赤平投影法在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

馬全良

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊 830002）

0.引言

赤平投影是一種簡(jiǎn)便、直觀的計(jì)算方法又是一種形象、綜合的定量圖解，它不僅可以表示線和面的方向，相互的角距關(guān)系及其運(yùn)動(dòng)軌跡，還能把物體三維空間的幾何要素反映在投影平面上進(jìn)行研究處理。此方法對(duì)解決地質(zhì)構(gòu)造幾何形態(tài)、應(yīng)力分析等問(wèn)題直觀有效，在地質(zhì)工作中被廣泛應(yīng)用[1-4]。

孔玉科等詳細(xì)研究了赤平投影在地質(zhì)測(cè)繪，巖體邊坡穩(wěn)定評(píng)價(jià)、洞室圍巖穩(wěn)定條件等的應(yīng)用[5]；姜彤等基于赤平投影基本原理并結(jié)合理論定量計(jì)算和分析，對(duì)工程實(shí)例中的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了赤平投影能直觀地反映邊坡?tīng)顟B(tài)穩(wěn)定性且能提高工程效率[6]；佘冬梅等通過(guò)分析總結(jié)赤平投影法的發(fā)展歷程、概念原理及作圖方法，結(jié)合工程實(shí)例分析確定巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。其結(jié)果表明，對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析赤平投影有很強(qiáng)的實(shí)用性且方法簡(jiǎn)單明了，具有廣泛的應(yīng)用空間[7]。王喜華等認(rèn)為明確各結(jié)構(gòu)面的空間產(chǎn)狀及各結(jié)構(gòu)面的相互組合關(guān)系利用赤平投影法且經(jīng)過(guò)作圖分析，可以確定滑動(dòng)體的滑動(dòng)方向，進(jìn)一步對(duì)滑動(dòng)體的形態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行判定[8]；劉洪年等分析總結(jié)認(rèn)為，作用于巖體上的作用力的大小和方向、結(jié)構(gòu)體的物理力學(xué)性質(zhì)與立體形式、結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)性質(zhì)及空間分布位置和組合關(guān)系，是決定巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的重要因素。赤平投影法能將復(fù)雜三維空間轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單二維平面，實(shí)際應(yīng)用簡(jiǎn)便、直觀，省去復(fù)雜公式演算。利用赤平投影定性分析堅(jiān)硬—較堅(jiān)硬層狀結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，可獲得較好的成果[9]。

邊坡穩(wěn)定現(xiàn)在已成為水利工作中關(guān)注度愈加明顯的要點(diǎn)，邊坡失穩(wěn)在山區(qū)水利工程中時(shí)有發(fā)生，因此在水利工作中針對(duì)邊坡穩(wěn)定的分析對(duì)保障工程安全具有重要的意義。本文采用赤平投影法結(jié)合新疆塔城地區(qū)某水庫(kù)庫(kù)區(qū)左岸巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的案例，探討研究赤平投影法在水利工程中的應(yīng)用。

1.巖質(zhì)邊坡類(lèi)型

關(guān)于巖體發(fā)生破壞變形的基礎(chǔ)和重要因素，巖體自身結(jié)構(gòu)有著決定性的作用。評(píng)價(jià)分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)，首先對(duì)巖體自身結(jié)構(gòu)作出正確的評(píng)價(jià)分析。在自然狀態(tài)下，巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型復(fù)雜多樣。工程不同、地理位置不同、劃分的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)與類(lèi)型亦有差異[10]。本文依據(jù)孫玉科的巖體結(jié)構(gòu)分類(lèi)與劉洪等對(duì)巖質(zhì)邊坡分類(lèi)研究，結(jié)合本次工程實(shí)例將巖質(zhì)邊坡劃分為兩種類(lèi)型[5,9]。

（1）塊體結(jié)構(gòu)邊坡。結(jié)構(gòu)體由兩組及以上產(chǎn)狀不同的結(jié)構(gòu)面組合交割而成。巖體結(jié)構(gòu)面是邊坡破壞變形的主控因素，其主因是結(jié)構(gòu)面與坡面交割的結(jié)構(gòu)體存在沿某一結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)趨勢(shì)或具有多個(gè)結(jié)構(gòu)面方向滑動(dòng)趨勢(shì)。

