复杂岩质边坡的破坏类型及稳定性分析

龚匡周，王 浩，方雪晶，关海燕

（1.福州大学环境与资源学院资源与城乡建设系，福建 福州 350108；2.福建省闽武长城岩土工程有限公司，福建 福州 350012）

0 引言

复杂岩质边坡一般表现为地质构造发育，岩体中含有大量不同构造产状和特性的不连续结构面；边坡岩体受多种结构面切割，结构破碎，岩土体力学性能较弱，边坡稳定性多取决于各类结构面的特征［1］，从而导致岩质边坡形成弧形滑动、平面滑移、楔形体破坏及崩塌落石等不同的破坏模式［2］；对于不同的破坏模式应采用与其相适宜的分析方法及计算公式来评估其稳定状态。因此岩石边坡的稳定性分析不能盲目套用一般土质、类土质边坡的分析思路，以避免治理不当留下隐患和造成经济浪费。

本文以招商局漳州开发区11号山体西段边坡为例，在调查分析、分类研究和定性评价的基础上，对坡体中的弧形滑动、平面滑移和楔形体破坏及滚石破坏等典型破坏类型开展定量计算，最终实现对该边坡局部稳定性及整体稳定性的综合评价，为该复杂岩质边坡治理提供依据。

1 边坡工程概况

招商局漳州开发区11号山体西段边坡地质灾害位于该开发区友联船厂南侧约200m处。现边坡走向约 65°，坡高约 20 ～65m，坡度约 40°～80°，长度约330m，边坡已进行人工开挖爆破，坡面大部分基岩直接出露，局部坡面残留较多岩屑及岩块，局部地段滚石发育，边坡左段已形成一岩石滑坡变形体，边坡中段多处贯通性节理裂隙切割形成楔形变形体，形成多个不稳定区段，为典型地质灾害发育区。边坡场区出露为燕山早期黑云母花岗岩，坡体上部为花岗岩全风化层及残坡积层，坡体中下部为强至微风化花岗岩，主要地层及其岩土物理力学参数见表1。

表1 岩土层力学参数Table 1 Rock＆soil parameter

根据地表调查，场区边坡岩体中节理、劈理发育，多呈微张状、闭合状，矿物晶屑具定向排列平行裂隙走向；裂隙间距一般为0.2～1.0m，张开度小于3mm，属裂隙发育一般 -较发育；局部裂隙带附近岩体破碎，风化强烈，强度低，在暴雨冲刷、风化作用下易形成崩解、滑塌。

采用Dips结构面分析软件对现场取得的97组节理、裂隙进行分析，可得结构面等值图如图1所示，由此可得场区结构面主要有三组：

第1组：走向 335°～356°，以倾向 NE、倾角 70°～75°为主，局部倾向近西向，倾角约为70°。

第2组：走向 275°～300°，倾向 NE、倾角在 45°～89°。

第3组：走向 235°～262°，以倾向 ES为主、倾角70°～86°为主，局部倾向近北向，倾角为 35°～80°。

图1 节理分布等值图Fig.1 Con tour diagram of join t distribution

由边坡不稳定机制的覆盖技术［3］，对结构面极点图用35°摩擦角和70°边坡角进行覆盖（图2）。

图2 覆盖图Fig.2 Coverage diagram in stereo projection

总体而言，第三组节理走向与边坡走向一致，发育有顺向节理，倾角较大，对边坡稳定性影响较大，容易诱发岩体平面滑移破坏；另两组节理裂隙结构面倾角较大、与边坡倾向斜交，当其倾向为NW时对边坡稳定有一定影响，可能形成楔形体破坏。局部裂隙带附近岩体破碎，风化强烈，强度低，在暴雨冲刷、风化作用下易形成崩解、滑塌，甚至形成局部块体的弧形滑动。

2 边坡工程地质分区及破坏类型

根据现场地质调查成果，按边坡变形特征与病害性质将该边坡划分为A区、B区、C区和D区4个典型工程地质分区（图3）。

图3 边坡工程地质分区图Fig.3 Geological division for the whole slope

A区位于边坡左段，与另一山体以沟槽相接，边坡高约10～40m，平均坡度约30～50°。边坡上部为坡残积层与强风化花岗岩，下部为中 -微风化花岗岩，覆盖层相对较厚。

