復雜巖質邊坡的破壞類型及穩定性分析

龔匡周，王 浩，方雪晶，關海燕

（1.福州大學環境與資源學院資源與城鄉建設系，福建 福州 350108；2.福建省閩武長城巖土工程有限公司，福建 福州 350012）

0 引言

復雜巖質邊坡一般表現為地質構造發育，巖體中含有大量不同構造產狀和特性的不連續結構面；邊坡巖體受多種結構面切割，結構破碎，巖土體力學性能較弱，邊坡穩定性多取決于各類結構面的特征［1］，從而導致巖質邊坡形成弧形滑動、平面滑移、楔形體破壞及崩塌落石等不同的破壞模式［2］；對于不同的破壞模式應采用與其相適宜的分析方法及計算公式來評估其穩定狀態。因此巖石邊坡的穩定性分析不能盲目套用一般土質、類土質邊坡的分析思路，以避免治理不當留下隱患和造成經濟浪費。

本文以招商局漳州開發區11號山體西段邊坡為例，在調查分析、分類研究和定性評價的基礎上，對坡體中的弧形滑動、平面滑移和楔形體破壞及滾石破壞等典型破壞類型開展定量計算，最終實現對該邊坡局部穩定性及整體穩定性的綜合評價，為該復雜巖質邊坡治理提供依據。

1 邊坡工程概況

招商局漳州開發區11號山體西段邊坡地質災害位于該開發區友聯船廠南側約200m處。現邊坡走向約 65°，坡高約 20 ～65m，坡度約 40°～80°，長度約330m，邊坡已進行人工開挖爆破，坡面大部分基巖直接出露，局部坡面殘留較多巖屑及巖塊，局部地段滾石發育，邊坡左段已形成一巖石滑坡變形體，邊坡中段多處貫通性節理裂隙切割形成楔形變形體，形成多個不穩定區段，為典型地質災害發育區。邊坡場區出露為燕山早期黑云母花崗巖，坡體上部為花崗巖全風化層及殘坡積層，坡體中下部為強至微風化花崗巖，主要地層及其巖土物理力學參數見表1。

表1 巖土層力學參數Table 1 Rock＆soil parameter

根據地表調查，場區邊坡巖體中節理、劈理發育，多呈微張狀、閉合狀，礦物晶屑具定向排列平行裂隙走向；裂隙間距一般為0.2～1.0m，張開度小于3mm，屬裂隙發育一般 -較發育；局部裂隙帶附近巖體破碎，風化強烈，強度低，在暴雨沖刷、風化作用下易形成崩解、滑塌。

采用Dips結構面分析軟件對現場取得的97組節理、裂隙進行分析，可得結構面等值圖如圖1所示，由此可得場區結構面主要有三組：

第1組：走向 335°～356°，以傾向 NE、傾角 70°～75°為主，局部傾向近西向，傾角約為70°。

第2組：走向 275°～300°，傾向 NE、傾角在 45°～89°。

第3組：走向 235°～262°，以傾向 ES為主、傾角70°～86°為主，局部傾向近北向，傾角為 35°～80°。

圖1 節理分布等值圖Fig.1 Con tour diagram of join t distribution

由邊坡不穩定機制的覆蓋技術［3］，對結構面極點圖用35°摩擦角和70°邊坡角進行覆蓋（圖2）。

圖2 覆蓋圖Fig.2 Coverage diagram in stereo projection

總體而言，第三組節理走向與邊坡走向一致，發育有順向節理，傾角較大，對邊坡穩定性影響較大，容易誘發巖體平面滑移破壞；另兩組節理裂隙結構面傾角較大、與邊坡傾向斜交，當其傾向為NW時對邊坡穩定有一定影響，可能形成楔形體破壞。局部裂隙帶附近巖體破碎，風化強烈，強度低，在暴雨沖刷、風化作用下易形成崩解、滑塌，甚至形成局部塊體的弧形滑動。

2 邊坡工程地質分區及破壞類型

根據現場地質調查成果，按邊坡變形特征與病害性質將該邊坡劃分為A區、B區、C區和D區4個典型工程地質分區（圖3）。

圖3 邊坡工程地質分區圖Fig.3 Geological division for the whole slope

A區位于邊坡左段，與另一山體以溝槽相接，邊坡高約10～40m，平均坡度約30～50°。邊坡上部為坡殘積層與強風化花崗巖，下部為中 -微風化花崗巖，覆蓋層相對較厚。

