（岩土工程专业论文）商漫高速公路岩质边坡稳定性分析及防护优化.pdf

摘要 本文以商漫高速公路岩质边坡工程为依托，针对该公路沿线岩质边坡状况，开展了 国内外相关资料调研和工程调查，对各边坡的稳定性影响因素、稳定性状态及防护方案 进行了较深入的研究，主要工作包括以下方面： ( 1 ) 通过多次详尽的现场调查，结合当地自然地理和环境条件对沿线边坡进行了统 计和分类，并分析了商漫高速边坡的病害特征及发育情况；总结归纳了沿线岩质边坡稳 定性的影响因素。 ( 2 ) 针对沿线不同强度特征的岩质边坡，分别采用不同的边坡稳定性评价计算公式 和分析方法进行研究。对于该区的变质岩、岩浆岩边坡由结构面控制其稳定性，利用极 限平衡法计算了这类边坡的稳定系数，定量评价了岩质边坡稳定性；对破坏模式为岩块 倾倒、楔形体破坏、溃决破坏的边坡，把极限平衡法和力学分析法结合起来进行分析； 对崩塌和剥落则采用极限平衡法和工程地质类比法结合起来进行分析；对该区的泥岩边 坡，则应用最小势能理论进行分析，建立了泥岩边坡稳定性计算方法。 ( 3 ) 对商漫高速公路沿线边坡的坡面防护进行了分析总结，针对边坡防护中需要考 虑多目标多方案，引入熵权多目标决策优化理论，建立岩质边坡防护方案优化模型，对 各方案进行了优化，选定最佳防护技术和实施方案。 关键词：岩质边坡；稳定性分析；防护优化 a b s t r a c t b a s e do nt h er o c ks l o p ee n g i n e e r i n go fs h a n gm a n h i g h w a y , t h i sp a p e r , a c c o r d i n g t ot h e s t a t eo fr o c ks l o p ea l o n gt h er o a d ，h a sc a r r i e do u td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e l e v a n t i n f o r m a t i o nr e s e a r c ha n dt h e e n g i n e e r i n gi n v e s t i g a t i o n s ，t oe v e r ys l o p e s i n f l u e n c e e l e m e n t s ，s t a b i l i t ya n dp r o t e c t i o ns c h e m et o o kf u r t h e rr e s e a r c h p r i m et a s k si n c l u d i n gt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t h r o u g hd e t a i l e df i e l di n v e s t i g a t i o n ，c o m b i n e d 谢t l lt h el o c a lp h y s i c a lg e o g r a p h ya n d e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，c a r r i e do ns t a t i s t i c sa n dc l a s s i f i c a t i o no ft h es l o p sa l o n gt h er o a d ， a n da n a l y z e dd i s e a s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ed i s e a s es i t u a t i o no ft h es l o p e i ns h a n g m a nh i g h w a y ；a n ds u m m e du pt h er o c ks l o p es t a b i l i t yf a c t o r ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h er o c ks l o p ew i t hd i f f e r e n ts t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c sa n dr o c kt y p e s a l o n gt h er o a d ，r e s p e c t i v e l y , a p p l i e dd i f f e r e n tc a l c u l a t i o nf o r m u l a sa n da n a l y s i sm e t h o d sa b o a t s t a b i l i t ye v a l u a t i o no fs l o p e ：f o rt h ea r e ao fm e t a m o r p h i cr o c k s ，m a g m a t i cr o c k s ，i t ss t a b i l i t y