順坡陡-中傾角裂隙組合結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性分析

李鴻鳴，吉 鋒，石豫川，馮小飛，張 磊

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

圖1 研究區(qū)工程地質(zhì)平面圖Fig.1 Engineering geological plane figure of study area

順坡向結(jié)構(gòu)面是引起邊坡失穩(wěn)的重要巖體結(jié)構(gòu)因素，許多研究者對此開展了大量研究。王章瓊等[1]通過通用離散單元法程離(universal distinct element code,UDEC)方法分析某水電站左岸邊坡的坡體結(jié)構(gòu)及開挖引起的擾動，認(rèn)為含順坡向陡傾結(jié)構(gòu)面的邊坡易發(fā)生滑移、滑移-拉裂兩種破壞模式；石崇等[2]基于顆粒離散元方法研究了地震作用下邊坡的崩塌過程，得出順坡向陡傾裂隙是邊坡失穩(wěn)的控制型結(jié)構(gòu)面；劉莉莎等[3]提出一種改進(jìn)的基于人工蜂群算法的邊坡穩(wěn)定性分析方法，算例結(jié)果表明新的方法具有良好的全局最優(yōu)解搜索能力；呂夫俠等[4]基于邊坡滑動具有階段性，采用動態(tài)變化的雙安全系數(shù)來識別坡體所處的狀態(tài)，從而評價邊坡穩(wěn)定性；吳關(guān)葉等[5]以白鶴灘左岸強(qiáng)卸荷巖體邊坡為研究對象，基于室內(nèi)模型試驗(yàn)，再現(xiàn)了邊坡變形破壞全過程，揭示了邊坡破壞機(jī)制從而提出邊坡加固方案；肖國峰等[6]對宜昌—恩施段高速公路大量出露順層邊坡進(jìn)行研究，從巖體的風(fēng)化、溶蝕以及順層結(jié)構(gòu)面充填泥質(zhì)等方面來研究巖體抗剪強(qiáng)度；熊超等[7]以三峽庫區(qū)景區(qū)的危巖體為例，認(rèn)為其破壞模式受控于裂隙的分布特征，穩(wěn)定狀態(tài)則與裂隙切割程度及所處工況密切相關(guān)；王林峰等[8]開展了緩傾結(jié)構(gòu)面巖體邊坡的研究工作，從斷裂力學(xué)的角度推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)面應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式，由此提出計算巖塊穩(wěn)定系數(shù)的方法；杜時貴[9]基于等精度評價思想，將露天礦山邊坡劃分為穩(wěn)定的和可能破壞兩種類型，結(jié)合目前露天礦山邊坡穩(wěn)定性評價方面的不足，提出了更適合工程實(shí)際應(yīng)用的方法；宋桂鋒等[10]運(yùn)用極限上限分析法，探討了含有后緣拉張裂縫的順層巖質(zhì)邊坡在地震、坡頂超載及靜水壓力共同作用下的坡體的安全系數(shù)特征；周進(jìn)等[11]研究了地震工況下順層巖質(zhì)邊坡動力可靠度指標(biāo)與邊坡失效概率之間的量化關(guān)系；馮振等[12]通過對邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的深入研究，對某高速公路紅砂巖順層邊坡強(qiáng)支護(hù)后的邊坡和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的原因進(jìn)行分析，認(rèn)為持續(xù)高強(qiáng)度降水和泥化夾層的軟化是邊坡失穩(wěn)的重要原因；易巍[13]總結(jié)了順層邊坡典型工點(diǎn)的滑塌特征，針對巖坡和土坡不同的破壞模式分別提出相應(yīng)的治理對策；王浩等[14]開展了超高路塹邊坡的變形過程研究，揭示了快速工程開挖擾動、軟弱帶暴露、坡腳臨空面形成與巖體卸荷松弛的邊坡失穩(wěn)機(jī)制；鄧天鑫等[15]以四川汶川縣水磨溝含陡傾順層巖質(zhì)邊坡為研究對象，采用離散元方法得出邊坡在地震作用下發(fā)生滑移-下部彎曲-上部傾倒的變形破壞模式。

前人對順坡向結(jié)構(gòu)面(或順層)發(fā)育的巖質(zhì)邊坡做了大量研究工作，成果頗豐。但從已取得的成果來看，現(xiàn)有研究多集中于層狀結(jié)構(gòu)邊坡(沉積巖與變質(zhì)巖區(qū))，對順坡向結(jié)構(gòu)面發(fā)育的塊狀結(jié)構(gòu)邊坡(巖漿巖區(qū))研究較少；同時沒有對具有特定坡體結(jié)構(gòu)的邊坡穩(wěn)定性分析進(jìn)行系統(tǒng)的闡述。因此，基于現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查，以某花崗閃長巖邊坡順坡向陡-中傾角裂隙組合結(jié)構(gòu)為研究對象，在查明邊坡地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，得出邊坡變形破壞模式為底面單面滑動破壞，據(jù)此建立邊坡地質(zhì)概化模型，對陡-中傾裂隙組合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了定性分析與定量計算，以期為隨后邊坡支護(hù)措施的選取提供建議。

