某焦化项目顺层岩质高边坡变形机理及稳定性分析

2012-11-16潘宏君花晓鸣

采矿技术 2012年2期

关键词：顺层岩质节理

潘宏君，花晓鸣

（1.喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室贵州大学，贵州贵阳 550003；2.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都 611731）

某焦化项目顺层岩质高边坡变形机理及稳定性分析

潘宏君1，花晓鸣2

（1.喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室贵州大学，贵州贵阳 550003；2.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都 611731）

对某焦化项目顺层岩质边坡现场工程地质条件进行了调查，对边坡的岩体结构类型、成因机制及结构面与坡面组合特征进行了研究，结合工程地质条件，对边坡变形机理进行了探讨。在此基础上通过FLAC3D数值模拟，分析边坡的稳定性。研究结果表明，该边坡处于滑移－弯曲（－拉裂）型滑坡变形破坏的初始阶段，边坡的变形受层间软弱夹层及岩体结构面控制作用明显，边坡处于欠稳定状态。

顺层岩质边坡；结构面；变形机理；稳定性分析；数值模拟

0 引言

在山区工程建设中形成很多岩体结构复杂而稳定性差的边坡，在降雨和人类活动的影响下，出现变形失稳现象，严重危及工程和人民生命财产安全。

顺层岩质高边坡一般指的是边坡开挖面的走向和倾向与层状岩体层面基本一致，且开挖高度大于20m的边坡。工程实践表明，顺层岩质高边坡的变形破坏与边坡开挖面、岩层面及岩体结构空间组合形式密切相关。具有以顺层滑移为主的破坏模式，而且顺层滑坡灾害还有明显的滞后性，即完工后一段时间才发生，比较难防范。

因此，分析顺层岩质高边坡的变形破坏机理并对其稳定性进行合理评价，对治理该类边坡具有一定的实际参考价值。

1 边坡工程地质条件

某焦化项目的工程边坡地处构造侵、溶蚀低中山区，地势陡峻，自然标高最高约为1910m，最低约为1750m，最大高差达160m。在场地平场过程中，在东、北两侧分别形成最大垂直高度近55m和42m的挖方边坡，边坡总长127.3m，最大高度100.6m，边坡倾向为234°。

该边坡由三迭系关岭组薄至中厚层灰岩及泥质灰岩夹薄层泥岩组成，层间充填黄色粘土及薄层灰色泥质夹层。岩层产状为217°∠13°，为顺层边坡。

受断层和褶皱影响，岩体构造面及节理发育，发育的两组节理产状分别为265°∠87°和130°∠86°，裂隙充填有岩屑、粘土等，结构面结合差，边坡岩体类型为Ⅲ类，具外倾软弱结构面。

该区域的降雨较充沛，年均降雨量为1200 mm，强降雨多集中在夏季，阴雨天数超过160d，常年相对湿度在70%以上。

2 边坡岩体结构特征

边坡为含软弱夹层的中倾角顺向坡，受附近断层和褶皱影响，场区内结构面和节理裂隙发育，岩体较为破碎，层间张开度较大，并充填有灰色强至全风化岩屑和黄色次生泥。钻孔揭露强风化带较厚，溶孔、溶隙发育，多被泥质物充填。边坡具有两组优势结构面，使坡体沿层面滑动的可能性加大。

3 边坡变形特征及其稳定性影响因素

3.1 边坡变形特征

边坡岩体较破碎，节理裂隙较为发育，节理裂隙面夹全至强风化岩屑和泥质物，开挖过程中坡面表层局部发生顺层滑动。调查发现坡后缘有一弧形裂缝，槽探揭露裂缝向基岩内部延伸。滑坡前缘微微变形隆起，主要滑动方向与开挖坡面倾向近似一致，变形坡体宽317m，平均厚约22m，体积约为88×105m3。

钻探范围内发现4层泥质夹层，边坡开挖后见有3层岀露，第4层距开挖面较近，因此可将第4层作为最主要潜在滑动面。夹层为灰色全至强风化岩屑夹泥，层面湿润，饱水状态下的残余φ值仅为13°。

