c工程地質類比法
1. 地質災害危險性現狀評估
以定性分析為主,定量為輔的評估方法,按「技術要求」規定,根據評估區地質環境條件和已有取得資料,採用地質歷史分析法、工程地質類比法和穩定狀態,按大、中等、小三級(表5-14)對各類地質災害危險性現狀進行評估。
表5-14 地質災害危險性分級表
(一)崩塌(危岩)
首先對其穩定性進行評價,之後結合危害對象進行災害(危害)程度分級評價,在此基礎上進行危險性分級,如穩定性好,危害程度輕,則危險性小,相反即為危險性大,介於二者之間為危險性中等。
1.穩定性評價
根據崩塌體所處的地質環境條件,重點依據變形跡象,並與以往同類崩塌發生條件進行類比,綜合分析後判定其穩定性。評估區內崩塌大部分穩定性為較差至差,其中差的有19處,較差的有72處,好的有14處。差和較差者存在有再次滑塌的可能。
2.災害(危害)程度分級評價
根據調查,區內已發生崩塌災情均為一般級。現依據「基本要求」對崩塌危害程度進行分級評價,其中屬於重的有1處,編號b117,位於清水縣土門鄉老墳村(天水支線38km附近);該危岩體為黃土及下伏新近系泥岩組成的陡坡,由於人為開挖削坡形成,方量1.2×104m3,坡下學校被危及,管道也在下方通過。中等的有5處,其餘99處均為輕度危害。主要危害對象為農田和簡易公路,少數危害居民、學校,同時為泥石流提供了鬆散固體物質。
3.危險性評價
結合穩定性和災害(危害)程度結果,評價得出危險性大的有3處,分別位於張家川木河(b80)、清水縣土門(b117)、北道區北部(b120);中等的有 10處,主要分布於皋蘭山、清水金集—北道等地;其餘92處均為危險性小的。危險性大的前2處距管線較近。
(二)滑坡
對穩定性和危險性分別進行評價。
1.穩定性評價
按滑坡穩定性判別表(表5-15)進行評價,其中穩定性差的有7處,分別位於通渭碧玉、張家川木河、清水金集—北道;較差的有28處,分別位於蘭州范家坪、馬營—通渭、靜寧仁大—秦安蓮花、清水土門—天水北道等地;穩定性好的有23處。
現將2處典型滑坡的特徵分析一下。
(1)下河裡滑坡(h28)
位於張家川木河鄉下河裡村東側。滑坡發育在木河上游北岸,溝谷較窄,谷地寬約 100~180m,呈「U」型,發育有一級階地,高出河床3~5m,溝谷兩側為黃土丘陵,相對高差為80~100m。出露地層為新近系砂質泥岩並夾有灰綠色泥岩條帶,出露段表層風化強烈,其上為馬蘭黃土,厚約30~50m,坡體有細小沖蝕溝槽和零星落水洞。
表5-15 滑坡穩定性判別表
該滑坡為黃土—泥岩滑坡,滑坡體長500m,寬300~350m,平均土體厚20m,約40×104m3。滑距約100m,為一老滑坡,滑體下陡、上緩,坡度25°~40°,成因是地表水流側蝕形成。目前該滑坡前緣因修路削坡,形成一定的臨空面,局部已出現崩塌和漿砌護坡鼓脹開裂,極可能導致開挖段部分滑體復活。現場調查,推斷復活體長約50~60m,寬約100~150m,推測滑體厚度5~10m。現狀主要威脅對象為公路和農田,有再次發生的可能(圖5-5)。管線滑坡體下方,距其前緣剪出口約40m。
圖5-5 下河裡滑坡示意剖面圖
1.黃土 2.泥岩及砂質泥岩 3.黃土狀土 4.滑坡堆積物 5.滑床及滑向 6.推測復活體滑床及滑向
(2)蓮花城—郭家河滑坡群
位於清水河河谷北岸,共有5處,由巨型和大型老滑坡組成(圖5-6),自西向東編號依次為:h127、h128、h129、h130、h131。相應的管道里程樁號283km~288km。該段相對高差120~180m,平均坡度30~35°,出露地層為新近系泥岩、第四系黃土、黃土狀土,黃土厚約40~60m,披覆於谷坡及頂部,落水洞及沖蝕溝發育。
