黃水河巖質邊坡的穩定性分析

謝 鵬，陳 昊，張凌晨，卿 菁，盧應發

(湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068)

隨著我國經濟建設的迅速發展，很多基礎建設項目在山區實施，由此在山區產生了大量的巖質邊坡地質災害，一定程度上限制了經濟的可持續發展[1]，因此，邊坡穩定性、邊坡的破壞模式以及破壞機理一直是邊坡研究的一個重點課題。赤平投影法是目前工程界巖質邊坡定性穩定性分析的一個重要手段。它將邊坡的節理、層面、斷層等重要結構面和坡面在三維空間中的位置表示在平面上，通過分析它們之間的位置關系，可迅速地評價出邊坡的穩定性[2-6]?，F行巖質邊坡穩定定量分析方法主要有極限平衡法、有限元法和其它的散體分析方法[7-11]。這幾種分析方法均是假設在臨界狀態基礎之上，從而獲得邊坡安全系數。巖質邊坡破壞過程實際上是一個漸進的破壞過程[12-17]，這一過程隨外部情況的改變而變化。由于赤平投影法的定性分析結果較為準確，本文基于赤平投影法的分析結果，采用部分強度折減法對實際巖質邊坡案例進行穩定性分析，從而對巖質邊坡的穩定性分析方法進行探討，為巖質邊坡的穩定性分析方法提供一種思路。

1 邊坡概況

蘆山縣黃水河巖質邊坡位于四川省蘆山縣大川鎮北部，距大川鎮約30 km。陡崖位于勘查區中部公路南側(圖1)，分布標高1871～1932 m之間，坡頂標高1884～1932 m，坡腳標高1871～1877 m，陡崖長63 m，高度13～55 m，最大坡高61 m，坡面面積3100 m2。陡崖走向285°，傾向15°，剖面形態近直線型(圖2)，傾角61°。邊坡巖性單一，均為前震旦系黃水河群(Pt1hn)灰白色石英片巖，鱗片變晶結構，片理構造，層厚一般20～80 cm。層間咬合緊密，巖石致密堅硬，力學強度較高，屬于較堅硬的層狀工程地質層，未見軟弱夾層分布，地層產狀330～338°∠70～75°。邊坡地層傾向與坡向同向斜交，地層傾角大于坡角。邊坡屬于物質組成較均一的順向巖質高邊坡。

圖1 黃水河巖質邊坡平面

圖2 黃水河巖質邊坡I-I＇剖面

勘查區無大的斷裂及破碎帶發育，巖體中結構面主要為不同級次的節理裂隙，但由于陡崖臨空卸荷作用，使得某一組或多組裂隙展現的比較突出，即裂隙對巖體的破壞的主控性展示比較明顯。根據工程地質測繪資料，邊坡各組裂隙發育情況分述如下：裂隙1產狀為295°∠77°，寬1～5 mm，長度20～40 m，發育密度1～2條/m，裂面起伏粗糙，充填粉質黏土；裂隙2產狀為20°∠77°，寬2～10 mm，長度1～7 m，發育密度0.5～1條/m，為卸荷裂隙，裂面起伏粗糙，上寬下窄，充填粉質黏土。

2 赤平投影法對黃水河巖質邊坡的分析

2.1 赤平投影法基本原理

赤平投影法是以球體作為投影工具，將物體置于球心，以投影球的北極或南極作為發射點，將物體的點線面投影于赤道平面上的方法。在分析巖質邊坡穩定性時，赤平投影法假設巖質邊坡為一個剛體，巖質邊坡內部沒有應變，然后將巖質邊坡的結構面和坡面實測產狀投影到赤道平面上，通過分析各組產狀的空間位置，對巖質邊坡的穩定性進行判斷。

2.2 邊坡赤平投影分析

將現場測量的結構面和坡面產狀輸入到赤平投影分析圖中，得出分析情況如圖3和表1所示。

圖3 赤平面投影結果分析

表1 結構面、線產狀表

邊坡地層傾向與坡向同向斜交，夾角41°，但地層層面結合好，膠結良好，層間咬合緊密，無充填，無泥化、軟化現象，屬硬性結構面且巖層傾角大于坡角，巖體整體沿層面滑移的可能性不大，為基本穩定結構。

