炉坪煤矿魏一坪山体边坡稳定性分析.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 炉坪煤矿魏一坪山体边坡稳定性分析 姓名向欣 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师余学义;张恩强 20070420 论文题目炉坪煤矿魏一坪山体边坡稳定性分析 专业采矿工程 硕士生向欣 指导教师余学义 张恩强 摘要 签名 虚丝 签名 鳐董 签名 在对四川省达州市炉坪煤矿魏一坪山体边坡的详细勘测以及对其岩体力学特性研究基础 上，通过对边坡稳定性计算方法、影响边坡稳定因素的系统分析，选用刚体极限平衡法中的直 线滑动面法作为该山体边坡稳定性计算方法，分别对考虑地下水渗流、地震作用等因素影响下 的边坡稳定性进行了计算与评价，认为该山体边坡处于不稳定状态，这结论与现场实际情况 完全相符合。论文还提出了边坡的治理方案，通过现场实施以及三年多的观测，证明治理方案 是切实可行的。论文为炉坪矿区其它边坡的稳定性分析和边坡治理提供了参考。 关键词山体边坡；边坡稳定性；稳定性分析；边坡治理； 研究类型应用研究 S u b j e c tA n a l y z i n gt h eS t a b i l i t yo fM o u n t a i nS l o p eW e i Y t P i n gi nL u p i n g M i n i n ga 瑚 S p e c i a l t y M i n i n gE n g i n e e r i n g N a m e X i a n g X i n Z h a n gE n - q i a n g S i g n a t u r e 毖乡虹 S i g n a t u r e S i g n a t u r e B a s eo nt h ed e t a i l e dr e c o m a i s s , m c eo f W e i l d i n gm o u n t a i ns l o p ea tL u P i n gc o a lm i n ei nD a z h o u a n di n v e s t i g a t i o nr o c kd y n a n f i c s , b yc a l c u l a t i o n a ln 砣 I I l o d so fs t a b i l i t yo fs l o p e 、s y s t e m sa n s l y s l so f i n f l u e n c e t h es t a b i l i t y o f s l o p e , c h o o s e t h e w a y o f b e e l i n e s l i p i n u l t h n a t e b a l a n c e o f r i g i d b o d y t o b e t h e c a l c u l a f i o n a lm e t h o d so f s t a b i l i t yo f s l o p e , ∞叩蒯v em a k ec a l c u l a t i n ga n de v a l u a t i r I go f s t a b i l i t yw i t h ∞璐i 蛐位i n f l u e n c eo f g r o t a x l w a t e rs e e p i n ga n dt h ee f f e c to f e a r t l x 吣e 。＆岫1 l l em o u n t a i n s l o p ei nt b eu n s t a b l e 溉t h ec o n c l u s i o ni sf i tl i k eag l o v eo f t h ef a c tR e b u i l d i n gp r o j e c t sa r e 弘鹳删 i nd i 曙删∞，b yf l e l d w o r ka n dt h et h r e ey e a r so b s e r v a t i o n , p r o v i n gr e b u i l d i n gp r o j e c t sf i f ef e a s i b l e 。 