圖5-6 蓮花城—郭家河滑坡群平面分布圖
5處滑坡均為黃土—泥岩滑坡,上覆第四系馬蘭黃土,下伏新近系泥岩夾砂質泥岩。滑坡後壁高約10~30m,滑坡形態清晰,坡體長300~500m不等,寬500~800m,推測平均厚度30~40m,主滑方向垂直清水河流向。由於本段所發育的滑坡全是老滑坡,滑坡體受水流沖蝕切割強烈,坡體表面樹枝狀沖溝十分發育,切割較深的沖溝兩側小型崩塌發育,部分滑坡後壁在黃土與泥岩接觸處有泉水出露。滑坡群整體穩定,但組成物較鬆散,現狀前緣受河流側蝕和開挖削坡的影響,局部出現掉塊和崩塌等輕微的變形跡象,可能導致前緣較陡段復活。目前受威脅的對象為村莊、公路。管線在該5處滑坡下方通過(圖5-7)。
圖5-7 h131滑坡示意剖面圖
1.黃土 2.黃土狀土及砂礫石 3.泥岩及砂質泥岩 4.滑坡堆積物 5.滑床及滑向 6.泉
2.危險性評價
據調查結果,區內已發生滑坡災情從一般級到特大級都存在。危害程度嚴重的有3處,主要位於通渭碧玉等地;危害程度中等的有6處,主要位於秦安蓮花、天水北道等地;其餘49處屬於危害程度輕的。主要危害農田、公路、零星住戶,同時構成泥石流的鬆散補給物質。
根據滑坡穩定性和危害程度評判結果,評估區危險性大的滑坡有4處,分別位於范家坪—彭家大山(h3、h5)、通渭碧玉峽口(h49)、張家川木河(h28);中等的有30處,分別位於蘭州范家坪、靜寧仁大—秦安蓮花、清水土門~天水北道等地;危險性小的24處。
(三)泥石流
分泥石流災情和現狀危險性評估兩部分。
1.泥石流災情評估
區內已發生過多次災害性泥石流,按表5-16分級標准進行災情評估與分級,經調查後初步認為,評估區災害程度中和輕的較多,特重程度的泥石流一般很少發生。由於無法取得准確的資料,只能從簡單的走訪中了解。
表5-16 地質災害災情與危害程度分級標准
2.泥石流現狀危險性評估
按泥石流規模、易發性以及危害情況綜合評估危險性。
(1)泥石流規模。
本次按一次最大沖出量劃分(表5-17),計算方法採用徑流折演算法概算,經驗公式為:
WH=1000K·H.a.F.
式中:
WH——一次最大沖出量(104m3);
K——系數,取0.1~0.5;
H——小時最大降水量(mm);
a——系數,取0.73;
F——流域匯水面積(km2);
根據公式
計算得出區內一次最大沖出量介於0.1×104m3~7.5×104m3之間,其中屬於小一型的16條,小二型的47條。
(2)泥石流易發性
主要依據已經作過的《縣(市)地質災害調查與區劃》成果進行易發程度分區評價。在沒有作過此項工作的地區,首先按表5-18進行泥石流易發程度分級評價,其中易發程度(嚴重程度)按表5-19進行量化。
區內共有泥石流溝57條,中易發性泥石流溝有21條,低易發32條,不易發者4條。
表5-17 評估區泥石流規模劃分標准表
表5-18 泥石流易發程度分級表
(3)泥石流危害程度及危險性
評估區泥石流溝多屬深切溝谷,而村莊一般均座落於溝谷較高地段,泥石流危害相對較輕,僅對靠近溝口的村莊、農田以及公路有輕微危害,但在城鎮附近和人口集中的地方泥石流危害最大,往往對溝谷兩側及溝口設施形成大的威脅和危害,並誘發一些崩塌和滑坡發生,如通渭碧玉、秦安蓮花城、張家川韓家硤等地。區內泥石流危害程度輕的有24條,危害程度中等的有33條。
表5-19 泥石流易發程度(嚴重程度)數量化表