B区主体为场地开挖爆破形成的3级人工边坡，边坡高40～75m，坡度40°～60°。边坡上部坡残积层与强风化花岗岩约15m厚，下部为中-微风化花岗岩。边坡上部为强风化层，存在孤石与局部坍塌变形风险；边坡中部为强风化碎裂岩体，结构面发育，浅层岩体松弛破碎现象严重，可能沿结构面发育形成整体滑动变形；边坡下部为弱-微风化基岩，总体较完整，局部发育岩石滑坡形成挤压裂缝，岩体较为破碎。现场踏勘发现左侧中下部发育形成一岩石弧形滑坡，两侧界下错清晰，坡脚鼓胀裂缝发育，边坡处于挤压蠕动阶段（图4）。

图4 B区病害特征Fig.4 Destruction features in B district

C区边坡高约40～50m，覆盖层较薄，边坡上缓下陡。该段边坡顺坡结构面发育严重，存在几处较大的松弛楔形体及平面滑体，可能产生楔形体破坏和平面滑移等较大的变形破坏。C区中部局部边坡高度较低，发育形成汇水冲沟，与边坡走向斜交，雨季有明显地表渗水和局部边坡坍塌现象，不利边坡稳定（图5）。

图5 C区病害特征Fig.5 Destruction features in C district

D区位于边坡右段，并往右逐步变缓，与另一南北向边坡转角相交。边坡高陡，总高约50～70m，覆盖层较厚，约10～15m，上部孤石发育，局部稳定性较差；边坡中下部结构面发育，陡坡段局部稳定性较差（图6）。

3 边坡局部稳定性分析评价

3.1 圆弧滑动稳定性分析及参数反演

由于坡面受人工爆破影响，从坡面至坡内形成一个3～5m的扰动破碎带，其力学参数较原岩低，因此需要对破碎带的力学参数进行反演计算，为后面的边坡整体稳定性分析提供可靠力学参数，提高计算精度。

图6 D区病害特征Fig.6 Destruction features in D district

图7 圆弧滑体极限平衡分析Fig.7 Limit equilibrium analysis for Circular sliding

边坡B区下部存在一圆弧滑体，目前处于蠕动变形状态，采用Slide数值分析软件对该滑体进行已知滑动面的极限平衡反分析。由于实际滑动面为空间曲面特征，而Slide仅可以考虑二维平面问题，为了反演这一现场工况条件，故采取多个代表断面综合平均分析的简化思路，对该圆弧滑体取如图4所示标记为1-1、2-2、2-3的三个典型断面进行计算，以力求反应滑坡变形破坏的空间效应（图7）。计算成果显示：1-1断面稳定性系数为0.974，2-2断面稳定性系数为1.001，3-3断面稳定性系数为1.074，综合评估该圆弧滑体稳定性系数均值为1.016，满足要求，此时可反演确定弱风化花岗岩破碎带的力学参数如下：

γ =23 kN/m3；c=30 kPa；φ =35°。

3.2 楔形体稳定性分析及参数反演

根据现场调查可知，在C区上部有一个失稳的楔形体，并正处于滑动破坏状态，大部分岩体已经脱离后壁母体（图5）。对此，根据楔形体的产状（表2），结合现场情况对岩体结构面的力学参数进行反演，并利用所得结果用于平面滑动岩体的稳定性分析，提高平面滑体稳定性分析的精度。

表2 楔形体参数Table 2 Parameter of Wedge

楔形体分析采用Swedge软件，将楔形体产状及尺寸输入后可建立如图8所示的模型图。经过计算可得楔形体的稳定系数Fs=0.9891，属不稳定状态，符合工程实际情况，此时可得岩体结构面的力学参数：

c=18kPa；φ =35°。

图8 楔形体破坏模型图Fig.8 Model of Wedge failure

3.3 平面滑动分析

边坡C区除了存在多处楔形体破坏以外，坡面现存在一处较大的平面滑动体（图9）。按“岩质边坡破坏机制有限元数值模拟分析”［4］一文，对于有两组节理面的岩质边坡破坏，首先在贯通的塑性区发生破坏，通后继续发展到一定程度，岩体发生整体破坏，同时出现第2条贯通的塑性面；边坡的破坏过程也就是塑性区逐渐发展，最后整体贯通的渐进破坏过程，体现出岩质边坡沿节理的追踪破坏过程，因此对坡面外层的滑体局部稳定分析显的更加重要。

图9 平面滑体破坏过程Fig.9 The process of plane failure

根据楔形体反演结果所得的岩体结构面的力学参数值，采用Rocplane平面滑体分析软件建立如图10所示的模型。经计算，该块体在正常工况下的稳定系数约为1.05，属欠稳定状态，结合现场情况，该点目前部分岩体正逐渐脱落，和分析结果总体是吻合的。