c o n t r o l l e db yt h es t r u c t u r a lp l a n e ，a p p l i e dl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o dt oc a l c u l a t et h es t a b i l i t y c o e f f i c i e n to ft h i st y p es l o p e ，a n de v a l u a t e dq u a n t i t a t i v e l yt h er o c ks l o p es t a b i l i t y a tt h es a m e t i m e ，f o rt h es l o p ew i t ht h ef a i l u r em o d es u c ha sr o c kd u m p i n g ，w e d g ed e s t r o y e d ，o u t b u r s t d a m a g e ，c o m b i n e dw i t ht h el i m i te q u i l i b r i u mm e t h o da n dm e c h a n i c a la n a l y s i s ；a n df o rt h e c o l l a p s ea n ds p a l l i n g ，c o m b i n e d 嘶t ht h el i m i te q u i l i b r i u mm e t h o da n dt h ee n g i n e e r i n g g e o l o g i c a l ；b u tf o rt h em u d s t o n es l o p e si nt h ea r e a s ，a p p l i e dm i n i m u mp o t e n t i a le n e r g yt h e o r y , a n de s t a b l i s h e di t ss t a b i l i t yc a l c u l a t i o n ( 3 ) a n a l y z e da n ds u m m a r i z e da l lk i n d so fs l o p ep r o t e c t i o n sa l o n gs h a n gm a nh i g h w a y a c c o r d i n gt ot h en e e dt oc o n s i d e rs e v e r a ls c h e m e sa n dt a r g e t si ns l o p ep r o t e c t i o n ，i n t r o d u c e d i n t oo p t i m i z a t i o nt h e o r ya b o u te n t r o p ym u l t i p u r p o s ed e c i s i o n ，e s t a b l i s h e do p t i m i z a t i o nm o d e l o fr o c ks l o p ep r o t e c t i o np r o g r a mt oo p t i m i z et h ep r o g r a m s ，a n dt os e l e c tt h eb e s tt e c h n o l o g y a n dt h ee a s i e s ti m p l e m e n t a t i o no fp r o t e c t i v ep r o g r a m s k e yw o r d s ：r o c ks l o p e ；s t a b i l i t ya n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o no fp r o t e c t i v e i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：慨 聊年岁月争日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1选题背景及研究意义 边坡作为最基本的地质环境之一，也是人类工程建设中最常见的工程形式。边坡工 程研究亦有着悠久的历史，近年来，随着土地资源的大力开发以及大规模建设工程的开 展，边坡问题越来越突出，它己成为同地震、火山相并列的全球性三大地质灾害之一， 逐渐成为岩土工程及地质工程领域的一个研究热剧1 1 。 根据相关资料报道 2 1 ，美国每年由于滑坡灾害造成的经济损失超过l o 亿美元，用于 公路、道路因滑坡危害所需资金超过1 亿美元，意大利每年因滑坡灾害造成的经济损失 约1 0 亿 - - 2 0 亿美元，日本每年因滑坡灾害造成的经济损失高达4 0 亿美元，我国每年因滑 坡灾害所造成的经济损失也占主要因素。边坡失稳严重危及到国家财产和人民的生命安 全，对边坡进行稳定性分析以及在稳定性评价前提下进行防护优化设计也成为岩土工程 中重要的一个研究课题。 