顺坡陡-中倾角裂隙组合结构边坡稳定性分析

2020-05-20李鸿鸣石豫川冯小飞

科学技术与工程 2020年9期

李鸿鸣，吉锋，石豫川，冯小飞，张磊

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

图1 研究区工程地质平面图Fig.1 Engineering geological plane figure of study area

顺坡向结构面是引起边坡失稳的重要岩体结构因素，许多研究者对此开展了大量研究。王章琼等[1]通过通用离散单元法程离(universal distinct element code,UDEC)方法分析某水电站左岸边坡的坡体结构及开挖引起的扰动，认为含顺坡向陡倾结构面的边坡易发生滑移、滑移-拉裂两种破坏模式；石崇等[2]基于颗粒离散元方法研究了地震作用下边坡的崩塌过程，得出顺坡向陡倾裂隙是边坡失稳的控制型结构面；刘莉莎等[3]提出一种改进的基于人工蜂群算法的边坡稳定性分析方法，算例结果表明新的方法具有良好的全局最优解搜索能力；吕夫侠等[4]基于边坡滑动具有阶段性，采用动态变化的双安全系数来识别坡体所处的状态，从而评价边坡稳定性；吴关叶等[5]以白鹤滩左岸强卸荷岩体边坡为研究对象，基于室内模型试验，再现了边坡变形破坏全过程，揭示了边坡破坏机制从而提出边坡加固方案；肖国峰等[6]对宜昌—恩施段高速公路大量出露顺层边坡进行研究，从岩体的风化、溶蚀以及顺层结构面充填泥质等方面来研究岩体抗剪强度；熊超等[7]以三峡库区景区的危岩体为例，认为其破坏模式受控于裂隙的分布特征，稳定状态则与裂隙切割程度及所处工况密切相关；王林峰等[8]开展了缓倾结构面岩体边坡的研究工作，从断裂力学的角度推导出结构面应力强度因子表达式，由此提出计算岩块稳定系数的方法；杜时贵[9]基于等精度评价思想，将露天矿山边坡划分为稳定的和可能破坏两种类型，结合目前露天矿山边坡稳定性评价方面的不足，提出了更适合工程实际应用的方法；宋桂锋等[10]运用极限上限分析法，探讨了含有后缘拉张裂缝的顺层岩质边坡在地震、坡顶超载及静水压力共同作用下的坡体的安全系数特征；周进等[11]研究了地震工况下顺层岩质边坡动力可靠度指标与边坡失效概率之间的量化关系；冯振等[12]通过对边坡变形监测数据的深入研究，对某高速公路红砂岩顺层边坡强支护后的边坡和支护结构变形的原因进行分析，认为持续高强度降水和泥化夹层的软化是边坡失稳的重要原因；易巍[13]总结了顺层边坡典型工点的滑塌特征，针对岩坡和土坡不同的破坏模式分别提出相应的治理对策；王浩等[14]开展了超高路堑边坡的变形过程研究，揭示了快速工程开挖扰动、软弱带暴露、坡脚临空面形成与岩体卸荷松弛的边坡失稳机制；邓天鑫等[15]以四川汶川县水磨沟含陡倾顺层岩质边坡为研究对象，采用离散元方法得出边坡在地震作用下发生滑移-下部弯曲-上部倾倒的变形破坏模式。

前人对顺坡向结构面(或顺层)发育的岩质边坡做了大量研究工作，成果颇丰。但从已取得的成果来看，现有研究多集中于层状结构边坡(沉积岩与变质岩区)，对顺坡向结构面发育的块状结构边坡(岩浆岩区)研究较少；同时没有对具有特定坡体结构的边坡稳定性分析进行系统的阐述。因此，基于现场实际调查，以某花岗闪长岩边坡顺坡向陡-中倾角裂隙组合结构为研究对象，在查明边坡地质条件的基础上，得出边坡变形破坏模式为底面单面滑动破坏，据此建立边坡地质概化模型，对陡-中倾裂隙组合结构的稳定性进行了定性分析与定量计算，以期为随后边坡支护措施的选取提供建议。

1 工程边坡概况

选取该石料场的Ⅱ区边坡为研究对象，如图1、图2所示，该边坡上游侧以NNW向陡倾断层fj1为界，下游侧以NE向陡倾断层fj24为界，其中fj1产状为N15°～30°W，SW∠60°～85°，宽10～30 cm，带内充填岩块、碎裂岩、碎粒岩，局部发育有蚀变现象，呈强风化状，延伸长大于500 m；fj24产状为N40°～50°E，NW∠80°～85°，宽1～2 cm，局部宽5 cm，带内充填碎裂岩、石英，面铁锰质渲染，延伸长100～150 m；下部顺坡向中倾外裂隙发育，产状为N0°～20°E，NW∠30°～50°，闭合～微张，面较平直、粗糙，多见铁锰质渲染，少量夹岩屑，多延伸长4～8 m。

图3 平洞中顺坡裂隙空间发育特征Fig.3 Spatial connectivity of discontinuities paralleling to the slope of exploration adit

图2 研究区工程边坡开挖至高程2 290 m面貌Fig.2 The panorama of engineering slope of study area excavated to the elevation of 2 290 m

2 边坡稳定性定性分析

随着边坡持续下挖，Ⅱ区边坡后缘陡倾裂隙卸荷张开，坡体易沿底部顺坡节理、裂隙发生剪切滑移，形成一种底面单面滑动的失稳模式。因此，顺坡向中倾角裂隙的连通情况、性状好坏是评价Ⅱ区边坡稳定性的关键。根据勘探平洞地质素描资料，揭露了Ⅱ区边坡顺坡向中缓裂隙发育情况，选出倾坡外并贯穿平洞的裂隙，从剖面图和平切图(图3)来看，工程地质定性分析认为：随水平深度的增加，坡体内顺坡向中倾角裂隙向深部发育程度降低；裂隙性状大多较好，宽度较小，空间上没有构成延伸长度>100 m、充填物厚度>2 cm的较大规模顺坡向裂隙。