1 工程邊坡概況

選取該石料場的Ⅱ區(qū)邊坡為研究對象，如圖1、圖2所示，該邊坡上游側(cè)以NNW向陡傾斷層fj1為界，下游側(cè)以NE向陡傾斷層fj24為界，其中fj1產(chǎn)狀為N15°～30°W，SW∠60°～85°，寬10～30 cm，帶內(nèi)充填巖塊、碎裂巖、碎粒巖，局部發(fā)育有蝕變現(xiàn)象，呈強(qiáng)風(fēng)化狀，延伸長大于500 m；fj24產(chǎn)狀為N40°～50°E，NW∠80°～85°，寬1～2 cm，局部寬5 cm，帶內(nèi)充填碎裂巖、石英，面鐵錳質(zhì)渲染，延伸長100～150 m；下部順坡向中傾外裂隙發(fā)育，產(chǎn)狀為N0°～20°E，NW∠30°～50°，閉合～微張，面較平直、粗糙，多見鐵錳質(zhì)渲染，少量夾巖屑，多延伸長4～8 m。

圖3 平洞中順坡裂隙空間發(fā)育特征Fig.3 Spatial connectivity of discontinuities paralleling to the slope of exploration adit

圖2 研究區(qū)工程邊坡開挖至高程2 290 m面貌Fig.2 The panorama of engineering slope of study area excavated to the elevation of 2 290 m

2 邊坡穩(wěn)定性定性分析

隨著邊坡持續(xù)下挖，Ⅱ區(qū)邊坡后緣陡傾裂隙卸荷張開，坡體易沿底部順坡節(jié)理、裂隙發(fā)生剪切滑移，形成一種底面單面滑動的失穩(wěn)模式。因此，順坡向中傾角裂隙的連通情況、性狀好壞是評價Ⅱ區(qū)邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵。根據(jù)勘探平洞地質(zhì)素描資料，揭露了Ⅱ區(qū)邊坡順坡向中緩裂隙發(fā)育情況，選出傾坡外并貫穿平洞的裂隙，從剖面圖和平切圖(圖3)來看，工程地質(zhì)定性分析認(rèn)為：隨水平深度的增加，坡體內(nèi)順坡向中傾角裂隙向深部發(fā)育程度降低；裂隙性狀大多較好，寬度較小，空間上沒有構(gòu)成延伸長度>100 m、充填物厚度>2 cm的較大規(guī)模順坡向裂隙。

順坡向中傾角裂隙沒有連成長大的控制性結(jié)構(gòu)面，坡體沿該組裂隙滑移和破壞受到了巖橋的抵抗，由于巖橋抗剪強(qiáng)度高，從宏觀上可以認(rèn)為Ⅱ區(qū)邊坡處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。但是由于工程擾動及其他因素的影響，邊坡巖體時效變形積累，巖橋隨時間推移被剪斷，順坡裂隙連通，邊坡巖體強(qiáng)度弱化，穩(wěn)定性降低，可能向臨河方向產(chǎn)生滑移-拉裂破壞。

3 邊坡穩(wěn)定性定量分析

3.1 邊坡失穩(wěn)破壞模式

分析認(rèn)為，Ⅱ區(qū)邊坡側(cè)緣切割面為NNW向和NE向陡傾角小斷層的“人”字形組合，順坡向中傾角裂隙和巖橋構(gòu)成邊坡滑移的“底滑面”，破壞模式為底面單面滑動失穩(wěn)模式，如圖4所示。

圖4 剖面示意圖Fig.4 Sketch figure of geological profile

3.2 巖體物理力學(xué)參數(shù)與結(jié)構(gòu)面參數(shù)的選取

對不同高程和不同水平深度的巖體進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，同時測量順坡向中傾角裂隙連通率(測窗大小均為90 m×2 m)，結(jié)果如表1所示。當(dāng)邊坡開挖至高程2 165 m時，連通率為建議值30%～50%，取50%；開挖至高程2 110 m時，連通率為建議值40%～60%，取60%；巖體抗剪斷強(qiáng)度根據(jù)表1所列裂隙與巖橋的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均而得到。

3.3 極限平衡法

在獲取合理的強(qiáng)度參數(shù)基礎(chǔ)上，采用極限平衡法中的傳遞系數(shù)法，考慮到由于后緣邊界為兩陡傾斷層，不考慮其側(cè)向抗滑約束作用，滑移破壞主要取決于順坡裂隙和巖橋的組合強(qiáng)度。計算所用剖面如圖5所示，由于開挖前邊坡為穩(wěn)定狀態(tài)，因此只需分析開挖后邊坡穩(wěn)定性。圖6為開挖邊坡穩(wěn)定性復(fù)核剖面，分別計算開挖至2 165、2 010 m時在不同工況下邊坡安全系數(shù)，利用Excel編制公式計算安全系數(shù)，所得結(jié)果如表2所示。表2結(jié)果表明，邊坡開挖至高程2 165 m時，在天然、暴雨、地震三種狀態(tài)下均穩(wěn)定，且滿足水電水利邊坡設(shè)計規(guī)范的要求；當(dāng)繼續(xù)下挖至高程2 110 m時，在天然、暴雨工況下穩(wěn)定，但安全裕度不足，在地震工況下處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 邊坡巖體力學(xué)參數(shù)建議值Table 1 Recommended values of mechanical parameters of rockmass