作为本课题研究的依托工程一商( 州) 一漫( 川关) 高速公路，位于陕西省商洛市境内， 路线全长9 4 5 0 2 k i n ，占地6 3 9 6 2 3 亩。路线穿越秦岭山脉，山大沟深，地势险峻，溪涧交 错，水文地质、地形条件异常复杂。全线按四车道高速公路标准建设，设计行车速度为 8 0 k m h ，路基宽度2 4 5 m 。随着路堑边坡的开挖，不可避免的破坏当前的地形地貌，从 而沿线产生大量岩质边坡，其坡面破碎风化尤其严重，若不及时妥善处治防护，将对在 建工程的顺利推进以及建成后道路的正常运营形成较大影响。同时，易造成重大的人身 安全和财产损失。 因此，研究岩质边坡的稳定性，并在此基础上针对岩质边坡作出合理的防护方案优 化设计，对于预防边坡发生失稳，以及对失稳边坡进行处治防护以保证边坡稳定，把边 坡失稳造成的灾害降低到最低限度，都具有非常重要的现实意义。 1 2岩质边坡基本特点及国内外研究现状 边坡问题的研究起源于对土质边坡的研究，其研究学者多为地质工程师。经过1 0 0 多年的研究和发展，从边坡的规律性分析，到边坡的变形破坏机制的研究，以及边坡稳 定性评价和预测预报，还有边坡工程治理均取得了令人瞩目的成果，而岩质边坡具有其 不同于土质边坡的特点，比土坡情况更为复杂，对岩质边坡的研究涉及多种学科且发展 迅速。 第一章绪论 1 2 1 岩质边坡的基本特点 岩质边坡的载体是各种性质的岩土体，岩土体的性质如何将直接影响到边坡的稳定 性能。岩土体是地质体的组成部分，是由岩石和地质结构面共同构成的。岩石的类别很 多，按其成因分，有沉积岩、岩浆岩和变质岩；按其强度分，有软岩、中硬岩和硬岩等， 结构面也是非常复杂的，有不同规模的结构面( 断层、节理等) ；有强度上差异很大的结 构面( 硬性的和夹泥的) ；有各种不同地质成因( 压、扭及张性) 的结构面，它们从属于形 成时的应力条件，以不同的产状成组出现，各组结构面在发育程度上也有差别。在岩体 中，结构面之间以某种关系组合在一起，再与岩石组合，形成了一种特定的结构，即所 谓的“岩体结构”。 岩体结构包括结构面和结构体两个要素。结构面是指具有一定面积的连续、断续延 展的破裂或隐伏破裂的地质界面；结构体是指不同产状结构面组合分割的单元岩块。岩 体中结构面的存在，降低了岩体的整体强度，增大了岩体的变形性能，加剧了岩体的流 变特性和其它时间效应，并加深了岩体的不均匀性、各向异性和非连续性等性质。大量 的岩质边坡工程失效实例表明，不稳定岩体往往是沿着适宜的一个或多个结构面的组合 边界发生剪切滑移、张拉破裂和错动变形等破坏，进而造成边坡岩体的失稳。 由于岩质边坡不同于土质边坡的关键在于其特殊的载体一岩土体，所以对不同的岩 体结构类型进行分类，是研究岩质边坡工程及其它岩体工程地质问题的有效方法。岩体 结构分类，主要是以岩石强度、岩石被结构面切割的程度( 岩体完整性) 以及岩体的结构 形态特征等因素为基础的，在一定程度上反映了岩体的质量。这是岩质边坡工程问题研 究的基础所在【3 j 。 综上，岩质边坡具有特殊的载体一岩土体，具有不均一性、不连续性和各向异性； 岩土体与般介质的重大差别在于它是由结构面纵横切割形成而具有一定结构的多裂 隙体，岩体中的结构面对岩体的变形和破坏起着控制作用；岩质边坡由于其组成岩体的 结构面及发育裂隙的存在，易发生不同于土质边坡的失稳破坏现象，如表面剥落、崩塌、 滑坡、落石等；相对传统土质边坡的稳定性分析及防护方法，对于岩质边坡，将不同的 岩体结构类型进行分类，并针对不同的岩体类型做边坡稳定性分析和防护是行之有效的 方式之一。 1 2 2 岩质边坡稳定性分析国内外研究现况 岩质边坡稳定性的研究是工程地质学和岩体力学研究的一个重要组成部分，它的形 成和发展与人类工程活动的迫切需要和相关学科的迅速发展密切相关。我国岩质边坡稳 2 长安大学硕士学位论文 定性的研究工作起步比较晚。2 0 世纪7 0 年代铁道部对全国铁路沿线“滑坡分类与分布 进行了专题研究；“六五计划”期间，地质矿产部将“中国西南、西北崩滑灾害与山区 斜坡稳定性研究 列为专题进行重点攻关；“七五计划期间，国家重点项目“三峡工 程 对库区沿岸重点边坡进行了大量的研究；“八五计划”期间，水利水电部的“岩质 高边坡稳定及处理技术列为国家重点攻关项目；8 0 年代以来，水利水电大力发展，通 过对龙羊峡、李家峡、五强溪、龙滩等工程的边坡工程进行的系统研究，取得了丰硕的 成果 4 1 。 岩质边坡稳定性分析的方法是多种多样的，对于接近整体结构的岩质边坡，宜使用 分析应力应变特征的有限元和其它非连续介质的方法；对风化、破碎的岩体，则可采用 类似土质边坡稳定性分析的极限平衡方法【5 】。极限平衡法假定滑坡发生时，存在着一个 发生剪切破坏的滑裂面，在这个滑裂面上，土体处处达到了极限平衡，通过分析土体在 破坏那一刻力的平衡来求得问题的解。 但由于问题多数是静不定的，极限平衡方法中引入一些简化假定，从而使问题变得 静定可解。如s a r m a 法采用斜条分法，假定条块倾斜界面之间也达到了极限平衡，这样， 求解安全系数变成静定的问题。h o e k 教授对s a r m a 法进行了推广，并亲自编写了s a r m a 程序( 1 9 8 7 ) 【6 】。