根據泥石流的易發性、規模和危害程度,區內危險性大的泥石流溝有2條,位於燕麥庄(N8)和高崖(N9);危險性中等的泥石流溝有31條,分別位於蘭州小坪子、馬營鎮、蓮花城、閻家店等地;危險性小的泥石流溝有24條。2條危險性大的泥石流溝距管線有一定距離,影響小。
(四)洪水沖蝕
洪水沖蝕強度東部大於西部,相應的危害性和威脅性也較大。通渭以西年降水量較低,屬中易發區,除少數河溝外,主要對農田、道路的威脅大,危害程度較小~中等。通渭以東,年降水量較多,特別是局地性陣雨及暴雨突發頻率較高,汛期洪峰流量大,來勢猛,對居民區和道路構成威脅,危害程度中等。除上述危害外,由於水流的不斷沖刷、浸泡和側蝕作用,常引起溝岸坍塌,加劇了水土流失,據有關部門資料和本次調查情況,通渭以西侵蝕模數500~2000t/(km2·a),強側蝕段坍岸速度0.1~0.5m/a,危害程度輕。通渭以東侵蝕模數小於2000~5000t/(km2·a),局部大於5000 t/(km2·a),危害程度中等。
依據調查成果,對評估區內洪水沖蝕災情和危險性分別給予評估。
災情評估依據表5-16分級標准進行,評價結果:屬於輕度災害的有4次,中等災害的有5次,重災害有2次(表5-20),表明本區洪水沖蝕危害一般為輕和中等,當遇降水多的年份或遇暴雨很可能造成較大的災害損失。
表5-20 已發生主要洪水沖蝕災害災情一覽表
易發性根據實地調查結果,並結合溝谷已發生洪水頻次和降水量分布情況確定。評價結果:高易發1處、中易發者1處,低易發10處(表5-21)。
根據洪水沖蝕災情和易發性結果,區內洪水沖蝕危險性小的有8處,中等的有4處(見表5-21)。
表5-21 評估區區洪水沖蝕溝現狀危險性評估一覽表
(五)地面塌陷
根據野外調查,評估區采空區目前僅有蘭州西固人防工程、地下水位上升引起的地面塌陷,人防工程與管線距離>1.5km,黃土丘陵區開挖窯洞引起的地面塌陷很少,其他地段不存在地面塌陷現象。所以評估區內地面塌陷危害小,危險性小。
(六)特殊岩土災害
1.黃土濕陷和潛蝕
根據《濕陷性黃土地區建築規范》,對黃土的濕陷類型及等級作了初步評價。丘陵區黃土為Ⅱ-Ⅳ級自重濕陷性土,屬中等—很嚴重等級,河谷區黃土狀土多為Ⅰ—Ⅱ級非自重濕陷性土,僅黃河、渭河二級階地局部地段為Ⅱ級自重濕陷性土,屬輕微—中等級。
黃土濕陷和潛蝕現象主要表現為陷穴、陷坑、落水洞和豎井等。多零星分布於地形低窪地帶和陡岸處,規模均較小,落水洞一般深2~5m,洞口直徑0.5~2.5m。目前主要危害公路、渠道和農田,另外,引起崩塌、滑坡和水土流失發生。在黃土丘陵和河谷地帶對鄉間公路危害較大,危險性中等,其餘地段危害小,危險性小。
2.鹽漬土的鹽脹和腐蝕
鹽漬土以硫酸—氯化物型為主,經收集資料分析,通渭以西0.0~1.0m段土壤平均含鹽量為3.4%,最大可達 8%~15%左右,表層有弱脹縮性和腐蝕性;該類土現狀分布面積很小,對農田等不具危害性,因此危害小,危險性小。對建築基礎工程有一定影響,但危害小,危險性小。
高礦度水分布區,礦化度1.7~3.2g/L,p H值1~8,氯離子和硫酸根離子含量大於500mg/L,對混凝土和鋼結構有一定的腐蝕性,按《岩土工程勘察規范》(GB50021—2001)指標對比評價,評價區高礦化度水對混凝土具弱—中等結晶性侵蝕,小面積強腐蝕區位於黃河二級階地後緣和葫蘆河、牛谷河及關川河等地;對鋼材的腐蝕性均為中等(表5-22)。
3.膨脹岩的脹縮
