基于岩体质量等级评价的边坡稳定性分析——以辽宁宽甸地区下河口—拉古哨路段为例

颜翔锦，黄 伟，任传涛

中国地质调查局牡丹江自然资源综合调查中心，黑龙江 牡丹江 157000

0 引言

不稳定的天然斜坡和设计坡角过大的人工边坡，在岩体重力、土体重力、水体压力、振动力及其他外力作用下，常发生岩土崩塌或滑动破坏［1］. 岩体崩塌或者山体滑坡的发生会给人类的生产生活带来较重负面影响，例如交通问题、居民建筑的坍塌，还可能导致水流方向的改变［2］. 因此对边坡稳定性的研究十分有必要，既有利于地质灾害的防治，又可以使人工边坡的设计达到安全、经济的目的［3-6］.

研究区已经完成了基础地质、矿产资源、水工环地质、重要目标体地质灾害评估等不同尺度和层面的地质调查工作，积累了较为丰富的地质成果资料. 为了调查下河口—拉古哨路段当前边坡稳定情况，利用实地调查对野外边坡做了大量分析和对比，发现其中有73%的边坡稳定性不强，其中一部分已经出现了坍塌情况，另一部分出现坍塌的可能性较大. 对边坡稳定性的分析通常包括定性和定量两种方法，其中定性分析的方法较多，例如极限分析法、类比法等. 除此之外，还有一些方法并不成熟，仍处于测试阶段，例如灰色理论分析法等［7］.

1 工程地质条件

1.1 自然地理

研究区位于辽宁省宽甸满族自治县的长甸镇，地处辽东低山丘陵地貌景观区，东部为鸭绿江中下游的中朝边境地带，同时位于长白山和千山两大山脉之间，地势具有西北部较东南部高的特点. 通过资料收集调查发现，西北部最高海拔达1 336.1 m，东南部山地较多，多为300～500 m，平均海拔约400 m. 其中山地丘陵占地较多，盆地及河流占地面积较少，两者间的比例可达到2∶1. 在气候方面，宽甸县属于东亚季风区，降水量较多，有明显的四季对比，特别是冬夏两季的季节气候较为明显，并且不同海拔不同纬度地区的气候差别也较大［8］.

1.2 地质环境

宽甸地区大地构造处于华北板块边缘，地质特征较为明显，地层岩石主要包括古元古界辽河群高家峪组二段以及中生代早白垩世侵入岩（图1）. 高家峪组二段以混合岩和片麻岩为主，早白垩世侵入岩主要为石英正长岩和石英二长岩［8］. 本次研究的岩体主要分布在鸭绿江下河口—拉古哨路段沿线，岩体在地质历史中曾遭受过多期构造作用，受多条北东向断裂控制，统称为鸭绿江断裂带. 鸭绿江深部断裂带及其次生断裂基本控制了本区构造格局，具有复杂的结构特征［8-9］.

图1 研究区岩体分布图Fig. 1 Distribution map of rock masses in the study area1—中侏罗世花岗岩（Middle Jurassic granite）；2—中侏罗世石英二长岩（Middle Jurassic quartz monzonite）；3—中侏罗世石英正长岩（Middle Jurassic quartz syenite）；4—混合岩（migmatite）；5—高家峪组石墨黑云钾长片麻岩（graphite biotite K-feldspar gneiss of Gaojiayu fm.）；6—野外调查点（field survey spot）

1.3 岩体质量等级

根据工程地质岩组划分的原则，将下河口—拉古哨路段岩体划分为侵入岩组和变质岩组两个小类. 侵入岩包括石英二长岩和石英正长岩两个子类，变质岩包括混合岩和片麻岩两个子类［10］.

通过野外实地调查及室内点荷载试验［11］，得出岩体工程地质数据（表1）. 侵入岩组总体为微风化，少数为中等风化，总体为较完整，坚硬程度总体为坚硬；变质岩均有不同程度的风化，多为中等程度风化，并且岩体结构破坏程度较重，属于较硬岩—较软岩. 通过分析可知石英正长岩、石英二长岩和混合岩岩体质量等级较好，片麻岩岩体质量等级较差［12］（表2）.

