某焦化項目順層巖質高邊坡變形機理及穩定性分析

潘宏君，花曉鳴

（1.喀斯特環境與地質災害防治教育部重點實驗室 貴州大學， 貴州 貴陽 550003；2.中鐵西南科學研究院有限公司， 四川 成都 611731）

某焦化項目順層巖質高邊坡變形機理及穩定性分析

潘宏君1，花曉鳴2

（1.喀斯特環境與地質災害防治教育部重點實驗室 貴州大學， 貴州 貴陽 550003；2.中鐵西南科學研究院有限公司， 四川 成都 611731）

對某焦化項目順層巖質邊坡現場工程地質條件進行了調查，對邊坡的巖體結構類型、成因機制及結構面與坡面組合特征進行了研究，結合工程地質條件，對邊坡變形機理進行了探討。在此基礎上通過FLAC3D數值模擬，分析邊坡的穩定性。研究結果表明，該邊坡處于滑移－彎曲（－拉裂）型滑坡變形破壞的初始階段，邊坡的變形受層間軟弱夾層及巖體結構面控制作用明顯，邊坡處于欠穩定狀態。

順層巖質邊坡；結構面；變形機理；穩定性分析；數值模擬

0 引 言

在山區工程建設中形成很多巖體結構復雜而穩定性差的邊坡，在降雨和人類活動的影響下，出現變形失穩現象，嚴重危及工程和人民生命財產安全。

順層巖質高邊坡一般指的是邊坡開挖面的走向和傾向與層狀巖體層面基本一致，且開挖高度大于20m的邊坡。工程實踐表明，順層巖質高邊坡的變形破壞與邊坡開挖面、巖層面及巖體結構空間組合形式密切相關。具有以順層滑移為主的破壞模式，而且順層滑坡災害還有明顯的滯后性，即完工后一段時間才發生，比較難防范。

因此，分析順層巖質高邊坡的變形破壞機理并對其穩定性進行合理評價，對治理該類邊坡具有一定的實際參考價值。

1 邊坡工程地質條件

某焦化項目的工程邊坡地處構造侵、溶蝕低中山區，地勢陡峻，自然標高最高約為1910m，最低約為1750m，最大高差達160m。在場地平場過程中，在東、北兩側分別形成最大垂直高度近55m和42m的挖方邊坡，邊坡總長127.3m，最大高度100.6m，邊坡傾向為234°。

該邊坡由三迭系關嶺組薄至中厚層灰巖及泥質灰巖夾薄層泥巖組成，層間充填黃色粘土及薄層灰色泥質夾層。巖層產狀為217°∠13°，為順層邊坡。

受斷層和褶皺影響，巖體構造面及節理發育，發育的兩組節理產狀分別為265°∠87°和130°∠86°，裂隙充填有巖屑、粘土等，結構面結合差，邊坡巖體類型為Ⅲ類，具外傾軟弱結構面。

該區域的降雨較充沛，年均降雨量為1200 mm，強降雨多集中在夏季，陰雨天數超過160d，常年相對濕度在70%以上。

2 邊坡巖體結構特征

邊坡為含軟弱夾層的中傾角順向坡，受附近斷層和褶皺影響，場區內結構面和節理裂隙發育，巖體較為破碎，層間張開度較大，并充填有灰色強至全風化巖屑和黃色次生泥。鉆孔揭露強風化帶較厚，溶孔、溶隙發育，多被泥質物充填。邊坡具有兩組優勢結構面，使坡體沿層面滑動的可能性加大。

3 邊坡變形特征及其穩定性影響因素

3.1 邊坡變形特征

邊坡巖體較破碎，節理裂隙較為發育，節理裂隙面夾全至強風化巖屑和泥質物，開挖過程中坡面表層局部發生順層滑動。調查發現坡后緣有一弧形裂縫，槽探揭露裂縫向基巖內部延伸。滑坡前緣微微變形隆起，主要滑動方向與開挖坡面傾向近似一致，變形坡體寬317m，平均厚約22m，體積約為88×105m3。

鉆探范圍內發現4層泥質夾層，邊坡開挖后見有3層岀露，第4層距開挖面較近，因此可將第4層作為最主要潛在滑動面。夾層為灰色全至強風化巖屑夾泥，層面濕潤，飽水狀態下的殘余φ值僅為13°。

3.2 邊坡穩定性影響因素

（1）不利的地形地貌條件。邊坡體前緣臨空，在工程開挖下形成更大臨空面，為邊坡剪出提供了臨空條件；陡峭的坡面亦為邊坡的滑動提供了一定的勢能動力條件。

（2）不利的地層巖性及其空間組合。邊坡巖體為薄至中厚層灰巖及泥質灰巖夾薄層泥巖，軟弱夾層發育，巖層面傾角小于坡面，層間較清晰整潔。構造性節理裂隙較發育，巖體較破碎，風化、溶蝕強烈。發育的節理裂隙不僅為雨水下滲提供了便捷的通道，也為后緣拉開提供了有利條件。另外，薄層泥巖為相對隔水層，泥巖在水的作用下易于軟化，致使抗剪強度降低而形成滑動面。