顺坡向中倾角裂隙没有连成长大的控制性结构面，坡体沿该组裂隙滑移和破坏受到了岩桥的抵抗，由于岩桥抗剪强度高，从宏观上可以认为Ⅱ区边坡处于整体稳定状态。但是由于工程扰动及其他因素的影响，边坡岩体时效变形积累，岩桥随时间推移被剪断，顺坡裂隙连通，边坡岩体强度弱化，稳定性降低，可能向临河方向产生滑移-拉裂破坏。

3 边坡稳定性定量分析

3.1 边坡失稳破坏模式

分析认为，Ⅱ区边坡侧缘切割面为NNW向和NE向陡倾角小断层的“人”字形组合，顺坡向中倾角裂隙和岩桥构成边坡滑移的“底滑面”，破坏模式为底面单面滑动失稳模式，如图4所示。

图4 剖面示意图Fig.4 Sketch figure of geological profile

3.2 岩体物理力学参数与结构面参数的选取

对不同高程和不同水平深度的岩体进行现场试验，并结合相关工程经验，同时测量顺坡向中倾角裂隙连通率(测窗大小均为90 m×2 m)，结果如表1所示。当边坡开挖至高程2 165 m时，连通率为建议值30%～50%，取50%；开挖至高程2 110 m时，连通率为建议值40%～60%，取60%；岩体抗剪断强度根据表1所列裂隙与岩桥的强度参数进行加权平均而得到。

3.3 极限平衡法

在获取合理的强度参数基础上，采用极限平衡法中的传递系数法，考虑到由于后缘边界为两陡倾断层，不考虑其侧向抗滑约束作用，滑移破坏主要取决于顺坡裂隙和岩桥的组合强度。计算所用剖面如图5所示，由于开挖前边坡为稳定状态，因此只需分析开挖后边坡稳定性。图6为开挖边坡稳定性复核剖面，分别计算开挖至2 165、2 010 m时在不同工况下边坡安全系数，利用Excel编制公式计算安全系数，所得结果如表2所示。表2结果表明，边坡开挖至高程2 165 m时，在天然、暴雨、地震三种状态下均稳定，且满足水电水利边坡设计规范的要求；当继续下挖至高程2 110 m时，在天然、暴雨工况下稳定，但安全裕度不足，在地震工况下处于临界稳定状态。

表1 边坡岩体力学参数建议值Table 1 Recommended values of mechanical parameters of rockmass

图5 M-M′剖面图Fig.5 M-M′ geological profile

图6 开挖至不同高程的计算剖面Fig.6 Calculated profiles excavated to different elevations

表2 边坡安全系数计算结果Table 2 Factor of safety calculation results on different condition

3.4 离散元方法

采用三维离散元程序(3DEC)，以笛卡尔坐标系x轴为横河向，y正轴为顺河向(正好为正北向)，z轴为铅直向，建立如图7所示的边坡三维模型。

图7 三维边坡模型Fig.7 Three dimensional generalized model of slope

为进一步分析该边坡稳定性，采用图7所建模型分别计算开挖到高程2 165 m和2 110 m的力学响应特征，结果如图8所示，计算表明，当开挖至高程2 165 m时，受陡倾角断层fj1和fj24的影响，在两结构面之间区域发生x向(侧向)位移较为集中，位移在2 cm以上，最大为2.38 cm，即坡体沿顺坡向中倾角裂隙向临空方向发生了侧向位移，主要受后缘贯通裂隙与底部非贯通中缓倾裂隙控制。当开挖至高程2 110 m时，侧向位移增加，最大为3.71 cm，坡体滑移变形量增加。

图8 开挖至高程2 110 m和2 165 m的x向位移响应Fig.8 Characteristic of x-displacement excavated to the elevation of 2 110 meters and 2 165 meters

4 连通率的获取及其对边坡稳定性的影响分析

由于岩体力学参数选取适合与否直接制约计算的准确性，后缘面贯通，则对此边坡而言，计算的关键在于“底滑面”的中倾角裂隙连通率取值，而计算连通率时，所选用计算方法的不同、测量洞段(或边坡测窗)的不同、选取带宽的不同均会对结果造成影响。在具备追索顺坡裂隙的平洞时，应采用全迹长法：只需在平洞测量沿走向方向延伸的结构面，经过简单投影计算K=l/L(K为裂隙连通率；l为结构面投影总长；L为测线总长)，即可得到连通率(表3)，此方法可准确地测出裂隙连通率，但由于满足条件的平洞有限，因此，在开挖坡面进行连通率测量以作为补充和复核，结果如表4所示。

表3 全迹长法获取连通率Table 3 Connectivity rate by using method of total trace length investigation

表4 两种不同方法计算开挖坡面顺坡裂隙连通率Table 4 Connectivity rate of discontinuities paralleling to the slope under two different methods

根据全迹长法获取结果，连通率平均值为60%，这个值较为真实的反映了顺坡向裂隙的连通情况，结合边坡测窗的统计结果，连通率范围在41%～64%，这与全迹长法结果基本一致。为进一步研究边坡稳定性对于连通率变化的敏感程度，取5%～90%的连通率进行计算边坡安全系数，结果如表5所示。表5结果表明，在低中连通率下(5%～55%)，边坡安全系数较高；在高连通率下(60%～90%)，安全系数低，且连通率为70%对应着边坡处于临界稳定状态，高于70%，则产生失稳。