表1 岩体子类的基本质量等级特征一览表Table 1 Basic quality grade characteristics of rock mass subclasses

表2 下河口—拉古哨路段边坡岩体质量分级Table 2 Rock mass quality grading of the slope along Xiahekou-Lagushao road section

1.4 岩体力学参数

在岩体质量等级分类上，常用的有RMR 和BQ 方法，RMR 岩体分级体系是Bieniawski 于1973 年建立的，其目的是对岩体的性质进行量化评价，并为岩体稳定性的评价提供依据［13］. 而BQ 分级法主要考虑的是岩块的强度以及岩体的完整性［14］. 这两种方法的最大特点就是可以综合岩体中的影响因素，也正是因为分级方法较为相似，两种方法在运行过程中也有着一定相关性［15］，如以下公式，从式（1）中可利用BQ 得到RMR 的结果，而式（2）（3）则可计算岩体特性材料常数m、s［7］.

式（4）中σn代表岩体的法向应力，τ 代表剪应力，φ 代表摩擦角. 通过式中的计算情况可知法向应力会对剪应力造成影响，并可利用岩体的特性材料常数m 对σn和τ 数据拟合得到相应的内聚力和内摩擦角［7］（表3）岩石的内聚力越低、内摩擦角越小，则岩石的强度就越低，岩体的稳定性就会变低，反之亦然［16］.

表3 各类岩体力学参数值表Table 3 Mechanical parameters of rock masses

2 边坡失稳模式分析

一般情况下，在判断岩体是否会发生滑动破坏现象时，会将岩体表面倾斜方向和坡向视为同向，当其倾角度数处于岩体内摩擦角和坡角度数之间时，其发生滑动破坏的可能性较大［17］. 下河口—拉古哨路段坡向总体为南东向，对边坡进行节理面倾向和构造结构面分析，其结果如图2、图3 所示. 玫瑰花图（图2）由31组岩体倾向数据制成，通过分析，测定的4 组均值数据（272°∠42°、290°∠46°、12°∠39°、153°∠52°）中，只有第四组的节理倾向和坡面倾斜情况相近，其余3 组的节理方向均与坡面方向相差较大［18］. 通构造结构面分析（图3），其优势结构面的方向与坡面相反，根据此结果得出发生滑动破坏的可能性较小. 同时对优势结构面和坡面的夹角进行测定，结果均不大于120°，以此判断出现山体倾倒的几率较小［19］.

图2 下河口—拉古哨路段节理面倾向玫瑰花图Fig. 2 The rose diagram for joint plane dip directions of Xiahekou-Lagushao section

图3 下河口—拉古哨路段构造结构面极点统计图Fig. 3 Polar point statistical diagram for structural planes of Xiahekou-Lagushao section

片麻岩岩体完整性程度总体为较破碎，局部风化严重，对边坡的稳定性有显著影响，故对于片麻岩组成的边坡段，必须考虑风化程度、节理发育程度与坡面的空间组合关系. 下河口—拉古哨路段全风化片麻岩边坡如遇强降雨等因素会发生滑动破坏. 对该片麻岩岩体边坡的倾角、节理和坡面角度进行测定后，发现其倾角和坡面角度较大，同时节理密集，以此判断其可能出现的危象为崩塌［20］.

3 结论

1）经岩体质量分级，有3 种岩体的质量等级较高，其BQ 值大于440 小于550，分别为石英二长岩、石英正长岩及混合岩.

2）石英二长岩、石英正长岩、混合岩和片麻岩岩体优势结构面与坡面的夹角均小于120°，出现岩体倾倒的几率较小.

3）石英二长岩、石英正长岩和混合岩岩体节理对边坡失稳破坏的影响较小；片麻岩的岩体质量等级较低，其风化等级较高且节理发育较好，降低了边坡的稳定性，岩体有可能发生滑动破坏.

4）下河口—拉古哨路段岩体风化程度、完整性和岩体结构面的节理发育情况对边坡的稳定程度尤为重要. 当某边坡稳定程度受到影响时，其影响因素存在较多情况，需进行实地勘测.