根據岩樣分析結果,白堊系泥岩自由膨脹率(Fs)為20%~60%,蒙脫石含量8.17%~19.09%;頁岩自由膨脹率(Fs)為40%~54.3%,蒙脫石含量8.94%~15.59%。
新近系泥岩自由膨脹率(Fs)為11%~59%,膨脹力(Ps)(4~25)k Pa,飽和吸水率(Wsa)9.9%~34.9%。
依據《岩土工程勘察規范》,按自由膨脹率(Fs)分類(表5-23)評價,本區膨脹岩在大部分地段具脹縮性,但均屬弱膨脹潛勢,主要危害是剝落、掉塊造成農田、道路和水利設施等的掩埋,致災現狀輕微,危險性小。此外黃土自由膨脹率變化較大,現狀危害輕微,危險性小。
表5-22 高礦化水對混凝土和鋼結構腐蝕性評價結果表
表5-23 膨脹岩的膨脹潛勢分類表
2. 地質工程問題
1.上池
上池位於高程570~620m的山頂窪地,除局部地帶分布有礫岩外,主要為多次噴發形成的安山岩、凝灰岩及火山岩組成,岩體受卸荷影響,極為疏鬆。有正長岩和閃長岩脈穿插,池盆內斷裂十分發育,除有F3、F118大斷層外,沿不同岩性接觸帶都發生過不同程度的層間剪切錯動破壞。節理很發育,將岩體切割成5~30cm不等的碎塊。風化卸荷嚴重,岩體結構鬆弛,一般表現為碎裂夾泥。斷層帶及層間剪切破碎帶物質一般由斷層泥或泥夾碎屑組成,斷層泥內蒙脫石含量達50%以上,親水性強,抗剪強度低。岩體彈性波縱波速度一般為2000~3200m/s,岩體原位變形試驗測得,嚴重破碎帶岩體變形模量E0=42~50MPa,泥質軟化帶E0=15~30MPa,一般較好岩體E0=110MPa左右,斷層泥的抗剪強度φ=8°~12°,C=0.01~0.05MPa,破碎夾泥帶(含強烈卸荷風化岩體)φ=26°~28°,C=0.01~0.02MPa。
斷裂發育並強烈卸荷的地質環境,給上池工程帶來下列嚴重地質工程缺陷:①池盆滲漏嚴重,需作全面防滲工程處理;②副壩壩基和防滲面板地基壓縮變形大,可能產生不均勻變形,可能導致防滲面板破壞;③池盆邊坡岩體變形失穩嚴重。
圖5-10 上池卸荷帶加固工程示意圖
上池以1∶1.5的坡比開挖,一般挖深20~35m,最大達40~70m。池盆坡高為31m,池盆以上邊坡高度為0~40m不等。沿池頂計算,開挖池坡總長約1135m,其中705m屬於不穩定或潛在不穩定地段,占總長的67%。在開挖過程中,先後出現滑坡、坡體蠕動變形滑動三處,累計變形破壞地段長度達310m,最大滑坡體積達30萬m3。為了確保池坡岩體的穩定,分別對滑坡和蠕動變形岩體進行了開挖減載、加抗滑樁、混凝土擋牆、預應力錨索加固、局部固結灌漿和帷幕灌漿進行防滲處理,防止滲透水浸泡外邊坡岩體,產生外邊坡失穩等(圖5-10)。
2.引水壓力管道
引水壓力管道大部分位於蟒山卸荷帶內。岩體卸荷鬆弛,風化嚴重,充填次生夾泥多,岩體質量極差,同時又有F3 和F20兩條規模較大的斷層通過。由於斷層構造岩(泥化帶)隔水,使地下水形成階梯狀分布的水文地質結構(圖5-9)。施工開挖過程中,經常發生突水塌方。其中引水洞挖至F20斷層帶時,兩條引水洞都產生了大體積的突水和塌方。通過斷層帶時,又產生了大塌方。其中2#塌方冒頂通天(圖5-11),位於F20斷層帶內的1#塌方也接近通天冒頂,塌方高度達20~30 余 m。通過魚骨排梁頂棚超前支護(圖5-12),超前固結灌漿,施工開挖又做全封閉式處理,方通過了該段破碎帶岩體。在2#壓力管道導洞開挖過程中,曾經產生過三次大體積塌方和突水。第一次突水和塌方歷時約半年之久,最初為碎屑流式突水,漸次變為塊體塌方和涌水,零星掉塊。塌方突水期最大日塌方量達450m3/d,突水時最大涌水量達35~40m3/d。