李鴻鳴，吉 鋒，石豫川，馮小飛，張 磊

(成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

圖1 研究區(qū)工程地質平面圖Fig.1 Engineering geological plane figure of study area

順坡向結構面是引起邊坡失穩(wěn)的重要巖體結構因素，許多研究者對此開展了大量研究。王章瓊等[1]通過通用離散單元法程離(universal distinct element code,UDEC)方法分析某水電站左岸邊坡的坡體結構及開挖引起的擾動，認為含順坡向陡傾結構面的邊坡易發(fā)生滑移、滑移-拉裂兩種破壞模式；石崇等[2]基于顆粒離散元方法研究了地震作用下邊坡的崩塌過程，得出順坡向陡傾裂隙是邊坡失穩(wěn)的控制型結構面；劉莉莎等[3]提出一種改進的基于人工蜂群算法的邊坡穩(wěn)定性分析方法，算例結果表明新的方法具有良好的全局最優(yōu)解搜索能力；呂夫俠等[4]基于邊坡滑動具有階段性，采用動態(tài)變化的雙安全系數(shù)來識別坡體所處的狀態(tài)，從而評價邊坡穩(wěn)定性；吳關葉等[5]以白鶴灘左岸強卸荷巖體邊坡為研究對象，基于室內模型試驗，再現(xiàn)了邊坡變形破壞全過程，揭示了邊坡破壞機制從而提出邊坡加固方案；肖國峰等[6]對宜昌—恩施段高速公路大量出露順層邊坡進行研究，從巖體的風化、溶蝕以及順層結構面充填泥質等方面來研究巖體抗剪強度；熊超等[7]以三峽庫區(qū)景區(qū)的危巖體為例，認為其破壞模式受控于裂隙的分布特征，穩(wěn)定狀態(tài)則與裂隙切割程度及所處工況密切相關；王林峰等[8]開展了緩傾結構面巖體邊坡的研究工作，從斷裂力學的角度推導出結構面應力強度因子表達式，由此提出計算巖塊穩(wěn)定系數(shù)的方法；杜時貴[9]基于等精度評價思想，將露天礦山邊坡劃分為穩(wěn)定的和可能破壞兩種類型，結合目前露天礦山邊坡穩(wěn)定性評價方面的不足，提出了更適合工程實際應用的方法；宋桂鋒等[10]運用極限上限分析法，探討了含有后緣拉張裂縫的順層巖質邊坡在地震、坡頂超載及靜水壓力共同作用下的坡體的安全系數(shù)特征；周進等[11]研究了地震工況下順層巖質邊坡動力可靠度指標與邊坡失效概率之間的量化關系；馮振等[12]通過對邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的深入研究，對某高速公路紅砂巖順層邊坡強支護后的邊坡和支護結構變形的原因進行分析，認為持續(xù)高強度降水和泥化夾層的軟化是邊坡失穩(wěn)的重要原因；易巍[13]總結了順層邊坡典型工點的滑塌特征，針對巖坡和土坡不同的破壞模式分別提出相應的治理對策；王浩等[14]開展了超高路塹邊坡的變形過程研究，揭示了快速工程開挖擾動、軟弱帶暴露、坡腳臨空面形成與巖體卸荷松弛的邊坡失穩(wěn)機制；鄧天鑫等[15]以四川汶川縣水磨溝含陡傾順層巖質邊坡為研究對象，采用離散元方法得出邊坡在地震作用下發(fā)生滑移-下部彎曲-上部傾倒的變形破壞模式。

前人對順坡向結構面(或順層)發(fā)育的巖質邊坡做了大量研究工作，成果頗豐。但從已取得的成果來看，現(xiàn)有研究多集中于層狀結構邊坡(沉積巖與變質巖區(qū))，對順坡向結構面發(fā)育的塊狀結構邊坡(巖漿巖區(qū))研究較少；同時沒有對具有特定坡體結構的邊坡穩(wěn)定性分析進行系統(tǒng)的闡述。因此，基于現(xiàn)場實際調查，以某花崗閃長巖邊坡順坡向陡-中傾角裂隙組合結構為研究對象，在查明邊坡地質條件的基礎上，得出邊坡變形破壞模式為底面單面滑動破壞，據(jù)此建立邊坡地質概化模型，對陡-中傾裂隙組合結構的穩(wěn)定性進行了定性分析與定量計算，以期為隨后邊坡支護措施的選取提供建議。

