公路沿線赤平極軸投影巖體穩(wěn)定性分析研究
——以藏木水電站場內(nèi)交通工程為例

劉慶舒,陳改霞

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

公路沿線赤平極軸投影巖體穩(wěn)定性分析研究
——以藏木水電站場內(nèi)交通工程為例

劉慶舒,陳改霞

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

邊坡巖體的穩(wěn)定性分析是赤平極軸投影在工程地質(zhì)勘察中的基本應(yīng)用之一。目前已有眾多的赤平極軸投影分析巖體穩(wěn)定性的軟件和插件。這些軟件或插件都是針對單個(gè)工點(diǎn)進(jìn)行的。對公路沿線進(jìn)行多個(gè)赤平極軸投影分析時(shí)，需要對公路沿線進(jìn)行多次、重復(fù)性的分析。本文在Auto CAD基礎(chǔ)上，采用VBA開發(fā)了對公路沿線進(jìn)行赤平極軸投影分析的插件，可以有效提高分析工作效率。

赤平極軸投影;巖體穩(wěn)定性分析;公路路線;VBA

1 概 述

藏木水電站位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)加查縣境內(nèi)，雅魯藏布江中游沃卡～加查峽谷段出口處，為雅魯藏布江中游河段規(guī)劃的第一個(gè)水電站。水電站場內(nèi)交通工程主要為水電站樞紐區(qū)施工服務(wù)，一般沿河岸布置，具有施工區(qū)域集中，路線起終點(diǎn)、路線走向可調(diào)整幅度較小等特點(diǎn)。工程區(qū)內(nèi)主要出露地層為三疊系、白堊系、第三系、第四系及燕山晚期～喜山期二長花崗巖、花崗斑巖、花崗閃長巖及超基性巖。區(qū)內(nèi)河谷深切，谷坡陡峻，裂隙較發(fā)育，巖體卸荷較明顯。主要優(yōu)勢裂隙有三組：

(1)N60°～70°W/SW∠70°～80°(與雅魯藏布江走向近平行)，延伸>5 m,平直粗糙，局部充填巖屑，中等銹染，間距20～60 cm。

(2)N40°～60°E /NW∠40°～55°(該裂隙與雅魯藏布江走向大角度相交)，延伸>5 m, 起伏粗糙，局部充填巖屑，中等銹染，間距20～60 cm。

(3)N20°～40°E /SE∠70°～75°(該裂隙與雅魯藏布江走向大角度相交)，延伸>10 m, 起伏粗糙，局部充填巖屑，中等銹染，間距30～50 cm。

公路邊坡巖體被三組節(jié)理裂隙切割，巖體嚴(yán)重松動(dòng)，節(jié)理裂隙張開1～20 cm，有的危巖體僅有底面與斜坡基巖接觸，周圍臨空。工程區(qū)邊坡破壞模式主要為楔形體破壞?？梢圆捎贸嗥綐O射投影法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。每次分析時(shí)，需要手工量取路線走向，手工計(jì)算邊坡傾向，簡單重復(fù)性工作量較大。本文在Auto CAD基礎(chǔ)上，采用VBA開發(fā)了對公路沿線進(jìn)行赤平極軸投影分析的插件，一旦路線確定后，可以通過輸入特定樁號(hào)，或者輸入樁號(hào)間距，批量分析公路邊坡巖體的穩(wěn)定性，有效提高了分析工作效率。

2 赤平極軸投影簡介

赤平極射投影是利用一個(gè)球體作為投影工具，把物體的幾何要素(點(diǎn)、線、面)投影于圓球面上，再以南極為發(fā)射點(diǎn)將球面上的物體的幾何要素投影于赤道平面上。在工程地質(zhì)工作中，可以用于分析各種結(jié)構(gòu)面間的相互關(guān)系，分析邊坡的穩(wěn)定性，分析隧道圍巖的穩(wěn)定性等。