D i s s m a t i o n p r o v i d i n gr e f e r e n c et oa n a l y s i so f s t a b i l i t ya n dr e b u i l d i n gp r o j e c t sa tL u V 堍m h 1 i n g Ⅲ e ao r c i t c u m j a c o n t a r e a 。 K e yw o r d s M o u n t a i ns l o p eS t a b i l i t yo f s l o p eA m l y s i so f s t a b i l i t y R e b u i l ds l o p e 压妻料技夫举 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名力娩同期∥7 - 芦c , L ．o 1 绪论 1 ．1 选题的背景及研究意义 l 绪论 我国是个多山的国家，山地、丘陵和比较崎岖的高原总面积约占国土面积的三5 1 “ 2 _ - 二，我 国的森林覆盖率只有1 3 ．9 2 * , 4 [ 1 1 0 同时，我国是地质灾害严重发生的国家，水土流失面积占国土 面积的5 1 ％，其中水力侵蚀面积1 8 2 ．6 x l 旷k m 2 0 ’2 1 全国约有5 1 0 4 余条具有一定规模的滑坡、 泥石流，威胁和危害着1 5 0 个县、3 6 条铁路、5 x 1 0 4 k m 公路、1 2 x 1 0 6 公顷土地、数十座矿山、 大批水利水库设施和江河航道。据不完全统计，我国目前不稳定边．燃有滑坡危险的潜在的 不稳定边坡占边坡总长度的1 5 ％- - 2 0 ％蒯i ，个别地区 特别是云、贵、川省份 甚至高达3 0 ％。 每年因滑坡灾害而死亡的人数约为5 0 0 入1 3 1 0 这样的地理条件必然给工农业生产带来巨大的 环境压力。这些边坡的存在将会进一步增加水土流失、滑坡、泥石流的发生强度，甚至造成局 部小气候的恶化及生物链的破坏等生态灾害m 。 不稳定的天然边坡和人工边坡，在岩土体重力、水及震动力以及其它因素作用下，常常发 生危害性的变形和破坏，导致交通中断，江河堵塞，塘库淤填，甚至酿成巨大灾害，如导致工 程溃决和村镇埋没等。1 9 6 9 年6 月，雅砻江上游唐古栋处发生崩滑体堵江事件，6 8 0 0 万m 3 岩 土滑入江中，形成高达1 7 5 m ～3 5 5 m 的天然堆石坝，堵江拦水6 ．8 亿m 3 。九昼夜后，溢流溃决， 下游水位陡涨4 0 余米。距出事地点约1 0 0 k m 与金沙江汇合 处，水位匕涨仍超过1 6 m5 ．6 1 ． 1 9 5 5 年雨季，陕西渭河左岸卧龙寺黄土塬边突然发生大型滑坡，将坡角附近陇海铁路的路轨向 南推出1 0 0 多米，交通中断，迫使改线5 ”。水电建设中，边坡失稳造成严重后果的，更是不 乏其例。湖南柘溪水库蓄水后1 0 天，位于坝址附近自U 震旦系板溪群细砂岩夹板岩的右岸山体突 然滑落，滑速达1 9 ．6 m ／s ，形成高达2 1 m 的水库浪涌，f f d l 办X - N ．下游的安全匹6 ] 。 可见，边坡的稳定性对工程建筑安全及长期稳定极为重要。但是，对稳定性考虑过分保守， 将人工边坡设计得过缓，或对其采取一J 些不必要的工程措施，又会造成工期延迟或人力、物力 的浪费。因此，正确评价边坡稳定性，是多、快、好、省地进行工程建设的需要。 1 2 2 本课题国、内外研究动态及发展趋势 边坡稳定性问题是岩体力学研究的重要内容之一。作为岩体力学的个重要组成部分，其 出现和发展与人类工程活动的迫切需要和有关学科的迅速发展紧密相关。岩体力学作为一门独 立的学科，其历史是较短的。在土力学已经积累了较丰富的实践经验和较成熟的基础理论，基 本形成工程力学的新分支以后，岩体力学才逐渐发展起来。 我国边坡研究是从2 0 世纪5 0 年代开始，2 0 世纪5 0 年代为边坡稳定性研究的起步阶段。 由于当时的科技发展水平，主要是应用传统的工程地质学和土力学理论，研究滑坡的成因与防 西安科技大学工程硕士学位论文 治措施，考虑岩质边坡的地质特性及构造效应很少，显然这种研究具有明显的局限性嘿9 】。 2 01 1 蚬6 0 年代为我国边坡稳定性研究工作的全面发展阶段。