1 工程邊坡概況

選取該石料場的Ⅱ區(qū)邊坡為研究對象，如圖1、圖2所示，該邊坡上游側以NNW向陡傾斷層fj1為界，下游側以NE向陡傾斷層fj24為界，其中fj1產狀為N15°～30°W，SW∠60°～85°，寬10～30 cm，帶內充填巖塊、碎裂巖、碎粒巖，局部發(fā)育有蝕變現(xiàn)象，呈強風化狀，延伸長大于500 m；fj24產狀為N40°～50°E，NW∠80°～85°，寬1～2 cm，局部寬5 cm，帶內充填碎裂巖、石英，面鐵錳質渲染，延伸長100～150 m；下部順坡向中傾外裂隙發(fā)育，產狀為N0°～20°E，NW∠30°～50°，閉合～微張，面較平直、粗糙，多見鐵錳質渲染，少量夾巖屑，多延伸長4～8 m。

圖3 平洞中順坡裂隙空間發(fā)育特征Fig.3 Spatial connectivity of discontinuities paralleling to the slope of exploration adit

圖2 研究區(qū)工程邊坡開挖至高程2 290 m面貌Fig.2 The panorama of engineering slope of study area excavated to the elevation of 2 290 m

2 邊坡穩(wěn)定性定性分析

隨著邊坡持續(xù)下挖，Ⅱ區(qū)邊坡后緣陡傾裂隙卸荷張開，坡體易沿底部順坡節(jié)理、裂隙發(fā)生剪切滑移，形成一種底面單面滑動的失穩(wěn)模式。因此，順坡向中傾角裂隙的連通情況、性狀好壞是評價Ⅱ區(qū)邊坡穩(wěn)定性的關鍵。根據(jù)勘探平洞地質素描資料，揭露了Ⅱ區(qū)邊坡順坡向中緩裂隙發(fā)育情況，選出傾坡外并貫穿平洞的裂隙，從剖面圖和平切圖(圖3)來看，工程地質定性分析認為：隨水平深度的增加，坡體內順坡向中傾角裂隙向深部發(fā)育程度降低；裂隙性狀大多較好，寬度較小，空間上沒有構成延伸長度>100 m、充填物厚度>2 cm的較大規(guī)模順坡向裂隙。

順坡向中傾角裂隙沒有連成長大的控制性結構面，坡體沿該組裂隙滑移和破壞受到了巖橋的抵抗，由于巖橋抗剪強度高，從宏觀上可以認為Ⅱ區(qū)邊坡處于整體穩(wěn)定狀態(tài)。但是由于工程擾動及其他因素的影響，邊坡巖體時效變形積累，巖橋隨時間推移被剪斷，順坡裂隙連通，邊坡巖體強度弱化，穩(wěn)定性降低，可能向臨河方向產生滑移-拉裂破壞。

3 邊坡穩(wěn)定性定量分析

3.1 邊坡失穩(wěn)破壞模式

分析認為，Ⅱ區(qū)邊坡側緣切割面為NNW向和NE向陡傾角小斷層的“人”字形組合，順坡向中傾角裂隙和巖橋構成邊坡滑移的“底滑面”，破壞模式為底面單面滑動失穩(wěn)模式，如圖4所示。

圖4 剖面示意圖Fig.4 Sketch figure of geological profile

3.2 巖體物理力學參數(shù)與結構面參數(shù)的選取

對不同高程和不同水平深度的巖體進行現(xiàn)場試驗，并結合相關工程經驗，同時測量順坡向中傾角裂隙連通率(測窗大小均為90 m×2 m)，結果如表1所示。當邊坡開挖至高程2 165 m時，連通率為建議值30%～50%，取50%；開挖至高程2 110 m時，連通率為建議值40%～60%，取60%；巖體抗剪斷強度根據(jù)表1所列裂隙與巖橋的強度參數(shù)進行加權平均而得到。

3.3 極限平衡法

在獲取合理的強度參數(shù)基礎上，采用極限平衡法中的傳遞系數(shù)法，考慮到由于后緣邊界為兩陡傾斷層，不考慮其側向抗滑約束作用，滑移破壞主要取決于順坡裂隙和巖橋的組合強度。計算所用剖面如圖5所示，由于開挖前邊坡為穩(wěn)定狀態(tài)，因此只需分析開挖后邊坡穩(wěn)定性。圖6為開挖邊坡穩(wěn)定性復核剖面，分別計算開挖至2 165、2 010 m時在不同工況下邊坡安全系數(shù)，利用Excel編制公式計算安全系數(shù)，所得結果如表2所示。表2結果表明，邊坡開挖至高程2 165 m時，在天然、暴雨、地震三種狀態(tài)下均穩(wěn)定，且滿足水電水利邊坡設計規(guī)范的要求；當繼續(xù)下挖至高程2 110 m時，在天然、暴雨工況下穩(wěn)定，但安全裕度不足，在地震工況下處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 邊坡巖體力學參數(shù)建議值Table 1 Recommended values of mechanical parameters of rockmass