塌穴高32m,直徑14~17 m,總塌方量4000 m3。第二次塌方歷時3個月,塌方仍由突水引起的。塌形與第一次塌方相似。塌穴高20 m,直徑9~13 m,總塌方量約2500 m3。第三次塌方發生在斜洞擴挖過程中(導洞內),塌方量約為200 m3。三次塌方均採取混凝土回填塌穴和灌漿加固處理(圖5-13),其塌方皆發生於F20斷層帶及其影響帶內。其餘地段由於卸荷風化嚴重,岩體穩定性極差,不同規模的塌方屢屢發生。所以在高壓管道斜井擴挖時,採取了厚度達20~30cm的系統噴錨加固(雙網)。由於岩體軟弱破碎,結構鬆弛,所以壓力管道必須全部採用鋼管襯砌承擔內水壓力。
圖5-11 引水洞2#塌方剖面圖
圖5-12 引水洞超前支護處理平面圖
十三陵抽水蓄能電站建設實踐經驗表明,地質工程建設必須認真地對環境地應力進行研究。十三陵抽水蓄能電站蟒山卸荷帶是一個重大的環境工程地質問題,對這個問題進行專門研究對認識建設場區的工程地質條件具有重要的意義。十三陵抽水蓄能電站蟒山卸荷帶是十三陵抽水蓄能電站上池及引水壓力管道穩定性的主要控制因素,對這個問題的發現大大提高了對十三陵抽水蓄能電站工程地質條件的認識水平,對其他工程的工程地質條件研究具有重要意義。
圖5-13 壓力管道塌方圖
3. 其他工程地質問題
其他問題如地面沉降、海岸侵淤、地裂縫、滑塌、水侵蝕性等,也對黃河三角洲開發建設的工程地質有一定影響。
(1)地面沉降
黃河三角洲地質體物質組成主要是粉砂,且孔隙度較高,其形成期堆積速率快,造成地質體中含水量高。隨著時間推移,在上覆沉積物擠壓下,孔隙中水逐漸被擠壓,造成地質體壓縮,導致地面下沉。根據1988年在黃河海港地區實測,該地區壓實下沉速率可達6cm/a。
近幾十年來的人為活動也加劇了地面沉降的發展,如地基承載力不足引起的土體壓縮,地下水、石油、鹵水的開采所引起的含水層、儲油層壓縮等。
(2)海岸侵淤
黃河攜帶大量泥沙入海,導致河口處向海淤進;而黃河改道後,因失去泥沙的補給,在海潮動力和沿岸流的作用下,產生海岸侵蝕。
地面沉降引起的海平面相對上升又加劇了海岸侵蝕。
(3)地裂縫、滑塌
鄰區發生強震時會產生地裂縫、滑塌。1969年7月18日渤海7.4級地震、1976年7月28日唐山7.8級地震時,黃河三角洲均有地裂縫發生,唐山地震時黃河北岸土堤在發生地裂縫的同時,產生滑塌及小范圍沉降,使地面穩定性遭到破壞。1989年7月27日,廣饒縣遭到特大暴雨,沿淄河兩岸的3個鎮出現不同程度的地裂縫,多呈NE—SW走向,同淄河走向一致,深0.4~4.0m、寬0.2~3.0m,使公路斷裂5處,房屋塌陷損壞十餘間;1986年6月25日下午5時30分,廣饒縣花園前安村的西北池塘,其塘體長60m、寬25m、深1.5m,池塘水在半小時內全部漏光,塘底出現一條長40m、寬0.5m、深1.5m的突發性地裂縫。
(4)侵蝕性地下水
黃河三角洲位於濱海平原,兩側臨海;尤其是東北部地區,為1855年黃河改道後新形成的陸地,地下水溶解性總固體較高,徑流滯緩,含水層屬弱含水層,因此,其地下水具有侵蝕性。區內淺層地下水有結晶性侵蝕和結晶分解復合侵蝕兩種侵蝕類型,侵蝕性地下水的分布規律為:具有侵蝕性的地下水主要分布於近海地帶,在瀕海地段體現為強侵蝕,在向內陸無侵蝕區的過渡帶內則分布有中等侵蝕和弱侵蝕性的地下水。
4. 什麼是工程類比法
根據實踐經驗和工程地質條件對圍岩進行分類,然後按不同圍岩分類確定所需的版支護系統,這就權是所謂的工程類比法(engineering analogy method)。