有代表性的工作是始于2 0 世 纪6 0 年初期，由中国科学院岩土力学研究所等单位进行的关于大冶铁矿的边坡稳定性研究，在 陈宗基教授的指导下，重视岩体的构造特性及其力学特性，进行了比较系统的岩体力学性质的 试验研究，包括大型现场试验及室内岩块试验、常规力学试验及流变力学试验，岩块力学试验 及结构面力学试验，动力学试验及静力学试验等既m 1 。此外，还进行了现场地应力测量、现场 变形监测、物理漠拟及数值计算等工作“刀。这在我国边坡稳定性研究方面都是前所未有的，对 我国岩质边坡的稳定性研究起到了示范和推动作用。 2 0 世纪7 0 年代在边坡稳定性研究方面有新的发现及理论突破。中国科学院地质研究所以 金川露天矿为典型的工程实例，对边坡的稳定性进行了长期、全面、系统及深入的研究，其特 点是在边坡稳定性研究方面，工程地质学及岩体力学等多学科间的相互渗透及密切结合，强调 地质是基础及地质构造的控制作用，产生了由中国科学院地质研究所刨立的岩体工程地质力学 的原理与方法“鄹。据此，并结合金川露天矿边坡的实践，建立了边坡稳定性评价的原理与方法， 不但得到普遍的承认，而且得到广泛的推广应用，对我国边坡稳定性研究的理论与实践来说均 是重大的贡献㈣。 2 0 世纪8 0 年代则是边坡稳定性研究深入发展与完善的阶段。其特点是建立了我国岩质边 坡变形破坏的典型地质模型 式 ，数值模拟方法的推广和C A D 技术的应用，此外还进行了边坡 稳定性可靠度分析。在工程实践方面则重视提高边坡角的挖潜及采用钻孔岩芯定向钻探技术 “”，这些对于边坡的稳定性评价都是非常有益的。 2 0 世纪9 0 年代以来，我国的边坡稳定性研究亦取得不少新进展，主要表现在研究、生产 与设计之间的密切结合，目在研究评价工作中都认识到工程地质工作或第性地质资料的重要 性，强调理论、方法、技术的一体化。在边坡稳定性评价方面则更强调多种分析评价方法的综 合评价。如如张卓元、黄润秋、秦四清等在国家自然科学基金、国家九五攻关项目等课题中 的研究成果”；谢和平院士、于广明教授提出了以分形理论为基础的非线性分析方法Ⅲ1 ；东北 大学芮永勤应用F l a e 方法和S a r m a 坡体稳定性分析方法模拟分析采动引起滑坡的主要人为和自 然的因素，寻求控制方法“们；邓科教授所作的边坡稳定性计算方法的适用条件及分析比较等璐] 。 回顾我国边坡稳定性研究的发展进程，可以看出，我国在边坡稳定性评价的理论研究及工 程实践方面均取得了丰硕的成果，且其研究工作经历了由表及里、由浅入深、由经验到理论、 由定性到定量、由单评价到综合评价、由传统理论方法到新理论、新技术应用的发展过程， 经过了由发展到逐步完善的过程。边坡稳定性评价的原理与方法已形成比较完善的体系，在工 程实践中得到普遍的推广应用。 综观国际边坡稳定性分析发展过程，大致经历了三个阶段。 岩体力学发展初期，在研究岩体力学问题时，基本匕采用了以材料力学和简单的均质弹性 理论为基础的土力学的原理和方法。土质边坡稳定性的计算分析方法被应用于岩质边坡的稳定 2 l 绪论 性问题的研究。在这个时期，边坡稳定性的计算分析方法，其半经验半理论性质及假定滑动面 具有某一固定位置和形状为其显著特点。如1 7 7 3 年的库仑 C o l Ⅱ鲫b 理论和1 8 6 6 年库尔曼 C l l h 瑚n 的平正滑动面的分析方法，1 9 2 2 年瑞典国家委员会发表的并在以后为费勒纽芳 F e l l c n i u s 和太沙基f R i 盈g I l i 等人发展了的近似圆弧滑动面的分析方法，1 9 2 6 年费勒纽斯的以 同时考虑摩擦力和凝聚力及边坡岩体条分为基本内容的著名的瑞典圆弧稳定分析法，以及有费 勒纽斯和泰勒 T a y l o r 等人的摩擦圆法为代表的图表解析法等等，均为当时世界各国所普遍采 用。在这个阶段，有少数人开展了一些岩石力学工作，如海姆 H e i m , 1 8 7 8 、旌拉夫尔 S c h r a f l , 1 9 2 0 、芬纳①黜1 ％1 9 3 8 ，等，从各方面为岩石力学积累了一定的实践经验和理论资料。 岩石力学在二十世纪四十年代开始进入重要的发展阶段。由于二战后世界各国水利、交通 和建筑等工程的大量兴建，以及采矿事业的迅速发展，提出了大量的岩石力学研究课题，人们 普遍认识到系统开展岩石力学研究的重要性。