界,与核桃背相邻北边和东边都是 临空 陡崖 自然边界南边以一,一缝含 隐伏裂缝为界底部以 马鞍段煤系地层为界其边界切割已经完成,边界条件清晰一,缝段危岩体呈不规 则近似扇形块体,长轴为一向,长约短轴为一向,宽约缝及缝均穿透煤层,该段危岩体总体积为万,三危岩体成因、破坏机制由于链子 崖为一单斜构造层面坡,上部为坚硬灰岩体,下部为极易变形的马鞍段煤系地层。

随着长江河谷 不断下切,软弱岩层被切断,临江形成灰岩陡壁,岸边山体在 卸荷作用下,底 部软层产 生 压缩变形,顶部受拉 开裂同时底 部煤层乱挖、乱采,加剧软层压缩变形,裂缝逐 步 延伸随着采煤坑道不断 向山内推进,采空面积增大,底部 不均匀 沉陷扩大,上部岩体拉 力增 加,裂缝发展加快,并伴随产生新的裂缝尤其经过 了近年的采煤活动,底部煤层大面积 采 空,导致岩体急剧变形,产 生数十条裂缝,主缝均深切至煤层,裂缝和 断裂构造将岩体进 一步肢解,局部危岩块体产生崩塌蠕滑在长期变形作用下,前缘岩体受到滑动推 力和 压 力,致使崖脚应 力集中,产生压剪破坏,从前沿崖脚软层被部分压碎的现象 中可以得到证实目前危岩体变形日趋 加剧,稳定性日益恶化二、稳定分析一危岩体力学参数取值一缝段危岩体,自上而下分布的软层主要有及煤层,对危岩体整体稳 定起 控制性作 用的界 面是煤系地层根据现场调查,底部煤层中发现大量擦痕和蜡光面,擦痕方 向为扩和危岩体的岩层倾向为,因此该方 向的位移擦痕为先期顺层蠕滑所留下来的由于一缝段危岩体顺正倾角 滑 动受到 核桃背山体阻抗,其主滑方 向顺缝和煤层组合交线方向改变,因此位移擦痕 亦改变为。

这实际上是后期位移擦痕,也就是危岩体的主滑方向有 限元分析结果证明了这 一论 点根 据计算,缝受到的法向力为又,下座力为,剪切力为护这些 力在岩层倾向的投影为护可见核桃 背对一,缝段危岩体起到的巨大 的支撑作用岩体力学参数的取值原则链子崖岩体力学 参数试验,年开始 至年,有 长委会、中科院岩土所、湖北省水文地质大 队等单位进行了大量现场试验和室内试验工作,积 累了大量试验资料,但在工作中进行参数取值时,应 根据取样条件及代表性试验方法,结合工程实践,综合分析确定一一链子崖危岩体是 一个典型的岩质边坡,边界条件清晰,根据观测资料、稳定性反演分析和模型试验,表明危岩体可能破坏的形式是局部崩塌并具有沿煤层整体滑动的可能因此,我们认为危岩体力学参数的重点研究对象是在几何条件下存在可能滑动,且 力学强度很低的马鞍段煤系地层,上部堆积体可能蠕滑的界 面‘前沿陡崖脚下 明显产生压碎 破坏的软层在选用抗剪强度参数时,应调查 了解 岩体、软弱结构面的变形运动史无变形运 动史时,应取抗剪断峰值强度有变形运动史时,应取摩擦强度当变形运动产生很大位移,结构面起伏凸体被剪断,形成摩擦镜面时,应取试验的残余强度另外,要区别参数的应用对象。

在稳定分析 中,评价危岩体当前的状态、安全储备,应采用试验的瞬时强度而预测岩体的发展趋势,应取用流变试验的长期强度危 岩体的变形和 位 移是衡量稳定性的最重要、最直接的物理量,它表征岩体的变形性质,它包 含 了岩体中的节理裂隙影响和软弱岩体 的不可逆变性室内试验的变形模量和 现场监测 结 果相差 不大时,可直接采用试验值但室内试验往往 因试件过小,不可能包含足够的节理裂 隙,因此应根据实际情况进行折减危岩体力学参数取值煤系地层的参数取值是一个复杂的问题,由于煤层被大面积采空回填矿碴,部分未采区则为油泥层与顶部瘤状灰岩接触沿煤系地层破坏将是一个复杂的断面从矿碴抗剪断拼关系 曲线和摩擦试验一拼关系 曲线比较 中,可以看 出两条曲线非常接近其共同特征是剪切应 力增加,剪切位移随之增大,经过较短的比例阶段 即进入较长的屈 服阶段,最 后剪应 力趋于稳定试验表明,峰值强度、摩擦强度和残余强度没有明显区别矿碴与顶板界 面抗剪断试验表明其甲值接近,值略大油泥层界面的剪切破坏 同样属于典型的塑性破坏,经综 合分析提出抗剪参数如表表软弱层抗剪强度建议值软软弱层名称称推力方向向天然状态态饱 水 状态态注注度栖栖栖霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞霞灰灰灰岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩岩段段段、、瘤瘤瘤状灰岩层间软弱面面栖栖厦灰岩与炭质泥岩界面面栖栖故灰岩与矿碴界 面面面二煤煤煤炭质泥岩岩岩油 泥层层系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系系地地地矿碴碴碴层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层纹纹纹状泥质煤层层硬硬硬质枯土岩岩岩一构造岩岩岩风化泥质胶结结缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝缝构构构造岩岩岩钙质胶结结夹夹夹灰岩岩块块平行于裂缝缝变形模量的现场试验和 室 内试验有较大的差别,特别是栖霞灰岩各软层节理裂 隙发育,室 内试件的代表性差,而现场试验的组数有限,因此补充弹性波测试,进行动、静弹模对比,合理确定,煤系地层的室 内、外试验结果差别不大,关于变形模量取值见表。

