復(fù)雜巖質(zhì)邊坡的破壞類型及穩(wěn)定性分析

龔匡周，王 浩，方雪晶，關(guān)海燕

（1.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院資源與城鄉(xiāng)建設(shè)系，福建 福州 350108；2.福建省閩武長城巖土工程有限公司，福建 福州 350012）

0 引言

復(fù)雜巖質(zhì)邊坡一般表現(xiàn)為地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，巖體中含有大量不同構(gòu)造產(chǎn)狀和特性的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面；邊坡巖體受多種結(jié)構(gòu)面切割，結(jié)構(gòu)破碎，巖土體力學(xué)性能較弱，邊坡穩(wěn)定性多取決于各類結(jié)構(gòu)面的特征［1］，從而導(dǎo)致巖質(zhì)邊坡形成弧形滑動(dòng)、平面滑移、楔形體破壞及崩塌落石等不同的破壞模式［2］；對(duì)于不同的破壞模式應(yīng)采用與其相適宜的分析方法及計(jì)算公式來評(píng)估其穩(wěn)定狀態(tài)。因此巖石邊坡的穩(wěn)定性分析不能盲目套用一般土質(zhì)、類土質(zhì)邊坡的分析思路，以避免治理不當(dāng)留下隱患和造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

本文以招商局漳州開發(fā)區(qū)11號(hào)山體西段邊坡為例，在調(diào)查分析、分類研究和定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)坡體中的弧形滑動(dòng)、平面滑移和楔形體破壞及滾石破壞等典型破壞類型開展定量計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)該邊坡局部穩(wěn)定性及整體穩(wěn)定性的綜合評(píng)價(jià)，為該復(fù)雜巖質(zhì)邊坡治理提供依據(jù)。

1 邊坡工程概況

招商局漳州開發(fā)區(qū)11號(hào)山體西段邊坡地質(zhì)災(zāi)害位于該開發(fā)區(qū)友聯(lián)船廠南側(cè)約200m處?，F(xiàn)邊坡走向約 65°，坡高約 20 ～65m，坡度約 40°～80°，長度約330m，邊坡已進(jìn)行人工開挖爆破，坡面大部分基巖直接出露，局部坡面殘留較多巖屑及巖塊，局部地段滾石發(fā)育，邊坡左段已形成一巖石滑坡變形體，邊坡中段多處貫通性節(jié)理裂隙切割形成楔形變形體，形成多個(gè)不穩(wěn)定區(qū)段，為典型地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育區(qū)。邊坡場區(qū)出露為燕山早期黑云母花崗巖，坡體上部為花崗巖全風(fēng)化層及殘坡積層，坡體中下部為強(qiáng)至微風(fēng)化花崗巖，主要地層及其巖土物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土層力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock＆soil parameter

根據(jù)地表調(diào)查，場區(qū)邊坡巖體中節(jié)理、劈理發(fā)育，多呈微張狀、閉合狀，礦物晶屑具定向排列平行裂隙走向；裂隙間距一般為0.2～1.0m，張開度小于3mm，屬裂隙發(fā)育一般 -較發(fā)育；局部裂隙帶附近巖體破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈，強(qiáng)度低，在暴雨沖刷、風(fēng)化作用下易形成崩解、滑塌。

采用Dips結(jié)構(gòu)面分析軟件對(duì)現(xiàn)場取得的97組節(jié)理、裂隙進(jìn)行分析，可得結(jié)構(gòu)面等值圖如圖1所示，由此可得場區(qū)結(jié)構(gòu)面主要有三組：

第1組：走向 335°～356°，以傾向 NE、傾角 70°～75°為主，局部傾向近西向，傾角約為70°。

第2組：走向 275°～300°，傾向 NE、傾角在 45°～89°。

第3組：走向 235°～262°，以傾向 ES為主、傾角70°～86°為主，局部傾向近北向，傾角為 35°～80°。

圖1 節(jié)理分布等值圖Fig.1 Con tour diagram of join t distribution

由邊坡不穩(wěn)定機(jī)制的覆蓋技術(shù)［3］，對(duì)結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)圖用35°摩擦角和70°邊坡角進(jìn)行覆蓋（圖2）。