这个阶段，是以均质体弹塑性理论和极限平衡理 论的普遍应用，均质体光弹实验和模拟材料模型实验的开展，以及室内小块岩石的物理力学试 验大量进行为其主要特点。1 9 5 4 年索柯洛夫斯基根据松散介质极限平衡理论提出的边坡稳定性 的数学计算方法，在岩质边坡稳定性问题的研究中得到较多的应用。而法国的塔罗布尔于1 9 5 7 。 1 9 5 8 年先后编著的岩体力学和岩石力学在土木工程中的应用两书的正式出版，进步 促使世界各国认识到岩体力学研究的重要性以及对岩质边坡稳定性问题研究的迫切要求。 自二十世纪六十年代以来，岩体力学进入了全面、深入的崭新发展阶段。岩质边坡稳定性 问题的研究基础理论和方法途径等均有较大发展。在岩质边坡稳定性的计算分析方面，基本沿 着两种途径进行。种是以极限平衡理论为基础，考虑岩体中断裂结构面控制因素，利用图解 法或数学计算分析法，最后求得‘‘安全系数谫瀵H 以‘‘安全系数’的概念来进行岩质边坡稳定性的 定量评价。另一种途径是以有限单元法近似地分析边坡岩体的变形特征和应力状态。 现阶段在工程岩体力学领域的研究成果及新的研究方向主要表现在 1 将岩体视为松散体，并运用连续介质力学进行理论分析的土力学方法。其代表作有太 沙基∞T e 胁g I l i ，1 9 2 5 著的土力学等，在工程实践中被广泛匣用于分析均质松软岩土中的边 坡滑坡、挡土墙及浅埋洞室支架的顶压及侧压等问题。 2 将岩体视为均质、连续的弹塑性体，并应用连续介质力学进行理论分析的土力学方法。 其代表作有法国的塔罗勃 J ．T a l o b 犯, 1 9 5 7 的岩石力学、卡斯特纳 } L k 瞎虹瓯1 9 7 1 的隧道与 坑道静力学，以及我国于燃 1 9 6 0 的轴变论等，在工程实践中被广泛用于分析均质、 坚固岩体边坡及洞室地压问题。 3 将岩体视为被结构面分害的非连续体，注重工程地质调查和获取岩体力学性质的原位 测试，并运用刚体力学原理进行块体极限平衡分析的工程地质力学方法。代表作有德国的缪勒 L ．M u l l e r , 1 9 7 1 主编的岩石力学及我国的谷德振、z F , 啾1 9 7 2 著的岩体工程地质力学 的原理与方法等。在工程实践中被广泛应用于分析露天边坡、以及分析被断层或结构面明显 分割的岩块稳定问题。 3 西安科技大学工程硕士学位论文 4 将岩体视为被大大小小的裂隙或弱面分割开来的损伤体，运用损伤体力学方法进行分 析研究。 综匕所述，不难发现，目前边坡稳定性研究已有了相当的水平与规模。边坡作为个系统 工程，其发展过程可以表述为5 个阶段即借助于古典土力学的稳定性分析阶段、2 0 世纪5 0 年 代偏重于稳定性描述与分析的地质历史分析阶段、2 0 世纪6 0 年代考虑时效过程的稳定性分析 阶段、2 0 世纪8 0 年代后期以数值模拟、模型试验为主的半定量分析阶段和2 0 世纪9 0 年代以 后的现代边坡工程学阶段咖。 1 ．3 研究内容及思路 1 ．3 ．1 研究内容和思路 1 确定岩体的力学指标。通过对魏坪山体边坡进行实地勘察，结合四川煤田地质局 1 3 7 队提供的地质资料，确定边坡的岩层产状、岩性、厚度等参数，实测边坡的坡角、边坡高 度等，绘制边坡的倾向剖面图。重点是分析并确定弱面 滑动面 和软弱夹层以及节理的位置 及分布情况。 进行区域稳定性分析，弄清是否有构造活动，是否有大面积规律分布的岩崩、滑坡、粘土 塑流和地面不均匀沉降等，从而判断有无结构面控制。 通过实验室试验，获得不同岩性岩体在自然状态和水饱和状态下的容重、单轴抗压强度、 内聚力、摩擦角等物理力学参数。 2 建立力学模型。根据该边坡的弱面、结构面及岩体力学指标等实际情况，建立力学模 型。 3 进行数值分析并根据结果确定边坡是否稳定。研究各种边坡稳定性分析方法，找出适 合该边坡分析的数值计算方法。选择个有代表性的主断面作为分析断面，并确定该断面上各 种计算参数，进行边坡稳定性分析计算，得出该边坡是否稳定的结论。 4 确定治理方案。如果数值分析结果表明该边坡为不稳定边坡，提出治理方案。 1 ．3 ．2 拟解决的关键问题 1 力学模型的建立。根据主断面上软弱夹层、结构面、岩层岩性等指标，建立合适的力 学研究模型，是本课题把现场问题与理论研究结合起来的关键。 2 指标、参数的确定。结合现场勘测、试验等手段，得到稳定性分析计算所需参数，是 研究的重点。指标、参数是否与该边坡实际情况相吻合，关系到分析结果的真实性。 