表灰岩岩体、层间软弱层、煤系地层参数建议值一,,地地层层岩石名称称容重重抗拉强度度变形模量量泊松比比抗剪强度天然状态栖栖栖疙瘩状灰岩岩吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸吸组组组块状灰岩岩瘤瘤瘤状灰岩岩等 软弱 层层层黄黄 龙组组厚层灰岩与白云质灰 岩岩煤煤系系开采区区地地层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层层未未未开采区区雷雷劈石石滑体本身身滑滑 坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡坡滑滑滑带带带带带带二稳定分析设计基本数据按国家地震局审查意见,链子崖危岩区地震基本烈度为度,设计场地基岩峰值加速度相应 于年超越概率为,按年超越概率为“校核设计荷 载 中 自重荷载按 水上天然容重和水 下浮容重分别考虑外水 压 力包括洪水期水位骤降和暴雨形成 的短 时水压 力地震惯性 力按水工建筑物抗震设计规范一规 定不考虑垂直 向地震惯性力,只计算水平向惯性力稳定分析计算一缝段岩体沿软层稳定计算一缝段危岩体总体积万’,紧临长江,是链子崖危岩体的关键部位,是防治工程的重 点,关系长江航运 的安全,因此采用 了各种计算手段,并进行了离心机模拟试验。

采用平面极限平衡法和有限元三维线弹性计算,在不考虑,缝的抗剪断作用时,安全系数均 小于,不稳定其原因是客观存在的西侧边界条件在主滑方 向受到核桃背山体的阻抗作用没有在计算中反 映出来因此在整体稳定分析 中应采用空间块体法,考虑边界条件的约束作 用,才符 合客观实际情况,计算结 果,在 自重和地震作用下,安全系数为,安 全 裕度不大危岩体主滑方向为左右有限元三维线性和 非线性分析表明一,缝段煤层顶板瘤状灰岩存在较大的主拉应力,大 部分数值在之间,出现在,缝以北主 要是南北 向的拉应力和剪应力较大而产生的软层 顶板也存在的主拉应力,出现在缝以北,主要是因东西向的拉应 力而产 生的缝处 于法 向受压状态,根据线性计算结果,缝受到沿其走 向的剪切力、下座力和法向力分 别为义、又和这些 力在岩层倾 向的投影之和 为一一,由此 可见核桃背山体对危岩体稳定起到 的重要作用非线性计算结果表明,软层除缝北段外,其余均处 于弹性状态软层在缝以北、,缝大部分均处于剪切屈服 状态根据屈服准则判断,缝端附近岩体、,缝以北中上部岩体及瘤状灰岩 中下部岩体均 处 于塑性屈 服状态离 心 机模型试验证明,在地震或缝水压 力作用下,岩体首先沿煤层蠕滑,缝以北陡崖岩体崩落,软层以上岩体产生滑移破坏,最后整体失稳。

综 合分析,一缝段危岩体将沿煤系地层,软层滑移在目前天然状态下,由于缝 和 核桃背的支撑阻 滑 作 用,沿岩层 正倾向抗 滑安全系数较大,但沿缝 方向即一处 于蠕变滑 移状态,稳定安全 系数略大于,安全裕度很小,属临界稳定状态,不能满 足 基本荷载组合条件下规定的安全系数的要求地 震荷载情况下,不能满足特殊组 合规 定的安全 系数的要求而且,随着变形、位移的持续发展,缝抗剪阻滑作用越来越 小,该段岩体稳定性愈来愈差,在 自重条件也将会失稳一缝段岩体稳定所谓“五万方”崩塌 危岩体就是 指该 段岩体,它的后缘 为,,缝,西侧边界为,缝,前缘为,缝 至 临江 陡 崖的墙状岩体它的总体积为万,,其 中临江的缝段墙状危岩体积为万’,及缝均 尖灭 于软层该段危岩位于,一,缝段危岩体最前沿,是目前最可能先行崩滑的块体它的安危直接关系到一缝段岩体的整体稳定监 测资料表明,从年年,危岩体平面向北北西运动,位移总量达其 中年年两年向北 北西运动·,下沉至年累计 位 移向达,下沉缝下部东壁 向长江偏转移动,表明上、下部 的水平位移和 下 沉具有 时 间和 空间的同步性该段岩体的破 坏 型式是 沿软层 的蠕滑和局 部崩塌。

在计算其稳定 时,滑 动方 向不应按一整体稳定 时的主滑 方向考虑,因为,缝以北的岩体为柱条状,沿缝即垂直长江方 向岩体很窄,块体重 心沿滑动方 向远远超 出缝以外,因此在计算时不能考虑缝的抗剪断作用,同时其滑动方 向应按岩层 正倾角方向进行计算,见图所示 ,一,缝段岩体稳 定按空 间块 体 法计图一缝段危岩体含“五万方”滑动边 界示意一,算,值取时,基本荷载情况下,稳定安全系数为在特殊荷载地震 力作用下,稳定安全 系数为,不能满足规定的要求三、工程治理措施根据 稳定分析计算,链子 崖危岩体处 于极限平衡状态,而且变形日趋加剧,应立。