圖5 M-M′剖面圖Fig.5 M-M′ geological profile

圖6 開挖至不同高程的計算剖面Fig.6 Calculated profiles excavated to different elevations

表2 邊坡安全系數(shù)計算結果Table 2 Factor of safety calculation results on different condition

3.4 離散元方法

采用三維離散元程序(3DEC)，以笛卡爾坐標系x軸為橫河向，y正軸為順河向(正好為正北向)，z軸為鉛直向，建立如圖7所示的邊坡三維模型。

圖7 三維邊坡模型Fig.7 Three dimensional generalized model of slope

為進一步分析該邊坡穩(wěn)定性，采用圖7所建模型分別計算開挖到高程2 165 m和2 110 m的力學響應特征，結果如圖8所示，計算表明，當開挖至高程2 165 m時，受陡傾角斷層fj1和fj24的影響，在兩結構面之間區(qū)域發(fā)生x向(側向)位移較為集中，位移在2 cm以上，最大為2.38 cm，即坡體沿順坡向中傾角裂隙向臨空方向發(fā)生了側向位移，主要受后緣貫通裂隙與底部非貫通中緩傾裂隙控制。當開挖至高程2 110 m時，側向位移增加，最大為3.71 cm，坡體滑移變形量增加。

圖8 開挖至高程2 110 m和2 165 m的x向位移響應Fig.8 Characteristic of x-displacement excavated to the elevation of 2 110 meters and 2 165 meters

4 連通率的獲取及其對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

由于巖體力學參數(shù)選取適合與否直接制約計算的準確性，后緣面貫通，則對此邊坡而言，計算的關鍵在于“底滑面”的中傾角裂隙連通率取值，而計算連通率時，所選用計算方法的不同、測量洞段(或邊坡測窗)的不同、選取帶寬的不同均會對結果造成影響。在具備追索順坡裂隙的平洞時，應采用全跡長法：只需在平洞測量沿走向方向延伸的結構面，經過簡單投影計算K=l/L(K為裂隙連通率；l為結構面投影總長；L為測線總長)，即可得到連通率(表3)，此方法可準確地測出裂隙連通率，但由于滿足條件的平洞有限，因此，在開挖坡面進行連通率測量以作為補充和復核，結果如表4所示。

表3 全跡長法獲取連通率Table 3 Connectivity rate by using method of total trace length investigation

表4 兩種不同方法計算開挖坡面順坡裂隙連通率Table 4 Connectivity rate of discontinuities paralleling to the slope under two different methods

根據(jù)全跡長法獲取結果，連通率平均值為60%，這個值較為真實的反映了順坡向裂隙的連通情況，結合邊坡測窗的統(tǒng)計結果，連通率范圍在41%～64%，這與全跡長法結果基本一致。為進一步研究邊坡穩(wěn)定性對于連通率變化的敏感程度，取5%～90%的連通率進行計算邊坡安全系數(shù)，結果如表5所示。表5結果表明，在低中連通率下(5%～55%)，邊坡安全系數(shù)較高；在高連通率下(60%～90%)，安全系數(shù)低，且連通率為70%對應著邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，高于70%，則產生失穩(wěn)。

表5 不同連通率下的安全系數(shù)Table 5 Factor of Safety based on different connectivity rate

5 結論

以水電站石料場花崗閃長巖邊坡為研究對象，基于順坡向陡-中傾角裂隙組合結構的現(xiàn)場調研，結合定性與定量的分析方法，取得如下認識。

(1)定性分析認為Ⅱ區(qū)邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；極限平衡法求得邊坡在天然、暴雨及地震工況下開挖至2 165、2 110 m的安全系數(shù)；離散元3DEC計算說明該邊坡開挖后側向位移為3～4 cm，隨著不斷下挖，無支護情況下位移量增加。

(2)評價的關鍵在于連通率取值，采用不同的計算方法分區(qū)段計算連通率，邊坡上采用廣義H-H法和Laslett兩種方法估算結果與平洞中全跡長投影調查結果大致吻合，最后分析了“底滑面”連通率取值對穩(wěn)定性的影響。

(3)影響順坡向裂隙發(fā)育邊坡穩(wěn)定的因素較多，爆破、開挖以及支護時的擾動等原因亦可引發(fā)邊坡失穩(wěn)，綜合考慮各因素的影響還有待于進一步研究。