赤平投影法在岩质边坡稳定性分析中的应用

马全良

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830002）

0.引言

赤平投影是一种简便、直观的计算方法又是一种形象、综合的定量图解，它不仅可以表示线和面的方向，相互的角距关系及其运动轨迹，还能把物体三维空间的几何要素反映在投影平面上进行研究处理。此方法对解决地质构造几何形态、应力分析等问题直观有效，在地质工作中被广泛应用[1-4]。

孔玉科等详细研究了赤平投影在地质测绘，岩体边坡稳定评价、洞室围岩稳定条件等的应用[5]；姜彤等基于赤平投影基本原理并结合理论定量计算和分析，对工程实例中的边坡稳定性进行评价，验证了赤平投影能直观地反映边坡状态稳定性且能提高工程效率[6]；佘冬梅等通过分析总结赤平投影法的发展历程、概念原理及作图方法，结合工程实例分析确定岩质边坡稳定性。其结果表明，对岩质边坡稳定性分析赤平投影有很强的实用性且方法简单明了，具有广泛的应用空间[7]。王喜华等认为明确各结构面的空间产状及各结构面的相互组合关系利用赤平投影法且经过作图分析，可以确定滑动体的滑动方向，进一步对滑动体的形态稳定性进行判定[8]；刘洪年等分析总结认为，作用于岩体上的作用力的大小和方向、结构体的物理力学性质与立体形式、结构面的物理力学性质及空间分布位置和组合关系，是决定岩质边坡稳定性的重要因素。赤平投影法能将复杂三维空间转化为简单二维平面，实际应用简便、直观，省去复杂公式演算。利用赤平投影定性分析坚硬—较坚硬层状结构岩质边坡的稳定性，可获得较好的成果[9]。

边坡稳定现在已成为水利工作中关注度愈加明显的要点，边坡失稳在山区水利工程中时有发生，因此在水利工作中针对边坡稳定的分析对保障工程安全具有重要的意义。本文采用赤平投影法结合新疆塔城地区某水库库区左岸岩质边坡稳定性分析的案例，探讨研究赤平投影法在水利工程中的应用。

1.岩质边坡类型

关于岩体发生破坏变形的基础和重要因素，岩体自身结构有着决定性的作用。评价分析边坡稳定性时，首先对岩体自身结构作出正确的评价分析。在自然状态下，岩体结构类型复杂多样。工程不同、地理位置不同、划分的标准依据与类型亦有差异[10]。本文依据孙玉科的岩体结构分类与刘洪等对岩质边坡分类研究，结合本次工程实例将岩质边坡划分为两种类型[5,9]。

（1）块体结构边坡。结构体由两组及以上产状不同的结构面组合交割而成。岩体结构面是边坡破坏变形的主控因素，其主因是结构面与坡面交割的结构体存在沿某一结构面滑动趋势或具有多个结构面方向滑动趋势。

（2）平行层状结构边坡。结构块体为层状，由近于平行或平行的两个结构面组成。此类型结构面有较强的连续性，主要以顺层滑动的方式而使结构体失稳破坏，而软弱夹层的存在是发生滑动的主要诱因。结构面的抗剪强度与产状决定了平行层状结构边坡的稳定性。

2.工程区地质概况

2.1 地形地貌

水库区位于低中山峡谷内，峡谷呈“V”字型谷底宽10.0m～15.0m，由南至北逐渐放宽，曲折蜿蜒，走向近南北，总体地势南高北低。总体海拔约1100.0m～1200.0m，相对高差80.0m～100.0m，两岸均为平顶低中山，基本对称，两岸山顶地势较平缓，由第四系风积粉土覆盖，局部见基岩出露，地表植被发育见低矮灌木及草本植物生长发育。库区两岸发育多条冲沟，规模均为小型，沟内植被发育，沟底干涸，多覆盖有碎石土，部分沟壁基岩裸露，坡度30°～50°，局部陡立。两岸边坡较陡，基岩裸露，部分被薄层坡积物覆盖，表层生长有少量低矮灌木（见图1）。

