劉光華，張 玲，趙 鵬，熊 超

(1.重慶交通大學(xué)巖土工程研究所，重慶 400074;2.重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計院，重慶 400700)

0 引言

巖層走向與邊坡面走向之間的夾角在30°之內(nèi)的邊坡稱為順向邊坡［1］，工程中常將巖層傾角為15°～30°的順向邊坡稱為緩傾順向邊坡。

緩傾順向邊坡受到地質(zhì)作用和人為作用由穩(wěn)定狀態(tài)逐漸發(fā)展至失穩(wěn)破壞。目前評價緩傾順向邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)主要采用單一滑面的極限平衡法及強度折減法，但是這些精確的數(shù)學(xué)模型中，都有預(yù)先假定的前提條件，這種假定本身就與客觀實際存在一定差異，對于影響因素較多且不明確的復(fù)雜事物，運用模糊數(shù)學(xué)理論得到的結(jié)果往往更貼近實際［2］。

1 緩傾順向邊坡破壞階段分析

緩傾順向邊坡在邊坡開挖面處臨空失去支擋、后緣和側(cè)邊界抗拉強度及側(cè)摩阻力降低的情況下，容易產(chǎn)生沿強度較低的層面或軟弱結(jié)構(gòu)面向臨空面方向發(fā)生滑移失穩(wěn)破壞，如重慶市武隆縣鐵礦鄉(xiāng)雞尾山山體崩滑特大地質(zhì)災(zāi)害［3］。

該類型邊坡從形成、發(fā)育直至最終失穩(wěn)破壞通常需要較長的時間，一般需經(jīng)歷三個階段:

1.1 形成階段

地質(zhì)構(gòu)造作用形成緩傾順向邊坡初始形態(tài)，此時邊坡安全儲備較高(圖1)。

圖1 緩傾順向邊坡形成階段Fig．1 The formation stage of gently slant slope

1.2 發(fā)育成熟階段

在長期的地質(zhì)作用及人類工程活動(前緣因工程活動開挖或采礦活動)共同影響下，緩傾順向邊坡已形成貫通率較高的后緣裂隙和側(cè)邊界，加之雨季裂隙賦水下滲降低軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強度，此時緩傾順向邊坡處于基本穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài)(圖2)。

圖2 緩傾順向邊坡形成階段Fig．2 The mature stage of gently slant slope

1.3 滑移失穩(wěn)破壞

在降雨進一步降低軟弱結(jié)構(gòu)面強度及裂隙貫通率不斷提高，邊坡最終失穩(wěn)發(fā)生沿臨空面方向的滑移破壞(圖3)。

圖3 緩傾順向邊坡形成階段Fig．3 The gently slant slope slide to destory

2 緩傾順向邊坡權(quán)重分析

由上述形成階段分析，緩傾順向邊坡在后緣裂隙形成、側(cè)邊界貫通性較好、軟弱結(jié)構(gòu)面強度較低、降雨作用較強及人類工程活動較強5種主要條件存在時，緩傾順向邊坡將可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，如圖4影響因素權(quán)重相互作用關(guān)系分析。

圖4 影響因素權(quán)重相互作用關(guān)系分析Fig．4 Analysis of factors interaction

通過上述權(quán)重分析，不難發(fā)現(xiàn)緩傾順向邊坡失穩(wěn)坡壞是自然因素和人為因素共同作用的結(jié)果，在自然因素中，降雨是影響最大的作用因素;人為因素中，以前緣開挖、采礦活動等為強影響因素。

重慶武隆雞尾山特大滑坡滑移破壞之前，一直有采礦活動，開采區(qū)位于邊坡下部二疊系下統(tǒng)梁山組(P1l)的含鐵礦層，形成面積約5×104m3的采空區(qū)，導(dǎo)致前緣關(guān)鍵塊體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，最終受巖溶發(fā)育帶瞬時脆性剪斷［4］。