我国潘家铮教授在对极限平衡法的理论基础做出的解释中指出，滑坡发 生时，内力会自动调整，以发挥最大的抗滑能力【_ 7 1 。因此传统的极限平衡法中包含的静 不定问题可以通过引入求解安全系数的最大值这一约束条件来解决。孙君实( 1 9 8 4 ) 应用 模糊数学理论来实现这一约束条件【8 】。潘氏理论同时指出，真实地滑裂面又是提供最小 的抗滑能力的。陈祖煜在深入研究潘家铮“最大最小原理 时发现，这一原理实际上是 塑性力学上、下限定理的另一种表达方式，并给出了具体的证吲9 1 。 2 0 世纪8 0 年代后，由于计算机技术的发展及岩体力学性质研究的进展，各种复杂 的数值计算方法广泛地应用于边坡研究。19 8 3 年孙玉科对盐池河山崩变形机制作了平面 有限元分析【1 0 1 ；1 9 8 9 年陈宗基对抚顺露天矿边坡按照1 9 。、2 4 。、3 4 。的坡角以及坡 角为1 9 。并有深部开采的不同模式进行有限元分析【l l 】；1 9 7 1 年c u n d a l l 提出了非连续介 质的离散元，用于模拟边坡的渐进破坏【1 2 】；1 9 9 1 年t o s h i h i s a 运用该方法分析了日本3 0 5 国道的岩石边坡的破坏过程；1 9 9 1 年j o n s 对英国威尔士煤田边坡稳定性与采矿沉陷性 状的相关性进行了有限元分析，并用模型实验进行验证l l 引。1 9 8 6 年f l a c 的出现，推动 了边坡分析的进一步发展，它不但可以处理大变形问题，还可以模拟某一软弱面的滑动 变形，能真实反映实际材料的动态行为，并可考虑锚杆、挡土墙、抗滑桩等支护结构与 3 第一章绪论 围岩的相互作用，被公认为是岩土力学数值模拟行之有效的方法。1 9 8 8 年b r d a y 运用它 对矿山倾斜采场的加固方案进行了模拟，1 9 9 3 年b i l l a u x 对6 m 高冲填体进行了模拟【l4 1 ， 1 9 9 5 年王永嘉将f l a c 引入国内，先后在水电、隧洞、边坡中广泛使用【l 5 1 。 2 0 世纪9 0 年代，边坡问题的研究将传统的边坡工程地质学、现代岩土力学和现代 数学力学相结合，形成了所谓的现代边坡工程学，各种现代科学的新技术，如系统工程 论、数量理论、信息理论、模糊数学、灰色理论、现代概率统计理论、耗散论、协同学、 突变理论、混池理论、分形理论等不断用于边坡问题研究中，从而产生了边坡的稳定性 研究的新理论、新方法【l 引。 而进入2 1 世纪以来，随着计算机技术和计算软件、硬件的迅速发展，岩质边坡工 程的分析理论、计算方法和应用技术也得到了迅速发展，具体表现为【1 7 】：( 1 ) 分析软件 向可视化发展；( 2 ) 分析软件向集成化方向发展；( 3 ) 分析软件向智能化方向发展。 1 2 3 岩质边坡防护国内外研究现况 随着公路等级的不断提高，边坡防护也越来越受到重视。高速公路具有路基较宽、 挖填较大的特点，因此对其边坡防护应给予积极关注【l 引。公路高边坡防护的好坏直接影 响到行车环境舒适及安全与否，公路高边坡防护形式主要包括工程防护和植物防护两 类。西方和日本等发达国家建设高速公路的时间比较早，经过多年高等级公路建设的实 践积累，尤其对公路边坡长期加固的研究和实践，己形成了一套工程防护与植物防护相 结合的公路边坡防护体系，各种柔性支护和绿化措施，如土工格栅、土工织物、基质喷 播等与生态防护相结合的技术己成为设计中的常识，并实现了边坡的信息化设计i l 9 1 。 我国公路设计和建设部门投入了大量人力和物力开展对公路边坡设计与防护的研 究，国内外各种先进的工程防护及植物防护技术都开始在我国公路边坡防护上得到应 用，取得了较好的成效。我国公路通常采用的边坡防护与加固方法主要有：坡面防护包 括工程防护和植物防护，其中工程防护有干砌片( 块) 石护坡、浆砌片( 块) 石护面墙、混 凝土预制块护坡、混凝土骨架护坡、窗孑l 式骨架护坡、六棱块护坡及喷射混凝土护坡等， 植物防护有铺草皮、种草和植树；坡体加固则有护面墙、抗滑墙、抗滑桩( 预应力锚索 抗滑桩) 、预应力锚索框架( 预应力锚索梁) 、压浆固结、土钉墙和排水固结等方式。 植物防护技术是近几十年来兴起的- i - j 学科，但是目前还没有一个统一的术语来描 述。因此国内也有对其称为生态护坡、植物固坡等等，国外则有v e g e t m i o n ，b i o t e c h n i q u e ， s o i lb i o e n g i n e e r i n g 等之称。总之，植物护坡就是利用植物茎叶可以截挡降雨，根系可以 持水固土这一特性来达到稳定边坡同时美化环境的一种技术手段【1 9 】。 4 长安大学硕士学位论文 植物护坡应用最早出现在中世纪的欧洲，法国、瑞士的运河河岸就采用栽种柳树来 保护的。直到2 0 世纪欧美国家在采用活枝捆垛( 1 i v ef a s c i n e ) 、活枝扦插( 1 i v ec u t t i n g ) 、枝 条篱墙( w a t t l ef e n e e ) 的基础上，于5 0 年代发明并大力推广液压喷播技术( h y d r o s e e d n i g 或 h y d r a u l i cm u l c h i n g ) ，到了8 0 年代又发明t - - 维网植草护坡技术【1 9 】。 