劉蓓

(1.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州450008；2.河南省特殊巖土環(huán)境控制工程技術(shù)中心，河南 鄭州450008)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，邊坡工程的大量實施，邊坡失穩(wěn)事故也隨之逐漸增多。邊坡失穩(wěn)輕則需要花費人力財力，影響工程的進度或正常運行，重則引發(fā)安全事故，造成人員的傷亡。為有效防止邊坡失穩(wěn)事故的發(fā)生，在施工前進行較為準確的邊坡穩(wěn)定性判別就顯得尤為重要。

通常認為，塊狀結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性一般好于土質(zhì)邊坡及其它類型的巖質(zhì)邊坡，但受自身巖體的性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地應力、風化作用、開挖方式、地下水侵入及地表水沖刷等因素影響，許多工程項目中塊狀結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象也屢見不鮮。

影響塊狀結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的因素多種多樣，其中不同結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及其與臨空面的空間組合關(guān)系對邊坡的穩(wěn)定與否常常至關(guān)重要。各種斷層、裂隙發(fā)育形成的結(jié)構(gòu)面破壞了邊坡的整體性，導致了巖體力學性能的不連續(xù)性和差異性，故結(jié)構(gòu)面處往往成為力學強度相對薄弱的部位。邊坡失穩(wěn)一般發(fā)生在傾向坡外的一組結(jié)構(gòu)面或兩組不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面組合而成的楔形體處。失穩(wěn)模式主要有：沿某一結(jié)構(gòu)面或復合結(jié)構(gòu)面滑動、節(jié)理或節(jié)理組易形成楔形體滑動、沿陡傾結(jié)構(gòu)面發(fā)生崩塌。進行邊坡穩(wěn)定性判別分析，是從宏觀上研究其穩(wěn)定程度和發(fā)展趨勢，對工程能否順利實施及正常運行具有重要意義。

1 概況

工程區(qū)地貌形態(tài)屬丘陵區(qū)，溢洪道位于水庫大壩右側(cè)，擬建溢洪道開挖邊坡高度一般15～25 m，邊坡級別為2級。

附近山體兩側(cè)自然邊坡多呈不對稱狀，一般北坡坡率為1∶2.40～1∶4.00，南坡為1∶1.10～1∶2.00。出露巖石絕大部分為微片理狀安山玢巖，局部段見有斜長石英玢巖分布。其中安山玢巖為杏仁構(gòu)造，強風化巖石手可捏成粉或錘輕擊即碎；弱風化巖石塊體較堅硬，錘稍用力擊之，可沿裂面脫落；微風化帶巖石僅裂隙處微有風化現(xiàn)象，巖石致密堅硬，較均一完整。石英玢巖為塊狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)致密、堅硬、性脆。

地下水主要為裂隙水，屬弱礦化重碳酸鎂鈣水。附近發(fā)現(xiàn)的下降泉流量小，干旱斷流。根據(jù)現(xiàn)場水文試驗可知：周圍巖體透水率絕大部分<1 Lu，僅個別張裂隙帶附近滲水性較強。

2 邊坡穩(wěn)定問題的提出

此區(qū)斷層以近東西向為主，近南北向次之。前者多為逆沖斷層，后者多為高角度正斷層。斷層按產(chǎn)狀主要劃分為兩組，一組走向北東-北西，傾向南東-南西，傾角50°～80°。另一組走向北東，多傾向南東，傾角50°～70°。

斷層附近裂隙密集，裂隙寬0.20～2.00 mm，大者可達5 cm，多填充高嶺土化、泥石化的臘狀泥巖。其它部位裂隙一般長度、寬度、密度均隨深度的增加而減小，其中強風化帶中裂隙寬1～2 mm，少量達1～5 cm，填充物以粘土為主，鐵錳質(zhì)氧化物次之；弱風化帶中裂隙寬1 mm左右，充填物以鐵錳質(zhì)氧化物為主，粘土次之，膠結(jié)較好。

溢洪道開挖深度一般15～25 m，擬對強風化狀巖石邊坡按1∶1.25，弱風化狀巖石邊坡按1∶1進行開挖。由于邊坡開挖深度較大，且附近山體斷層、裂隙發(fā)育，為防止施工過程或后期運行期間出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)情況，需對開挖邊坡進行穩(wěn)定性分析。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

塊狀結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡中的斷層、裂隙發(fā)育形成的結(jié)構(gòu)面往往是邊坡巖體中力學性質(zhì)相對薄弱的部位，結(jié)構(gòu)面既是風化和地下水活動的重要通道，又是外營力改造的對象。產(chǎn)狀、充填物、延展性、密度、平整度等因素均不盡相同的結(jié)構(gòu)面致使邊坡巖體力學性能出現(xiàn)不連續(xù)性和差異性，進而破壞了邊坡的整體性，一組或多組結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面相互的空間組合關(guān)系往往成為邊坡穩(wěn)定與否的決定因素。

因此，文章重點從邊坡內(nèi)的結(jié)構(gòu)面及其組合切割關(guān)系作為切入點，分別采用斜坡類比法、赤平極射投影法及楔體法對邊坡進行穩(wěn)定性探討研究。

3.1 斜坡類比法

選擇附近巖性、風化程度、坡高、結(jié)構(gòu)面分布和充填性質(zhì)等方面與溢洪道開挖地段類似的天然或人工剖面進行分析對比，臨近地段調(diào)查所得的穩(wěn)定邊坡列于表1。

由表1可知：強風化狀巖體穩(wěn)定邊坡坡度一般<1∶1.25，弱風化狀巖體穩(wěn)定邊坡坡度一般<1∶1。采用斜坡類比法初步分析認為對溢洪道內(nèi)強風化狀邊坡采用1∶1.25坡比、弱風化狀邊坡采用1∶1坡比進行放坡是穩(wěn)定的。