裂隙1傾向與坡向相反，傾角大于坡角，為穩定結構；裂隙2傾向與坡向相同，傾角大于坡角，為基本穩定結構。

巖層面、裂隙1交線傾向(產狀336°∠73°)與坡向同向斜交(夾角39°)，傾角大于坡角，為基本穩定結構。巖層面、裂隙2交線傾向(產狀339°∠73°)與坡向同向斜交(夾角36°)，傾角大于坡角，為基本穩定結構。

裂隙1、2交線傾向(產狀335°∠73°)與坡向同向斜交(夾角40°)，傾角大于坡角，為基本穩定結構。

根據工程地質分析和赤平投影分析，邊坡穩定性綜合評價為基本穩定狀態，與現場調查情況基本符合。

3 邊坡穩定性定量分析

首先介紹傳統不平衡推力法，其計算公式如下：

正壓力

Ni=Wicosαi+Pi-1sin (αi-1-αi)+

βilicosαicosαi+Δilicosαisinαi

正應力

σin=Ni/li

臨界摩阻應力

τicrit=ci+σintanφi

摩阻力

Ticrit=cili+Nitanφi

抗滑力折減后的摩阻力

Ti,Fcrit=Ticrit/F

下滑力

βilicosαisinαi+Δilicosαicosαi

剩余下滑力

Pi=PiS-Ti,Fcrit

穩定性系數

式中：Wi為第i塊重量；βi為作用于地表上豎向均布荷載；Δi為水平向均布荷載；li為條塊底邊長度；αi為條塊底邊與水平夾角；F為折減系數；σin為法向應力。

圖4 不平衡推力法受力

部分強度折減法也運用同樣的公式進行計算分析，定義臨界條塊的穩定系數為1，若取某一條塊為第m條塊。如圖5所示，從第1條塊至下依次計算到第n條塊的穩定系數，此過程可以表示為：由于外界條件如地震、降雨等的影響，臨界狀態點由第m條塊逐漸向第n條塊移動，當移動到第n條塊時，邊坡由部分破壞加劇到完全破壞，這時的穩定系數就是傳統不平衡推力法計算出的邊坡整體穩定性系數。

圖5 邊坡穩定分析土條塊劃分

以黃水河巖質巖質邊坡為工程實例進行說明，取圖2中剖面圖進行條塊劃分，現行條分法計算中，一般劃分條塊為20～25塊，小于20塊會影響計算準確性，大于25塊會大大增加計算工作量且對精度影響較小，這里采用24塊條塊進行計算分析，條塊劃分示意如圖6所示，條塊幾何數據如表2所示。根據勘查報告所確定各力學參數取值如下：粘聚力為4.3 MPa，內摩擦角45°，重度值為30 kN/m3，剪切模量5000 kPa。

圖6 黃水河巖質邊坡條塊劃分

表2 條塊幾何參數

續表2

對于黃水河巖質邊坡分析計算，條塊間作用力先增大后減小，最大作用力在8-10號條塊(圖7)。把臨界條塊從第1條塊移動到24條塊時，條塊間的作用力逐漸遞增(圖8)，可以看出黃水河巖質邊坡是一個漸進破壞的過程。當臨界條塊移動至24條塊時，可得邊坡的穩定系數為1.14(表3)，則表明黃水河巖質邊坡處于基本穩定狀態，與赤平投影法分析相符合。

圖7 不同臨界條塊的不平衡推力曲線

圖8 不同臨界條塊的不平衡推力分布

表3 部分強度折減法穩定系數表

4 結論

基于赤平投影法的定性分析結果，進一步采用部分強度折減法對黃水河巖質邊坡的穩定性進行了分析。分析結果表明:

1)坡面和結構面的空間組合關系是評價巖質邊坡穩定性的主要內容之一，運用赤平投影圖解法能比定量分析更快速的進行初步穩定分析。

2)根據《滑坡防治工程勘察規范GB/T32864-2016》[18]，由本文所用的部分強度折減法可以得到邊坡的穩定性系數FS=1.14，大于1.05且小于1.15，表明黃水河邊坡現處于基本穩定狀態。

3)隨著臨界點逐步往下移動，條塊間的作用力逐漸增加，部分強度折減法可以模擬巖質邊坡的漸進破壞過程。

4)兩種方法結合分析能更加可靠的評價巖質邊坡穩定性，使得出的結論更加符合實際情況，能更好應用于工程界。