赤平投影在某廠區(qū)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

盧藝開(kāi) 戴可凡 何 立

廣東省有色金屬地質(zhì)局九四〇隊(duì) 廣東 清遠(yuǎn) 511520

1 引言

巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要受自然及人為因素的影響，自然因素主要指其自身的環(huán)境地質(zhì)背景條件，包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體結(jié)構(gòu)及其組成等，其中巖質(zhì)邊坡的巖體結(jié)構(gòu)由不同的結(jié)構(gòu)面通過(guò)不同的方式（平行、相交）組合而成[1]，在重力及其他因素的作用下巖塊易沿不利的結(jié)構(gòu)面而產(chǎn)生滑動(dòng)，最終誘發(fā)崩塌地質(zhì)災(zāi)害；人為因素主要指自然斜坡被人工開(kāi)挖后形成臨空面，導(dǎo)致坡面上的巖體應(yīng)力發(fā)生變化，從而影響邊坡穩(wěn)定性[2]。某廠區(qū)西側(cè)邊坡兼具了前述的兩種因素，具有典型性，本文通過(guò)赤平投影法的直觀分析，將自然與人為因素形成的各種（結(jié)構(gòu)）面的產(chǎn)狀要素表示出來(lái)，進(jìn)一步分析它們之間的組合關(guān)系、邊坡巖體失穩(wěn)和破壞的主要方式。

2 赤平投影的基本原理

本章主要運(yùn)用極射赤平投影的方法對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。極射赤平投影主要是用來(lái)表示線和面的方向、相互間的角距關(guān)系及其運(yùn)動(dòng)軌跡，把物體三維空間的幾何要素（線、面）反映在投影平面上進(jìn)行研究處理[3]。

其投影原理：任何一個(gè)過(guò)球心的無(wú)限伸展的平面（巖層面、斷層面、節(jié)理面或軸面等）和線，必然與球面相交成球面大圓和點(diǎn)，如圖1a。球面大圓與極射點(diǎn)的連線必然穿過(guò)赤平面，在赤平面上這些穿透點(diǎn)的連線即為該平面的相應(yīng)大圓的赤平投影[4-5]，簡(jiǎn)稱大圓弧，如圖1b。

圖1 赤平投影原理示意圖

3 工程地質(zhì)條件概況

3.1 地形地貌

研究區(qū)地形起伏較大，地勢(shì)總趨勢(shì)為西高東部低，高差較大，屬剝蝕殘丘地貌單元，高程在23.52～92.35m之間。廠區(qū)西側(cè)斜坡傾向約68°，斜坡體沿線長(zhǎng)約416m，地形較陡，總體地形坡角約40～65°，局部坡度可達(dá)80°，局部坡面可見(jiàn)反傾懸掛危巖體（圖2）。坡腳位置即為廠區(qū)，坡腳靠近廠區(qū)內(nèi)部道路有高約1.2m鋼筋混凝土擋土墻，墻厚約0.4m；擋土墻后有寬約1.0～2.5m排水溝。

圖2 廠區(qū)西側(cè)邊坡全貌

3.2 地層巖性

根據(jù)勘查資料并結(jié)合地面調(diào)查，研究區(qū)地層主要為三疊紀(jì)頭木沖組砂質(zhì)頁(yè)巖，土黃色、紫褐色、深灰色，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化層較厚。巖質(zhì)可分為強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)頁(yè)巖、中風(fēng)化砂質(zhì)頁(yè)巖，中風(fēng)化砂質(zhì)頁(yè)巖地層產(chǎn)狀為68°∠44～46°，邊坡巖土構(gòu)成從上往下描述如下：

強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)頁(yè)巖：土黃色、紫褐色、深灰色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要成份為粘粒及砂粒，可塑，稍濕稍密，砂粒主要為石英、長(zhǎng)石，風(fēng)化強(qiáng)烈呈半巖半土狀及碎塊狀，部分區(qū)域含煤層，底部含有較多煤矸石，遇水易軟化、崩解。該層主要分布于坡頂，整體呈北部薄南部厚，據(jù)野外調(diào)查測(cè)得揭露厚度約為5～20m，下部呈碎塊狀。

中風(fēng)化砂質(zhì)頁(yè)巖：土黃色、紫褐色、深灰色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，裂隙較發(fā)育，見(jiàn)鐵錳質(zhì)鈣化，巖質(zhì)較軟，錘擊聲啞。該層主要分布于邊坡坡面及坡腳，邊坡坡面出露厚度較大，厚約22～53m。在本層取巖樣7件進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，單軸抗壓強(qiáng)度26.22～34.72Mpa，平均30.62Mpa，標(biāo)準(zhǔn)值28.36Mpa，巖石較破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