B區主體為場地開挖爆破形成的3級人工邊坡，邊坡高40～75m，坡度40°～60°。邊坡上部坡殘積層與強風化花崗巖約15m厚，下部為中-微風化花崗巖。邊坡上部為強風化層，存在孤石與局部坍塌變形風險；邊坡中部為強風化碎裂巖體，結構面發育，淺層巖體松弛破碎現象嚴重，可能沿結構面發育形成整體滑動變形；邊坡下部為弱-微風化基巖，總體較完整，局部發育巖石滑坡形成擠壓裂縫，巖體較為破碎。現場踏勘發現左側中下部發育形成一巖石弧形滑坡，兩側界下錯清晰，坡腳鼓脹裂縫發育，邊坡處于擠壓蠕動階段（圖4）。

圖4 B區病害特征Fig.4 Destruction features in B district

C區邊坡高約40～50m，覆蓋層較薄，邊坡上緩下陡。該段邊坡順坡結構面發育嚴重，存在幾處較大的松弛楔形體及平面滑體，可能產生楔形體破壞和平面滑移等較大的變形破壞。C區中部局部邊坡高度較低，發育形成匯水沖溝，與邊坡走向斜交，雨季有明顯地表滲水和局部邊坡坍塌現象，不利邊坡穩定（圖5）。

圖5 C區病害特征Fig.5 Destruction features in C district

D區位于邊坡右段，并往右逐步變緩，與另一南北向邊坡轉角相交。邊坡高陡，總高約50～70m，覆蓋層較厚，約10～15m，上部孤石發育，局部穩定性較差；邊坡中下部結構面發育，陡坡段局部穩定性較差（圖6）。

3 邊坡局部穩定性分析評價

3.1 圓弧滑動穩定性分析及參數反演

由于坡面受人工爆破影響，從坡面至坡內形成一個3～5m的擾動破碎帶，其力學參數較原巖低，因此需要對破碎帶的力學參數進行反演計算，為后面的邊坡整體穩定性分析提供可靠力學參數，提高計算精度。

圖6 D區病害特征Fig.6 Destruction features in D district

圖7 圓弧滑體極限平衡分析Fig.7 Limit equilibrium analysis for Circular sliding

邊坡B區下部存在一圓弧滑體，目前處于蠕動變形狀態，采用Slide數值分析軟件對該滑體進行已知滑動面的極限平衡反分析。由于實際滑動面為空間曲面特征，而Slide僅可以考慮二維平面問題，為了反演這一現場工況條件，故采取多個代表斷面綜合平均分析的簡化思路，對該圓弧滑體取如圖4所示標記為1-1、2-2、2-3的三個典型斷面進行計算，以力求反應滑坡變形破壞的空間效應（圖7）。計算成果顯示：1-1斷面穩定性系數為0.974，2-2斷面穩定性系數為1.001，3-3斷面穩定性系數為1.074，綜合評估該圓弧滑體穩定性系數均值為1.016，滿足要求，此時可反演確定弱風化花崗巖破碎帶的力學參數如下：

γ =23 kN/m3；c=30 kPa；φ =35°。

3.2 楔形體穩定性分析及參數反演

根據現場調查可知，在C區上部有一個失穩的楔形體，并正處于滑動破壞狀態，大部分巖體已經脫離后壁母體（圖5）。對此，根據楔形體的產狀（表2），結合現場情況對巖體結構面的力學參數進行反演，并利用所得結果用于平面滑動巖體的穩定性分析，提高平面滑體穩定性分析的精度。

表2 楔形體參數Table 2 Parameter of Wedge

楔形體分析采用Swedge軟件，將楔形體產狀及尺寸輸入后可建立如圖8所示的模型圖。經過計算可得楔形體的穩定系數Fs=0.9891，屬不穩定狀態，符合工程實際情況，此時可得巖體結構面的力學參數：

c=18kPa；φ =35°。

圖8 楔形體破壞模型圖Fig.8 Model of Wedge failure

3.3 平面滑動分析

邊坡C區除了存在多處楔形體破壞以外，坡面現存在一處較大的平面滑動體（圖9）。按“巖質邊坡破壞機制有限元數值模擬分析”［4］一文，對于有兩組節理面的巖質邊坡破壞，首先在貫通的塑性區發生破壞，通后繼續發展到一定程度，巖體發生整體破壞，同時出現第2條貫通的塑性面；邊坡的破壞過程也就是塑性區逐漸發展，最后整體貫通的漸進破壞過程，體現出巖質邊坡沿節理的追蹤破壞過程，因此對坡面外層的滑體局部穩定分析顯的更加重要。

圖9 平面滑體破壞過程Fig.9 The process of plane failure

根據楔形體反演結果所得的巖體結構面的力學參數值，采用Rocplane平面滑體分析軟件建立如圖10所示的模型。經計算，該塊體在正常工況下的穩定系數約為1.05，屬欠穩定狀態，結合現場情況，該點目前部分巖體正逐漸脫落，和分析結果總體是吻合的。

