巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的運(yùn)動學(xué)分析

張學(xué)東 劉向飛 衣雪峰 胡劍峰

巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的運(yùn)動學(xué)分析

張學(xué)東 劉向飛 衣雪峰 胡劍峰

在巖質(zhì)邊坡中，大多數(shù)的失穩(wěn)破壞主要受結(jié)構(gòu)面控制，其基本破壞模式可分為3種：平面滑動、楔形體滑動和傾倒破壞。運(yùn)動學(xué)分析在研究受結(jié)構(gòu)面控制的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性中應(yīng)用較為廣泛，它是一種利用立體投影與矢量代數(shù)理論，在赤平極射投影圖中初步確定邊坡穩(wěn)定性及破壞模式的方法。介紹了利用DIPS軟件進(jìn)行邊坡運(yùn)動學(xué)分析的方法，并以巴基斯坦某水電站廠房后邊坡為例，進(jìn)行分析和探討。

巖質(zhì)邊坡 穩(wěn)定性 運(yùn)動學(xué)分析 破壞模式 立體投影

運(yùn)動學(xué)指的是塊體運(yùn)動，與引起它們運(yùn)動的力無關(guān)[1]。運(yùn)動學(xué)分析是一種利用立體投影與矢量代數(shù)理論，將結(jié)構(gòu)面、坡面及摩擦角進(jìn)行投影，根據(jù)邊坡不同破壞模式發(fā)生的條件，在赤平極射投影圖中初步確定邊坡穩(wěn)定性及破壞模式的方法。國外許多學(xué)者根據(jù)運(yùn)動學(xué)分析理論，在研究邊坡的破壞模式，預(yù)測邊坡的最大安全開挖坡度，初步評價邊坡的穩(wěn)定性方面取得了豐富的成果[2-4]。王亮清等[5]將單一臨空面邊坡的運(yùn)動學(xué)分析，擴(kuò)展到了雙臨空面的研究。大多數(shù)的巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞主要受結(jié)構(gòu)面控制，而運(yùn)動學(xué)分析方法在研究受結(jié)構(gòu)面控制的邊坡穩(wěn)定性中十分簡便而有效，在工程實(shí)踐中應(yīng)用較為廣泛[6-7]。

本文在分析受結(jié)構(gòu)面控制的巖質(zhì)邊坡破壞模式的基礎(chǔ)上，介紹了通過DIPS軟件進(jìn)行邊坡運(yùn)動學(xué)分析的方法，并以巴基斯坦某水電站廠房后邊坡為例，進(jìn)行分析和探討。

1 巖質(zhì)邊坡的破壞模式

在巖質(zhì)邊坡中，大多數(shù)的失穩(wěn)破壞主要受結(jié)構(gòu)面控制，其基本破壞模式可分為3種：平面滑動、楔形體滑動和傾倒破壞。

平面滑動是指在重力作用下，巖體沿順坡向結(jié)構(gòu)面滑動的一種破壞模式。巖體在向下滑動過程中，不僅要克服底滑面上的阻力，還要克服兩側(cè)邊界的阻力。在泥巖、頁巖等軟巖中，由于巖石強(qiáng)度低，巖體極易被剪斷，此類巖體平面滑動破壞可不考慮側(cè)邊界條件。而在硬巖中，發(fā)生平面滑動，還需具備橫向結(jié)構(gòu)面切割，或橫向峽谷切割形成側(cè)向臨空的邊界條件。

楔形體滑動是指兩個相交的結(jié)構(gòu)面與坡面組合切割形成楔形體，當(dāng)結(jié)構(gòu)面交線與坡面相交且傾向坡外時，具備發(fā)生楔形體滑動的邊界條件。在工程邊坡中，這類破壞較為常見。

傾倒破壞是一種發(fā)生于板巖、片巖和薄層狀沉積巖以及節(jié)理裂隙發(fā)育的“板裂”介質(zhì)中，類似于梁板式的傾覆破壞。在自重作用下，反傾板裂巖體向坡下發(fā)生彎曲，邊坡的破壞是以正斷層式的層間錯動開始的。