4 2 魏一坪边坡失稳及可能灾害分析 2 魏一坪边坡失稳及可能灾害分析 2 ．1 魏坪边坡的概况 达州市炉坪煤矿魏坪山体边坡位于炉坪煤矿工业场地北 北偏东l 旷 侧。该边坡属山区 高陡’边b 矬电形，与其相邻的堆煤场山体曾在1 9 8 2 年发生过滑坡，险些摧毁堆燥场地。魏坪山 体边坡正下方是炉坪煤矿洗选厂 能力为年洗精煤6 0 万吨 的生产和生活区。如果该边坡滑下， 将对3 0 0 余名职工的生命造成威胁，同时也将摧毁整个洗选厂，给国家带来近4 0 0 0 余万元的经 济损失。2 0 0 3 年9 月5 日，达州市遭遇了“百年i 雪’的大洪灾，炉坪矿区也普降暴雨，正是这 场暴雨，使该边坡坡顶出现了近l O O n n n 的张裂隙，因而，必须对此边坡进行稳定性分析，并 在分析的基础匕提出切实可行的综合治理方案，防患于未然。 炉坪噪旷位于峨层山背矧顷伏处，为一浸蚀剥蚀山地，属低山～中山地形。本地属亚热带 气候，雨量充沛，年平均降水量为l l O O m m ，据区域地震资料显示，该地区地震基本烈度为6 度。由于处在大巴山“歹，’字型的地质构造之中，故该地区断层、褶皱相当发育。 魏坪山体边坡的坡度为3 7 “ ～6 Z 。，呈下缓上陡状；高差在2 0 m ～3 5 m 之间，海拔在4 2 0 ～ 4 7 5 m ，走向长l l O m 。出露的地层岩性主要为侏罗系下统自流井组的第四段 J I ．2 矛 ，即大安寨 段，以及自流井组的第五段 J 1 - 2 君 ，即凉高山段。其底部为近5 m 厚的灰色介壳石灰岩，上覆 泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩，再依次向上为灰、深灰、紫红色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细粒 砂岩、紫红色泥岩、粘土。地层走向为2 5 5 9 ，倾角平均为4 5 9 ，无明显的断层。魏一坪山体边坡 断面见图2 ．1 。 F 可 耕耻岩 社履泥岩 l 疽i 匹 图2 l 魏坪山体边坡主断面图 5 西安科技大学工程硕士学位论文 2 , 2 边坡应力分布特征 边坡的变形与破坏，取决于坡体中的应力分布和岩土体的强度。搞清坡体中应力分布特征， 对认识边坡变形与破坏机带4 } 艮有必要，对正确评价边坡稳定，制定切实可行的治理方案有指导 意义。但是，由于边坡通常是非均质、各向异性的介质，坡形也千差万别，边坡在变形与破坏 过程中又不断地改变其应力状态，因此，应力分布特别复杂。 边坡形成后，其应力分布主要受原始应力状态、坡形、岩土体结构特征的影响。 边坡应力特征首先取决于未被开挖前岩土体的原始应力状态，任何边坡无不处于一定历史 条件下的地应力环境中，特别是新的构造运动强烈地区，往往存在较大的水平构造残余应力。 因而这些地区边坡岩体的临空面附近常常形成应力集中，这在坡脚、坡面及坡顶张力带表现得 最明显。水平构造残余应力愈大，其影响愈大。 坡面几何状态是影响坡体应力分布的主要因素。反映坡面几何状态的主要要素是坡角。坡 角增加时，坡顶及坡面张力带的范围扩大，坡脚应力集中带的最大剪应力也随之增高。 边坡变形与破坏的首要条件，在于坡体中存在着各种形式的结构面，其影响尤以岩质边坡 为主。它主要表现为由于岩土体的不均一、不连续性，使其沿结构面周边出现应力集中或应力 阻；带觋象，因此，它构成了边坡变形与破坏的控制性条件，从而产生不同性质的边坡变形与破 坏的机制。 总结边坡应力分布，有以下一些特点 1 坡面附近的最大主应力与坡面近于平行，其最小主应力与坡面近于正交，坡体下部出 现近乎水平方向的剪应力，且总趋势是由内向外增强，愈近坡脚愈强，向坡体内逐渐恢复到原 始应力。 ． t 2 坡体中产生应力集中现象。坡脚附近形成明显的应力集中带，坡角愈陡，集中愈明显， 坡脚应力集中带的主要特点是最大主应力与最小主应力的应力差达到最大值，出现最大剪应力 集中，形成最大剪应力增高带。 3 坡面的岩土体由于侧向压力近于零，实际上变为两向受力状态，而向坡体内部逐步形 成三向受力状态。 4 坡面与坡顶的某些部位，由于水平应力明显降低可能出现拉应力，形成张力带。 魏坪边坡的应力主要是原始应力，由于有石灰岩、泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩不同岩性 岩层的存在，使其岩体不均一、不连续，沿泥岩、砂质泥岩互层面出现应力阻滞现象，在坡脚 形成剪应力集中带，在坡顶形成张力带，出现张裂隙。 