某焦化項(xiàng)目順層巖質(zhì)高邊坡變形機(jī)理及穩(wěn)定性分析

潘宏君，花曉鳴

（1.喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 貴州大學(xué)， 貴州 貴陽 550003；2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司， 四川 成都 611731）

某焦化項(xiàng)目順層巖質(zhì)高邊坡變形機(jī)理及穩(wěn)定性分析

潘宏君1，花曉鳴2

（1.喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 貴州大學(xué)， 貴州 貴陽 550003；2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司， 四川 成都 611731）

對(duì)某焦化項(xiàng)目順層巖質(zhì)邊坡現(xiàn)場工程地質(zhì)條件進(jìn)行了調(diào)查，對(duì)邊坡的巖體結(jié)構(gòu)類型、成因機(jī)制及結(jié)構(gòu)面與坡面組合特征進(jìn)行了研究，結(jié)合工程地質(zhì)條件，對(duì)邊坡變形機(jī)理進(jìn)行了探討。在此基礎(chǔ)上通過FLAC3D數(shù)值模擬，分析邊坡的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，該邊坡處于滑移－彎曲（－拉裂）型滑坡變形破壞的初始階段，邊坡的變形受層間軟弱夾層及巖體結(jié)構(gòu)面控制作用明顯，邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

順層巖質(zhì)邊坡；結(jié)構(gòu)面；變形機(jī)理；穩(wěn)定性分析；數(shù)值模擬

0 引 言

在山區(qū)工程建設(shè)中形成很多巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜而穩(wěn)定性差的邊坡，在降雨和人類活動(dòng)的影響下，出現(xiàn)變形失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重危及工程和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

順層巖質(zhì)高邊坡一般指的是邊坡開挖面的走向和傾向與層狀巖體層面基本一致，且開挖高度大于20m的邊坡。工程實(shí)踐表明，順層巖質(zhì)高邊坡的變形破壞與邊坡開挖面、巖層面及巖體結(jié)構(gòu)空間組合形式密切相關(guān)。具有以順層滑移為主的破壞模式，而且順層滑坡災(zāi)害還有明顯的滯后性，即完工后一段時(shí)間才發(fā)生，比較難防范。

因此，分析順層巖質(zhì)高邊坡的變形破壞機(jī)理并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，對(duì)治理該類邊坡具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。

1 邊坡工程地質(zhì)條件

某焦化項(xiàng)目的工程邊坡地處構(gòu)造侵、溶蝕低中山區(qū)，地勢(shì)陡峻，自然標(biāo)高最高約為1910m，最低約為1750m，最大高差達(dá)160m。在場地平場過程中，在東、北兩側(cè)分別形成最大垂直高度近55m和42m的挖方邊坡，邊坡總長127.3m，最大高度100.6m，邊坡傾向?yàn)?34°。

該邊坡由三迭系關(guān)嶺組薄至中厚層灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r夾薄層泥巖組成，層間充填黃色粘土及薄層灰色泥質(zhì)夾層。巖層產(chǎn)狀為217°∠13°，為順層邊坡。

受斷層和褶皺影響，巖體構(gòu)造面及節(jié)理發(fā)育，發(fā)育的兩組節(jié)理產(chǎn)狀分別為265°∠87°和130°∠86°，裂隙充填有巖屑、粘土等，結(jié)構(gòu)面結(jié)合差，邊坡巖體類型為Ⅲ類，具外傾軟弱結(jié)構(gòu)面。

該區(qū)域的降雨較充沛，年均降雨量為1200 mm，強(qiáng)降雨多集中在夏季，陰雨天數(shù)超過160d，常年相對(duì)濕度在70%以上。

2 邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征

邊坡為含軟弱夾層的中傾角順向坡，受附近斷層和褶皺影響，場區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)面和節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較為破碎，層間張開度較大，并充填有灰色強(qiáng)至全風(fēng)化巖屑和黃色次生泥。鉆孔揭露強(qiáng)風(fēng)化帶較厚，溶孔、溶隙發(fā)育，多被泥質(zhì)物充填。邊坡具有兩組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，使坡體沿層面滑動(dòng)的可能性加大。