（3）降雨的誘發作用。根據監測資料，邊坡體的變形破壞均發生于降雨后，在降雨作用下，雨水的入滲不僅增加了滑體的自重，而且使巖層面軟化，降低了軟弱夾層的物理力學指標，成為邊坡滑動的催化劑。

（4）人類活動的影響。工程建設過程中的開挖、爆破等，既改變了邊坡形態，又對邊坡產生一定的擾動，從而進一步加劇了邊坡的變形破壞。

4 邊坡變形破壞機理及其穩定性分析

根據巖體結構特征、邊坡穩定性影響因素及邊坡變形情況，綜合判定該邊坡處于滑移－彎曲和滑移－拉裂的醞釀階段。

（1）滑移－彎曲（－拉裂）醞釀階段。在中上段坡體自重力作用下，地表以下第4層軟弱夾層至開挖面之間的巖層發生滑移彎曲。因坡腳段滑移面未臨空，在中上段坡體沿軟弱夾層滑移產生的強大推力作用下，坡腳段受縱向壓力而向開挖面隆起彎曲變形，使彎曲段以上邊坡巖體失去支撐在后緣形成拉裂縫。由于開挖卸荷、巖體較破碎及坡腳段潛在滑動面距離開挖面較近，坡腳段抗力較低，最有可能發生隆起彎曲變形。龐厚的坡體和深開挖分別為彎曲變形提供了動力條件和變形空間。

（2）滑移－彎曲（－拉裂）加速階段。彎曲變形發展明顯，嚴重彎曲段出現X型節理裂隙，原生巖體結構被破壞，虛空部位被充填，在其上坡體大推力作用下發育新的剪切滑動面。彎曲變形段坡體鼓起加劇，造成巖體松動，致使X型節理中的一組發育成滑移剪出面。在這個過程中，邊坡中后緣和表面因滑移而產生大量張拉裂縫。該階段首先在坡腳開挖面形成彎曲變形破壞，為坡體的滑移和后緣拉裂提供條件，在強大的動勢能作用下，邊坡變形加速。

（3）滑移－彎曲（－拉裂）的最終破壞階段。在應力應變達到一定條件后，彎曲段的潛在剪出面與層間滑移面貫通，整個邊坡將失穩破壞。

目前邊坡中下段處于滑移彎曲變形初始階段，邊坡中上段處于沿層面發生滑移拉裂變形初始階段。坡體內部變形僅表現為巖體幾何位置的調整，坡面上變形并不顯著，主要表現為巖體松動，局部出現順層滑塌現象。在第一、二階段，第一級邊坡坡腳段破碎巖體在其上坡體強大推力作用下產生較大彎曲變形，內部逐漸發育剪切滑動面。待彎曲部位巖體中滑移切出面與層間滑動面貫通后，整個坡體將失穩破壞。

巖體的有關參數為：γ＝26.8kN/m3；c＝400 kPa；φ＝40°；frb＝400kPa；潛在滑動面的參數為：c＝35kPa；φ＝13°。利用FLAC3D內置強度折減法得邊坡的穩定系數是1.20，小于邊坡等級安全系數1.35。圖1為邊坡剪切應變增量及速度矢量圖。由圖可知，塑性區是貫通的，即存在清晰滑動面，速度矢量圖也有力地佐證了這一判斷。因滑動面外側區域網格點的速度明顯大于其他區域，說明這一區域已經出現明顯蠕滑。由此可知，該邊坡的穩定性較差。

圖1 剪切應變增量及速度矢量

5 結 論

本文以某焦化項目順層巖質高邊坡為工程實例，遵循“地質調查－理論研究－數值模擬”的技術路線，研究了該邊坡的變形機理、破壞模式并進行了穩定性評價，得到如下結論：

（1）邊坡為層間軟弱夾層發育的順層巖質高邊坡，節理裂隙發育，不利的地層巖性及其空間組合、巖體結構和構造、地形地貌、水文地質、溶蝕及風化作用等為邊坡的失穩提供了有利的先天條件；

（2）邊坡巖體破碎，軟弱夾層殘余抗剪強度很低，在雨水及人類工程活動的影響下促進了邊坡的滑動；

（3）邊坡處于滑移－彎曲和滑移－拉裂復合型滑坡初始階段，變形破壞機理表現為：中上段坡體沿層間軟弱夾層滑移，在此推力作用下，坡腳開挖面附近巖體產生彎曲變形，從而在彎曲變形部位發育剪切滑動面，與層間滑移面貫通后，導致邊坡整體失穩；

（4）邊坡穩定性的數值模擬結果與理論分析基本相符，說明了數值模擬結果的準確性，同時也印證了對順層巖質邊坡的劃分和理論分析方法的正確性。

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2012－01－10）