三峡船闸高边坡工程地质勘察与研究综述(1) -------------------------------------------------------------------------------- 摘要：三峡双线五级船闸高边坡稳定至关重要。初步设计阶段共进行了4条线路比较的勘察与研究工作，并在此基础上布置了20条勘探横剖面，每条剖面5个钻孔，布置了长600多m的勘探平洞，作为初设补充勘探。初步设计阶段基本确定了边坡的开挖坡比。技术设计阶段主要勘察工作量有：1:1000工程地质测绘，坑槽探，勘探剖面20条，钻孔216个，400m平洞和各类试验。通过上述工作，查明了船闸区岩性、构造分布及结构面特征、岩体风化分带及厚度、岩体水文地质结构及渗透性，提供了岩体结构分类、应力及地震动参数、岩体物理力学建议指标，对高边坡稳定性进行了分析，提出了有关边界条件及参数的建议，基本满足了设计要求。
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摘要：三峡双线五级船闸高边坡稳定至关重要。初步设计阶段共进行了4条线路比较的勘察与研究工作，并在此基础上布置了20条勘探横剖面，每条剖面5个钻孔，布置了长600多m的勘探平洞，作为初设补充勘探。初步设计阶段基本确定了边坡的开挖坡比。技术设计阶段主要勘察工作量有：1:1000工程地质测绘，坑槽探，勘探剖面20条，钻孔216个，400m平洞和各类试验。通过上述工作，查明了船闸区岩性、构造分布及结构面特征、岩体风化分带及厚度、岩体水文地质结构及渗透性，提供了岩体结构分类、应力及地震动参数、岩体物理力学建议指标，对高边坡稳定性进行了分析，提出了有关边界条件及参数的建议，基本满足了设计要求。
关键词：工程地质勘察；高边坡；三峡工程船闸
1 工程简介
三峡工程双线五级船闸整个闸室段均在花岗岩山体中开挖修建，最大开挖深度174.5m。开挖后形成南、北两侧高边坡，南坡最大坡高170.28m，北坡最大坡高137.8m；两线船闸之间保留宽54～57m的岩体中隔墩，闸墙部位，即中隔墩顶面以下为直立坡，呈双槽状四面直立坡。直立坡高度一般在50m左右，最大高度为67.6m。在南、北两侧高边坡岩体内，各布置7层排水洞，在中隔墩和南北侧边墙岩体内各布置—条输水隧洞，每级闸首上游岩体内布置有阀门井和检修门井。与输水隧洞相连，共36个。
船闸高边坡稳定至关重要，不允许有任何规模的破坏；边坡兼有突出的高度、陡度与长度，开挖形态复杂，在每个闸首部位由于结构需要均开挖成向闸室直立坡内嵌入的凹槽，造成岩体多面临空；边坡在相当短的时间(5a)内劈岭开挖形成，经受较急剧的应力调整；边坡下部直立坡是船闸结构的一部分，闸墙采用薄混凝土墙，靠高强锚杆与直立坡岩体结合在一起，承受闸室内外的水压力和温度应力；闸首部位不宜有过大的变形，否则会影响闸门的开启与关闭。
2 地质概况
船闸区出露基岩为前震旦系闪云斜长花岗岩，新鲜岩石坚硬完整。岩体内有捕虏体及岩脉发育，岩脉主要是细粒花岗岩脉和辉绿岩脉，岩脉本身质地坚硬，但岩脉内及其周边围岩中裂隙一般较发育。
闪云斜长花岗岩自上而下分为全、强、弱、微4个风化带全强风化带厚度一般在20m左右，弱风化带上部厚度一般为5～10m，弱风化带下部与微风化带岩体风化程度轻微，与新鲜岩体强度相差不大。
闸室段断层分为4组，NNW组、NEE组、NNE组、NWW组。断层发育不均匀，以NNW组和NEE组最发育；其他发育稀少。裂隙也主要发育4组，NE～NEE组、NNW组、NNE组及NWW组。裂隙发育具有明显的不均匀性，同一地段以1－2组占优势，陡倾角裂隙占60％以上。在弱风化带下部及微新岩体中，块状结构占90％以上，岩体完整性好。
地下水以大气降水人渗为主，全强风化带为透水性强的孔隙介质，弱风化带为裂隙孔隙介质，微新岩体为透水性弱的裂隙介质。
施工前地应力测试，闸室底板以上微新岩体以构造应力为主，最大水平主应力方向为NW，量值为6～11MPa。
闪云斜长花岗岩微新岩体湿抗压强度为90～110MPa，变形模型试验值达50～60GPa。硬性平直稍粗面f值为0.70，c值为0.3MPa左右。
3 施工前勘察与研究
3.1 初步设计阶段勘察与研究
初步设计阶段可分为船闸线路方案比较阶段及初设补充勘察阶段。