圖2 覆蓋圖Fig.2 Coverage diagram in stereo projection

總體而言，第三組節(jié)理走向與邊坡走向一致，發(fā)育有順向節(jié)理，傾角較大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大，容易誘發(fā)巖體平面滑移破壞；另兩組節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面傾角較大、與邊坡傾向斜交，當(dāng)其傾向?yàn)镹W時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定有一定影響，可能形成楔形體破壞。局部裂隙帶附近巖體破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈，強(qiáng)度低，在暴雨沖刷、風(fēng)化作用下易形成崩解、滑塌，甚至形成局部塊體的弧形滑動(dòng)。

2 邊坡工程地質(zhì)分區(qū)及破壞類型

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查成果，按邊坡變形特征與病害性質(zhì)將該邊坡劃分為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)4個(gè)典型工程地質(zhì)分區(qū)（圖3）。

圖3 邊坡工程地質(zhì)分區(qū)圖Fig.3 Geological division for the whole slope

A區(qū)位于邊坡左段，與另一山體以溝槽相接，邊坡高約10～40m，平均坡度約30～50°。邊坡上部為坡殘積層與強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，下部為中 -微風(fēng)化花崗巖，覆蓋層相對(duì)較厚。

B區(qū)主體為場地開挖爆破形成的3級(jí)人工邊坡，邊坡高40～75m，坡度40°～60°。邊坡上部坡殘積層與強(qiáng)風(fēng)化花崗巖約15m厚，下部為中-微風(fēng)化花崗巖。邊坡上部為強(qiáng)風(fēng)化層，存在孤石與局部坍塌變形風(fēng)險(xiǎn)；邊坡中部為強(qiáng)風(fēng)化碎裂巖體，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，淺層巖體松弛破碎現(xiàn)象嚴(yán)重，可能沿結(jié)構(gòu)面發(fā)育形成整體滑動(dòng)變形；邊坡下部為弱-微風(fēng)化基巖，總體較完整，局部發(fā)育巖石滑坡形成擠壓裂縫，巖體較為破碎?，F(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)左側(cè)中下部發(fā)育形成一巖石弧形滑坡，兩側(cè)界下錯(cuò)清晰，坡腳鼓脹裂縫發(fā)育，邊坡處于擠壓蠕動(dòng)階段（圖4）。

圖4 B區(qū)病害特征Fig.4 Destruction features in B district

C區(qū)邊坡高約40～50m，覆蓋層較薄，邊坡上緩下陡。該段邊坡順坡結(jié)構(gòu)面發(fā)育嚴(yán)重，存在幾處較大的松弛楔形體及平面滑體，可能產(chǎn)生楔形體破壞和平面滑移等較大的變形破壞。C區(qū)中部局部邊坡高度較低，發(fā)育形成匯水沖溝，與邊坡走向斜交，雨季有明顯地表滲水和局部邊坡坍塌現(xiàn)象，不利邊坡穩(wěn)定（圖5）。

圖5 C區(qū)病害特征Fig.5 Destruction features in C district

D區(qū)位于邊坡右段，并往右逐步變緩，與另一南北向邊坡轉(zhuǎn)角相交。邊坡高陡，總高約50～70m，覆蓋層較厚，約10～15m，上部孤石發(fā)育，局部穩(wěn)定性較差；邊坡中下部結(jié)構(gòu)面發(fā)育，陡坡段局部穩(wěn)定性較差（圖6）。

3 邊坡局部穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

3.1 圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性分析及參數(shù)反演

由于坡面受人工爆破影響，從坡面至坡內(nèi)形成一個(gè)3～5m的擾動(dòng)破碎帶，其力學(xué)參數(shù)較原巖低，因此需要對(duì)破碎帶的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算，為后面的邊坡整體穩(wěn)定性分析提供可靠力學(xué)參數(shù)，提高計(jì)算精度。

圖6 D區(qū)病害特征Fig.6 Destruction features in D district

圖7 圓弧滑體極限平衡分析Fig.7 Limit equilibrium analysis for Circular sliding

邊坡B區(qū)下部存在一圓弧滑體，目前處于蠕動(dòng)變形狀態(tài)，采用Slide數(shù)值分析軟件對(duì)該滑體進(jìn)行已知滑動(dòng)面的極限平衡反分析。由于實(shí)際滑動(dòng)面為空間曲面特征，而Slide僅可以考慮二維平面問題，為了反演這一現(xiàn)場工況條件，故采取多個(gè)代表斷面綜合平均分析的簡化思路，對(duì)該圓弧滑體取如圖4所示標(biāo)記為1-1、2-2、2-3的三個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算，以力求反應(yīng)滑坡變形破壞的空間效應(yīng)（圖7）。計(jì)算成果顯示：1-1斷面穩(wěn)定性系數(shù)為0.974，2-2斷面穩(wěn)定性系數(shù)為1.001，3-3斷面穩(wěn)定性系數(shù)為1.074，綜合評(píng)估該圓弧滑體穩(wěn)定性系數(shù)均值為1.016，滿足要求，此時(shí)可反演確定弱風(fēng)化花崗巖破碎帶的力學(xué)參數(shù)如下：