前緣開挖導(dǎo)致邊坡失去支撐，初始應(yīng)力場發(fā)生改變，影響邊坡應(yīng)力狀態(tài)的同時降低了邊坡的穩(wěn)定性，根據(jù)工程經(jīng)驗，順向邊坡因前緣開挖應(yīng)力狀態(tài)的影響范圍約為前緣開挖高度的6.5倍［5］。

由上述分析，降水作用和工程活動是降低順向斜坡的兩個主要因素，但是對其進行穩(wěn)定性評價時，應(yīng)該根據(jù)這兩個因素現(xiàn)階段對五個條件的影響程度，進行穩(wěn)定性綜合評判，通常各個條件的權(quán)重所占比例:

根據(jù)邊坡所處地質(zhì)環(huán)境，各因素所占權(quán)重不同，應(yīng)當進行權(quán)重分析與經(jīng)驗相結(jié)合取值。

3 模糊數(shù)學(xué)法［6］的應(yīng)用

3.1 建立因素集

因素集是影響邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的所有因素構(gòu)成的集合。表示為:

3.2 建立權(quán)重集

根據(jù)邊坡的實際情況，確定不同因素所占的權(quán)重值，從而建立權(quán)重集

3.3 建立備擇集

備擇集是評判對象可能出現(xiàn)的所有評判結(jié)果。

3.4 單因素評判

單獨從某一個因素出發(fā)，確定各離散值對備擇集的隸屬程度，得出各單因素評判集為:

評判矩陣為:

3.5 模糊綜合評判

權(quán)重集與單因素模糊評判矩陣的乘積可以有效地反應(yīng)所有因素對判定對象的綜合影響。對模糊綜合評價做如下表示:

3.6 穩(wěn)定性系數(shù)確定

得到評判指標B之后，需要對其進行合理的后處理以得到最終評判指標。處理評判指標主要有最大隸屬法、模糊分布法、加權(quán)平均法等。對于邊坡穩(wěn)定性系數(shù)這類定量型評判對象，常采用加權(quán)平均法對其進行評判指標后處理。

4 工程實例

4.1 工程概況

重慶市武隆縣天生三橋景區(qū)擬遷建觀光電梯，新建電梯場址地處一緩傾順向邊坡下方，該順向邊坡所在區(qū)域?qū)贅?gòu)造溶蝕中山地貌，西南邊坡地形陡峭，總體坡向232°，坡度 75°～90°，基巖裸露，植被不發(fā)育，局部邊坡面較平直，西南側(cè)邊界已完全形成(圖5)。

圖5 武隆天生三橋緩傾順向邊坡照片F(xiàn)ig．5 The photograp of gently slant slope in Wulong Tiansheng bridge

邊坡灰?guī)r呈灰色、黑灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄-中厚層狀構(gòu)造，夾泥質(zhì)灰?guī)r(相對軟弱夾層)，厚度0.1～0.3 m。

場地地下水類型為孔隙水和巖溶水，孔隙水賦存于邊坡頂部、邊坡下部斜坡第四系殘坡、崩坡積土層中，含水層具有結(jié)構(gòu)松散、透水性好的特點，受地形條件及本身土體結(jié)構(gòu)影響，無統(tǒng)一地下水位，其賦水性差，主要靠大氣降水補給，以孔隙為通道滲透地下，排泄于場地下方低洼沖溝處，雨季含水量稍大，旱季少水或無水。

緩傾順向邊坡基座處分布有兩層沿層面的相對軟弱夾層R1和R2，見少許光滑擦痕，系構(gòu)造作用產(chǎn)生，在強度不斷降低的情況下可視為該順向邊坡的潛在滑移面。相對軟弱夾層R1和R2均為泥質(zhì)灰?guī)r構(gòu)造，屬硬性結(jié)構(gòu)面，R1與R2法向間距5.1 m，兩處夾層均有植被發(fā)育。

4.2 極限平衡法穩(wěn)定性評價

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范［7］判定該緩傾順向邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)，計算簡化模型如圖6。

