Effect of the Three Gorges Project Storing on Stability of T8-T12 Fracture Segment of Hazardous Rocks in Lianziya
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摘要: 三峡水库蓄水后, 已治理的链子崖危岩体, 特别是T8—T12缝段岩体将受到江水的长期作用和影响, 直接关系到防治工程的成败.通过大量实地调查和岩体测试, 着重论述水库蓄水对T8—T12裂缝及其充填物的作用和影响; 并以此为基础, 用改进的Sarma法对该段危岩体的稳定性进行重新计算和评价, 得出一系列新的结论: 总体上, 长江水位抬升后, 水对裂缝的溶蚀作用和劈裂作用, 使裂缝整体加宽, 不利于危岩体的稳定; 考虑岩体和承重阻滑键取长期强度和江水位骤然升降, 以及地震影响, 链子崖危岩体整体稳定性将恶化, 但NE20°方向稳定程度好于NW 35 0°.Abstract: The controlled Lianziya hazardous rock, especially T8-T12 fracture segment will be affected over a long period of time when the Three Gorges reservoir stores water, which also relates to efficacy of the control project to the rock. Through mass field investigations and rock tests, this paper concerns with the long term effects of the reservoir to T8-T12 fracture segment and its deposits, and also recalculates the stability of the rock by using improved Sarma program. Then some new conclusions are obtained: generally, when the water level of Yangtze River rises, the water actions of erosion and tension will widen the fractures, and deteriorate the rock stability. On considering long term strengths of rock and control project, as well as rapid water rising and dropping, and also earthquake affection, the stability of hazardous rock will turn worse than before, whereas the condition in NE20° direction will be better than that in NW350°.
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Key words:
- the Three Gorges Project /
- storing /
- stability /
- control project.
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三峡工程蓄水无疑将对库区两岸的边坡产生长期的作用和影响, 直接威胁两岸边坡, 特别是已有重大滑坡和危岩体的稳定性.最近中央决定对库区的重大滑坡和危岩体进行治理.这对工程地质界提出新的课题和挑战, 即需要对江水-岩体相互作用, 江水-防治工程和岩体-防治工程相互作用及其耦合关系进行深入分析和研究[1-14].链子崖危岩体防治工程已经竣工, 并且正在受到监测资料和成果的检验.对危岩体在水库蓄水后江水-岩体相互作用做较具体的分析和研究包括对危岩体软弱夹层的研究和T8—T12张开缝段稳定性的研究(T0—T6缝段和T7缝段不受长江水位抬升的影响).其中对软弱夹层已作过论述[1], 本文着重论述水库蓄水对T8—T12缝段产生作用和影响的方式和强度, 并综合其他因素, 用改进的Sarma法对该段危岩体的稳定性进行计算和评价.希望对即将开始的三峡库区滑坡防治工程研究和评价起到一定的参考作用.
1. T8—T12缝段主要特征
该缝段范围的危岩体整体呈向北东凸出的弧形褶扇散开, 北段紧临长江, R001, R101和R102等软层基本常年被江水淹没, 稳定性较差.总体特征为: (1) 裂缝发育在山体内侧、老采空区的边缘, 规模大, 延伸远, 切割深, 和老采区具有明显的空间对应关系[4]; (2) 裂缝平面上东宽西窄, 整体有向西收敛趋势; 剖面形态上宽下窄, 倾角陡立, 具张扭特征; (3) 裂缝追踪构造面或溶隙拉开, 溶蚀作用使上部张开加大; 未被拉开的岩体构成裂缝锁固点, 显示宽大裂缝拉张具有不均匀性; (4) 裂缝深部充填亚粘土或粘土, 顶部由块石和表土充填; 表层充填物固结弱, 结构松散, 强度低.
2. 工程蓄水对T8—T12缝段的影响
按照三峡工程总体计划, 从1993—2009年采用分期蓄水方案, 水位从78.2~175.0 m.根据工程进展情况, 有望提前竣工, 届时危岩体T8—T12缝段将大部分位于水下.
2.1 T 8—T 12缝段主要裂缝充水特征
随着长江水位不断抬升, T8—T12缝段的淹没面积会不断增大, 所有控制危岩体稳定的裂缝都将不同程度地充水.l和h的定义为:
设L0为裂缝长度, L1为被水充填的裂缝长度, 则:
(1) 设H0代表裂缝底部最低高程, H1代表裂缝地表高程, H代表长江水位, 则:
(2) 计算结果表明: 长江水位抬升到135 m时, T11整段充水, 充水高度h达91.9%;相应地, T12, T13两缝也全段充水, 充水相对高度分别60.1%和49.0%;它们所围限的“五万方”危岩体将受到江水强烈作用; 至156 m时, 裂缝充水程度均超过1/2, T9缝充水长度达93.7%;至175 m时, T8-1-1有72%长度不同程度充水, T9全段充水, T8—T12岩体整体稳定性将受到影响.
