基于巖體質量等級評價的邊坡穩(wěn)定性分析
——以遼寧寬甸地區(qū)下河口—拉古哨路段為例

顏翔錦，黃 偉，任傳濤

中國地質調查局牡丹江自然資源綜合調查中心，黑龍江 牡丹江 157000

0 引言

不穩(wěn)定的天然斜坡和設計坡角過大的人工邊坡，在巖體重力、土體重力、水體壓力、振動力及其他外力作用下，常發(fā)生巖土崩塌或滑動破壞［1］. 巖體崩塌或者山體滑坡的發(fā)生會給人類的生產生活帶來較重負面影響，例如交通問題、居民建筑的坍塌，還可能導致水流方向的改變［2］. 因此對邊坡穩(wěn)定性的研究十分有必要，既有利于地質災害的防治，又可以使人工邊坡的設計達到安全、經濟的目的［3-6］.

研究區(qū)已經完成了基礎地質、礦產資源、水工環(huán)地質、重要目標體地質災害評估等不同尺度和層面的地質調查工作，積累了較為豐富的地質成果資料. 為了調查下河口—拉古哨路段當前邊坡穩(wěn)定情況，利用實地調查對野外邊坡做了大量分析和對比，發(fā)現(xiàn)其中有73%的邊坡穩(wěn)定性不強，其中一部分已經出現(xiàn)了坍塌情況，另一部分出現(xiàn)坍塌的可能性較大. 對邊坡穩(wěn)定性的分析通常包括定性和定量兩種方法，其中定性分析的方法較多，例如極限分析法、類比法等. 除此之外，還有一些方法并不成熟，仍處于測試階段，例如灰色理論分析法等［7］.

1 工程地質條件

1.1 自然地理

研究區(qū)位于遼寧省寬甸滿族自治縣的長甸鎮(zhèn)，地處遼東低山丘陵地貌景觀區(qū)，東部為鴨綠江中下游的中朝邊境地帶，同時位于長白山和千山兩大山脈之間，地勢具有西北部較東南部高的特點. 通過資料收集調查發(fā)現(xiàn)，西北部最高海拔達1 336.1 m，東南部山地較多，多為300～500 m，平均海拔約400 m. 其中山地丘陵占地較多，盆地及河流占地面積較少，兩者間的比例可達到2∶1. 在氣候方面，寬甸縣屬于東亞季風區(qū)，降水量較多，有明顯的四季對比，特別是冬夏兩季的季節(jié)氣候較為明顯，并且不同海拔不同緯度地區(qū)的氣候差別也較大［8］.

1.2 地質環(huán)境

寬甸地區(qū)大地構造處于華北板塊邊緣，地質特征較為明顯，地層巖石主要包括古元古界遼河群高家峪組二段以及中生代早白堊世侵入巖（圖1）. 高家峪組二段以混合巖和片麻巖為主，早白堊世侵入巖主要為石英正長巖和石英二長巖［8］. 本次研究的巖體主要分布在鴨綠江下河口—拉古哨路段沿線，巖體在地質歷史中曾遭受過多期構造作用，受多條北東向斷裂控制，統(tǒng)稱為鴨綠江斷裂帶. 鴨綠江深部斷裂帶及其次生斷裂基本控制了本區(qū)構造格局，具有復雜的結構特征［8-9］.

圖1 研究區(qū)巖體分布圖Fig. 1 Distribution map of rock masses in the study area1—中侏羅世花崗巖（Middle Jurassic granite）；2—中侏羅世石英二長巖（Middle Jurassic quartz monzonite）；3—中侏羅世石英正長巖（Middle Jurassic quartz syenite）；4—混合巖（migmatite）；5—高家峪組石墨黑云鉀長片麻巖（graphite biotite K-feldspar gneiss of Gaojiayu fm.）；6—野外調查點（field survey spot）

1.3 巖體質量等級

根據(jù)工程地質巖組劃分的原則，將下河口—拉古哨路段巖體劃分為侵入巖組和變質巖組兩個小類. 侵入巖包括石英二長巖和石英正長巖兩個子類，變質巖包括混合巖和片麻巖兩個子類［10］.

通過野外實地調查及室內點荷載試驗［11］，得出巖體工程地質數(shù)據(jù)（表1）. 侵入巖組總體為微風化，少數(shù)為中等風化，總體為較完整，堅硬程度總體為堅硬；變質巖均有不同程度的風化，多為中等程度風化，并且?guī)r體結構破壞程度較重，屬于較硬巖—較軟巖. 通過分析可知石英正長巖、石英二長巖和混合巖巖體質量等級較好，片麻巖巖體質量等級較差［12］（表2）.