圖6 武隆天生三橋緩傾順向坡典型剖面圖Fig．6 The typical profile of gently slant rock slope in Wulong Tiansheng bridge

由于現(xiàn)場進行大型直剪試驗難度較大，試驗時間較長，加之相對軟弱夾層較薄極可能導(dǎo)致試驗結(jié)果工程意義不大［8］，所以對相對軟弱夾層的抗剪強度取值參照建筑工程邊坡技術(shù)規(guī)范［9］查表取值。

表1 相對軟弱夾層抗剪強度參數(shù)取值Table 1 The shear strength of relatively weak interlayer

依據(jù)重慶市地方標準—地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范穩(wěn)定性計算公式:

式中:R——滑坡抗滑力/(kN/m);

T——滑坡下滑力/(kN/m);

W——滑坡體自重與建筑等地面荷載之和/(kN/m);

a——滑坡體或及其某條塊滑面傾角/(°);

C——滑面粘聚力標準值/kPa;

l——滑坡體或其某條塊滑面長度/m;

V——后緣裂隙水壓力/(kN/m);

U——滑面水壓力/(kN/m);

Q——作用于滑坡體或其某條塊的地震力/(kN/m);

φ——滑面內(nèi)摩擦角標準值/(°)。

經(jīng)計算，該緩傾順向邊坡在暴雨工況下處于穩(wěn)定狀態(tài)，沿潛在滑動面R1、R2及一般層面的邊坡整體穩(wěn)定性系數(shù)分別為 1.266、1.291、1.794。

4.3 穩(wěn)定性狀態(tài)定性分析

僅根據(jù)經(jīng)驗取值判斷該緩傾順向邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)顯然是不夠充分的，需對邊坡進行定性綜合的評價。

從地質(zhì)環(huán)境演變歷史過程來看，邊坡正處于側(cè)向?qū)訉颖浪暮笸耸竭吰聲r期，西南側(cè)邊坡坡度大于80°，且部分崖面下部較上部崩塌進程快，崖面處于倒懸狀態(tài)。現(xiàn)階段相對軟弱夾層強度較高，屬硬性結(jié)構(gòu)面，相對軟弱夾層見少許因構(gòu)造作用產(chǎn)生的擦痕，后緣裂隙深度較淺，貫通情況一般，且裂隙寬度不大，主要是地表流水沖刷形成的溶蝕裂隙和邊坡卸荷形成的卸荷裂隙;邊坡頂部見沿溝底發(fā)育的四個落水洞，但未發(fā)現(xiàn)落水洞之間串聯(lián)組成的貫通性構(gòu)造裂隙，邊坡體前緣臨空側(cè)未見鼓脹裂隙及擠出現(xiàn)象。綜上判斷，在現(xiàn)狀條件下，邊坡整體處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。

4.4 模糊數(shù)學(xué)對天生三橋緩傾順向邊坡分析

4.4.1 建立因素集

影響緩傾順向邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)值k的因素集為:

4.4.2 建立權(quán)重集

根據(jù)武隆天生三橋緩傾順向邊坡所處地質(zhì)環(huán)境，可以對側(cè)邊界、后緣裂隙及結(jié)構(gòu)面強度進行權(quán)重分析(降水作用及人類活動在此處不便統(tǒng)計所以依據(jù)經(jīng)驗取值):

(1)側(cè)邊界權(quán)重分析

天生三橋邊坡北東側(cè)邊界未貫通段提供的剪力作為抗滑力，此處主要分析邊界貫通率的變化對邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的敏感程度，以此判斷側(cè)邊界貫通率在權(quán)重集中的權(quán)重值(表2)。

表2 側(cè)邊界權(quán)重分析數(shù)據(jù)表Table 2 The data sheet of lateral boundary factor analysis