表1 鄰近地段穩(wěn)定邊坡調(diào)查表

3.2 赤平極射投影法

赤平極射投影法既可以較直觀確定邊坡上的結(jié)構(gòu)面和邊坡臨空面的空間組合關(guān)系，可能不穩(wěn)定楔形體的集合形態(tài)、規(guī)模大小、空間位置及分布，也可以確定不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的可能變形位移方向。

結(jié)合結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其與邊坡空間組合關(guān)系對邊坡穩(wěn)定最不利的條件，選擇A處邊坡進行穩(wěn)定性計算。

已知A處邊坡坡高23 m，天然產(chǎn)狀約為8∠33，上部9 m范圍內(nèi)風化程度為強風化，其余為弱風化。結(jié)構(gòu)面主要有L1裂隙組和F1斷層，其中L1裂隙組產(chǎn)狀23∠64，F(xiàn)1斷層產(chǎn)狀237∠48，溢洪道強風化帶巖體邊坡產(chǎn)狀348∠39(假定強風化巖體邊坡坡比為1∶1.25)、溢洪道弱風化帶巖體邊坡產(chǎn)狀348∠45(假定弱風化巖體邊坡坡比為1∶1.00)。將L1裂隙、F1斷層及不同風化程度巖體開挖邊坡按產(chǎn)狀畫在赤平投影圖，見圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可知，F(xiàn)1結(jié)構(gòu)面與開挖前、后邊坡均呈較大角度交叉，L1結(jié)構(gòu)面雖然與開挖前、后邊坡交角較小，但L1結(jié)構(gòu)面傾角均大于開挖前、后邊坡坡面傾角，故F1或L1單一結(jié)構(gòu)面對該處后邊坡穩(wěn)定性均影響不大；L1裂隙組結(jié)構(gòu)面和F1斷層結(jié)構(gòu)面的組合交點M均與邊坡投影弧在同一側(cè)，但在ns(天然邊坡)和cs(開挖后邊坡)之間，說明結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與邊坡坡面傾向接近，但傾角小于開挖坡腳而大于天然坡腳，亦屬于較不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖1 強風化帶邊坡穩(wěn)定分析圖

圖2 弱風化帶邊坡穩(wěn)定分析圖

故采用赤平極射投影法分析認為溢洪道內(nèi)強風化狀邊坡開挖采用1∶1.25坡比、弱風化狀邊坡開挖采用1∶1坡比是不穩(wěn)定的。

3.3 楔體法

由3.2小節(jié)可知，A處邊坡中L1裂隙和F1斷層組合交線的傾向與邊坡坡面傾向接近，但傾角小于開挖坡腳而大于天然坡腳，2組結(jié)構(gòu)面切割形成的楔形體為潛在滑體，屬于較不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。為進一步判別該處邊坡的穩(wěn)定性，現(xiàn)采用楔體法進行抗滑穩(wěn)定計算。

如圖3所示，楔形體ABCD為L1裂隙和F1斷層切割而成，其中△ABC為天然邊坡坡面，△ADC為開挖后邊坡坡面，BD為潛在滑動方向。設鍥形體的容重為γ，F(xiàn)1滑面具有抗剪強度指標C1及φ1，L1滑面具有抗剪強度指標C2及φ2，潛在滑動方向BD的傾角為α，BD長度為l，F(xiàn)1滑面傾角為α1，L1滑面傾角為α2，楔形體ABCD在△ABC上的高為H，△ABC在線AC上的高為h0，△ABD在線BD上的高為h1，△BCD在線BD上的高為h2。

圖3 L1和F1結(jié)構(gòu)面切割的楔體穩(wěn)定計算簡圖

(1)

采用公式(1)進行楔形體穩(wěn)定系數(shù)計算，為便于計算，楔形體內(nèi)不再將強風化帶與弱風化帶內(nèi)參數(shù)進行細分，各參數(shù)結(jié)合實際狀況折中選定，具體參數(shù)取值見表3。

表3 楔形體內(nèi)風化帶實際狀況具體參數(shù)取值表

計算求得楔形體ABCD的穩(wěn)定系數(shù)K=1.17，該邊坡級別為2級，邊坡在正常運用條件下為不穩(wěn)定狀態(tài)。綜上所述：采用楔體法計算認為溢洪道內(nèi)強風化狀邊坡開挖采用1∶1.25坡比、弱風化狀邊坡開挖采用1∶1坡比是不穩(wěn)定的。

4 結(jié)論

文章以某水庫溢洪道邊坡為例，分別運用斜坡類比法、極射赤平投影法及楔體法進行判別，綜合各種分析結(jié)果后認為該溢洪道邊坡按照擬定坡比開挖后處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需對其采取治理加固措施。

邊坡穩(wěn)定問題不僅會影響工程進度，破壞工程質(zhì)量，削減工程壽命，嚴重的邊坡失穩(wěn)甚至會引發(fā)大規(guī)模的安全事故。為有效防止邊坡失穩(wěn)事故的發(fā)生，在邊坡施工前首先要做的就是進行邊坡穩(wěn)定性分析。目前國內(nèi)進行邊坡穩(wěn)定性分析常用的方法有自然斜坡類比法、調(diào)查統(tǒng)計法、查表法、赤平極射投影法、數(shù)值分析法等。不同的方法在具備各自優(yōu)勢的同時也存在各自的局限性，在實際工程中，只有盡可能采取多種方法來分析和評價邊坡的穩(wěn)定性，才可以較為經(jīng)濟合理針對邊坡進行治理加固，進而最大程度上保證邊坡工程的順利實施及長遠安全。