γ =23 kN/m3；c=30 kPa；φ =35°。

3.2 楔形體穩(wěn)定性分析及參數(shù)反演

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查可知，在C區(qū)上部有一個(gè)失穩(wěn)的楔形體，并正處于滑動(dòng)破壞狀態(tài)，大部分巖體已經(jīng)脫離后壁母體（圖5）。對(duì)此，根據(jù)楔形體的產(chǎn)狀（表2），結(jié)合現(xiàn)場情況對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演，并利用所得結(jié)果用于平面滑動(dòng)巖體的穩(wěn)定性分析，提高平面滑體穩(wěn)定性分析的精度。

表2 楔形體參數(shù)Table 2 Parameter of Wedge

楔形體分析采用Swedge軟件，將楔形體產(chǎn)狀及尺寸輸入后可建立如圖8所示的模型圖。經(jīng)過計(jì)算可得楔形體的穩(wěn)定系數(shù)Fs=0.9891，屬不穩(wěn)定狀態(tài)，符合工程實(shí)際情況，此時(shí)可得巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)：

c=18kPa；φ =35°。

圖8 楔形體破壞模型圖Fig.8 Model of Wedge failure

3.3 平面滑動(dòng)分析

邊坡C區(qū)除了存在多處楔形體破壞以外，坡面現(xiàn)存在一處較大的平面滑動(dòng)體（圖9）。按“巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)制有限元數(shù)值模擬分析”［4］一文，對(duì)于有兩組節(jié)理面的巖質(zhì)邊坡破壞，首先在貫通的塑性區(qū)發(fā)生破壞，通后繼續(xù)發(fā)展到一定程度，巖體發(fā)生整體破壞，同時(shí)出現(xiàn)第2條貫通的塑性面；邊坡的破壞過程也就是塑性區(qū)逐漸發(fā)展，最后整體貫通的漸進(jìn)破壞過程，體現(xiàn)出巖質(zhì)邊坡沿節(jié)理的追蹤破壞過程，因此對(duì)坡面外層的滑體局部穩(wěn)定分析顯的更加重要。

圖9 平面滑體破壞過程Fig.9 The process of plane failure

根據(jù)楔形體反演結(jié)果所得的巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)值，采用Rocplane平面滑體分析軟件建立如圖10所示的模型。經(jīng)計(jì)算，該塊體在正常工況下的穩(wěn)定系數(shù)約為1.05，屬欠穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)合現(xiàn)場情況，該點(diǎn)目前部分巖體正逐漸脫落，和分析結(jié)果總體是吻合的。

圖10 平面滑體模型Fig.10 Model of plane failure

當(dāng)模型中后緣裂隙中的水的充填度提升至30％時(shí)，滑體失穩(wěn)。許多邊坡在平面滑動(dòng)發(fā)生前在滑體后部產(chǎn)生拉張裂縫，該拉張裂縫對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有很大的影響，特別是在暴雨情況下，由于拉張裂縫底部排水不暢，張裂縫可能臨時(shí)充水達(dá)一定高度，沿拉張裂縫及滑動(dòng)面產(chǎn)生靜水壓力使滑動(dòng)力突然增大，這往往是暴雨后邊坡容易產(chǎn)生滑動(dòng)的重要原因［5］。

3.4 孤石的穩(wěn)定分析及運(yùn)動(dòng)軌跡模擬

在該巖質(zhì)邊坡中，孤石主要分布于B區(qū)和D區(qū)坡頂位置。其中B區(qū)坡頂孤石體積龐大，分布較分散，重量約為4000～5000kg；D區(qū)坡頂位置分布有大量孤石，重量一般為100～300kg不等。利用 Rocfall建立分析模型并得滾石運(yùn)動(dòng)軌跡圖（圖11、12）。

兩模型均取50組滾石在同一初始位置開始運(yùn)動(dòng)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，B區(qū)孤水平方向的運(yùn)動(dòng)位移較遠(yuǎn)，65％以上滾石最終著陸位置為距坡腳29～30m處；D區(qū)滾石水平位移較小，80％以上滾石最后著陸位置為距坡腳14～15m處。