图1 工程区左岸边坡

2.2 地质构造

水库区所在区域位于准噶尔盆地西北边缘，属准噶尔—北天山褶皱系内的准噶尔优地槽褶皱带内的塔尔巴哈台—荒草坡亚带内的巴尔鲁克—赛米斯台复背斜。水库区无区域性活动断裂通过，依据区域资料，距库区东侧约500m～900m处一分支断裂穿过，推测断裂性质为压性，北东走向，倾向不明。水库区内无明显的断裂地表形迹。库区主要构造形迹为低序次断层和节理裂隙。水库区主要地层为泥盆系火山碎屑岩。岩性主要为灰色、灰绿色凝灰岩、灰绿色晶屑岩屑凝灰岩等；地表覆盖层主要为第四系坡积碎石土和风积粉土等。

2.3 边坡主要结构面分析

本次研究对象为库区左岸岩质边坡，岩性为火山凝灰岩，岩层为整体块状产出，坡面产状大致为350°∠30°，边坡岩体主要发育3组节理裂隙。节理1产状为238°∠50°，结构面平直粗糙呈微张～张开，部分充填有岩石碎屑泥土，宽2.0m～3.0mm，间距0.2m～0.8m，延伸长度0.5m～5.0m；节理2产状为343°∠55°，结构面平直粗糙呈微张～张开，部分充填有白色钙质胶结物，宽1.0m～2.0mm，间距0.1m～0.8m，延伸长度1.0m～8.0m；节理3产状为145°∠30°，结构面平直粗糙呈微张～张开，宽2.0m～3.0mm，间距0.2m～1.0m，延伸长度0.5m～7.0m。

3.边坡稳定分析

节理与坡面的组合关系是边坡稳定分析的重要因素，现节理与坡面的结构面、线产状数据见表1，其组合关系采用赤平投影法分析如图2所示，其分析如下：

图2 边坡节理赤平投影图

表1 结构面、线产状表

（1）节理1与节理2结构面的交线oa与坡面倾向之间的夹角为153°，与坡面倾向相反，可判定结构面交割岩体是稳定结构体。

（2）节理2与节理3结构面的交线ob与坡面之间夹角为14°与坡面倾向相同，且倾角小于坡角，可判定结构面交割岩体为不稳定结构体。存在沿交线方向顺坡向发生滑动的危险。

（3）节理3与节理1结构面的交线oc与坡面之间夹角为93°，与坡面倾向相反，可判定结构面交割岩体为稳定结构体。

（4）节理1结构面、节理2结构面与边坡坡面大角度相交，属于有利结构面；节理3结构面与边坡坡面小角度相交，但是结构面倾角等于坡角，沿结构面不易出现滑动现象，边坡是基本稳定的。

由以上分析可知：边坡岩体不具备沿坡面方向产生滑移的动力条件和空间条件，但是被节理交割岩体稳定性较差，存在沿交线方向顺层滑移危险。

4.边坡防护建议措施

建议对坡面不稳定岩体及强风化层进行清除，进行削坡卸载措施，人工削坡时为避免造成边坡局部掉块、崩落等进一步破坏，还需采用工程防护措施，即采用分级台阶开挖方式开展边坡防护工作。分级开挖、分级保护，开挖后及时做好坡面防护。坡顶设置截水沟，坡底设置排水沟和碎石台。边坡开挖后，严禁长时间暴露在外，需及时采用防晒与防雨水等防护措施，以防降低边坡稳定而引起进一步边坡的滑塌等人为因素产生的不良地质灾害。

5.结论

判定分析岩质边坡稳定存在太多复杂性，因此其分析方法多式多样。赤平投影法是简单直观且行之有效的方法。通过系统收集地质数据，利用赤平投影法使地质数据能便于评价分析边坡稳定性，使复杂的空间组合关系转化为简单的平面关系。也可预判不稳定岩体可能的滑移方向，进一步做出防范措施。

本次采用赤平投影法对新疆塔城地区某水库岩质边坡主要结构面进行研究分析，明确其边坡整体稳定性较好。结果表明，在水利工程边坡稳定性分析中，赤平投影法是一种易于操作、快捷方便、准确分析的边坡稳定判定方法。