500米口徑球面射電望遠鏡臺址的巖土工程問題探討

趙 碩,郭 明

(貴州大學 資源與環境工程學院,貴州貴陽550003)

FAST建設項目采用我國科學家獨創的設計及利用我國貴州南部的喀斯特洼地的獨特地形條件,建設一個面積約30個足球場大的高靈敏度的巨型射電望遠鏡。臺址區獨特的洼地地形條件,使得其巖土工程問題具有一定的獨特性。由于FAST項目特殊的工程意義,目前國內尚無巖溶洼地進行工程土石方開挖的先例,本文對巖土工程問題的成因、危害進行系統的分析評價,為今后在巖溶洼地進行巖土工程勘察和設計提供理論依據和經驗。

1 臺址區巖土工程現狀

FAST建設項目位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮六水村大窩凼洼地,大窩凼洼地是由一大一小兩洼地組成的近似五邊形封閉區域,小洼地位于大洼地北側,東面、南面斜坡中部以上為階梯狀石崖陡壁和陡坡,西面為陡坡;東側斜坡中部以上為石崖陡壁,洼地四周共有5個較大山峰,最高峰位于洼地南東東側,峰頂高程1 189.68 m,最低標高839.10 m,地形最大高差350.58 m。

望遠鏡球冠面在大洼地內,設計標高自839.1 m(洼地最低點)至964.8 m(圈梁),洼地地形在地質歷史時期經歷了幾次全球構造運動,洼地邊緣亦因為垂直發育的裂隙切割貫通而導致數次崩塌,故洼地總體呈上陡下緩:標高973 m以上區域內坡度陡傾,在臨空面形成由基巖和現期被垂直發育的節理裂隙切割形成的危巖體。標高833 m～974 m區域內主要為洼地先期崩塌的危巖形成的塊石堆積區,地形由于塊石的堆積形成上陡下緩的斜坡,巖堆的密實程度與疊置順序相關:最先崩塌的巖堆位于巖堆底部,在自身重力作用以及后期崩塌危巖的壓覆作用下膠結密實,表層的巖堆松散無膠結。巖堆的厚度分布為:以洼地底部中心為最厚,厚度大于100 m;從中心向四周塊石堆積體厚度呈逐漸變小的趨勢。臺址區最底部巖堆上覆有流水搬運作用帶來的耕植土,以及粘土和有機質粘土(見圖1)。

圖1 大窩凼洼地塊石(巖堆)分布剖面圖(2-2'剖面)

2 臺址區巖土工程問題

由于FAST臺址區獨特的地貌,500 m口徑球冠面開挖主要受洼地地形條件控制,其主要表現為:

(1)973 m以上標高段地形陡峻,巖體對臨空面方向有卸荷作用,并受豎向發育的結構面切割,在自身重力以及外界環境影響下形成危巖。

(2)850 m～1 076 m標高段為塊石(巖堆)堆積區,塊石(巖堆)為先期幾次構造運動導致的崩塌巖體堆積形成,構成了大窩凼洼地上陡下緩的外形特征;塊石(巖堆)分為表層松散的巖堆和下部密實的巖堆。

(3)FAST臺址區為負地形,底部有一落水洞可供排水。

綜上所述,FAST臺址區巖土工程問題即危巖穩定性問題、塊石(巖堆)的穩定性問題、場地排水問題。

2.1 危巖

FAST臺址發育的6組巖體結構面將臺址切割成近五邊形封閉洼地,并形成沿洼地陡崖的臨空面,因此臺址區場地垂直裂隙發育,巖體穩定性較差,在重力、地震、水體等誘發因子作用下處于不穩定、欠穩定或極限平衡狀態,在臨空面上形成危巖(見圖2)。臺址區結構面產狀如表1。