3.3 巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)特征

由于邊坡局部存在人工開(kāi)挖的情況，坡面裸露，巖土體出露清晰，局部可見(jiàn)中風(fēng)化危巖體反傾、懸掛于邊坡；坡頂植被覆蓋較好，植被類型以喬木及灌木為主，強(qiáng)風(fēng)化巖層較厚。邊坡整體呈近弧形，大致可分為A-B、B-C、C-D、D-E四段（圖2），各段邊坡描述如下：

（1）A-B段

邊坡總體傾向約為78°，長(zhǎng)約100m，坡角40～69°，坡面大部分裸露，而坡頂植被較發(fā)育，坡腳為廠區(qū)綠化帶。坡腳高程24.68～28.29m，坡頂高程67.60～71.33m，坡高39.3～47.1m。該坡段節(jié)理發(fā)育弱，延伸短且閉合性較好。

（2）B-C段

邊坡總體傾向約為86°，長(zhǎng)約84m，坡角50～76°，坡面大部分裸露，坡頂植被較發(fā)育；坡腳為廠區(qū)內(nèi)部道路及廠區(qū)，建有排水溝及鋼筋混凝土擋土墻。坡腳高程23.52～25.97m，坡頂高程67.60～83.23m，坡高44.1～58.0m。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，在B-C段中風(fēng)化巖坡腳露頭處地層產(chǎn)狀主要為68°∠46°，測(cè)得4組優(yōu)勢(shì)節(jié)理裂隙產(chǎn)狀分別是：194°∠18°、291°∠78°、44°∠80°、80°∠69°。另外，還發(fā)現(xiàn)該段邊坡靠近B段處有一揉皺，初步判定為壓扭性正斷層，斷層走向以北西向?yàn)橹?，產(chǎn)狀191°∠31°，區(qū)內(nèi)出露長(zhǎng)度約50m，斷層帶寬0.6～1.5m，初步判定該段邊坡巖層破碎主要受北西向斷裂影響。

（3）C-D段

邊坡總體傾向約為93°，長(zhǎng)約132m，坡角51～73°，坡面大部分裸露，坡頂植被較發(fā)育；坡腳為廠區(qū)內(nèi)部道路及廠區(qū)，坡腳建有排水溝及鋼筋混凝土擋土墻。坡腳高程26.50～9.61m，坡頂高程83.23～92.35m，坡高56.7～64.2m。

據(jù)調(diào)查，在C-D段中風(fēng)化巖坡腳露頭處地層產(chǎn)狀主要為68°∠44°，測(cè)得6組優(yōu)勢(shì)節(jié)理裂隙產(chǎn)狀分別是：207°∠73°、334°∠67°、94°∠59°、138°∠40°、188°∠55°、20°∠35°。另外，還發(fā)現(xiàn)該段邊坡中部有一東西向壓扭性正斷層經(jīng)過(guò)，從坡腳貫穿到坡頂，產(chǎn)狀162°∠78°，斷層帶寬0.6～1.5m，初步判定該段邊坡巖層破碎及巖層節(jié)理裂隙主要受東西向斷裂影響。

（4）D-E段

邊坡總體傾向約為95°，長(zhǎng)約100m，坡角45～89°，坡面大部分裸露，坡頂植被較發(fā)育；坡腳為廠區(qū)內(nèi)部道路及廠區(qū)。坡腳高程27.76～33.38m，坡頂高程62.88～89.44m，坡高29.8～61.7m。

據(jù)調(diào)查，在D-E段中風(fēng)化巖坡腳露頭處地層產(chǎn)狀主要為68°∠44°，測(cè)得6組優(yōu)勢(shì)節(jié)理裂隙產(chǎn)狀分別是：287°∠48°、171°∠52°、66°∠51°、335°∠89°、95°∠55°、354°∠65°。另外，測(cè)得坡腳一處褶皺形成的節(jié)理產(chǎn)狀為2°∠57°、21°∠32°、200°∠51°，局部坡面中部見(jiàn)張性裂隙產(chǎn)狀為275°∠70°。

4 赤平投影分析

由于人工開(kāi)挖山體，于廠區(qū)西側(cè)形成了陡峭的邊坡，且坡面未作支護(hù)處理，在構(gòu)造作用、降雨、風(fēng)化、應(yīng)力釋放等因素影響下，巖體形成了方向、規(guī)模各異的結(jié)構(gòu)面，這些結(jié)構(gòu)面的不同組合方式，易形成楔形體，導(dǎo)致崩塌。這里利用赤平投影法對(duì)該斜坡B-C、C-D、D-E段進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果如下：

