談裂隙巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性

楊 志 強

(北京華宇工程有限公司平頂山分公司，河南 平頂山 467002)

談裂隙巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性

楊 志 強

(北京華宇工程有限公司平頂山分公司，河南 平頂山 467002)

通過建立巖質(zhì)邊坡裂隙場網(wǎng)絡(luò)模型，討論了大孤山巖質(zhì)邊坡在裂隙場中的穩(wěn)定性，結(jié)果表明連通度越大，風(fēng)化越嚴(yán)重，坡體越容易沿連通度高的區(qū)域的潛在滑動弱面失穩(wěn)破壞。

裂隙巖質(zhì)邊坡，穩(wěn)定性，連通度

0 引言

巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的評價與預(yù)測是邊坡工程研究的根本問題，也是邊坡工程研究中最難和最迫切的課題之一[1]。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，礦山開采，交通運輸，水利水電，國防工程等建設(shè)工程越來越多，工程開發(fā)就會對原有邊坡進行人為改造，從而擾動或破壞了本來穩(wěn)定的邊坡，形成了新的人工邊坡。大孤山露天礦高邊坡就是在人類無序開采礦石下形成的，由于邊坡在漫長的地質(zhì)作用過程中，就一直存在潛在的變化，構(gòu)造作用下邊坡裂隙擴展發(fā)育，風(fēng)化作用下邊坡巖體物理化學(xué)性質(zhì)漸變，如今在人類活動作用下邊坡地貌特征改變。這些因素使得大孤山高邊坡變得越來越復(fù)雜多變。其復(fù)雜多變性使得人們的認識受到限制，存在很多隨機性、不確定性和模糊性[2]。但對其風(fēng)化穩(wěn)定性評價是非常必要的。

1 巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)模型

通常發(fā)育于巖石中的裂隙是有一定的展布規(guī)律的[3]，根據(jù)裂隙發(fā)育的宏觀分布規(guī)律，可建立相應(yīng)的裂隙場網(wǎng)絡(luò)模型，通過裂隙場網(wǎng)絡(luò)模型分析，可確定巖體裂隙場強度，即裂隙發(fā)育的連通程度。在巖體裂隙場中，裂隙發(fā)育的跡長總是有限長的，且由多組裂隙組成，通常按裂隙發(fā)育的空間方位特征來劃分裂隙組[4，5]，可知同組的各個裂隙單體是互不相交，互不連續(xù)的。但只要不同方位的多組裂隙組彼此交切，就會構(gòu)成在不同程度上相互連通的裂隙場網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。裂隙場連通度指用以說明裂隙場網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中裂隙連通程度的一種定量指標(biāo)，其大小可反映出裂隙場網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的連通程度[6]。故根據(jù)其特性我們可作這樣的規(guī)定：當(dāng)連續(xù)裂隙場網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中每一條裂隙都無限延伸或與選取面域邊界相交時，且每一條裂隙都相交，不是獨立的單體，這樣就可構(gòu)成一相互連通的通路，其連通度量化為1，為極大值；相反，若裂隙場網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各組裂隙互不相交，沒有聯(lián)系，不能形成一定的通路時，則其連通度量化為0，為極小值。因此在一般情況下，連通度的上下值是一個介于0與l之間的無量綱數(shù)。然而，我們所指的連通度不能代表裂隙的發(fā)育程度，它只是一個相對的概念。裂隙場網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中連通度的大小主要受裂隙發(fā)育的方向、組數(shù)、各組裂隙的跡長、密度、裂隙排列方式及裂隙連續(xù)系數(shù)等因素控制，其中大部分是屬常規(guī)性的裂隙特征，不同之點在于后面兩項，通常這些因素都可通過野外現(xiàn)場實測及現(xiàn)場研究確定，連續(xù)系數(shù)用以表示某一條或某一組裂隙的連續(xù)性，一般裂隙組是不連續(xù)的，所以連續(xù)系數(shù)也是一個介于0與l之間的無量綱數(shù)，用δ表示。若裂隙在切面上與外界是連通的，則這條裂隙的連續(xù)系數(shù)δ為1。統(tǒng)計域內(nèi)的連續(xù)系數(shù)可用來表征一定面積域內(nèi)的一組裂隙的連續(xù)系數(shù)。設(shè)統(tǒng)計域為正方形，面與裂隙走向垂直，見圖1。

則正方形統(tǒng)計域內(nèi)的連續(xù)系數(shù)可由式(1)求出。

(1)