岩质边坡的防护绿化，是在土质边坡绿化的基础上发展起来的，它建立在岩石力学 和喷锚结构的基础上。对岩质边坡的稳定的过分重视和陡峭岩壁上土壤保持的巨大困 难，使人们长期忽略岩质边坡的绿化问题。日本是个人多地少的国家，非常重视环境保 护工作，他们较早产生改进传统喷锚支护方法，把防护和绿化有机地结合在一起，创造 出了喷射绿化方法。日本于1 9 7 6 年首先开发出厚层基材喷射护坡技术，主要用于软弱 岩石边坡的生态防护。2 0 余年来，此项技术在日本得到不断的改进、完善。目前，日本 在岩质边坡绿化上已形成一整套技术系统，即“从种子到树林的再生技术”，除已开发 出如客土喷射技术外，还有框架护坡绿化技术、框架+ 客土喷射绿化技术、植生袋绿化 技术、开沟钻孔客土绿化技术等。而且日本非常重视生态学在工程中的应用【2 0 】巍： 我国的植物防护技术可以追溯到1 5 9 1 年的明代，当时人们也是种植柳树来护河岸， 但我国的植被护坡技术应用在9 0 年代才得到重视，以前只是小范围的采用穴播、沟播 或片石骨架植草，对植物防护的理论、设计和功效并没得到系统性的认识。1 9 8 9 年广东 省水利水电科学研究所引进了第一台液压喷播机，开始在华南地区进行液压喷播试验。 1 9 9 3 年又引进了土工材料植草护坡技术，并研制开发出新型的三维植被网、土工格栅等 产品。经过十多年的发展完善，植物防护技术已经广泛的运用于公路、铁路及堤坝等工 程中，总体上来讲国内对植物防护技术的研究还是处于初期探索阶段【l9 1 。 1 3研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 岩质边坡与土质边坡不同，岩质边坡的稳定受结构面的控制，因此岩质边坡的失稳 通常是沿各种软弱结构面而发生的，其滑动面通常是各种软弱结构面的组合。岩质边坡 的滑体在滑动过程中侧向结构面也常常发生相对滑动，然而岩质边坡中的各种结构面并 不总是垂直的，这些都给岩质边坡的稳定分析带来了巨大的困难。 本文在总结、分析国内外有关公路岩质边坡稳定性分析及防护技术研究成果的基础 上，根据对商漫高速公路岩质边坡防护现状的调查、分析和研究，采取室内试验和实体 工程验证，结合课题组在公路工程地质分区、公路岩质边坡地质结构模型、各因素对岩 5 第一章绪论 质边坡稳定性影响及合理坡型的研究工作基础上，对商漫公路岩质边坡防护方案进行了 比选和优化。提出一套适合商漫岩质边坡( 其它边坡也可借鉴) 的防护方案，并对其进行 了优化，从而大大提高公路岩质边坡设计的科学性与经济性，为商漫地区公路岩质边坡 的防护设计提供了科学依据。 本文主要做了以下几项工作： ( 1 ) 回顾边坡问题的研究历史，描述了目前岩质边坡的研究现状，重点介绍了岩质 边坡稳定性分析评价方法和防护方案情况； ( 2 ) 对研究区的地质情况进行研究分析，总结研究区岩质边坡地质结构特征； ( 3 ) 通过研究区大量岩质边坡破坏的调查及资料分析，确定岩质边坡失稳破坏特征、 稳定性影响因素及破坏模式； ( 4 ) 对研究区岩质边坡依据其岩石类型的不同分别不同方式做稳定性分析评价； ( 5 ) 将研究区岩质边坡基于熵权多目标决策集理论进行防护方案优化，提出建议优 选方案。 1 3 2 技术路线 本文的技术路线如图1 1 所示： 图1 1 技术路线图 6 长安大学硕士学位论文 第二章商漫高速公路岩质边坡的工程概况 2 1自然地理概况 商( 商州) 漫( 漫川关) 高速公路位于陕西省商洛市境内，路线全长9 4 5 0 2 k m ，占地 6 3 9 6 2 3 亩。路线穿越秦岭山脉，山大沟深，地势险峻，溪涧交错，水文地质、地形条件 异常复杂。全线按四车道高速公路标准建设，设计行车速度为8 0 k m h ，路基宽度2 4 5 m 。 商洛市位于陕西省东南部，地处秦岭东段南麓，丹江上游，地跨长江、黄河两大流 域，与豫、鄂两地交界。东与河南省的灵宝、卢氏、西峡、浙川县市接壤；南与湖北省 的郧县、郧西县相邻；西、西南与陕西省安康市的安康、宁陕、旬阳和西安市的长安、 蓝田县毗邻；北与陕西省渭南市的潼关、华阴、华县相连。位处亚热带向暖温带过渡地 带，界于东径1 0 8 0 3 4 2 0 ”1 11 0 1 2 5 ”，北纬3 3 0 2 3 0 ” - - - 3 4 0 2 4 4 0 ”之间。东西长约2 2 9 k m ， 南北宽约1 3 8 k m 。全区总面积1 9 2 9 2 k m 2 ，占全省总面积的9 3 6 。由于受到冬夏季风和 青藏高原环流的影响，加上秦岭整个山脉对南方暖湿气流的阻挡作用，导致商洛的气候 属于暖温带半湿润季风气候，呈现出四季分明，雨热同季，冬干夏湿，干湿分明的气候 特征，干旱、连阴雨、暴雨、冰雹、霜冻等灾害性天气时有发生。 商洛地形地貌结构复杂，素有“八山一水一分田”之称。境内有秦岭、蟒岭、流岭、 鹘岭、新开岭和郧岭六大山脉，绵延起伏。岭谷相间排列，地势西北高，东南低，由西 北向东南伸展，呈掌状分布。海拔最高点位于柞水县北秦岭主脊牛背梁( 2 8 0 2 1 m ) ，最低 点位于商南县梳洗楼附近的丹江谷地( 2 1 5 4 m ) 。