表1 臺址區主要結構面產狀

危巖體存在于大窩凼周圍高陡邊坡及陡崖上,分布標高在973.00 m以上范圍內,隨時由于失穩、運動而形成崩塌。危巖失穩模式主要為傾倒式,由于場地危巖體多為近水平巖層面與近垂直結構面切割形成,沒有形成大規模滑移式危巖,局部存在少量墜落式危巖[1]。場地危巖體一旦失穩,會對500 m口徑球面射電天文望遠鏡工程的建設和安全運營構成極大的威脅。

傾倒式危巖失穩主要受自身重力和充填在裂隙里的水側向壓力因子影響,當危巖自重以及裂隙水向臨空面一端產生的傾覆力矩超過與山體連接處所產生的抗傾覆力矩時,將導致危巖失穩[2]。

圖2 危巖平面分布示意圖

由于場地危巖發育受結構面控制,并具有一定厚度,在一定的地質歷史時期里面就會發展成為一定程度的危巖,并在誘發因子作用下發生失穩而剝蝕掉,產生穩定的新臨空面。雖然新臨空面仍受同樣的結構面所控制,但危巖的生長具有類似植物的生長效應,當期危巖要形成還需再經歷一個漫長的地質歷史時期[3]。

2.2 巖堆

由于臺址區受垂直發育的裂隙所控制,結合封閉的巖溶洼地地形,在三次地殼運動作用下,先期塌滑、剝落的危巖體在閉合圈內斜坡上部至洼地底部形成環狀成層分布的崩塌塊石(巖堆)體。巖堆構成的地表坡度多大于45°,在與陡巖區基巖接觸帶地表坡度大于60°,形成塊石(巖堆)體與陡巖區基巖的過渡帶,在地表出露標高為850.00 m～1 076.00 m。

厚度分布趨勢為上薄下厚,其厚度變化較大,其中厚度最小的區域位于臺址區東南部陡崖下斜坡地帶,最大厚度25 m;厚度最大的區域位于洼地區,在洼地區表層下伏巖堆厚度超過100 m(見圖3)。

圖3 巖堆平面分布示意圖

在縱向上,巖堆根據其密實程度可分為兩個部分:松散巖堆和密實巖堆。其密實程度由壓覆時間和粒間膠結所控制,其分布趨勢表現自地表往下逐漸變密實,根據聲波測試的結果,可得到兩部分間的穩定界面[4]。同時,巖堆與基巖之間也存在一個穩定的分界面(見圖4)。

圖4 巖堆縱向分界圖

臺址區巖堆具有復雜的組成結構形式,塊石的粒徑變化較大,當受到外界擾動時,巖堆各組成部分之間的應力變形的轉移方式和規律不同于均質連續的土體或巖體,導致巖堆邊坡的穩定性與一般土質邊坡或巖質邊坡的穩定性有較大的區別,臺址斜坡區塊石(巖堆)邊坡在自然營力與重力作用或人工開挖下,不是沿固有滑移面產生整體滑移破壞,而是沿其自然安息角發生失穩破壞[5]。

根據FAST臺址塊石(巖堆)的結構、高度、坡度的背景值函數關系,得到縱面上巖堆安息角與穩定的關系(見表2):

表2 500米口徑球面射電天文望遠鏡臺址塊石(巖堆)安息角與穩定性系數的關系表

臺址區巖堆在重力作用下受洼地地形控制,有側向約束,當洼地底部封閉時,巖堆的穩定性僅以安息角為控制指標,表現為“谷倉效應”(見圖5)。

用相似性模型試驗模擬“谷倉效應”:用相似材料模擬臺址區工程地質條件,觀察巖堆滑動過程,加以確定巖堆的滑動機制。

試驗結果表明:巖堆不是沿兩個界面(密實巖堆和松散巖堆的界面以及巖堆和基巖的界面)滑動,因此,500米口徑球面射電望遠鏡臺址區巖堆的基巖與巖堆接觸面、密實巖堆和松散巖堆的分界面均是穩定界面,巖堆滑動的趨勢面由巖堆的天然安息角控制(見圖6)[6]。