2 ．3 边坡变形与破坏的方式 边坡稳定性分析，在于阐明工程地段天然边坡是否可能产生危害性的变形和破坏，论证其 变形与破坏的形式、方向和规模，设计稳定而又经济合理的人工边坡，或以维护并加大其稳定 6 2 魏一坪边坡失稳及可能灾害分析 性而采取经济合理的工程措施，以保证边坡在工程运用期间不致发生危害性交形与破坏。 2 ．3 ．1 边坡变形 边坡变形以坡体未出现贯通性的破坏面为特点，其方式主要有两种松动、蠕动。 1 松动边坡形成初始阶段，坡体表部往往出现一系列与坡向近于平行的陡倾角张开裂 隙，被这种裂隙切割的岩体便向临空方向松开、移动，它是种边坡卸荷回弹的过程和现象。 存在于坡体的这种松动裂隙，可以是应力重分布中产生的，大多数是沿原有的陡倾角裂隙发育 而成。它仅有张开而无明显的相对滑动，张开程度及分布密度由坡面向深处而渐小，当保证岩 体应力不再增加和结构强度不再降低的条件下，边坡变形不会剧烈发展，坡体稳定不致破坏。 边坡常有备懒裂隙，实践中把发育有松动裂隙的岩体部位，称为边坡卸荷带。边坡松动使 坡体强度降低，又使各种营力因素更易深入坡体，加大坡体内各种营力因素的活跃程度，它是 边坡变形与破坏的初始表现。 2 蠕动边坡岩土体在以自重应力为主的坡体应力长期作用下，向I l 缶空方向的缓慢而持 续的变形。蠕动的形成机制为岩土的粒间滑动，或沿岩石裂纹微错，或由岩体中一系列裂隙扩 展所致。它是在应力长期作用下，岩土体内部种缓慢的调整性变形，实际上是趋于破坏的一 个演变过程。当坡体中由自重应力引起的剪应力与岩土体长期抗剪强度相比很低时，边坡只能 减速蠕动，当应力值接近或超过岩土体长期抗剪强度时，边坡才能加速蠕动。边坡最终破坏时， 必然要经过此过程。 2 ．3 ．2 边坡破坏 边坡破坏是指边坡中出现了与外界连续贯通的裂坏面，被分割的坡体以一定加速度滑移或 崩落，脱离母体。其主要破坏方式有崩塌、滑坡、滑塌。 1 崩塌边坡前缘的部分岩体，被陡倾结构面分割，并以突然的方式脱离母体，翻滚而下， 最后堆积于坡脚。它主要发生在6 矿‘以上的陡坡前缘处、高陡边坡、陡倾裂隙，或由边坡前缘 的裂隙卸荷发展而来，或由于基座蠕动造成的边坡解体形成。这些裂隙在表层蠕动作用下，进 步加深、裂宽，并促使坡脚主应力增强，或坡体蠕动进步加剧，下部支撑力减弱，引起崩 塌。形成的岩堆给其后侧坡脚以侧向压力，再次发生崩塌的突破处上移，所以，崩塌具有使边 坡逐渐后退、规模逐渐变小的趋势。其影响主要是自然营力，如风化、地表水冲刷、空隙水压 力、地震或爆破震动等，它们可使破裂面的发展加剧。 2 滑坡边坡岩土体沿着连续贯通的破坏面向下滑动的过程和现象，主要是由于连续贯通 的破坏面推滑力超过抗滑力所致。滑坡有其明显的边界和地形特征，滑坡地区常形成种特殊 的滑坡地形，即在较平整的坡面上出现低于周围原始坡面的环谷状洼地，后缘顶部有圈椅状陡 崖的滑坡后壁，洼地中往往坡状起伏，裂隙、错台等普遍分布，前部则有稍为隆起，且缓坡向 前延f 申的滑坡舌。它可使河流阶地变位，阶面突陷、错断，甚至将河流推弯曲、逼向对岸。滑 7 西安科技大学工程硕士学位论文 坡体的两侧常形成冲沟，它们呈现“双沟同源”现象。此外，滑坡体匕还会出现醉汉林、马刀 树，常有地下水大片出露而成为沼泽、池塘⋯。 有关滑坡的各部分结构和形态简介如下 滑床面滑床面一般较光滑，有时可见到擦痕，犹如断层面。滑床面上土石破坏比较强烈， 发生片理化和糜棱化现象，其厚度较大时可形成为滑动带。 滑坡体依附于滑床面下滑的那部分坡体。它常可保持岩土体的原始结构，内部相对位置基 本不变。 滑坡床滑床面下伏未动的岩土体。它完全保持原有的结构，但在滑动周界处可出现不同性 质的裂隙。 滑坡台地滑坡体因各段下滑的速度和幅度不同而形成些错台，出现数个陡坎和高程不同 的平缓台面。 滑坡舌滑坡体前缘伸出部分，常呈舌状。其根部隆起部分称为滑坡鼓丘。 滑坡裂隙滑坡体在滑动过程中各部位受力性质和移动速度不同，受力也为均，则产生不同 力学属性的裂隙系统。一般可将裂隙分为拉张裂隙、羽状剪切裂隙、鼓张裂隙和扇形张裂隙等。 滑床面形成机制有三种情况 1 滑床面的形成不受已有结构面的控制 均质完整坡体或虽已有结构面尚不成为滑动控制面的坡体中，滑床面的形成主要受控于最 大剪应力面。