2 不同破壞模式下的運(yùn)動學(xué)分析

根據(jù)邊坡不同破壞模式的形成條件，即可利用赤平極射投影進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，從而確定邊坡的破壞形式。本文采用DIPS軟件下半球投影法，需要指出的是軟件中的“Daylight Envelope”為出露包絡(luò)線，是平面滑動的邊界條件之一； “極點(diǎn)”的定義是指結(jié)構(gòu)面法線的投影點(diǎn)。

2.1 沿結(jié)構(gòu)面的平面滑動

平面滑動需滿足結(jié)構(gòu)面與坡面傾向相近，結(jié)構(gòu)面傾角大于其內(nèi)摩擦角而小于邊坡坡角。運(yùn)動學(xué)分析即根據(jù)以上條件，在赤平投影圖中，做坡面投影大圓及出露包絡(luò)線(Daylight Envelope)，以結(jié)構(gòu)面摩擦角為半徑做摩擦圓，則出露包絡(luò)線與摩擦圓圍成的區(qū)域(圖1陰影部分)即為平面滑動區(qū)，當(dāng)結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)落在此區(qū)域時，將會形成平面滑動破壞。

2.2 沿結(jié)構(gòu)面的楔形體滑動

發(fā)生楔形體滑動破壞時，兩結(jié)構(gòu)面交線傾角大于結(jié)構(gòu)面摩擦角而小于邊坡坡角，另外其傾向與坡面傾向相近。運(yùn)動學(xué)分析即根據(jù)以上條件，在赤平投影圖中，做坡面投影大圓，再以90°-φ為半徑做摩擦圓(φ為結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角)，則坡面投影大圓與摩擦圓圍成的區(qū)域即為楔形體滑動區(qū)(圖2陰影部分)，兩結(jié)構(gòu)面投影交點(diǎn)位于此區(qū)域內(nèi)時，則會發(fā)生楔形體滑動破壞。

圖2 楔形體滑動的運(yùn)動學(xué)分析

2.3 沿結(jié)構(gòu)面的傾倒破壞

傾倒破壞需滿足以下條件：(1)結(jié)構(gòu)面傾角大于其摩擦角；(2)結(jié)構(gòu)面走向與坡面走向小角度相交(交角小于30°)。運(yùn)動學(xué)分析即根據(jù)以上條件，在赤平投影圖中，首先做坡面投影大圓，再以相同走向及傾角小于坡角φ的產(chǎn)狀做另一投影大圓，最后根據(jù)走向交角做邊界限制，則圖3中的陰影區(qū)域即為傾倒破壞區(qū)，當(dāng)結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)落入此區(qū)域時，將會發(fā)生傾倒破壞。

3 實(shí)例分析

以巴基斯坦某水電站廠房后邊坡為例。擬建電站位于巴基斯坦北部山區(qū)，采用引水式發(fā)電，廠房布置為半地下廠房型式，后邊坡松散覆蓋層全部挖除，最終將會形成約180 m高的巖質(zhì)邊坡，因此，邊坡的穩(wěn)定性成為工程設(shè)計的關(guān)鍵問題。

3.1 工程地質(zhì)概況

廠房區(qū)基巖為第三系下中新統(tǒng)SS1砂巖(中細(xì)砂巖)與SS2砂巖(粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖)呈不等厚互層狀分布，夾有薄層泥巖，地層主要為單斜構(gòu)造，巖層總體走向?yàn)镹W310°～340°，傾向NE，傾角以30°～60°為主。現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查未發(fā)現(xiàn)大的構(gòu)造帶，但層間剪切、擠壓破碎帶較為發(fā)育。

圖3 傾倒破壞的運(yùn)動學(xué)分析

針對廠房區(qū)巖石進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，估計結(jié)構(gòu)面摩擦角約為30°。

