談裂隙巖質邊坡穩定性

楊 志 強

(北京華宇工程有限公司平頂山分公司，河南 平頂山 467002)

談裂隙巖質邊坡穩定性

楊 志 強

(北京華宇工程有限公司平頂山分公司，河南 平頂山 467002)

通過建立巖質邊坡裂隙場網絡模型，討論了大孤山巖質邊坡在裂隙場中的穩定性，結果表明連通度越大，風化越嚴重，坡體越容易沿連通度高的區域的潛在滑動弱面失穩破壞。

裂隙巖質邊坡，穩定性，連通度

0 引言

巖質邊坡穩定性的評價與預測是邊坡工程研究的根本問題，也是邊坡工程研究中最難和最迫切的課題之一[1]。隨著國民經濟的快速發展，礦山開采，交通運輸，水利水電，國防工程等建設工程越來越多，工程開發就會對原有邊坡進行人為改造，從而擾動或破壞了本來穩定的邊坡，形成了新的人工邊坡。大孤山露天礦高邊坡就是在人類無序開采礦石下形成的，由于邊坡在漫長的地質作用過程中，就一直存在潛在的變化，構造作用下邊坡裂隙擴展發育，風化作用下邊坡巖體物理化學性質漸變，如今在人類活動作用下邊坡地貌特征改變。這些因素使得大孤山高邊坡變得越來越復雜多變。其復雜多變性使得人們的認識受到限制，存在很多隨機性、不確定性和模糊性[2]。但對其風化穩定性評價是非常必要的。

1 巖體裂隙網絡模型

通常發育于巖石中的裂隙是有一定的展布規律的[3]，根據裂隙發育的宏觀分布規律，可建立相應的裂隙場網絡模型，通過裂隙場網絡模型分析，可確定巖體裂隙場強度，即裂隙發育的連通程度。在巖體裂隙場中，裂隙發育的跡長總是有限長的，且由多組裂隙組成，通常按裂隙發育的空間方位特征來劃分裂隙組[4，5]，可知同組的各個裂隙單體是互不相交，互不連續的。但只要不同方位的多組裂隙組彼此交切，就會構成在不同程度上相互連通的裂隙場網絡系統。裂隙場連通度指用以說明裂隙場網絡系統中裂隙連通程度的一種定量指標，其大小可反映出裂隙場網絡系統的連通程度[6]。故根據其特性我們可作這樣的規定：當連續裂隙場網絡系統中每一條裂隙都無限延伸或與選取面域邊界相交時，且每一條裂隙都相交，不是獨立的單體，這樣就可構成一相互連通的通路，其連通度量化為1，為極大值；相反，若裂隙場網絡系統中各組裂隙互不相交，沒有聯系，不能形成一定的通路時，則其連通度量化為0，為極小值。因此在一般情況下，連通度的上下值是一個介于0與l之間的無量綱數。然而，我們所指的連通度不能代表裂隙的發育程度，它只是一個相對的概念。裂隙場網絡系統中連通度的大小主要受裂隙發育的方向、組數、各組裂隙的跡長、密度、裂隙排列方式及裂隙連續系數等因素控制，其中大部分是屬常規性的裂隙特征，不同之點在于后面兩項，通常這些因素都可通過野外現場實測及現場研究確定，連續系數用以表示某一條或某一組裂隙的連續性，一般裂隙組是不連續的，所以連續系數也是一個介于0與l之間的無量綱數，用δ表示。若裂隙在切面上與外界是連通的，則這條裂隙的連續系數δ為1。統計域內的連續系數可用來表征一定面積域內的一組裂隙的連續系數。設統計域為正方形，面與裂隙走向垂直，見圖1。

則正方形統計域內的連續系數可由式(1)求出。

(1)

其中，li為單個裂隙長度；n為統計域內裂隙總條數；m為裂隙組總行數；L為統計域邊長。

在現場裂隙統計中發現，所測得的連續系數的大小不僅與選取的代表性面域有關，還與統計域面積的大小有密切關系。如果所選定的統計域面積過小，則連續系數的隨機波動性將會非常大，數值沒有固定的總趨勢，可以突然變為0，有時甚至可接近于1。統計可知當統計域面積的邊長為裂隙平均跡長的3倍～5倍時，連續系數則趨于穩定，故此時的統計域就可定義為可信域，據此可確定合理統計域的面積大小。在區域范圍內對裂隙網絡格局的形成、風化作用加速及地下水運移起控制作用的裂隙組稱為控制性裂隙組，由各控制性裂隙組所奠定的裂隙場網絡系統，一般為分布較均勻的規律性裂隙場網絡系統。連續系數只是確定了一組裂隙的發育情況，它們互不相交，只是一個獨立的系統，它們之間沒有通路聯系，故它們的連通系數δii=0，連通度亦為0。若控制裂隙場網絡系統包含兩組控制性裂隙組，則其連通度不僅與兩組裂隙的連通系數δij有關，還與裂隙相互連接排列形式有關，裂隙相互交聯的數量占裂隙總量越多，說明裂隙場網絡連通性較好，因此可以用連通百分率表示裂隙交聯相關度。若裂隙場網絡模型由三組或三組以上的控制性裂隙組組成，則應將裂隙組分解為兩兩相交子網絡模型分別計算連通度，最后將計算結果疊加起來計算出裂隙場網絡模型連通度,如圖2所示。