2.2 长期浸水情况下裂缝的可能变化
据实验研究和分析, 充填到裂缝中的江水对裂缝主要产生物理化学作用和劈裂作用.
(1) 水对裂缝及充填物的物理化学作用[5].①T8-1-1, T8-1-2和T9等宽大裂缝中的充填物(“黄泥巴壁”) 是地表土在雨水淋滤作用下沿裂缝运移至深部的, 测试结果表明, 充填物粒度成分以粉粒和粘粒为主(煤渣6号[1]), 分别占57%和29.7%, 属粉质重粘土; 其化学成分以SiO2, Al2O3和Fe2O3为主(煤渣8号[1]), 分别占41.21%, 23.52%和5.18%, 硫也较高, SO3占3.41%, 硅铝率约等于3, 说明粘土矿物以伊利石为主.这种充填物在3.6~2.0 MPa时预固结48 h, 浸入水中7 d后仍保持稳定, 不具有崩解性, 无明显的膨胀性, 结构稳定[1].②T12缝段呈上窄下宽的张开状态, 缝中充填有微破裂的灰岩岩块、钙质胶结构造岩和泥质、钙质胶结构造岩块.其中钙质胶结构造岩块表面风化严重; 泥质胶结构造岩块, 胶结微弱, 岩块呈散体状.T12缝全部浸入水中后, 水和侵蚀性CO2作用将加速岩体表面风化和溶蚀[6], 加速水体流动和循环, 使胶结程度降低, 泥质含量增高, 饱和抗剪强度和摩擦强度明显低于干强度[7, 8].③T11和T13等裂缝基本呈张开状, 上部被溶蚀加宽[9], 深部仅少量碎屑充填, 可视为完全充水状态, 届时流动的水体、可溶岩和侵蚀性CO2三者作用将促使裂缝不断溶蚀加宽, 强度降低.
(2) 水对岩体的劈裂作用.抬升后长江水位骤然回落时, 将在裂缝中产生最大静水压力和动水压力.
沿裂缝延伸方向充水程度不同, 属复杂应力问题[10, 11], 在裂缝中段取纵剖面垂直裂缝走向, 裂缝受水压力作用呈下三角形分布, 应力强度因子[12]:
(3) 断裂判据:
(4) 代入a (水头差)、σmax (静水压力), 求出应力强度因子, 对裂缝能否张开作出判断.
计算结果表明(表 1, 表 2) : 理论上[13, 14], 水位抬升到一定高度, 各裂缝中段到北西段都有拉张扩展的可能, 从而使裂缝总体张开加大, 不利于危岩体稳定.具体地, T8-1-1, T8-1-2, T9三缝在156 m水位时能导致裂缝发生扩展; T11缝在145 m水位时可能发生扩展; 而T13, T14两缝在135 m水位时就可能发生扩展.T12受岩体顺倾向的挤压应力, 水位上升产生裂缝水压力与之方向相反, 可以部分降低挤压应力, 相应地降低T12缝的摩擦力, 不利于“五万方”的稳定.
表 1 裂缝充水静水压力计算值Table Supplementary Table Calculated values of hydrostatic pressure in fractures表 2 裂缝中段应力强度因子计算值Table Supplementary Table Calculated values of stress intensity factor in mid-segment of fractures考虑整个裂缝充水后的NW端受到水的劈裂作用大于SE端, 裂缝的张开是不均匀的, 危岩体变形特征将有所改变, 从而影响岩体的整体稳定性.
3. T8—T12缝段危岩体稳定性评价
链子崖危岩体稳定性评价的困难在于不清楚裂缝在水平延伸和纵向深度上的分布, 以及煤系地层采空和残留煤柱分布情况.采用有限元等精确算法, 由于边界条件概化失真, 结果并不能让人满意.T8—T12缝段在承重阻滑键工程完成后已结成一个整体, 长江水位抬升和骤然升降时, 需要综合考虑上述水岩相互作用因素, 对防治工程能否满足设计要求作出新的计算和评价.
3.1 Sarma程序的改进
Sarma法对于非刚体滑动考虑了每个块体侧面存在的抗剪强度对滑体稳定性的贡献, 用于被宽大裂缝切割的链子崖危岩体的稳定性评价较为合适.
由于程序计算过程中假定岩体是处处含水的, 与链子崖实际情况不符, 为此对程序进行了一些改进, 具体地: (1) 对完整岩体单元条分时, 不计单元的侧向水压力; (2) 承重阻滑键与上、下岩体均紧密接触, 因此在键体分布区, 不考虑水对上覆岩体的浮托力作用.经改进, 计算结果更可信, 但略偏保守.