在廠房后邊坡部位實(shí)施了一條勘探平洞，根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了現(xiàn)場編錄工作，獲得了結(jié)構(gòu)面的基本信息。利用DIPS軟件對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見圖4。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，廠房后邊坡主要結(jié)構(gòu)面有6組(見圖4(d))，其中節(jié)理2組，剪切帶3組，以及1組層面節(jié)理。

3.2 運(yùn)動學(xué)分析

根據(jù)前述巖質(zhì)邊坡運(yùn)動學(xué)分析方法，在廠房后邊坡結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計結(jié)果的基礎(chǔ)上，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行初步分析。廠房后邊坡走向?yàn)镹E5，傾向NW，設(shè)計坡度為53°。結(jié)構(gòu)面摩擦角為30°。運(yùn)動學(xué)分析結(jié)果見圖5、6。

從圖5分析結(jié)果來看，位于平面滑動區(qū)的極點(diǎn)均為節(jié)理面，多數(shù)為隨機(jī)節(jié)理，延伸較短，產(chǎn)生平面滑動的可能性不大；而集中分布的成組長大節(jié)理面則位于坡體深部，與坡面不相交，不會產(chǎn)生平面滑動，但由于平洞內(nèi)揭露有緩傾角節(jié)理，加之與層面節(jié)理組合，構(gòu)成了深層滑動的邊界條件，需進(jìn)一步應(yīng)用極限平衡法和數(shù)值模擬進(jìn)行計算，以確定其深層滑動穩(wěn)定性。

從圖6分析結(jié)果來看，主要結(jié)構(gòu)面切割不會形成楔形體滑動，但由于廠房后邊坡部位巖體較破碎，各種結(jié)構(gòu)面發(fā)育，不排除結(jié)構(gòu)面切割形成小規(guī)模楔形體的存在。施工期間加強(qiáng)地質(zhì)編錄工作，及時預(yù)報不穩(wěn)定塊體，及時支護(hù)，可避免小規(guī)模楔形體滑動的發(fā)生。

圖4 結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計

圖5 平面滑動分析

圖6 楔形體滑動分析

從圖7分析結(jié)果來看，分布于傾倒破壞區(qū)的結(jié)構(gòu)面較少，約占6%，多為隨機(jī)節(jié)理，且多數(shù)結(jié)構(gòu)面延伸較短，不成組，形成傾倒破壞的可能性不大。

圖7 傾倒破壞分析

4 結(jié)論與討論

(1)運(yùn)動學(xué)分析理論在研究受結(jié)構(gòu)面控制的邊坡穩(wěn)定性中十分簡便而有效，由于其僅考慮重力作用下的塊體運(yùn)動，在確定邊坡的破壞模式后，尚需采用極限平衡法分析不同工況下的穩(wěn)定性，以及采用數(shù)值模擬計算邊坡的整體穩(wěn)定性。

(2)將運(yùn)動學(xué)分析方法應(yīng)用于巴基斯坦某水電站廠房后邊坡的研究中，結(jié)果顯示：該邊坡形成平面滑動和傾倒破壞的可能性不大，由主要結(jié)構(gòu)面切割，不會形成大規(guī)模楔形體滑動，但不排除隨機(jī)結(jié)構(gòu)面與主要結(jié)構(gòu)面切割形成的小規(guī)模楔形體，施工期間需加強(qiáng)預(yù)報，及時支護(hù)。

(3)在實(shí)例分析中，雖然由主要結(jié)構(gòu)面控制的平面滑動、傾倒破壞及楔形體滑動的可能性較小，但由于廠房后邊坡巖體較破碎，剪切破碎帶發(fā)育，巖體強(qiáng)度較低，需進(jìn)一步根據(jù)極限平衡法和數(shù)值模擬分析邊坡的整體穩(wěn)定性。

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張學(xué)東 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

劉向飛 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

衣雪峰 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

胡劍峰 男 助理工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

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