3.2 边坡稳定性影响因素

（1）不利的地形地貌条件。边坡体前缘临空，在工程开挖下形成更大临空面，为边坡剪出提供了临空条件；陡峭的坡面亦为边坡的滑动提供了一定的势能动力条件。

（2）不利的地层岩性及其空间组合。边坡岩体为薄至中厚层灰岩及泥质灰岩夹薄层泥岩，软弱夹层发育，岩层面倾角小于坡面，层间较清晰整洁。构造性节理裂隙较发育，岩体较破碎，风化、溶蚀强烈。发育的节理裂隙不仅为雨水下渗提供了便捷的通道，也为后缘拉开提供了有利条件。另外，薄层泥岩为相对隔水层，泥岩在水的作用下易于软化，致使抗剪强度降低而形成滑动面。

（3）降雨的诱发作用。根据监测资料，边坡体的变形破坏均发生于降雨后，在降雨作用下，雨水的入渗不仅增加了滑体的自重，而且使岩层面软化，降低了软弱夹层的物理力学指标，成为边坡滑动的催化剂。

（4）人类活动的影响。工程建设过程中的开挖、爆破等，既改变了边坡形态，又对边坡产生一定的扰动，从而进一步加剧了边坡的变形破坏。

4 边坡变形破坏机理及其稳定性分析

根据岩体结构特征、边坡稳定性影响因素及边坡变形情况，综合判定该边坡处于滑移－弯曲和滑移－拉裂的酝酿阶段。

（1）滑移－弯曲（－拉裂）酝酿阶段。在中上段坡体自重力作用下，地表以下第4层软弱夹层至开挖面之间的岩层发生滑移弯曲。因坡脚段滑移面未临空，在中上段坡体沿软弱夹层滑移产生的强大推力作用下，坡脚段受纵向压力而向开挖面隆起弯曲变形，使弯曲段以上边坡岩体失去支撑在后缘形成拉裂缝。由于开挖卸荷、岩体较破碎及坡脚段潜在滑动面距离开挖面较近，坡脚段抗力较低，最有可能发生隆起弯曲变形。庞厚的坡体和深开挖分别为弯曲变形提供了动力条件和变形空间。

（2）滑移－弯曲（－拉裂）加速阶段。弯曲变形发展明显，严重弯曲段出现X型节理裂隙，原生岩体结构被破坏，虚空部位被充填，在其上坡体大推力作用下发育新的剪切滑动面。弯曲变形段坡体鼓起加剧，造成岩体松动，致使X型节理中的一组发育成滑移剪出面。在这个过程中，边坡中后缘和表面因滑移而产生大量张拉裂缝。该阶段首先在坡脚开挖面形成弯曲变形破坏，为坡体的滑移和后缘拉裂提供条件，在强大的动势能作用下，边坡变形加速。

（3）滑移－弯曲（－拉裂）的最终破坏阶段。在应力应变达到一定条件后，弯曲段的潜在剪出面与层间滑移面贯通，整个边坡将失稳破坏。

目前边坡中下段处于滑移弯曲变形初始阶段，边坡中上段处于沿层面发生滑移拉裂变形初始阶段。坡体内部变形仅表现为岩体几何位置的调整，坡面上变形并不显著，主要表现为岩体松动，局部出现顺层滑塌现象。在第一、二阶段，第一级边坡坡脚段破碎岩体在其上坡体强大推力作用下产生较大弯曲变形，内部逐渐发育剪切滑动面。待弯曲部位岩体中滑移切出面与层间滑动面贯通后，整个坡体将失稳破坏。

岩体的有关参数为：γ＝26.8kN/m3；c＝400 kPa；φ＝40°；frb＝400kPa；潜在滑动面的参数为：c＝35kPa；φ＝13°。利用FLAC3D内置强度折减法得边坡的稳定系数是1.20，小于边坡等级安全系数1.35。图1为边坡剪切应变增量及速度矢量图。由图可知，塑性区是贯通的，即存在清晰滑动面，速度矢量图也有力地佐证了这一判断。因滑动面外侧区域网格点的速度明显大于其他区域，说明这一区域已经出现明显蠕滑。由此可知，该边坡的稳定性较差。