3.2 稳定性计算和评价
本次计算依据长期变形监测结果和可能变形破坏方向, 考虑了沿NW350°和NE20°两个方向在3种情况下的抗滑稳定性, 即: (1) 软层强度取峰值强度; (2) 软层强度取长期强度(摩擦系数为峰值的90%, 粘聚力为峰值的40%, 承重阻滑键粘聚力c和摩擦系数f均取峰值的90%); (3) 软层强度近于丧失.计算剖面见图 1.计算参数是在充分分析和对比前人大量的原位测试结果后综合确定的(表 3).
表 3 危岩体稳定性评价计算参数取值表Table Supplementary Table Calculation parameters for stability appraise of hazardous rock3.3 计算结果及评价
计算过程中, 针对每种稳定性情况分别考虑长江水位取目前水位, 135 m, 145 m, 156 m和175 m水位, 以及由175 m水位骤降至135 m水位等几种情况下的K值, 还计算了不实施承重阻滑键工程危岩体的K值, 以及考虑地震影响的K值, 以进行对比分析(表 4).
表 4 NW350°方向和NE20°方向稳定系数K计算结果Table Supplementary Table Stability coefficient K of NW350° and NE20°分析计算结果, 可以得出下列结论: (1) 危岩体沿NW350°方向随着长江水位升高, K逐渐提高; 沿NE20°方向, 随着长江水位的抬升, K逐渐降低.两个方向在长江水位抬升过程中, 取峰值强度的K值均大于1.3, 满足防治工程设计要求; NE20°向稳定程度好于NW350°向; (2) 取长期强度, 危岩体的稳定性有所降低, NW350°方向降低幅度较大, 长江水位在135 m和145 m时, K < 1.2, 不能满足设计要求; (3) 若煤系地层不承重, 抗滑力均由承重阻滑键承担时, 沿NW350°向K < 1.2;沿NE20°向稳定状况急剧恶化, 不能保持岩体稳定; 计算中还发现K
值对R001软弱夹层的参数取值极为敏感, c, φ值略有降低, K值急剧降低, 因此, 保留残余煤柱是必要的; (4) 长江水位骤然回落时, 危岩体K值降低幅度较大, 极端情况(由175 m骤降至135 m), 岩体均取峰值强度时, NW350°向K=1.25, NE20°向K=1.12;取长期强度, 两方向K值均小于1.1, 接近临稳状态, 说明三峡水库长期运营后, 链子崖危岩体整体稳定性将恶化. (5) 危岩体在不治理条件下, 无论取峰值强度, 还是长期强度, 在长江水位由175 m骤降到135 m时, 均不能保持抗滑稳定, 说明治理效果比较明显; (6) 考虑Ⅶ度地震作用, 按重力坝抗震设计:
(5) 其中: Kh=a/g, Cz=0.25, F=1.5, a取100 a超越概率4%~6%条件下的155 cm/s2, 求得KC=5.8×10-2.岩体取峰值强度时, K > 1.2, 满足设计要求; 在岩体取长期强度时, 沿NW350°和NE20°方向岩体稳定状况不同, NE20°方向K > 1.2;NW350°向K在1.1~1.2之间; (7) 以T8-1-2和T9两组裂缝为危岩体滑移后边界, K均 > T8-1-1为后边界的情况, 其中以T9缝为后边界, K > 2.0, 说明危岩体整体失稳的滑移后边界是T8-1-1缝; (8) 其他软层为滑移底界时, 危岩体稳定性状况均好于沿煤系地层滑移情况.
4. 结论
(1) 裂缝充水后, 水体对裂缝和充填物理化作用可以使裂缝溶蚀加宽, 加速水体运动, 不利于危岩体的稳定; (2) 裂缝中水体对裂缝的劈裂作用是复杂应力问题, 服从下三角形分布, 在水位抬升到一定程度时, 各裂缝均可能扩展, 北西段扩展的幅度大于南东, 使裂缝整体加宽; (3) 稳定性计算考虑了沿NW350°和NE20°两个方向在岩体和承重阻滑键取多种强度值, 以及不同水位变化条件下的抗滑稳定性.总体上, NE20°向稳定程度好于NW350°向; 治理工程能满足设计要求, 承重阻滑键作用明显; 考虑长期强度和水位骤然升降, 以及地震影响时, 链子崖危岩体整体稳定性将恶化. (4) 建议在三峡库区对重大滑坡治理前后, 综合开展水-岩体相互作用、水-防治工程相互作用和岩体-防治工程相互作用研究和评价工作, 以利于防治工程设计的优化, 达到最佳治理效果.
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表 1 裂缝充水静水压力计算值
Table 1. Calculated values of hydrostatic pressure in fractures
表 2 裂缝中段应力强度因子计算值
Table 2. Calculated values of stress intensity factor in mid-segment of fractures
表 3 危岩体稳定性评价计算参数取值表
Table 3. Calculation parameters for stability appraise of hazardous rock
表 4 NW350°方向和NE20°方向稳定系数K计算结果
Table 4. Stability coefficient K of NW350° and NE20°
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