但在坡顶它与张性破裂面重合，所以滑床面实际上与最大剪应力面有一定的偏离， 其纵断面线近似于对数螺旋线。为研究方便，常把滑床面近似地视为圆弧。这个滑床面多出现 在土质、半岩质或强风化的岩质坡体中，均由表面蠕动发展而来。 2 滑床面的形成受已有结构面控制 坡体中已存在的结构面强度较低，而又能构成一些有利于滑动的组合形式时，它将代替最 大剪应力面，而成为滑动控制面。岩质边坡的破坏大都沿着边坡内已有的软弱结构面而发生、 发展，自然营力因素的影响也常常通过这种面而发生作用。单一的、成鲴互相平行的结构面 构成的滑床面，包括由此结构面直通坡顶，或者被另组陡立结构面切断，或者在后缘与切成 的弧形面相联的几种类型。实践表明，倾向临空方向的结构面，倾角在l o 口左右，便有产生滑动 的可能，1 5 “ ～4 0 。范围内滑动最多见。两组以上的结构面构成的滑床面，其空间形态各式各样， 但滑床面的纵剖面线，可归纳为直线型、折线型和锯齿型，应该说明，多组结构面构成的锯齿 型滑床面，在每一转折处都可以出现切角与次级剪面的蠕动过程。但随着结构面加密，岩体 整体性发生变化，这种结构面对滑床面的控制作用已不明显，滑床面的总轮廓又转化为弧形。 3 滑床面的形成受软弱基座的控制 受软弱基座控制的滑床面是由软弱基座的蠕动发展而来的。它可以分为两部分软弱基座中 的滑面般受最大剪应力面控制；而上覆岩体中滑面受断陷或解体裂隙或结构面控制。当上覆 岩体已被分割解体，而丧失强度，滑动主要受软弱基座控制，通常这种滑坡滑动较缓慢。当上 8 2 魏一坪边坡失稳及可能灾害分析 覆岩体中裂隙仍具有较大强度时，一旦滑动，通常为突发而迅猛的崩滑，它常见于软弱基座层 很薄的条件下。河谷侵蚀或挖方，可使软弱基座被揭露，易造成基座蠕动挤出。变形初期往往 出现一系列小的局部滑面，很少被注意，变形后期，局部滑面逐渐联成连续滑床面，产生缓 慢滑动；一定条件下，也可沿该滑床面产生急剧滑动。 4 滑塌边坡松散岩土的坡角大于它的内摩擦角时，因表层蠕动进步发展，使它沿着 剪变带顺坡滑移、滚动与坐塌的方式。 从边坡变形与破坏方式分析，魏坪边坡存在松动变形，2 0 0 3 年9 月7 日，其坡面有松动 岩块滚下；从坡项存在的张裂隙和组成该边坡岩体的岩层分析，如果此该边坡要破坏，其破坏 方式多为滑坡，且滑床面受泥岩、砂质泥岩互层弱面的控制。 2 ．4 滑坡分类 根据滑坡的物质组成、形成原因及滑动形式等，, - I Y J - 为下列类型 1 按滑坡组成滑体的物质分类，如表2 ．1 所示。 2 按滑坡主滑面成因分类①堆积面滑坡②层面滑坡；③构造面滑坡；④同生面滑 坡。 3 按滑坡规模大小分类①小型滑坡 v 3 0 0 万m 3 。 4 按引起滑坡的受力状态分类①牵引式滑坡②推动式滑坡。 5 按椅坡体形成的年代分类①翥静骨坡；②老滑坡体的复活。 魏坪山体边坡如果滑坡，按组成滑体的物质分类为岩体滑坡，按滑坡体形成的年代分类 为新滑坡，按滑坡主滑面成因分类为层面滑坡，按滑坡规模大小分类为小型滑坡，按引起滑坡 的受力状态分类为推动式滑坡。 9 西安科技大学工程硕士学位论文 表z 1 滑坡组成j 制奉的物质分类 l O 3 边坡稳定性分析方法 3 边坡稳定性分析方法 3 ．1 定性分析方法 定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏 方式及失稳的力学机制等的分析，对已变形地质体的成因及其演化史进行分析，从而给出被评 价边坡个稳定性状况及其可能发展趋势的定性的说明和解释。其优点是能综合考虑影响边坡 稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势做出评价。常用的方法主要有以下 几种。 3 ．1 ．1 自然 成因 历史分析法 该方法主要根据边坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象及其基本规律 和稳定性影响因素等的分4 0 i ，追翘腿瑚日寅变的全过程，对边坡稳定性的总／e t O o t 况、趋势和区域 性特征做出W o t 和预测，对已发生滑坡的边坡，判断其能否复活或转化H ”1 。它主要用于自然 边坡的稳定性评价，因其评价是定性评价，故评价结果与实际有较大差距。 3 ．1 ．