（1）B-C段

本次分析按最不利因素考慮，故坡角采用76°進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。總體產(chǎn)狀（J0）為68°∠46°，該坡段優(yōu)勢(shì)節(jié)理面主要有4組， 產(chǎn)狀分別為：J1#節(jié)理 194°∠18°、J2#節(jié)理 291°∠78°、J3#節(jié)理 44°∠80°、J4#節(jié)理80°∠69°。從邊坡結(jié)構(gòu)面的赤平投影圖（圖3）可以看出：①J3與J4、J0與J3、J0與J1結(jié)構(gòu)面組合可能形成楔形體破壞；②邊坡坡度陡，對(duì)邊坡穩(wěn)定性最不利的是J4結(jié)構(gòu)面，其與坡向夾角為6°，為順向坡，傾角69°，傾角大且小于坡面傾角，在震動(dòng)、暴雨等工況條件下，巖體較易向80°方向崩滑。因此，初步查明該坡段存在沿不利結(jié)構(gòu)面或不利結(jié)構(gòu)面組合失穩(wěn)的可能，邊坡整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 B-C段坡面赤平投影

（2）C-D段

本次分析按最不利因素考慮，故坡角采用73°進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析?？傮w產(chǎn)狀（J0）為68°∠44°；該坡段優(yōu)勢(shì)節(jié)理面主要有6組，產(chǎn)狀分別為：J1#節(jié)理 207°∠73°、J2#節(jié)理 334°∠67°、J3#節(jié)理 94°∠59°、J4#節(jié)理 138°∠40°、J5#節(jié)理 188°∠55°、J6#節(jié)理20°∠35°。從圖4可以看出：①J0與J4、J0與J5、J4與J6結(jié)構(gòu)面組合可能形成楔形體破壞；②邊坡坡度陡，對(duì)邊坡穩(wěn)定性最不利的是J3結(jié)構(gòu)面，其與坡向夾角為1°，為順向坡，傾角59°，傾角大且小于坡面傾角，在震動(dòng)、暴雨等工況條件下，巖體較易向94°方向崩滑，邊坡整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 C-D段坡面赤平投影

（3）D-E段

本次分析按最不利因素考慮，故坡角采用89°進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析?？傮w產(chǎn)狀（J0）為68°∠44°；該坡段優(yōu)勢(shì)節(jié)理面主要有6 組， 產(chǎn)狀分別為：J1#節(jié)理 287°∠48°、J2#節(jié)理 171°∠52°、J3#節(jié)理 66°∠51°、J4#節(jié)理335°∠89°、J5#節(jié)理 95°∠55°、J6#節(jié)理 354°∠65°。從圖5可以看出：①J0與J2、J2與J3結(jié)構(gòu)面組合可能形成楔形體破壞；②邊坡坡度陡，對(duì)邊坡穩(wěn)定性最不利的是J5結(jié)構(gòu)面，其與坡向夾角為0°，為順向坡，傾角55°，傾角大且小于坡面傾角，在震動(dòng)、暴雨等工況條件下，巖體較易向95°方向崩滑，邊坡整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 D-E段坡面赤平投影

總體而言，由于邊坡面與節(jié)理面的切割，B-E坡段存在沿多組節(jié)理面引發(fā)較大規(guī)模崩塌或掉塊的可能性，對(duì)行經(jīng)坡腳的車輛、人員和廠區(qū)安全構(gòu)成威脅。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)廠區(qū)西側(cè)人工開(kāi)挖形成的巖質(zhì)斜坡進(jìn)行調(diào)查，并運(yùn)用赤平投影法來(lái)分析斜坡不同坡段的最不利結(jié)構(gòu)面與開(kāi)挖邊坡的空間關(guān)系，得出以下結(jié)論：

（1）廠區(qū)西側(cè)巖質(zhì)斜坡主要受北西及東西向斷裂擠壓作用影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，其中斜坡B-C段發(fā)育4組優(yōu)勢(shì)節(jié)理、C-D及D-E段分別發(fā)育6組優(yōu)勢(shì)節(jié)理，形成了多個(gè)不利結(jié)構(gòu)體；

（2）赤平投影法分析結(jié)果表明：廠區(qū)西側(cè)人工開(kāi)挖形成的巖質(zhì)斜坡中B-C、C-D、D-E這3個(gè)坡段處于不穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)構(gòu)面切割邊坡巖體產(chǎn)生傾向坡外的楔形體，可能形成楔形體滑移-墜落式破壞；

（3）本文利用赤平投影法對(duì)高角度開(kāi)挖形成的巖質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性及破壞方式進(jìn)行定性分析，簡(jiǎn)潔且直觀地反映了廠區(qū)邊坡存在的崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患問(wèn)題，建議有針對(duì)性的采取措施對(duì)該斜坡進(jìn)行治理。