3 邊坡變形特征及其穩(wěn)定性影響因素

3.1 邊坡變形特征

邊坡巖體較破碎，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，節(jié)理裂隙面夾全至強(qiáng)風(fēng)化巖屑和泥質(zhì)物，開挖過程中坡面表層局部發(fā)生順層滑動(dòng)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)坡后緣有一弧形裂縫，槽探揭露裂縫向基巖內(nèi)部延伸?；虑熬壩⑽⒆冃温∑穑饕瑒?dòng)方向與開挖坡面傾向近似一致，變形坡體寬317m，平均厚約22m，體積約為88×105m3。

鉆探范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)4層泥質(zhì)夾層，邊坡開挖后見有3層岀露，第4層距開挖面較近，因此可將第4層作為最主要潛在滑動(dòng)面。夾層為灰色全至強(qiáng)風(fēng)化巖屑夾泥，層面濕潤，飽水狀態(tài)下的殘余φ值僅為13°。

3.2 邊坡穩(wěn)定性影響因素

（1）不利的地形地貌條件。邊坡體前緣臨空，在工程開挖下形成更大臨空面，為邊坡剪出提供了臨空條件；陡峭的坡面亦為邊坡的滑動(dòng)提供了一定的勢(shì)能動(dòng)力條件。

（2）不利的地層巖性及其空間組合。邊坡巖體為薄至中厚層灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r夾薄層泥巖，軟弱夾層發(fā)育，巖層面傾角小于坡面，層間較清晰整潔。構(gòu)造性節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，風(fēng)化、溶蝕強(qiáng)烈。發(fā)育的節(jié)理裂隙不僅為雨水下滲提供了便捷的通道，也為后緣拉開提供了有利條件。另外，薄層泥巖為相對(duì)隔水層，泥巖在水的作用下易于軟化，致使抗剪強(qiáng)度降低而形成滑動(dòng)面。

（3）降雨的誘發(fā)作用。根據(jù)監(jiān)測資料，邊坡體的變形破壞均發(fā)生于降雨后，在降雨作用下，雨水的入滲不僅增加了滑體的自重，而且使巖層面軟化，降低了軟弱夾層的物理力學(xué)指標(biāo)，成為邊坡滑動(dòng)的催化劑。

（4）人類活動(dòng)的影響。工程建設(shè)過程中的開挖、爆破等，既改變了邊坡形態(tài)，又對(duì)邊坡產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，從而進(jìn)一步加劇了邊坡的變形破壞。

4 邊坡變形破壞機(jī)理及其穩(wěn)定性分析

根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征、邊坡穩(wěn)定性影響因素及邊坡變形情況，綜合判定該邊坡處于滑移－彎曲和滑移－拉裂的醞釀階段。

（1）滑移－彎曲（－拉裂）醞釀階段。在中上段坡體自重力作用下，地表以下第4層軟弱夾層至開挖面之間的巖層發(fā)生滑移彎曲。因坡腳段滑移面未臨空，在中上段坡體沿軟弱夾層滑移產(chǎn)生的強(qiáng)大推力作用下，坡腳段受縱向壓力而向開挖面隆起彎曲變形，使彎曲段以上邊坡巖體失去支撐在后緣形成拉裂縫。由于開挖卸荷、巖體較破碎及坡腳段潛在滑動(dòng)面距離開挖面較近，坡腳段抗力較低，最有可能發(fā)生隆起彎曲變形。龐厚的坡體和深開挖分別為彎曲變形提供了動(dòng)力條件和變形空間。