其中，li為單個裂隙長度；n為統(tǒng)計域內(nèi)裂隙總條數(shù)；m為裂隙組總行數(shù)；L為統(tǒng)計域邊長。

在現(xiàn)場裂隙統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，所測得的連續(xù)系數(shù)的大小不僅與選取的代表性面域有關(guān)，還與統(tǒng)計域面積的大小有密切關(guān)系。如果所選定的統(tǒng)計域面積過小，則連續(xù)系數(shù)的隨機波動性將會非常大，數(shù)值沒有固定的總趨勢，可以突然變?yōu)?，有時甚至可接近于1。統(tǒng)計可知當(dāng)統(tǒng)計域面積的邊長為裂隙平均跡長的3倍～5倍時，連續(xù)系數(shù)則趨于穩(wěn)定，故此時的統(tǒng)計域就可定義為可信域，據(jù)此可確定合理統(tǒng)計域的面積大小。在區(qū)域范圍內(nèi)對裂隙網(wǎng)絡(luò)格局的形成、風(fēng)化作用加速及地下水運移起控制作用的裂隙組稱為控制性裂隙組，由各控制性裂隙組所奠定的裂隙場網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一般為分布較均勻的規(guī)律性裂隙場網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。連續(xù)系數(shù)只是確定了一組裂隙的發(fā)育情況，它們互不相交，只是一個獨立的系統(tǒng)，它們之間沒有通路聯(lián)系，故它們的連通系數(shù)δii=0，連通度亦為0。若控制裂隙場網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包含兩組控制性裂隙組，則其連通度不僅與兩組裂隙的連通系數(shù)δij有關(guān)，還與裂隙相互連接排列形式有關(guān)，裂隙相互交聯(lián)的數(shù)量占裂隙總量越多，說明裂隙場網(wǎng)絡(luò)連通性較好，因此可以用連通百分率表示裂隙交聯(lián)相關(guān)度。若裂隙場網(wǎng)絡(luò)模型由三組或三組以上的控制性裂隙組組成，則應(yīng)將裂隙組分解為兩兩相交子網(wǎng)絡(luò)模型分別計算連通度，最后將計算結(jié)果疊加起來計算出裂隙場網(wǎng)絡(luò)模型連通度,如圖2所示。

確定各控制性裂隙組的連續(xù)系數(shù)后，就可以得出統(tǒng)計域內(nèi)裂隙組間連通系數(shù)δij，因δij與δji相等，故不重復(fù)計算，當(dāng)i=j時，δij為0，進而根據(jù)兩控制性裂隙組連通百分率求出連通度φ。公式如下：

δij=δi×δj

(2)

(3)

2 大孤山場地裂隙網(wǎng)絡(luò)模型分析

由區(qū)域構(gòu)造特征可知，大孤山裂隙場主要是在三條斷層的影響下形成的，裂隙非常發(fā)育，排列較雜亂，我們對大孤山地區(qū)不同構(gòu)造分區(qū)進行邊坡巖體裂隙實測后，建立了巖質(zhì)邊坡裂隙場網(wǎng)絡(luò)模型(見圖3～圖7)，裂隙場模型總體反映出裂隙主要由三組控制性裂隙組組成，分別為裂隙組Ⅰ、裂隙組Ⅱ、裂隙組Ⅲ，裂隙組數(shù)與此地區(qū)構(gòu)造活動造成三條大斷層的應(yīng)力場環(huán)境比較吻合。

根據(jù)各分區(qū)裂隙場網(wǎng)絡(luò)中裂隙平均跡長大約為3m，故可確定模型統(tǒng)計面域為9m×9m，選取的統(tǒng)計面域也能較好的反映各分區(qū)裂隙分布特征。統(tǒng)計裂隙后對各分區(qū)進行了連通度計算，經(jīng)驗系數(shù)取1.0，表1列出了部分計算結(jié)果。

從表1分析結(jié)果可知，裂隙場網(wǎng)絡(luò)模型計算結(jié)果反映出該區(qū)巖質(zhì)邊坡裂隙場網(wǎng)絡(luò)連通度具有不均勻性和各向異性的特點。

Ⅰ邊坡南區(qū)裂隙組受底部擠壓斷層和爆破震動影響各組裂隙交聯(lián)度很好，連通性較好，連通度為0.51。此處裂隙錯綜復(fù)雜，分布較密集，隙寬較大，最寬的可達10cm，風(fēng)化劇烈，裂隙結(jié)構(gòu)面很粗糙，并且分布有風(fēng)化強發(fā)育帶，凸出巖體具有沿連通度高的巖溶發(fā)育帶滑動的趨勢；