圖10 平面滑體模型Fig.10 Model of plane failure

當模型中后緣裂隙中的水的充填度提升至30％時，滑體失穩。許多邊坡在平面滑動發生前在滑體后部產生拉張裂縫，該拉張裂縫對邊坡的穩定性有很大的影響，特別是在暴雨情況下，由于拉張裂縫底部排水不暢，張裂縫可能臨時充水達一定高度，沿拉張裂縫及滑動面產生靜水壓力使滑動力突然增大，這往往是暴雨后邊坡容易產生滑動的重要原因［5］。

3.4 孤石的穩定分析及運動軌跡模擬

在該巖質邊坡中，孤石主要分布于B區和D區坡頂位置。其中B區坡頂孤石體積龐大，分布較分散，重量約為4000～5000kg；D區坡頂位置分布有大量孤石，重量一般為100～300kg不等。利用 Rocfall建立分析模型并得滾石運動軌跡圖（圖11、12）。

兩模型均取50組滾石在同一初始位置開始運動，經統計分析，B區孤水平方向的運動位移較遠，65％以上滾石最終著陸位置為距坡腳29～30m處；D區滾石水平位移較小，80％以上滾石最后著陸位置為距坡腳14～15m處。

圖11 B區孤石運動軌跡Fig.11 Rock fall trajectory of B district

圖12 D區孤石運動軌跡Fig.12 Rock fall trajectory of D district

可以得出，由于B區坡面較緩，提供了滾石足夠的滾動空間，而D區斷面較陡直，剛開始滾石近似做自由落體，從圖中看出在兩種不同的運動條件下，提供滾石滾動空間越大的對滾石最后的著陸影響較大；當坡面上有平臺時，平臺的寬度和表面植被情況對滾石的運動影響很大，這些結論與前人的研究結果相吻合［6］。

4 邊坡整體穩定性分析

經過結構面統計分析及局部穩定性評價后，現對B、D區主要斷面的穩定性進行定量計算，利用上述破碎帶反演參數值及表1巖土層參數，建立主要斷面穩定性分析模型（圖13、14）。

圖13 B區主斷面穩定性分析Fig.13 The stability analysis for main fracture surface of B district

圖14 D區主斷面穩定性分析Fig.14 The stability analysis for main fracture surface of D district

計算可得，天然工況條件下B區邊坡穩定性Fs=1.023，D區邊坡穩定性Fs=1.073，處于基本穩定狀態，但在地震等不利工況條件下局部地段有可能發生破壞；同時從計算模型中可得出，主要斷面的穩定性由表層破碎帶控制，可見人工爆破對巖質邊坡的穩定性影響大，是影響邊坡穩定性變形破壞的主要誘發因素，對于該邊坡有必要對破碎帶進行局部清刷和加固，以控制整體穩定。

5 結語

本文通過對招商局漳州開發區11號山西段邊坡的穩定性評價，提出復雜巖質邊坡的一般分析過程和評價思路：首先是結構面的統計分析，對結構面的產狀、發育狀態進行統計，并采用結構面投影覆蓋技術對邊坡潛在破壞模式進行定性評價；然后進行邊坡楔形體破壞、平面滑移、淺層弧形滑動和孤滾石等破壞區段的局部穩定分析；最后對邊坡的整體穩定性進行評價。通過上述分析，提出以下結論：

（1）通過對現場取得的節理進行統計分析，可知，對該坡體穩定起控制作用的節理組為：走向235°～262°，傾向近北向，傾角為 35°～80°，是平面滑移和楔形體組合破壞的主要誘因。

（2）通過對主要斷面的穩定性分析，可知坡體穩定性主要受爆破松弛破碎帶控制，為了達到治理邊坡目的，應對破碎帶進行重點加固。

（3）B區坡頂孤石分布較分散，體積大，在地震工況或暴雨工況下，可能形成滾石破壞，從孤石運動軌跡可知該段孤石拋落位置較遠，破壞能力大，對該區孤石應進行清刷或爆破分解。D區坡頂孤石分布密集，體積較小，宜在坡頂設置被動防護網，對于靠近坡面的部分，應進行清刷。

（4）C區邊坡順坡結構面發育嚴重，存在多處較大的松弛楔形體及平面滑體，目前處于欠穩定狀態。在平面滑體的計算模型中可知，當后緣裂隙水壓力從10％上升至30％時，滑體失穩，因此在暴雨工況下，可能產生較大的滑動變形并形成追蹤節理破壞，宜針對性實施加固工程。

（5）對于邊坡上部覆蓋殘積土主要采用刷方放緩坡率并結合植被防護，增強穩定性，防止局部坍塌。

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