（2）平行層狀結(jié)構(gòu)邊坡。結(jié)構(gòu)塊體為層狀，由近于平行或平行的兩個(gè)結(jié)構(gòu)面組成。此類(lèi)型結(jié)構(gòu)面有較強(qiáng)的連續(xù)性，主要以順層滑動(dòng)的方式而使結(jié)構(gòu)體失穩(wěn)破壞，而軟弱夾層的存在是發(fā)生滑動(dòng)的主要誘因。結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度與產(chǎn)狀決定了平行層狀結(jié)構(gòu)邊坡的穩(wěn)定性。

2.工程區(qū)地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

水庫(kù)區(qū)位于低中山峽谷內(nèi)，峽谷呈“V”字型谷底寬10.0m～15.0m，由南至北逐漸放寬，曲折蜿蜒，走向近南北，總體地勢(shì)南高北低?？傮w海拔約1100.0m～1200.0m，相對(duì)高差80.0m～100.0m，兩岸均為平頂?shù)椭猩?，基本?duì)稱(chēng)，兩岸山頂?shù)貏?shì)較平緩，由第四系風(fēng)積粉土覆蓋，局部見(jiàn)基巖出露，地表植被發(fā)育見(jiàn)低矮灌木及草本植物生長(zhǎng)發(fā)育。庫(kù)區(qū)兩岸發(fā)育多條沖溝，規(guī)模均為小型，溝內(nèi)植被發(fā)育，溝底干涸，多覆蓋有碎石土，部分溝壁基巖裸露，坡度30°～50°，局部陡立。兩岸邊坡較陡，基巖裸露，部分被薄層坡積物覆蓋，表層生長(zhǎng)有少量低矮灌木（見(jiàn)圖1）。

圖1 工程區(qū)左岸邊坡

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

水庫(kù)區(qū)所在區(qū)域位于準(zhǔn)噶爾盆地西北邊緣，屬準(zhǔn)噶爾—北天山褶皺系內(nèi)的準(zhǔn)噶爾優(yōu)地槽褶皺帶內(nèi)的塔爾巴哈臺(tái)—荒草坡亞帶內(nèi)的巴爾魯克—賽米斯臺(tái)復(fù)背斜。水庫(kù)區(qū)無(wú)區(qū)域性活動(dòng)斷裂通過(guò)，依據(jù)區(qū)域資料，距庫(kù)區(qū)東側(cè)約500m～900m處一分支斷裂穿過(guò)，推測(cè)斷裂性質(zhì)為壓性，北東走向，傾向不明。水庫(kù)區(qū)內(nèi)無(wú)明顯的斷裂地表形跡。庫(kù)區(qū)主要構(gòu)造形跡為低序次斷層和節(jié)理裂隙。水庫(kù)區(qū)主要地層為泥盆系火山碎屑巖。巖性主要為灰色、灰綠色凝灰?guī)r、灰綠色晶屑巖屑凝灰?guī)r等；地表覆蓋層主要為第四系坡積碎石土和風(fēng)積粉土等。

2.3 邊坡主要結(jié)構(gòu)面分析

本次研究對(duì)象為庫(kù)區(qū)左岸巖質(zhì)邊坡，巖性為火山凝灰?guī)r，巖層為整體塊狀產(chǎn)出，坡面產(chǎn)狀大致為350°∠30°，邊坡巖體主要發(fā)育3組節(jié)理裂隙。節(jié)理1產(chǎn)狀為238°∠50°，結(jié)構(gòu)面平直粗糙呈微張～張開(kāi)，部分充填有巖石碎屑泥土，寬2.0m～3.0mm，間距0.2m～0.8m，延伸長(zhǎng)度0.5m～5.0m；節(jié)理2產(chǎn)狀為343°∠55°，結(jié)構(gòu)面平直粗糙呈微張～張開(kāi)，部分充填有白色鈣質(zhì)膠結(jié)物，寬1.0m～2.0mm，間距0.1m～0.8m，延伸長(zhǎng)度1.0m～8.0m；節(jié)理3產(chǎn)狀為145°∠30°，結(jié)構(gòu)面平直粗糙呈微張～張開(kāi)，寬2.0m～3.0mm，間距0.2m～1.0m，延伸長(zhǎng)度0.5m～7.0m。