Ⅰ邊坡北區(qū)裂隙主要是在正斷層影響下，由兩條剪切裂隙派生出很多的張裂隙網(wǎng)絡(luò)，剪切裂隙連續(xù)性很好，跡長也較長，且剪切裂隙結(jié)構(gòu)面較粗糙，但整體連通性一般，在漫長風(fēng)化歷史過程中整體風(fēng)化不太嚴(yán)重，只是在局部可見風(fēng)化劇烈的表象，但此處的正斷層附近的較破碎巖體具有沿裂隙場連通度較高的剪切面滑動的趨勢；

表1 大孤山各區(qū)連通度計算結(jié)果

而Ⅱ邊坡區(qū)裂隙是受順層斷層影響，裂隙場網(wǎng)絡(luò)主要由兩條控制性裂隙組組成，裂隙壓密后隙寬較小，裂隙發(fā)育較好，連通性較好，切割的巖體風(fēng)化跡象不太明顯，由于裂隙場強度較高，所以邊坡還是存有潛在危險性，有可能沿裂隙場連通度較高的斷層結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動；

Ⅲ邊坡區(qū)裂隙主要由豎直張裂隙控制，裂隙整體連通性不太好，受風(fēng)化影響較小，只是在局部連通較好的裂隙場中風(fēng)化較劇烈，沒有明顯的滑動優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面；

Ⅳ邊坡區(qū)裂隙組排列雜亂，分布不均不密集且相互聯(lián)系很弱，其連通性很小，風(fēng)化不明顯，也沒有發(fā)現(xiàn)潛在的滑動弱面。

最終結(jié)果表明結(jié)合構(gòu)造特征和裂隙發(fā)育特性裂隙場網(wǎng)絡(luò)模型在探討巖質(zhì)邊坡風(fēng)化和穩(wěn)定性方面具有一定的實用性。裂隙連通性越好，風(fēng)化程度越劇烈，同時在斷層發(fā)育帶，裂隙連通性較好，巖體風(fēng)化薄弱帶的裂隙場強度較高，而風(fēng)化劇烈的薄弱帶又是巖體滑動優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的場所，這些都表明裂隙場連通度高的區(qū)域通常存有滑動優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面。

3 結(jié)語

1)巖質(zhì)邊坡裂隙場內(nèi)部裂隙連通性越好，風(fēng)化作用越劇烈，而裂隙連通性主要受裂隙發(fā)育的組數(shù)、方向、各組裂隙的密度、跡長、裂隙連通系數(shù)及裂隙排列方式等因素控制，這些裂隙就組成一個裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。而一個統(tǒng)計域內(nèi)的裂隙網(wǎng)絡(luò)模型主要由控制性裂隙組控制。由控制性裂隙組支配的裂隙場連通程度就可以用連通度定量表示。

2)對大孤山地區(qū)5個邊坡裂隙實測后建立裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，模型分析結(jié)果表明連通度理論對裂隙場定量分析、邊坡風(fēng)化程度和潛在優(yōu)勢滑動面判定具有很好的指導(dǎo)意義。

[1] 姚愛軍，薛廷河.復(fù)雜邊坡穩(wěn)定性評價和工程實踐[M].北京：科學(xué)出版社，2008:5-7.

[2] 王 沁.時間序列的確定性分析[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2008:11-15.

[3] 沈明榮,陳建峰.巖體力學(xué)[M].上海：同濟大學(xué)出版社,2006:12-15.

[4] 徐耀鑒.巖石學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社,2007:16-19.

[5] 周維垣,劉元高.含裂隙組巖體的穩(wěn)定問題[J].巖土力學(xué),2003，10(24):13-15.

[6] 碳酸鹽巖的裂隙網(wǎng)絡(luò)連通度及其對巖溶的控制[J].地球科學(xué)，1991，1(16)：71-77.

Discussion on stability of fractured rock slope

YANG Zhi-qiang

(PingdingshanBranch,BeijingHuayuEngineeringCo.,Ltd,Pingdingshan467002,China)

This paper establishes the fracture field network model and mainly discuss the stability in the fracture rock slope, the results show that the greater of the connectivity degree, the more serious of the weathering, and the slope is more likely to fail along the potential weak sliding surface where the connectivity degree is high.

fracture rock slope, stability, connectivity degree

1009-6825(2014)13-0066-03

2014-02-22

楊志強(1985- )，男，工程師

TU413.62

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