主要河流有丹江、洛河、金钱河、乾佑河、 旬河五大河流，纵横交错，支流密布。北部气候属暖温带，南部气候属亚热带。年平均 气温7 8 - - 1 3 9 。c ，最高3 7 - - - 4 0 8 ，最低1 1 8 2 1 6 ，降水量年均7 1 0 - - - 9 3 0 m m ， 日照1 8 6 0 2 1 3 0 小时，无霜期为2 1 0 天。 2 2商漫高速公路的地质环境 2 2 1 地形地貌 商漫高速公路整体地貌以宽谷深沟的低中山、低山山地地貌为主。项目区地势总体 呈北高南低，山大沟深，地形复杂，沟谷多为“u ”字型，部分路段沟谷呈“v 字型。 商洛市地形地貌结构复杂，境内有秦岭、蟒岭、流岭、鹘岭、新开岭和郧岭六大山脉， 绵延起伏。岭谷相间排列，地势西北高，东南低，由西北向东南伸展，呈掌状分布。海 拔最高点位于柞水县北秦岭主脊牛背梁( 2 8 0 2 1 m ) ，最低点位于商南县梳洗楼附近的丹江 7 第二章商漫高速公路岩质边坡的工程概况 谷地( 2 1 5 4 m ) 。秦岭西起甘肃，东至淮阳，是一块皱褶断块山地。秦岭北坡短而陡，水流 急湍，多山涧深谷，有“秦岭七十峪”之称；南坡长而缓，呈现山高谷深的地貌。 2 2 2 气象概况 项目区属亚热带向温暖带过渡的季风性半湿润山地气候。年平均气温1 3 1 ，一月 最冷，平均气温0 4 ，极端最低气温1 4 5 ；七月最热，平均2 5 4 ，极端最高气温 3 9 8 。平均年降水量7 0 7 m m ，最大年降水量1 1 3 1 m m ，最小降水量4 7 3 m m ，降水集中 于七、八、九三个月，夏秋季节易暴发山洪，常泛滥成灾。年日照时间2 1 3 4 h ，日照率 为4 8 ，无霜期2 1 0 天。 2 2 3 水文概况 项目区属长江流域汉水水系，主要河流有县河、银花河、漫j i i d , 河，其共同特点是 蛇曲明显，支流发育；区内各河均为山地河段，比降大，水流急，峡谷多。项目区地下 水主要以基岩裂隙潜水、构造裂隙、空隙潜水、灰岩岩溶水、松散岩类孔隙潜水等形式 存在；山地区地下水的补给以大气降水和径向侧流补给为主，河流阶地松散岩类地下水 补给不仅有大气降水，而且由于地表水与地下水相互贯通，相互转换补给，因此松散岩 类富水性要好于基岩富水性；地下水排泄以地表径流和大气蒸发为主，主要以地表水径 流排泄为主；项目区水质中性，少见游离c 0 2 ，无腐蚀性，可作为饮水及施工使用。 2 2 4地质构造 项目区位于北秦岭造山带拼接段和南秦岭造山带，区内褶皱、断裂发育，地质构造 复杂，南北秦岭造山带以黑山断裂相隔。北秦岭造山带由秦岭岩群与地体拼合带间丹凤 岩群玄武岩、罗汉寺岩组弧后盆地火山一沉积岩组成，侵入岩为元古代花岗岩、印支期 花岗岩，为一体拼合构造带，边界为区域性大断裂分割限定，内部断裂构造一般为近地 体边界分段发育；南秦岭造山带由新元古界耀领河岩组变质过度基底和震旦系一石炭系 沉积盖层组成，基底为太古界。岩浆活动较发育，以海西期闪长岩、印支期花岗岩为主， 为叠瓦式推覆一褶皱构造带。断裂构造以东西向为主，北西向、北东向次之，南北向局 部发育。项目区主要地质单元有东西纬向构造体系、南北向构造和山阳红盆地，其中东 西纬向构造体系是区域内主要构造。 区内未发现大的断裂，但受区域断裂、构造的影响，发育小型断裂、错裂。根据区 域资料，结合现场调查、物探，该段内共有6 条断层( 1 条为地表观测、其它为震探揭露) 。 新生代以来，本区新构造运动受秦岭构造带总体活动格局的制约，以断块升降运动为主 8 长安大学硕士学位论文 导，主要表现为断裂构造的继承性活动和山一盆耦合的振荡性不均匀升降以及地震的多发 性。 区域资料表明： 1 ) 漫川关断陷盆地下部堆积以白垩系为主，上部为第四系，堆积厚度达数百米。依 秦岭山地夷平台阶高度分析，秦岭山地上升高度和断陷盆地下降幅度总和达近千米以上。 表明山一盆耦合的同步振荡性不均匀升降作用始于燕山运动末期，新生代断块升降活动强 烈。 2 ) 本区中一新生代沉积断陷盆地的规模、沉积地层的差异、沉积厚度变化、多极沉积 间断与不整合面以及沿断层谷河流、沟谷发育的多级内跌式或基座式阶地等，均表明断 陷盆地与基岩山地呈间歇性同步不均匀振荡升降变化特点，活动性具北强南弱的规律。 综合上述，：早期形成的断裂构造继承性活动和沉积盆地不均匀振荡性上升，是本区 新构造断块活动的主要表现形式，其不仅制约着新生代山一盆耦合关系的变迁，也是区内 复杂地貌及沉积与侵蚀夷平形成的内在因素。 2 2 5地层概况 项目区出露地层有第四系全新统、上更新统、中更新统，第三系下统山阳组，泥盆 系上统桐峪寺组、下统青石垭组和池沟组，以及元古代侵入岩之杨斜岩体。 路线带出露地层以白垩系为主，局部奥陶系地层，第四系分布于断陷盆地、各级水 系及两侧山体边坡。 奥陶系( o ) ： 分布于路线终点( 与正在施工的云岭隧道相接) 处，岩性为灰岩，岩石坚硬，局部被 石英脉充填。 白垩系( k ) ： 分布于漫川关断陷盆地周边低山区。岩性为浅紫红一砖红色砾岩、含砾砂岩、泥岩。 结构疏松，成岩性较差。 第四系( q ) ： 路线所涉及的第四系主要分布于断陷盆地、各级水系河床及两岸阶地、山体缓坡等 地。出露有更新统、全新统。 1 ) 上更新统冲洪积层( q 。