3.1.1 线路方案比较阶段
1986—1990年间共进行了I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4条线路比较的勘察与研究工作，进行了l:2000工程地质测绘，钻孔与平洞工作量主要集中在I线双线连续五级船闸方案。I线位于坛子岭右侧，其基本地质条件与最终选定的Ⅳ线相近，但边坡高度及开挖量均小于Ⅳ线，边坡最大高度150m。
1987—1990年国家“七·五”重点科技攻关，按I线方案完成了《长江三峡工程高边坡岩体工程问题研究》和《长江三峡工程高边坡岩体开挖加固技术研究》。高边坡岩体工程问题研究的主要成果是：
(1)以岩体结构分析为中心采用多种方法，特别是地质的和结构面网络模拟的方法，以及二维、三维有限元分析论证了边坡的破坏模式，得出了有利于工程兴建的结论。
(2)船闸区水文地质结构模型的提出，为边坡评价和工程排水设计提供了有价值的资料。特别是裂隙介质各向异性水文地质参数的测定做了大量有创造性的工作，分析方法方面有所突破。提出了多层排水廊道为基础的地下水排水方案。
(3)边坡评价分宏观评价、整体稳定性和局部稳定性评价，符合系统论的思维模式，大大增加了研究结论的可靠性。提出了边坡优化坡角的建议值，全强风化带55°，闸室以上弱风化岩体63°，微风化和新鲜岩体73°，闸室墙部位微新岩体90°。这一建议因多种方法得出，具有扎实的基础。
(4)进行结构面抗剪流变、大型疏干排水试验和地应力模拟反演。
以上研究成果为以后的勘察与研究奠定了一定的基础，在理论和方法上进行了创造性的探索。
3.1.2 初步设计补充阶段
1991年开始在坛子岭左侧的Ⅳ线进行勘察工作，1992年底完成初步设计阶段勘察工作。主要工作是在1:2000工程地质测绘的基础上，布置了20条勘探横剖面．间距80～100m，每条剖面5个钻孔，分别布置在船闸中心线，距中心线70m的两侧闸室边墙部位，距中心线120m的两侧边坡开口线附近。通过钻孔，基本查清闸室段岩体的风化厚度；通过钻孔定向取芯，来判断岩体中结构面的产状，为评价边坡稳定提供依据；在地表进行了大量的坑槽探，通过编录了解结构面在不同部位的发育规律，为稳定评价提供依据；在南侧高边坡闸室墙部位，距离闸室直立坡30m，布置了长600多m的勘探平洞，了解直立坡部位岩体性状，结构面性状及发育规律，为评价高边坡稳定提供依据。
初步设计阶段基本确定了边坡的开挖坡比：全强风化带1:l，弱风化带1:0.5，闸墙以上微新岩体1:0.3，每隔15m高差设一宽5m马道，全强风化底部马道宽10～20m；闸墙以下为直立坡。
3.2 技术设计阶段勘察与研究
1993年5月初步设计审查最终确定Ⅳ线方案，要求1994年11月完成三峡船闸单项技术设计工作，工作量大，时间紧。为了保障船闸2003年通航，1994年4月提前开工，形成了勘测设与施工并行和交叉的局面。
布置的主要勘察工作量有：1:1000工程地质测绘；坑槽探；勘探剖面20条，小口径钻孔达到216个；北侧边坡距离直立坡30m布置l条长400m平洞；在平洞内进行现场岩体变形试验，岩体及结构面抗剪试验；钻孔彩色电视录像；压水试验及地下水长期观测；平洞内钻孔及地面钻孔地应力测试8孔。
通过上述工作，查明了船闸区岩性、构造分布及结构面特征、岩体风化分带及厚度、岩体水文地质结构及渗透性，提供了岩体结构分类、地应力及地震动参数、岩体物理力学建议指标，对高边坡稳定性进行了分析，提出了有关边界条件及参数的建议，基本满足了设计要求。
根据工程附近公路边坡失稳情况，进行了边坡破坏模式分析。对边坡的整体稳定性进行了极限平衡分析、二维及三维弹塑性有限元分析。对块体稳定性也进行了分析。得出了船闸开挖边坡不存在失稳地质条件的结论。边坡稳定问题主要是由结构面组合形成块体面构成的局部稳定问题。
由于船闸区构造断裂比较发育，结构面分布有其随机性和隐蔽性，又受勘探手段局限，裂隙的长度等不能确定，确实存在着不可预见的地质问题，根据勘探平洞揭露的结构面推测组成的块体需要开挖验证。由随机结构面组成的块体只能在开挖后才能确切定位。
经开挖验证，前期勘察成果准确性好，岩体风化界线控制较好，边坡开口线和开挖形态合理，没有造成二次开挖。边坡整体稳定性好也得到验证。提出的截排水措施也是合理的。