確定各控制性裂隙組的連續系數后，就可以得出統計域內裂隙組間連通系數δij，因δij與δji相等，故不重復計算，當i=j時，δij為0，進而根據兩控制性裂隙組連通百分率求出連通度φ。公式如下：

δij=δi×δj

(2)

(3)

2 大孤山場地裂隙網絡模型分析

由區域構造特征可知，大孤山裂隙場主要是在三條斷層的影響下形成的，裂隙非常發育，排列較雜亂，我們對大孤山地區不同構造分區進行邊坡巖體裂隙實測后，建立了巖質邊坡裂隙場網絡模型(見圖3～圖7)，裂隙場模型總體反映出裂隙主要由三組控制性裂隙組組成，分別為裂隙組Ⅰ、裂隙組Ⅱ、裂隙組Ⅲ，裂隙組數與此地區構造活動造成三條大斷層的應力場環境比較吻合。

根據各分區裂隙場網絡中裂隙平均跡長大約為3m，故可確定模型統計面域為9m×9m，選取的統計面域也能較好的反映各分區裂隙分布特征。統計裂隙后對各分區進行了連通度計算，經驗系數取1.0，表1列出了部分計算結果。

從表1分析結果可知，裂隙場網絡模型計算結果反映出該區巖質邊坡裂隙場網絡連通度具有不均勻性和各向異性的特點。

Ⅰ邊坡南區裂隙組受底部擠壓斷層和爆破震動影響各組裂隙交聯度很好，連通性較好，連通度為0.51。此處裂隙錯綜復雜，分布較密集，隙寬較大，最寬的可達10cm，風化劇烈，裂隙結構面很粗糙，并且分布有風化強發育帶，凸出巖體具有沿連通度高的巖溶發育帶滑動的趨勢；

Ⅰ邊坡北區裂隙主要是在正斷層影響下，由兩條剪切裂隙派生出很多的張裂隙網絡，剪切裂隙連續性很好，跡長也較長，且剪切裂隙結構面較粗糙，但整體連通性一般，在漫長風化歷史過程中整體風化不太嚴重，只是在局部可見風化劇烈的表象，但此處的正斷層附近的較破碎巖體具有沿裂隙場連通度較高的剪切面滑動的趨勢；

表1 大孤山各區連通度計算結果

而Ⅱ邊坡區裂隙是受順層斷層影響，裂隙場網絡主要由兩條控制性裂隙組組成，裂隙壓密后隙寬較小，裂隙發育較好，連通性較好，切割的巖體風化跡象不太明顯，由于裂隙場強度較高，所以邊坡還是存有潛在危險性，有可能沿裂隙場連通度較高的斷層結構面發生滑動；

Ⅲ邊坡區裂隙主要由豎直張裂隙控制，裂隙整體連通性不太好，受風化影響較小，只是在局部連通較好的裂隙場中風化較劇烈，沒有明顯的滑動優勢結構面；

Ⅳ邊坡區裂隙組排列雜亂，分布不均不密集且相互聯系很弱，其連通性很小，風化不明顯，也沒有發現潛在的滑動弱面。

最終結果表明結合構造特征和裂隙發育特性裂隙場網絡模型在探討巖質邊坡風化和穩定性方面具有一定的實用性。裂隙連通性越好，風化程度越劇烈，同時在斷層發育帶，裂隙連通性較好，巖體風化薄弱帶的裂隙場強度較高，而風化劇烈的薄弱帶又是巖體滑動優勢結構面的場所，這些都表明裂隙場連通度高的區域通常存有滑動優勢結構面。

3 結語

1)巖質邊坡裂隙場內部裂隙連通性越好，風化作用越劇烈，而裂隙連通性主要受裂隙發育的組數、方向、各組裂隙的密度、跡長、裂隙連通系數及裂隙排列方式等因素控制，這些裂隙就組成一個裂隙網絡系統。而一個統計域內的裂隙網絡模型主要由控制性裂隙組控制。由控制性裂隙組支配的裂隙場連通程度就可以用連通度定量表示。

2)對大孤山地區5個邊坡裂隙實測后建立裂隙網絡模型，模型分析結果表明連通度理論對裂隙場定量分析、邊坡風化程度和潛在優勢滑動面判定具有很好的指導意義。

[1] 姚愛軍，薛廷河.復雜邊坡穩定性評價和工程實踐[M].北京：科學出版社，2008:5-7.

[2] 王 沁.時間序列的確定性分析[M].西安：西安交通大學出版社，2008:11-15.

[3] 沈明榮,陳建峰.巖體力學[M].上海：同濟大學出版社,2006:12-15.

[4] 徐耀鑒.巖石學[M].北京：地質出版社,2007:16-19.

[5] 周維垣,劉元高.含裂隙組巖體的穩定問題[J].巖土力學,2003，10(24):13-15.

[6] 碳酸鹽巖的裂隙網絡連通度及其對巖溶的控制[J].地球科學，1991，1(16)：71-77.

Discussion on stability of fractured rock slope

YANG Zhi-qiang

(PingdingshanBranch,BeijingHuayuEngineeringCo.,Ltd,Pingdingshan467002,China)

This paper establishes the fracture field network model and mainly discuss the stability in the fracture rock slope, the results show that the greater of the connectivity degree, the more serious of the weathering, and the slope is more likely to fail along the potential weak sliding surface where the connectivity degree is high.

fracture rock slope, stability, connectivity degree

1009-6825(2014)13-0066-03

2014-02-22

楊志強(1985- )，男，工程師

TU413.62

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