3.邊坡穩(wěn)定分析

節(jié)理與坡面的組合關(guān)系是邊坡穩(wěn)定分析的重要因素，現(xiàn)節(jié)理與坡面的結(jié)構(gòu)面、線產(chǎn)狀數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，其組合關(guān)系采用赤平投影法分析如圖2所示，其分析如下：

圖2 邊坡節(jié)理赤平投影圖

表1 結(jié)構(gòu)面、線產(chǎn)狀表

（1）節(jié)理1與節(jié)理2結(jié)構(gòu)面的交線oa與坡面傾向之間的夾角為153°，與坡面傾向相反，可判定結(jié)構(gòu)面交割巖體是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體。

（2）節(jié)理2與節(jié)理3結(jié)構(gòu)面的交線ob與坡面之間夾角為14°與坡面傾向相同，且傾角小于坡角，可判定結(jié)構(gòu)面交割巖體為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體。存在沿交線方向順坡向發(fā)生滑動(dòng)的危險(xiǎn)。

（3）節(jié)理3與節(jié)理1結(jié)構(gòu)面的交線oc與坡面之間夾角為93°，與坡面傾向相反，可判定結(jié)構(gòu)面交割巖體為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體。

（4）節(jié)理1結(jié)構(gòu)面、節(jié)理2結(jié)構(gòu)面與邊坡坡面大角度相交，屬于有利結(jié)構(gòu)面；節(jié)理3結(jié)構(gòu)面與邊坡坡面小角度相交，但是結(jié)構(gòu)面傾角等于坡角，沿結(jié)構(gòu)面不易出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象，邊坡是基本穩(wěn)定的。

由以上分析可知：邊坡巖體不具備沿坡面方向產(chǎn)生滑移的動(dòng)力條件和空間條件，但是被節(jié)理交割巖體穩(wěn)定性較差，存在沿交線方向順層滑移危險(xiǎn)。

4.邊坡防護(hù)建議措施

建議對(duì)坡面不穩(wěn)定巖體及強(qiáng)風(fēng)化層進(jìn)行清除，進(jìn)行削坡卸載措施，人工削坡時(shí)為避免造成邊坡局部掉塊、崩落等進(jìn)一步破壞，還需采用工程防護(hù)措施，即采用分級(jí)臺(tái)階開(kāi)挖方式開(kāi)展邊坡防護(hù)工作。分級(jí)開(kāi)挖、分級(jí)保護(hù)，開(kāi)挖后及時(shí)做好坡面防護(hù)。坡頂設(shè)置截水溝，坡底設(shè)置排水溝和碎石臺(tái)。邊坡開(kāi)挖后，嚴(yán)禁長(zhǎng)時(shí)間暴露在外，需及時(shí)采用防曬與防雨水等防護(hù)措施，以防降低邊坡穩(wěn)定而引起進(jìn)一步邊坡的滑塌等人為因素產(chǎn)生的不良地質(zhì)災(zāi)害。

5.結(jié)論

判定分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定存在太多復(fù)雜性，因此其分析方法多式多樣。赤平投影法是簡(jiǎn)單直觀且行之有效的方法。通過(guò)系統(tǒng)收集地質(zhì)數(shù)據(jù)，利用赤平投影法使地質(zhì)數(shù)據(jù)能便于評(píng)價(jià)分析邊坡穩(wěn)定性，使復(fù)雜的空間組合關(guān)系轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的平面關(guān)系。也可預(yù)判不穩(wěn)定巖體可能的滑移方向，進(jìn)一步做出防范措施。

本次采用赤平投影法對(duì)新疆塔城地區(qū)某水庫(kù)巖質(zhì)邊坡主要結(jié)構(gòu)面進(jìn)行研究分析，明確其邊坡整體穩(wěn)定性較好。結(jié)果表明，在水利工程邊坡穩(wěn)定性分析中，赤平投影法是一種易于操作、快捷方便、準(zhǔn)確分析的邊坡穩(wěn)定判定方法。