圖11 B區(qū)孤石運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.11 Rock fall trajectory of B district

圖12 D區(qū)孤石運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.12 Rock fall trajectory of D district

可以得出，由于B區(qū)坡面較緩，提供了滾石足夠的滾動(dòng)空間，而D區(qū)斷面較陡直，剛開始滾石近似做自由落體，從圖中看出在兩種不同的運(yùn)動(dòng)條件下，提供滾石滾動(dòng)空間越大的對(duì)滾石最后的著陸影響較大；當(dāng)坡面上有平臺(tái)時(shí)，平臺(tái)的寬度和表面植被情況對(duì)滾石的運(yùn)動(dòng)影響很大，這些結(jié)論與前人的研究結(jié)果相吻合［6］。

4 邊坡整體穩(wěn)定性分析

經(jīng)過結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析及局部穩(wěn)定性評(píng)價(jià)后，現(xiàn)對(duì)B、D區(qū)主要斷面的穩(wěn)定性進(jìn)行定量計(jì)算，利用上述破碎帶反演參數(shù)值及表1巖土層參數(shù)，建立主要斷面穩(wěn)定性分析模型（圖13、14）。

圖13 B區(qū)主斷面穩(wěn)定性分析Fig.13 The stability analysis for main fracture surface of B district

圖14 D區(qū)主斷面穩(wěn)定性分析Fig.14 The stability analysis for main fracture surface of D district

計(jì)算可得，天然工況條件下B區(qū)邊坡穩(wěn)定性Fs=1.023，D區(qū)邊坡穩(wěn)定性Fs=1.073，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在地震等不利工況條件下局部地段有可能發(fā)生破壞；同時(shí)從計(jì)算模型中可得出，主要斷面的穩(wěn)定性由表層破碎帶控制，可見人工爆破對(duì)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性影響大，是影響邊坡穩(wěn)定性變形破壞的主要誘發(fā)因素，對(duì)于該邊坡有必要對(duì)破碎帶進(jìn)行局部清刷和加固，以控制整體穩(wěn)定。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)招商局漳州開發(fā)區(qū)11號(hào)山西段邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，提出復(fù)雜巖質(zhì)邊坡的一般分析過程和評(píng)價(jià)思路：首先是結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、發(fā)育狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并采用結(jié)構(gòu)面投影覆蓋技術(shù)對(duì)邊坡潛在破壞模式進(jìn)行定性評(píng)價(jià)；然后進(jìn)行邊坡楔形體破壞、平面滑移、淺層弧形滑動(dòng)和孤滾石等破壞區(qū)段的局部穩(wěn)定分析；最后對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過上述分析，提出以下結(jié)論：

（1）通過對(duì)現(xiàn)場取得的節(jié)理進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可知，對(duì)該坡體穩(wěn)定起控制作用的節(jié)理組為：走向235°～262°，傾向近北向，傾角為 35°～80°，是平面滑移和楔形體組合破壞的主要誘因。

（2）通過對(duì)主要斷面的穩(wěn)定性分析，可知坡體穩(wěn)定性主要受爆破松弛破碎帶控制，為了達(dá)到治理邊坡目的，應(yīng)對(duì)破碎帶進(jìn)行重點(diǎn)加固。

（3）B區(qū)坡頂孤石分布較分散，體積大，在地震工況或暴雨工況下，可能形成滾石破壞，從孤石運(yùn)動(dòng)軌跡可知該段孤石拋落位置較遠(yuǎn)，破壞能力大，對(duì)該區(qū)孤石應(yīng)進(jìn)行清刷或爆破分解。D區(qū)坡頂孤石分布密集，體積較小，宜在坡頂設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，對(duì)于靠近坡面的部分，應(yīng)進(jìn)行清刷。

（4）C區(qū)邊坡順坡結(jié)構(gòu)面發(fā)育嚴(yán)重，存在多處較大的松弛楔形體及平面滑體，目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。在平面滑體的計(jì)算模型中可知，當(dāng)后緣裂隙水壓力從10％上升至30％時(shí)，滑體失穩(wěn)，因此在暴雨工況下，可能產(chǎn)生較大的滑動(dòng)變形并形成追蹤節(jié)理破壞，宜針對(duì)性實(shí)施加固工程。

（5）對(duì)于邊坡上部覆蓋殘積土主要采用刷方放緩坡率并結(jié)合植被防護(hù)，增強(qiáng)穩(wěn)定性，防止局部坍塌。

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