對受兩組結(jié)構(gòu)面切割、控制穩(wěn)定性的邊坡，以重力為主要作用力時(shí)，穩(wěn)定性分析如下：

(1)先按結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，做出赤平極射投影圖，標(biāo)出兩結(jié)構(gòu)面的傾向線及結(jié)構(gòu)面交線。根據(jù)三者的位置關(guān)系，可以確定滑動(dòng)方向?yàn)槿咧弧?/p>

(2)再根據(jù)兩組結(jié)構(gòu)面投影的交點(diǎn)、邊坡及天然邊坡投影的相對位置關(guān)系，可以將邊坡的穩(wěn)定性分為最穩(wěn)定、穩(wěn)定、較穩(wěn)定、較不穩(wěn)定、不穩(wěn)定五種情況[1]。

3 需要解決的問題

采用赤平極射投影分析邊坡的穩(wěn)定性時(shí)，需要輸入的參數(shù)主要包括：公路路線、結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，邊坡坡比(坡比和路線方向結(jié)合起來可以轉(zhuǎn)化為產(chǎn)狀，方便在赤平極軸投影中表示)。

結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀一般在工程地質(zhì)勘察時(shí)進(jìn)行測量。邊坡走向同公路路線的走向，需要區(qū)分路線左側(cè)或右側(cè)，傾向與走向垂直，傾角可以通過坡比進(jìn)行計(jì)算。

本文編制的Auto CAD插件，需要解決的問題主要為：產(chǎn)狀的儲(chǔ)存格式、邊坡的走向、傾向、傾角的計(jì)算等問題。

4 Auto CAD插件內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

產(chǎn)狀一般有兩種表示方法：

(1)方位角表示法：記錄傾向和傾角 ，如205∠65，即傾向?yàn)槟衔?05°，傾角65°，其走向則為NW295°或SE115°。

(2)象限角表示法：記錄走向、傾向和傾角，如N65°W/25°SW，即走向?yàn)楸逼?5°，傾角為25°，向南西傾斜。自然語言中，這些表示方法都可以很容易地區(qū)分。但是，作為程序內(nèi)部，為了統(tǒng)一，需要采用一種統(tǒng)一的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

本插件中，采用方位角表示法，“∠”在輸入時(shí)用“/”代替。為了編程方便，在傾角后，也增加“/”作為結(jié)束標(biāo)識(shí)。比如：“205/65/”表示結(jié)構(gòu)面為N295°W/65°SW；“205/65/65/25/”表示有兩組控制性結(jié)構(gòu)面，分別為N295°W/65°SW和N295°W/25°SW。

5 公路線路的表示方法

公路設(shè)計(jì)主要包括測量、工程地質(zhì)、道路平縱橫設(shè)計(jì)、路面設(shè)計(jì)、橋涵設(shè)計(jì)、隧道設(shè)計(jì)、圖表及文檔管理等。全面而規(guī)范化的數(shù)據(jù)描述與定義是設(shè)計(jì)集成化、一體化的基礎(chǔ)。其中路線平縱橫幾何設(shè)計(jì)是橋涵、隧道等設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因此是CAD系統(tǒng)的基礎(chǔ)[2]。

本插件主要解決邊坡的巖體穩(wěn)定性分析。赤平極射投影分析時(shí)，需要將研究的面或線移動(dòng)到球心，因此，該分析中可以不考慮高程問題。在本插件中，僅需考慮公路線路的平面線性和邊坡坡比的問題。

5.1 公路平面線形

公路平面線形的計(jì)算方法有導(dǎo)線形設(shè)計(jì)法和曲線形設(shè)計(jì)法。在CAD軟件系統(tǒng)中，不同的設(shè)計(jì)方法面向用戶有不同的設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)參數(shù)，但是得到的平面線形結(jié)果是相同而且是唯一的[2]。