“州) ：分布于断陷盆地边缘丘陵区及沿线较大水系两岸二、 三级阶地上，距现代河床高度一般1 5 一- 5 0 m 。下部为卵石土、砂砾土、砂土；上部为砂 9 第二章商漫高速公路岩质边坡的工程概况 土、粉土、粉质粘土、根系土，土质松散，具二元结构。为河流相冲、洪积堆积层。 2 ) 全新统冲洪积层( q 。h h l ) ：分布于河谷两岸一级阶地上，距现代河床高度一般3 1 5 m 。下部为卵石土、砂土层；上部为砂土、粉土层，土质松散，具二元结构。 3 ) 全新统冲洪积层( q 。2 8 帅1 ) ：分布于各级水系河床、河漫滩。为卵石土、砂砾土、砂 土、粉土、砂质粘土组成，圆砾土、砂质土填隙。在山地河道中以卵石土为主，磨圆石， 多含漂石。 4 ) 全新统坡积、残坡积层( q 。m 、q 。小州) ：分布于各级冲沟、宽缓山坡、圆缓山脊。为 碎石土、角砾土、块石、粘性土、腐殖土。厚约0 2 - - - 0 3 m 。 5 ) 滑坡堆积( q 。曲1 ) 、崩塌堆积( q 。) ：主要分布于区内陡崖边。由其基岩块石、碎石土、 粘性土组成，无分选、无层埋，土体较松散。厚度一般为5 - - , 3 0 m 。 2 2 6 地震烈度 根据岩土体结构、构造类型、活动断裂强度和区内已发生的地震及中国地震动参 数区划图( g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 ) 等综合分析、本区属于秦岭山地基本稳定区。地震峰值加速 度为0 0 5 - 0 1 9 ，在南部( 即f 5 断裂以南地区) 地震动峰值加速度以0 0 5 9 为主，在北部( 即 f 5 断裂以北地区) 则由南向北地震动峰值加速度可由0 0 5 9 增至o 1 9 。相当地震基本烈度 为度。 2 2 7 不良地质 沿线不良地质现象主要有弱膨胀土、崩塌、滑坡、泥石流、岩堆和构造破碎带等类。 其分布特征主要受自然地理位置、地形地貌及基岩类型、构造活动等控制。 1 ) 崩塌 主要受地形地貌及基岩类型分布控制，取决于边坡岩体的坡度、软硬程度和断裂、 节理、裂隙的发育程度。受区域构造活动的影响，在万福沟一带的陡崖下有连续分布的 崩塌岩堆。堆积物粒径最大4 0 m 。其他地方有零星小崩塌，影响不大。 2 ) 滑坡 多与软质层状岩体( 白垩系砂岩、泥岩，顺层) 有关，由于这些岩石抗风化性差，易 剥落，含水性差，上部的松散层( 残坡积物) 易沿层面滑动。k 1 7 8 + 6 5 0 右6 0 m 滑坡为比较 典型的新滑坡，规模中等，稳定性差。但据路线较远，该处以桥梁形式通过，所以对路 线的影响不大。烈马沟北大型滑坡为土石质滑坡，形成年代较早，对路线无影响。其他 地段在陡坡处发育小型滑塌，影响不大。 1 0 长安大学硕士学位论文 3 ) 特殊性状岩土体 经室内试验测试，白垩系粘性岩( 泥岩) 及大部分风化残积粘性土不具膨胀性，但局 部风化残积粘性土具弱膨胀性。该段膨胀土的分布范围为k 1 7 9 + 1 5 0 k 1 7 9 + 2 8 0 、 k 1 7 9 + 3 3 0 k 1 7 9 + 3 8 0 ，分布深度最深约3 5 m ，自由膨胀率0 4 5 - - - 一0 5 5 ，膨胀力5 - 2 6 k p a ， 相应的液限为3 0 4 - 3 4 7 。 2 3典型岩质边坡的工程概况 商漫高速公路沿线岩质边坡均为人工开挖边坡。根据多次现场调查和资料整理分析 表明，沿线共有岩质边坡9 0 个( 如图2 1 所示) ，其中坡高大于3 0 m 的高边坡有2 0 个。 籁 七 絮 剥 边坡里程桩号 图2 1 商漫高速公路沿线边坡分布图 根据沿线工程地质状况及边坡实际风化破坏情况，发现全线岩质边坡中以花岗岩、 板岩及泥岩为主( 具体分布情况在第3 章有详细论述) ，选取其中较为典型的k 0 8 8 + 3 3 0 - - - k 0 8 8 + 4 1 0 、k 1 0 2 + 6 l o k 1 0 2 + 7 1 0 、k 1 7 8 + 0 0 0 k 1 7 8 + 7 7 0 三处岩质边坡作为本文的研 究目标。以下详细介绍各个边坡的岩体结构及强度特征。 2 3 1 典型岩质边坡岩体结构特征 对于岩质边坡，构成边坡的岩石，不但要受法向应力的作用，而且还受剪应力的影 响。抵抗有效应力的岩石既决定着边坡破坏发生的可能，又决定着边坡失稳在时间上的 变化，也就是说岩石的性质对边坡破坏的发生和发展都是相当重要的。 而组成岩体的岩石岩性，遭受的构造变动及次生变化的不均一性，导致了岩体结构 的复杂性。通常为了概括地反映岩体中结构面和结构体的成因、特征及其排列组合关系， 根据岩块组成成分、形状、节理裂隙等方面差异将岩体结构划分为以下4 大类【3 】： 第二章商漫高速公路岩质边坡的工程概况 ( 1 ) 整体与块状结构：主要为均质、巨块状岩浆岩、变质岩，巨厚层、厚层沉积岩、 正变质岩、块状岩浆岩、变质岩；主要结构形状为巨块状、块状、柱状；以原生构造节 理为主，只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，多呈闭合型，裂隙结构面间距大于0 7 m ， 一般不超过l 3 组，无危险结构面组成的落石掉块，偶有少量分离体。