圖7 側(cè)邊界權(quán)重分析圖Fig．7 The chart of lateral boundary factor analysis

現(xiàn)階段邊坡側(cè)邊界貫通率較低(90%未貫通)，側(cè)邊界近期變化對穩(wěn)定性狀態(tài)影響較大，所以綜合考慮側(cè)邊界權(quán)重取值0.20(圖7)。

(2)后緣裂隙權(quán)重分析

針對后緣裂隙未貫通段對潛在滑移邊坡體提供拉力即抗滑力，此處考慮不同后緣裂隙貫通率對邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的敏感程度(表3)。

現(xiàn)階段后緣裂隙貫通率一般(70%未貫通)，側(cè)邊界近期變化對穩(wěn)定性狀態(tài)影響一般，所以綜合考慮測邊界權(quán)重取值0.15(圖8)。

(3)結(jié)構(gòu)面強度權(quán)重分析

表3 后緣裂隙權(quán)重分析數(shù)據(jù)表Table 3 The data sheet of backside fracture analysis

結(jié)構(gòu)面強度主要包括粘聚力和內(nèi)摩擦角，此處為了便于研究單一因素的權(quán)重，將結(jié)構(gòu)面強度轉(zhuǎn)化為等效內(nèi)摩擦角進行分析(表4)。

圖8 后緣裂隙權(quán)重分析圖Fig．8 The chart of backside fracture factor analysis

依據(jù)規(guī)范的結(jié)構(gòu)面強度取值(C=58kpa，φ=23°)等效之后的內(nèi)摩擦角為74.54°。由圖9分析，在等效內(nèi)摩擦角為74.54°鄰域內(nèi)穩(wěn)定性變化是十分明顯的，可以認為結(jié)構(gòu)面強度占較大權(quán)重，取值0.25。

此外，由于降水作用直接影響側(cè)邊界、后緣裂隙及結(jié)構(gòu)面強度，所占權(quán)重也應(yīng)按較重處理，取值0.25;人類工程活動在該邊坡所處位置影響作用一般，主要為棧道開挖，所以權(quán)重值取0.15。

綜上所述，權(quán)重集為:

表4 結(jié)構(gòu)面強度權(quán)重分析數(shù)據(jù)表Table 4 The data sheet of strength of structural plane analysis

圖9 結(jié)構(gòu)面強度權(quán)重分析圖Fig．9 The chart of strength of structural plane factor analysis

4.4.3 建立備擇集

備擇集是評判對象可能出現(xiàn)的所有評判結(jié)果。一般順向邊坡的穩(wěn)定系數(shù)區(qū)間為［1.00，2.00］，按等步長(d=0.20)均布取值，建立備擇集:

4.4.4 單因素評判

單獨從某一個因素出發(fā)，確定各離散值對備擇集的隸屬程度，得出各單因素評判集為:

所以評判矩陣為:

4.4 .5 模糊綜合評判

4.4.6 穩(wěn)定性系數(shù)確定

通過加權(quán)平均求得:

模糊數(shù)學(xué)分析結(jié)果與規(guī)范法及穩(wěn)定性定性評價結(jié)果基本一致，可以認為該緩傾順向邊坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，與邊坡現(xiàn)階段實際情況也基本吻合。

5 結(jié)論

(1)緩傾順向邊坡受季節(jié)性降雨、人類工程活動或采礦活動作用，后緣裂隙擴展、側(cè)邊界逐漸貫通及軟弱結(jié)構(gòu)面強度降低，易產(chǎn)生滑移失穩(wěn)破壞。

(2)模糊數(shù)學(xué)在進行權(quán)重分析時，不同邊坡其影響因素所占權(quán)重也不盡相同，應(yīng)根據(jù)權(quán)重分析并結(jié)合工程經(jīng)驗進行取值，做到具體邊坡具體分析。

(3)正確判定某一緩傾順向邊坡目前所處的穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)經(jīng)過規(guī)范、定性分析及模糊數(shù)學(xué)等方法進行綜合判定分析，所得到的穩(wěn)定性評判結(jié)果更貼近實際。

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