圖5 M-M′剖面圖Fig.5 M-M′ geological profile

圖6 開挖至不同高程的計算剖面Fig.6 Calculated profiles excavated to different elevations

表2 邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果Table 2 Factor of safety calculation results on different condition

3.4 離散元方法

采用三維離散元程序(3DEC)，以笛卡爾坐標(biāo)系x軸為橫河向，y正軸為順河向(正好為正北向)，z軸為鉛直向，建立如圖7所示的邊坡三維模型。

圖7 三維邊坡模型Fig.7 Three dimensional generalized model of slope

為進(jìn)一步分析該邊坡穩(wěn)定性，采用圖7所建模型分別計算開挖到高程2 165 m和2 110 m的力學(xué)響應(yīng)特征，結(jié)果如圖8所示，計算表明，當(dāng)開挖至高程2 165 m時，受陡傾角斷層fj1和fj24的影響，在兩結(jié)構(gòu)面之間區(qū)域發(fā)生x向(側(cè)向)位移較為集中，位移在2 cm以上，最大為2.38 cm，即坡體沿順坡向中傾角裂隙向臨空方向發(fā)生了側(cè)向位移，主要受后緣貫通裂隙與底部非貫通中緩傾裂隙控制。當(dāng)開挖至高程2 110 m時，側(cè)向位移增加，最大為3.71 cm，坡體滑移變形量增加。

圖8 開挖至高程2 110 m和2 165 m的x向位移響應(yīng)Fig.8 Characteristic of x-displacement excavated to the elevation of 2 110 meters and 2 165 meters

4 連通率的獲取及其對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

由于巖體力學(xué)參數(shù)選取適合與否直接制約計算的準(zhǔn)確性，后緣面貫通，則對此邊坡而言，計算的關(guān)鍵在于“底滑面”的中傾角裂隙連通率取值，而計算連通率時，所選用計算方法的不同、測量洞段(或邊坡測窗)的不同、選取帶寬的不同均會對結(jié)果造成影響。在具備追索順坡裂隙的平洞時，應(yīng)采用全跡長法：只需在平洞測量沿走向方向延伸的結(jié)構(gòu)面，經(jīng)過簡單投影計算K=l/L(K為裂隙連通率；l為結(jié)構(gòu)面投影總長；L為測線總長)，即可得到連通率(表3)，此方法可準(zhǔn)確地測出裂隙連通率，但由于滿足條件的平洞有限，因此，在開挖坡面進(jìn)行連通率測量以作為補(bǔ)充和復(fù)核，結(jié)果如表4所示。

表3 全跡長法獲取連通率Table 3 Connectivity rate by using method of total trace length investigation

表4 兩種不同方法計算開挖坡面順坡裂隙連通率Table 4 Connectivity rate of discontinuities paralleling to the slope under two different methods

根據(jù)全跡長法獲取結(jié)果，連通率平均值為60%，這個值較為真實(shí)的反映了順坡向裂隙的連通情況，結(jié)合邊坡測窗的統(tǒng)計結(jié)果，連通率范圍在41%～64%，這與全跡長法結(jié)果基本一致。為進(jìn)一步研究邊坡穩(wěn)定性對于連通率變化的敏感程度，取5%～90%的連通率進(jìn)行計算邊坡安全系數(shù)，結(jié)果如表5所示。表5結(jié)果表明，在低中連通率下(5%～55%)，邊坡安全系數(shù)較高；在高連通率下(60%～90%)，安全系數(shù)低，且連通率為70%對應(yīng)著邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，高于70%，則產(chǎn)生失穩(wěn)。

表5 不同連通率下的安全系數(shù)Table 5 Factor of Safety based on different connectivity rate

5 結(jié)論

以水電站石料場花崗閃長巖邊坡為研究對象，基于順坡向陡-中傾角裂隙組合結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)合定性與定量的分析方法，取得如下認(rèn)識。

(1)定性分析認(rèn)為Ⅱ區(qū)邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；極限平衡法求得邊坡在天然、暴雨及地震工況下開挖至2 165、2 110 m的安全系數(shù)；離散元3DEC計算說明該邊坡開挖后側(cè)向位移為3～4 cm，隨著不斷下挖，無支護(hù)情況下位移量增加。

(2)評價的關(guān)鍵在于連通率取值，采用不同的計算方法分區(qū)段計算連通率，邊坡上采用廣義H-H法和Laslett兩種方法估算結(jié)果與平洞中全跡長投影調(diào)查結(jié)果大致吻合，最后分析了“底滑面”連通率取值對穩(wěn)定性的影響。

(3)影響順坡向裂隙發(fā)育邊坡穩(wěn)定的因素較多，爆破、開挖以及支護(hù)時的擾動等原因亦可引發(fā)邊坡失穩(wěn)，綜合考慮各因素的影響還有待于進(jìn)一步研究。