從幾何的角度看，平面線形是由直線、回旋線和圓曲線這三種要素組合而成的一條平面曲線。只要有了公路的平面線形，可以很容易地獲得給定樁號(hào)位置的走向。

5.2 公路邊坡

公路邊坡坡比一般采用1∶x表示，如“1∶0.3”，轉(zhuǎn)換為傾角可采用如下公式：

(1)

公路邊坡的傾向需要考慮路線的方向及邊坡相對路線中線的位置確定。規(guī)定計(jì)算路線左側(cè)邊坡的傾向時(shí)，按路線走向+90°計(jì)算，路線右側(cè)邊坡的傾向時(shí)，按路線走向-90°計(jì)算。

6 插件在藏木水電站場內(nèi)交通工程中的應(yīng)用

本插件在使用時(shí)，可以按路線方向按樁號(hào)等間距繪制赤平極軸投影圖，也可以根據(jù)特定樁號(hào)和給定結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀繪制工點(diǎn)的赤平極軸投影圖，思路清晰，使用方便。

下面以藏木水電站場內(nèi)交通4號(hào)公路為例說明插件的應(yīng)用。

4號(hào)公路路線布置于雅魯藏布江右岸，公路起點(diǎn)位于藏木水電站壩址下游0.9 km，與2號(hào)公路的大壩下游藏木橋右岸橋頭連接，終點(diǎn)位于藏木水電站大壩右岸供料平臺(tái)，其間連接布置于電站右岸的混凝土拌和系統(tǒng)，路線全長0.88 km。4號(hào)公路沿線百米樁處赤平極軸投影及K0+480.00 m處赤平極軸投影見圖1、2。

根據(jù)對圖1各赤平極軸投影圖分析，邊坡的穩(wěn)定性分析基本上與圖2中4號(hào)公路K0+480.00 m處邊坡的穩(wěn)定性相似。

4號(hào)公路K0+480.00 m處邊坡存在以②號(hào)結(jié)構(gòu)面為底滑面，①、③號(hào)結(jié)構(gòu)面為后緣及側(cè)壁的楔形體破壞模式，需要進(jìn)行邊坡支護(hù)(見圖3)。實(shí)際工程中，K0+500.00～K0+610.00 m段邊坡原設(shè)計(jì)開挖坡比為1∶0.3，支護(hù)為φ22砂漿錨桿，長L=4.0 m。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際開挖揭示的邊坡結(jié)構(gòu)面勘察情況，一級(jí)馬道以上邊坡放緩為1∶0.5，并增設(shè)800 kN錨索，長L=40 m進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。目前該邊坡已處理完畢，投入使用多年，運(yùn)營狀況良好。

7 結(jié) 論

通過在藏木水電站場內(nèi)交通工程多條公路的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)本插件在設(shè)計(jì)時(shí)，可以有效地確定公路沿線邊坡可能存在楔形體破壞的地段，大大提高分析的效率，并對進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)的勘察、設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。

圖1 4號(hào)公路沿線百米樁處赤平極軸投影

圖2 4號(hào)公路K0+480.00 m處赤平極軸投影

圖3 4號(hào)公路K0+480.00 m處破壞模式分析

目前本插件只能解決邊坡問題，實(shí)際上，隧道圍巖穩(wěn)定性分析也可以納入本方法。作者將繼續(xù)做研究。此外，考慮工程地質(zhì)的復(fù)雜性和隨機(jī)性，本插件分析認(rèn)為穩(wěn)定的邊坡也可能存在不穩(wěn)定性因素，現(xiàn)場詳細(xì)勘察和施工勘察時(shí)需要仔細(xì)地復(fù)核巖層產(chǎn)狀是否與勘察的產(chǎn)狀一致。

[1] 鐵道部第一勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[2] 王福建，吳國雄.道路工程三維建模技術(shù)[M].北京:人民交通出版社，2004.

2016-09-01

劉慶舒(1978-)，男，四川榮縣人，碩士，高級(jí)工程師，從事公路設(shè)計(jì)工作。

U418.52

B

1003-9805(2017)01-0089-03