整体性强度高， 结构面互相牵制，岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体，不稳定结构体易局部滑动或 坍塌，深埋洞室的岩爆。 ( 2 ) 层状结构：主要为多韵律的薄层及中厚层状沉积岩、副变质岩；主要结构形状为 层状、板状、透镜体；有层理、片理、节理，常有层间错动。接近均一的各向异性体， 其变形及强度特征受层面及岩层组合控制，可视为弹塑性体，稳定性较差，不稳定结构 体可能产生滑塌，特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形。 ( 3 ) 碎裂状结构：主要为构造影响严重的破碎岩层；主要结构形状为块状；断层、断 层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育，裂隙结构面间距0 2 5 - 0 5 m ，一般在3 组 以上，由许多分离体形成。完整性破坏较大，整体强度很低，并受断裂等软弱结构面控 制，多呈弹塑性介质，稳定性很差，易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳。 ( 4 ) 散体状结构：主要为构造影响剧烈的断层破碎带，强风化带，全风化带；主要结 构形状为碎屑状、颗粒状；断层破碎带交叉，构造及风化裂隙密集，结构面及组合错综 复杂，并多充填粘性土，形成许多大小不一的分离岩块。完整性遭到极大破坏，稳定性 极差，岩体属性接近松散体介质，可能发生的岩土工程问题同碎裂状结构岩体。 边坡岩体结构分类情况见表2 1 。 表2 1 边坡岩质结构分类 结构类型岩体成因结构形状节理裂隙稳定性介质类型 整体与块状 岩浆岩、变质巨块状、块状、 多闭合较好 均质弹性各 结构岩，沉积岩柱状向同性体 薄层、层状沉积层状、板状、透两组以上，部 层状结构 较差弹塑性体 岩、副变质岩镜体分开口 三组以上，多 碎裂状结构 破碎岩层块状很差弹塑性介质 开口 断层破碎带，强 错乱，密集， 极差松散体介质 散体状结构 风化带，全风化碎屑状、颗粒状 多开口 带 从构造上来看，全线主要处于三个大型构造区：东西纬向构造体系( k 0 8 7 - k 1 0 1 ) 、 南北向构造( k 1 0 1 - - k 1 1 1 ) 和山阳红盆地( k 1 3 7 - k 1 7 8 ) 。从中各取一处代表性边坡作为典 型边坡详述其工程概况如下： 1 2 长安大学碗士学位论文 1 ) k 0 8 8 + 3 3 0 k 0 8 8 + 4 1 0 段边坡 k 0 8 8 + 3 3 0 k 0 8 8 + 4 1 0 段边坡处在东西纬向构造区，总体构造属于基本平行于线路 走向的单斜构造，倾向北，出露岩性为较破碎花岗岩，岩层倾角多在1 4 5 。i 舯。之间 波动，形成为数众多的左坡型顺层边坡。 k 0 8 8 + 3 3 0 k 0 8 8 + 4 1 0 垃体工程地质照片k 0 8 8 + 3 3 0 k o u + 4 1 0 段岩体结构照片 期片l 末西蚌向触区 垂岩夏垃垃 该边坡自然坡度4 5 。6 0 。，局部达7 0 。坡高2 8 m ，为中边坡。山体完整，冲 沟不发育，残坡积厚度一般0 m 3 0 r a ，沿公路基岩出露。边坡的整体稳定性较差，坡 面稳定性极差，有碎石掉块现象，滚石直径1 1 钿。 k 0 8 8 + 3 3 0 k 0 8 8 + 4 1 0 段边坡的岩土综台状况从上到下：填筑土：黄褐色，硬塑状， f 湿。以粘性土为主，舍有机质及杂物。层厚0 3 m ；种植土：灰色灰黑色，硬塑软塑 状，湿饱和，以粘性土为主，含有机质，层厚0 2 仉5 m 下部含强风化花岗岩，层 厚1 0 0 1 5 0 m ，岩层走向倾向左岸山内d b 东、北西) ，倾角4 5 。8 0 。，该层见黄色泥 质充填，层厚2 0 5 0 m ，泥质含量较高，抗风化能力差，岩石风化后质软；泥灰岩： 灰青灰色，泥质结构，中薄层状，层理明显，弱风化层较完整。 2 ) k 1 0 2 + 6 1 0 k 1 0 2 + 7 1 0 段边坡 k 1 0 2 + 6 1 0 k 1 0 2 + 7 1 0 段边坡处于南北向构造区域，总体构造与线路走向斜交，倾 向北东，出露岩性主要是极为破碎板岩变质岩，岩层倾角多在1 4 5 。1 8 0 。之间波动， 呈陡倾状，形成反倾型结构边坡。 该边坡自然坡度6 0 。7 5 。，坡高4 5 m 。为高边坡。山体完整，冲沟不发育，岩石 露头不多。边坡整体稳定性较好，坡面则极其破碎，极不稳定，易发生掉块。 第= 商漫高速公路岩质边坡的工程概况 k 1 0 2 + 6 1 0 k 1 0 2 + 7 1 0 坡体工程地质照片 k 1 0 2 + 6 1 0 k 1 0 2 + 7 1 0 段岩体结构照片 照片2 2 南北向拇造区典型岩质边坡 k 1 0 2 + 6 1 0 k 1 0 2 + 7 1 0 段边坡的岩土综合状况从上到下：种植土：灰黄褐黄色， 硬塑软塑状，饱和稍湿，以粘性土为主，含强风化碎石，含有机质及1 5 的泥灰岩 角砾、砾石，层厚02 10 m ；低液限粉土：黄褐黄色，硬塑坚硬状，稍湿湿， 含少量泥灰岩角砾( 约l o ) ，局部含块石，底部见灰岩，层厚0 3 m