（2）滑移－彎曲（－拉裂）加速階段。彎曲變形發(fā)展明顯，嚴(yán)重彎曲段出現(xiàn)X型節(jié)理裂隙，原生巖體結(jié)構(gòu)被破壞，虛空部位被充填，在其上坡體大推力作用下發(fā)育新的剪切滑動(dòng)面。彎曲變形段坡體鼓起加劇，造成巖體松動(dòng)，致使X型節(jié)理中的一組發(fā)育成滑移剪出面。在這個(gè)過程中，邊坡中后緣和表面因滑移而產(chǎn)生大量張拉裂縫。該階段首先在坡腳開挖面形成彎曲變形破壞，為坡體的滑移和后緣拉裂提供條件，在強(qiáng)大的動(dòng)勢(shì)能作用下，邊坡變形加速。

（3）滑移－彎曲（－拉裂）的最終破壞階段。在應(yīng)力應(yīng)變達(dá)到一定條件后，彎曲段的潛在剪出面與層間滑移面貫通，整個(gè)邊坡將失穩(wěn)破壞。

目前邊坡中下段處于滑移彎曲變形初始階段，邊坡中上段處于沿層面發(fā)生滑移拉裂變形初始階段。坡體內(nèi)部變形僅表現(xiàn)為巖體幾何位置的調(diào)整，坡面上變形并不顯著，主要表現(xiàn)為巖體松動(dòng)，局部出現(xiàn)順層滑塌現(xiàn)象。在第一、二階段，第一級(jí)邊坡坡腳段破碎巖體在其上坡體強(qiáng)大推力作用下產(chǎn)生較大彎曲變形，內(nèi)部逐漸發(fā)育剪切滑動(dòng)面。待彎曲部位巖體中滑移切出面與層間滑動(dòng)面貫通后，整個(gè)坡體將失穩(wěn)破壞。

巖體的有關(guān)參數(shù)為：γ＝26.8kN/m3；c＝400 kPa；φ＝40°；frb＝400kPa；潛在滑動(dòng)面的參數(shù)為：c＝35kPa；φ＝13°。利用FLAC3D內(nèi)置強(qiáng)度折減法得邊坡的穩(wěn)定系數(shù)是1.20，小于邊坡等級(jí)安全系數(shù)1.35。圖1為邊坡剪切應(yīng)變?cè)隽考八俣仁噶繄D。由圖可知，塑性區(qū)是貫通的，即存在清晰滑動(dòng)面，速度矢量圖也有力地佐證了這一判斷。因滑動(dòng)面外側(cè)區(qū)域網(wǎng)格點(diǎn)的速度明顯大于其他區(qū)域，說明這一區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)明顯蠕滑。由此可知，該邊坡的穩(wěn)定性較差。

圖1 剪切應(yīng)變?cè)隽考八俣仁噶?/p>

5 結(jié) 論

本文以某焦化項(xiàng)目順層巖質(zhì)高邊坡為工程實(shí)例，遵循“地質(zhì)調(diào)查－理論研究－數(shù)值模擬”的技術(shù)路線，研究了該邊坡的變形機(jī)理、破壞模式并進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，得到如下結(jié)論：

（1）邊坡為層間軟弱夾層發(fā)育的順層巖質(zhì)高邊坡，節(jié)理裂隙發(fā)育，不利的地層巖性及其空間組合、巖體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、地形地貌、水文地質(zhì)、溶蝕及風(fēng)化作用等為邊坡的失穩(wěn)提供了有利的先天條件；

（2）邊坡巖體破碎，軟弱夾層殘余抗剪強(qiáng)度很低，在雨水及人類工程活動(dòng)的影響下促進(jìn)了邊坡的滑動(dòng)；

（3）邊坡處于滑移－彎曲和滑移－拉裂復(fù)合型滑坡初始階段，變形破壞機(jī)理表現(xiàn)為：中上段坡體沿層間軟弱夾層滑移，在此推力作用下，坡腳開挖面附近巖體產(chǎn)生彎曲變形，從而在彎曲變形部位發(fā)育剪切滑動(dòng)面，與層間滑移面貫通后，導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)；

（4）邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析基本相符，說明了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)也印證了對(duì)順層巖質(zhì)邊坡的劃分和理論分析方法的正確性。

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2012－01－10）