工程類比法可以分為:直接對比法和間接類比法。直接對比法一般就圍岩的強度和完整性、地下水影響程度、洞室埋深、坑道尺寸、地應力、施工方法等方面因素進行比較,將條件基本相同的已建隧道結構作為設計隧道的結構。目前使用的圍岩分類法屬於間接類比法,是將大量的同種已建隧道的圍岩按主要劃分指標進行歸類並給出相應的設計參數,供擬建隧道設計時對照採用。由於隧道的地質情況復雜多變,坑道穩定與施工因素密切相關,加之計算模型的局限性,目前隧道結構設計仍需在很大程度上藉助於工程類比法。
5. 地質歷史分析法
地質歷史分析法是根據勘查和其他方法所獲得的資料,運用工程地質學等多學科知識對潛在崩塌體進行穩定性分析的一種方法。它包括變形史分析法、工程地質類比法、岩體穩定的結構分析法(含圖解分析法),以及其他一些分析方法。在分析中應體現相互有機聯系原則、整體性原則、有序性原則和動態原則。
(一)岩體穩定的結構分析法
岩體穩定的結構分析法主要基於岩體結構及其特性,依據岩體中結構體之間相互依存、相互制約的關系,抓住主要結構面並根據結構面之間、結構面與臨空面之間的組合關系,確定可能失穩的結構體的形態、規模與空間分布,同時判定不穩定塊體可能移動的方向和破壞方式。
結構分析法主要採用圖解分析法。圖解分析法主要有邊坡穩定摩擦圓法、玫瑰圖法、赤平極射投影法、節理統計極點圖與等密度圖、平面投影法和實體比例投影法等。
(二)工程地質類比分析法
依據相似性原則將已經發生過的崩滑的地質體特徵、形成條件、驅動力、崩塌類型和形成機理等先驗實例與被勘查對象進行類比,分析其穩定性,其實質是把集成經驗(理論)應用到條件相似的工程中去。
類比的相似性原則,包含下列方面:
(1)崩滑體岩體性質、主控結構面、岩土體結構、斜坡結構和崩滑體介質結構條件等的相似性。
(2)崩滑體賦存條件的相似性。
(3)動力因素的相似性。
(4)發育階段的相似性等。
集成經驗具有地域性和實踐性,並與實踐者的認知水平有關。為提高其水平,可建立崩塌地質災害穩定性分析的專家系統,以供危險性評估使用。
(三)變形史分析法
變形史分析法主要依據崩塌發育規律中的發生周期性和階段性特徵,追溯潛在崩塌體的變形發育史,判定其現今所處階段,進而分析其穩定性。分析內容包括:
(1)崩滑體發育的區域性規律,包括周期性、階段性、時段性、動力因素及誘發因素的統一性。
(2)根據被勘查崩滑體的變形形跡和變形速率(監測資料),分析崩滑體現今所處的發育階段。
(3)調查了解其變形歷史,包括訪問和搜集地方誌和有關的資料。
(四)地質綜合分析
在上述各項分析的基礎上,對被勘查的崩滑體的形體特徵、地質構成、成災條件、成災動力、成災因素、成災機理、變形破壞形式和特徵、失穩條件和機制等進行全面系統地整理、歸納,進而評價崩塌體現階段的穩定性,並預測其發展趨勢、評價其失穩的必要條件、相關因素、失穩的可能性和失穩的規模、方式、方向,預測失穩的時間。
6. 工程地質類比法是定性還是定量分析
1.定性研究:通過實驗、詳細的實地研究,對地質過程的形成機制進行分析,得出定性評價 2.定量評價:定性分析基礎上,通過定量計算,進行定性與定量評價相結合的地質過程機制分析——定量評價。
7. 工程地質分析的基本方法有哪些
1.定性研究:通過實驗、詳細的實地研究,對地質過程的形成機制進行分析,得出定性評價
2.定量評價:定性分析基礎上,通過定量計算,進行定性與定量評價相結合的地質過程機制分析——定量評價。
8. 工程地質形考作業1答案
1. 工程地質條件即( )