2 工程类比法 该方法实质上就是利用已有的自然边坡或人工边坡的稳定性状况及其影响因素、有关设计 等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究边坡的稳定性分析和设计中去的种h - f 去。 它需要对已有的边坡和目前的研究对缘进行广泛的调查分析，全面研究工程地质因素等的相似 性和差异性，分析影响边坡变形破坏的各主导因素及发展阶段的相似性和差异性，分析它们可 能的变形破坏机制、方式等的相似性和差异性，兼顾工程的等级、类别等的特殊要求。i 恿过这 些分析，来类比分析和判断研究对象的稳定性状况、发展趋势、加固处理设计等。在工程实践 中，既可以进行自然边坡问的类比，也可以进行人工边坡之间的类比，还可以在自然边坡和人 工边坡之间进行类比。因而，可以说它是目自豇应用最广泛的种边坡稳定性分析方法，此方法 仅能对边坡进行初略评价。 3 ．1 ．3 图解法 图解法可以分为诺模图法和赤平投影图法。 1 诺模图法该法就是利用一定的诺模图或关系曲线来表征与边坡稳定有关参数间的关 系，并由此求出边坡稳定安全系数，或根据要求的安全系数及些参数来反分析其它参数 a ， c ，结构面倾角，坡角，坡高等 的方法。它实际上是数理分析方法的种简化方法，如T a y l o r 图解等。它目前主要用于土质或全强风化的具弧形破坏面的边坡稳定性分析。 西安科技大学工程硕士学住论文 2 投影图法该法就是利用赤平极射投影的原理，通过作图来直观地表示出边坡变形破 坏的边界条件，分析不连续面的组合关系，可能失稳岩土体形态及其滑动方向等，进而评价边 坡的稳定性，并为力学计算提供信息。常用的有赤平极射投影图法、实体比例投影图法、 M a r k l a n d J J 投影图法等。它目前主要用于岩质边坡岩体的稳定性分析。 虽然定性分析法具有能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素、快速地对边坡的稳定状况及 其发展趋势做出评价，但其评价比毁湘糙，安全可靠度低。 3 ．2 定量分析方法 3 ．2 ．1 刚体极限平衡分析法 极限平衡法是根据边坡匕的滑体分块的力学平衡原理 E l i 静力平衡原理 分析边坡各种破 坏模式下的受力状态，以及边坡滑体上的抗滑力和下滑力之『自J 的关系粕乎钔盘坡的稳定性。极 限平衡法是边坡稳定性分析计算的主要方法，也是工程实践中应用最多的种方法。 在工程实践中，主要是恨据边坡破坏滑动面的形态来选择极限平衡法。如平面破坏滑动的 边坡，可以选择平面破坏计算法来计算；圆弧形破坏的滑坡可以选择F d l c n i 珊法和B i s h D p 法来 计算；复合破坏滑动面的滑坡可以采用J a n b u 法、M o r g c n s m m - P r i c c 法、S p e n c e r 法来计算；对 于折线形破坏滑动面的滑坡可以采用传递系数法、J a n l m 法等来分析计算；对于契形四面体岩 石可以采用契形体法来计算，对于受岩体控制而产生的结构复杂的岩体滑坡可选择S m - m a 法等 方法来计算，此外还可采用H o v l a n d 法和L c s h c t l i l l s k y 法等对滑坡进行三维极限平衡分析。 在极限平衡法的各种方法中，尽管每种分析方法都有它适用范围及假定条件，且得出的计 算公式所涉及的因素各不相同，但将他们都归结为极限平衡法，其大I ；i 『提是相同的，所有的极 限平衡法都有3 个前提，即 ’ 前提1 滑动面上实际岩土提供的抗剪强度s 与作用在滑动面上的垂直应力R 存在如下关系 J c 6 切皿妒或J c ’ 占一” m n 妒’ 3 ．I 式中c ，∥分别为滑动面的粘结力和有效粘结力 妒，∥分别为滑动面的内摩擦角和有效内摩擦角 万滑动面上的有效应力 甜为滑动面孔隙水压 前提2 稳定系数F 安全系数 的定义为沿最危险破坏面作用的最大抗滑力 或力矩 与下滑 力 勤矩 的比值。即 ， 糕 3 ．2 ‘下滑力 ⋯7 前提3 二缎平面 极限分析的基本单元是单位宽度的分块滑体。 1 土质边坡的圆弧法 3 边坡稳定性分析方法 根据大量的边坡失稳分析、调查、检测证明粘性土质边坡的滑动面近似于圆弧形，非粘性 土质边坡近似于直线或折线。 圆弧滑动法将圆弧滑动面以内的土体作为脱离体，以圆心O 作为力矩中心。当圆弧范围内 的土体底部滑裂面上的滑动力绕0 点的滑动力矩M s 大于滑裂面上的阻滑力矩M r 时，边坡便 失稳。该边