图10 平面滑体模型Fig.10 Model of plane failure

当模型中后缘裂隙中的水的充填度提升至30％时，滑体失稳。许多边坡在平面滑动发生前在滑体后部产生拉张裂缝，该拉张裂缝对边坡的稳定性有很大的影响，特别是在暴雨情况下，由于拉张裂缝底部排水不畅，张裂缝可能临时充水达一定高度，沿拉张裂缝及滑动面产生静水压力使滑动力突然增大，这往往是暴雨后边坡容易产生滑动的重要原因［5］。

3.4 孤石的稳定分析及运动轨迹模拟

在该岩质边坡中，孤石主要分布于B区和D区坡顶位置。其中B区坡顶孤石体积庞大，分布较分散，重量约为4000～5000kg；D区坡顶位置分布有大量孤石，重量一般为100～300kg不等。利用 Rocfall建立分析模型并得滚石运动轨迹图（图11、12）。

两模型均取50组滚石在同一初始位置开始运动，经统计分析，B区孤水平方向的运动位移较远，65％以上滚石最终着陆位置为距坡脚29～30m处；D区滚石水平位移较小，80％以上滚石最后着陆位置为距坡脚14～15m处。

图11 B区孤石运动轨迹Fig.11 Rock fall trajectory of B district

图12 D区孤石运动轨迹Fig.12 Rock fall trajectory of D district

可以得出，由于B区坡面较缓，提供了滚石足够的滚动空间，而D区断面较陡直，刚开始滚石近似做自由落体，从图中看出在两种不同的运动条件下，提供滚石滚动空间越大的对滚石最后的着陆影响较大；当坡面上有平台时，平台的宽度和表面植被情况对滚石的运动影响很大，这些结论与前人的研究结果相吻合［6］。

4 边坡整体稳定性分析

经过结构面统计分析及局部稳定性评价后，现对B、D区主要断面的稳定性进行定量计算，利用上述破碎带反演参数值及表1岩土层参数，建立主要断面稳定性分析模型（图13、14）。

图13 B区主断面稳定性分析Fig.13 The stability analysis for main fracture surface of B district

图14 D区主断面稳定性分析Fig.14 The stability analysis for main fracture surface of D district

计算可得，天然工况条件下B区边坡稳定性Fs=1.023，D区边坡稳定性Fs=1.073，处于基本稳定状态，但在地震等不利工况条件下局部地段有可能发生破坏；同时从计算模型中可得出，主要断面的稳定性由表层破碎带控制，可见人工爆破对岩质边坡的稳定性影响大，是影响边坡稳定性变形破坏的主要诱发因素，对于该边坡有必要对破碎带进行局部清刷和加固，以控制整体稳定。

5 结语

本文通过对招商局漳州开发区11号山西段边坡的稳定性评价，提出复杂岩质边坡的一般分析过程和评价思路：首先是结构面的统计分析，对结构面的产状、发育状态进行统计，并采用结构面投影覆盖技术对边坡潜在破坏模式进行定性评价；然后进行边坡楔形体破坏、平面滑移、浅层弧形滑动和孤滚石等破坏区段的局部稳定分析；最后对边坡的整体稳定性进行评价。通过上述分析，提出以下结论：

（1）通过对现场取得的节理进行统计分析，可知，对该坡体稳定起控制作用的节理组为：走向235°～262°，倾向近北向，倾角为 35°～80°，是平面滑移和楔形体组合破坏的主要诱因。

（2）通过对主要断面的稳定性分析，可知坡体稳定性主要受爆破松弛破碎带控制，为了达到治理边坡目的，应对破碎带进行重点加固。

（3）B区坡顶孤石分布较分散，体积大，在地震工况或暴雨工况下，可能形成滚石破坏，从孤石运动轨迹可知该段孤石抛落位置较远，破坏能力大，对该区孤石应进行清刷或爆破分解。D区坡顶孤石分布密集，体积较小，宜在坡顶设置被动防护网，对于靠近坡面的部分，应进行清刷。

（4）C区边坡顺坡结构面发育严重，存在多处较大的松弛楔形体及平面滑体，目前处于欠稳定状态。在平面滑体的计算模型中可知，当后缘裂隙水压力从10％上升至30％时，滑体失稳，因此在暴雨工况下，可能产生较大的滑动变形并形成追踪节理破坏，宜针对性实施加固工程。

（5）对于边坡上部覆盖残积土主要采用刷方放缓坡率并结合植被防护，增强稳定性，防止局部坍塌。

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