在開挖過程中,當超過安息角開挖和超限爆破作用下,巖堆將會產生滑塌、蠕滑變形。同時,在開挖過程中爆破作用下巖堆體的密實性將發生改變,產生松動現象,亦將會產生難以治理的滑塌[7]。

圖5 “谷倉效應”示意圖

圖6 “谷倉效應”試驗前后效果圖

2.3 排水

FAST峰洼高差達350 m,洼地面積0.15 km2,洼地底面積0.035 km2,臺址區洼地每年被淹3～6次,歷史最大淹沒高程約842.15 m,雨后24 h之內積水疏排完。地表水分水嶺總體形態以大窩凼洼地為中心、近于五邊形,分水嶺沿周邊地勢較高的山脊及山頂展布,分布標高984.41 m～1184.05 m之間,最高點位于洼地東南角,最低點位于洼地西側,總匯水面積為0.56 km2。

深部碳酸鹽巖類裂隙溶洞水賦存于碳酸鹽巖類地層的溶蝕裂隙和溶洞管道中,水位埋深超50.0 m且變化比較大。塊石(巖堆)滲透系數K1=1.36 m/d計算涌水量,預測平水期基坑涌水量為Q1=7 274.85 m3。

經計算(見表3),臺址區落水洞的消水能力弱于設計洪峰流量,會引起甕水問題,如果場地的積水不及時排出,將嚴重影響施工和工程的正常使用。

表3 500米口徑球面射電天文望遠鏡臺址洼地水淹甕計算結果一覽表

3 結 論

500米口徑球面射電望遠鏡臺址區位于巖溶洼地中,該巖溶洼地經地質歷史時期幾次構造運動,垂直發育的節理裂隙貫通導致原先的溶蝕洼地不斷崩塌擴大所形成。臺址區的巖土工程問題主要受巖溶洼地的地形地貌所控制,主要為危巖穩定性問題、塊石(巖堆)穩定性問題、排水問題。

(1)臺址區的危巖存在于洼地邊緣的高陡邊坡及陡崖上,其發育受垂直發育的結構面控制,并具有一定厚度,在一定的地質歷史時期里所形成,并在暴雨和自重、震動作用下失穩。

(2)臺址區的巖堆由于受垂直發育的裂隙所控制,結合封閉的巖溶洼地地形,在三次地殼運動作用下,先期塌滑、剝落的危巖體在閉合圈內斜坡上部至洼地底部形成環狀成層分布的崩塌塊石(巖堆)體。受FAST洼地地形控制,巖堆(塊石)變形滑動的趨勢由巖堆天然安息角所決定,具有“類谷倉現象”。并以32°和45°為控制界限;當自然安息角小于32°時,巖堆處于穩定狀態;當自然安息角大于32°小于45°時,巖堆處于欠穩定狀態;當自然安息角大于45°時,巖堆處于不穩定狀態。

(3)臺址區為巖溶洼地,經計算其消水能力小于積水,會引起甕水問題。

[1]中華人民共和國建設部.GB50021-2001.巖土工程勘察規范[M].北京:中國建筑工業出版社,2009.

[2]鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程地質手冊(修訂版)[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

[3]杜時貴.結構面與工程巖體穩定性[M].北京:地震出版社,2006.

[4]陶連金,張倬元,姜德義.復雜工程巖體穩定性評價[M].成都:成都科技大學出版社,1998.

[5]中華人民共和國建設部.GB50330-2002.建筑邊坡工程技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[6]中華人民共和國建設部.JGJ61-2003.網殼結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2003.

[7]葉金漢,等.巖石力學參數手冊[S].北京:水利電力出版社,1991.

[8]中交公路規劃設計院.JTG D60-2004.公路橋涵通用設計規范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[9]中華人民共和國水利部.GB50201-94.防洪標準[S].北京:中國建筑工業出版社,1994.