表1 巖體子類的基本質量等級特征一覽表Table 1 Basic quality grade characteristics of rock mass subclasses

表2 下河口—拉古哨路段邊坡巖體質量分級Table 2 Rock mass quality grading of the slope along Xiahekou-Lagushao road section

1.4 巖體力學參數(shù)

在巖體質量等級分類上，常用的有RMR 和BQ 方法，RMR 巖體分級體系是Bieniawski 于1973 年建立的，其目的是對巖體的性質進行量化評價，并為巖體穩(wěn)定性的評價提供依據(jù)［13］. 而BQ 分級法主要考慮的是巖塊的強度以及巖體的完整性［14］. 這兩種方法的最大特點就是可以綜合巖體中的影響因素，也正是因為分級方法較為相似，兩種方法在運行過程中也有著一定相關性［15］，如以下公式，從式（1）中可利用BQ 得到RMR 的結果，而式（2）（3）則可計算巖體特性材料常數(shù)m、s［7］.

式（4）中σn代表巖體的法向應力，τ 代表剪應力，φ 代表摩擦角. 通過式中的計算情況可知法向應力會對剪應力造成影響，并可利用巖體的特性材料常數(shù)m 對σn和τ 數(shù)據(jù)擬合得到相應的內聚力和內摩擦角［7］（表3）巖石的內聚力越低、內摩擦角越小，則巖石的強度就越低，巖體的穩(wěn)定性就會變低，反之亦然［16］.

表3 各類巖體力學參數(shù)值表Table 3 Mechanical parameters of rock masses

2 邊坡失穩(wěn)模式分析

一般情況下，在判斷巖體是否會發(fā)生滑動破壞現(xiàn)象時，會將巖體表面傾斜方向和坡向視為同向，當其傾角度數(shù)處于巖體內摩擦角和坡角度數(shù)之間時，其發(fā)生滑動破壞的可能性較大［17］. 下河口—拉古哨路段坡向總體為南東向，對邊坡進行節(jié)理面傾向和構造結構面分析，其結果如圖2、圖3 所示. 玫瑰花圖（圖2）由31組巖體傾向數(shù)據(jù)制成，通過分析，測定的4 組均值數(shù)據(jù)（272°∠42°、290°∠46°、12°∠39°、153°∠52°）中，只有第四組的節(jié)理傾向和坡面傾斜情況相近，其余3 組的節(jié)理方向均與坡面方向相差較大［18］. 通構造結構面分析（圖3），其優(yōu)勢結構面的方向與坡面相反，根據(jù)此結果得出發(fā)生滑動破壞的可能性較小. 同時對優(yōu)勢結構面和坡面的夾角進行測定，結果均不大于120°，以此判斷出現(xiàn)山體傾倒的幾率較小［19］.

圖2 下河口—拉古哨路段節(jié)理面傾向玫瑰花圖Fig. 2 The rose diagram for joint plane dip directions of Xiahekou-Lagushao section

圖3 下河口—拉古哨路段構造結構面極點統(tǒng)計圖Fig. 3 Polar point statistical diagram for structural planes of Xiahekou-Lagushao section

片麻巖巖體完整性程度總體為較破碎，局部風化嚴重，對邊坡的穩(wěn)定性有顯著影響，故對于片麻巖組成的邊坡段，必須考慮風化程度、節(jié)理發(fā)育程度與坡面的空間組合關系. 下河口—拉古哨路段全風化片麻巖邊坡如遇強降雨等因素會發(fā)生滑動破壞. 對該片麻巖巖體邊坡的傾角、節(jié)理和坡面角度進行測定后，發(fā)現(xiàn)其傾角和坡面角度較大，同時節(jié)理密集，以此判斷其可能出現(xiàn)的危象為崩塌［20］.

3 結論

1）經巖體質量分級，有3 種巖體的質量等級較高，其BQ 值大于440 小于550，分別為石英二長巖、石英正長巖及混合巖.

2）石英二長巖、石英正長巖、混合巖和片麻巖巖體優(yōu)勢結構面與坡面的夾角均小于120°，出現(xiàn)巖體傾倒的幾率較小.

3）石英二長巖、石英正長巖和混合巖巖體節(jié)理對邊坡失穩(wěn)破壞的影響較??；片麻巖的巖體質量等級較低，其風化等級較高且節(jié)理發(fā)育較好，降低了邊坡的穩(wěn)定性，巖體有可能發(fā)生滑動破壞.

4）下河口—拉古哨路段巖體風化程度、完整性和巖體結構面的節(jié)理發(fā)育情況對邊坡的穩(wěn)定程度尤為重要. 當某邊坡穩(wěn)定程度受到影響時，其影響因素存在較多情況，需進行實地勘測.