裂隙岩体边坡稳定性分析方法.pdf

第 2 7卷第 3 期 2 0 0 4年 9月 东华理工学院学报 J 0URNAL OF EAS T CHI NA I NS T I TUT E OF T EC HNOL OGY V0 L2 7 No ． 3 S e D ． 2 0 o 4 裂隙岩体边坡稳定性分析方法 刘建东 2 邵长云3 陈征宙 邓立立 1 ． 南京大学地球科学系， 江苏 南京2 1 0 0 9 3 ； 2 ． 南京地质2 12 程勘察院， 江苏 南京2 1 0 0 0 0 ； 3 ． 浙江省电力设计院， 浙江 杭州3 1 0 0 1 4 摘要 岩石边坡 ， 尤其是裂隙岩体边坡稳定性分析应考虑岩体 中结构 面的产状、 性质和发育程度。对随机发育的岩体结 构 面， 赤平极射投影是确定优势结构面及分析边坡潜在破坏模式的基础。以某电厂高1 0 0 r n以上岩石高边坡为例 。 介绍 了 采用赤平投影图解法及极限平衡法， 进行岩体边坡稳定性分析的方法。 关键词 岩石边坡 ； 裂隙； 岩体； 优 势结构面； 破坏模式； 稳定性分析 中图分类号 T U 4 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0- 2 2 5 1 2 0 0 4 0 3- 2 5 5 0 5 岩体是地质过程 中形成 的岩块和结构面网络 组成的裂隙体 。岩体不同于均质各向同性体， 一般 岩体均是非均质、 各 向异性的， 它的强度、 变形受分 布裂隙的控制 ， 其力学性质在很大程度上依赖于裂 隙的力学特性、 几何 特性及分布规律 H o e k e t a l ， 1 9 9 3 。 在山区工程建设中， 作为各种建筑物的建设场 地和地基所处的地质环境 ， 绝大部分是岩体环境。 岩石边坡更是屡见不鲜 ， 特别是随着水 电、 交通等 部门的发展 ， 超高度的人工岩体边坡是设计技术人 员经常碰到的问题。由于岩石边坡失稳破坏造成 的灾难不胜枚举。究其原因， 基本上都是因为岩土 工程和工程地质工作者 只用岩石本身强度评定工 程的稳定问题 ， 忽视岩体 中发育的结构面的影响， 而恰恰就是岩体中的裂隙造成了岩坡破坏。 研究表明 ， 岩体中均会有隐伏或明显的不连续 结构面 ， 表现为节理 、 层理、 片理、 不整合面、 劈理、 断层及原生的和次生的节理裂隙等。它们是在地 质发展历史中岩体内形成的， 具有一定的方 向性和 延展性 ， 而其产状 、 长度和间距又有随机性。 在人工岩体边坡的设计中， 必须将与不连续面 和岩石两者有关的强度参数结合起来。对坚硬岩 石而言 ， 人工边坡坡形 的确定 ， 必须从岩体中结构 面的倾斜产状与发育程度的统计分析出发。 收稿日期 2 0 0 3 -0 5 - 2 8 作者简介 刘建东 1 9 6 5 一 ， 男， 高级工程师， 从事环境岩土工程研究。 1 结构面的随机特性及对岩坡稳定性影 响 的图解分析法 多裂隙岩体是一种地质工程介质 ， 由于大量结 构面的存在 ， 使其工程地质条件十分复杂 徐靖南 等， 1 9 9 3 。 岩体中发育有大量不同成 因类 型的地质结构 面。不同产状 、 不同规模 、 不同类型的结构面 ， 其对 岩体稳定性的贡献和在岩体稳定分析 中所充当的 “ 角色” 是不同的。在岩体稳定性边界条件分析 中， 缓倾角的滑面往往是控制稳定性 的最危险的结构 面 张勤等 ， 2 0 0 1 。只有在大量地质调查 的基础 上 ， 进行系统的工程地质分析 结构面理论 、 优势面 理论等 ， 即可定性地确定可能性滑动面。 岩坡失稳破坏与结构面产状关 系非常密切 ， 因 此结构面与坡面的空间位置分析极为重要 。但在 实际工作中， 岩体上的结构面规模 ， 数量 ， 产状变化 很大 ， 离散明显， 具 随机性 的特点。需对实际结构 面进行大量的测量、 统计才能分析出其结构 面的优 势数量及产状。 赤平极射投影是最有效 的方法之一。其原理 是把统计测量的节理、 裂隙资料， 按其法线产状投 影到等积网上 投影 网经线为倾 向方 向， 倾角外围 为 0 。 ， 向中心逐渐增大 ， 圆点为 9 O 。 制成极点 图， 然后用密度计测出等积网上各点 的极点密度。最 后用插入法绘 出节理密度百分 比等值线 图。从而 维普资讯 东华理工学院学报 2 0 0 4年 根据极密点的位置求出优势结构面的统计产状。 在赤平投影图上 ， 根据边坡产状及可能滑移面 的综合摩擦角 ， 绘制出坡面大圆与摩擦圆。这时边 坡滑移条件应该是 ， 滑移面或两滑移面组合交线的 倾角应缓于坡面倾角， 但较综合磨擦角大。在赤平 投影图中， 坡面大圆与磨擦圆之间的阴影部分为可 能的滑动区 危险区 。 将统计出的优势结构面标于含有坡 面大 圆与 磨擦圆的赤平投影图上 ， 根据结构面是否在危 险区 内及其倾 向， 可推断该结构 面对岩体稳定性的影 响。两结构面组合能否形成楔形体主要看两者交 线是否落在危险区内。位于区内可能滑动 ， 区外则 安全。如若两结构面的倾向跟坡面倾向基本一致 不一定在危险区内 ， 但倾角一个大于、 一个小于 坡面倾角， 则有可能发生折线滑动。 优势结构面与边坡破坏模式对应 的图解见图 l。 a b C 图 1 边坡破坏模式赤平投影解析图 F i g ． 1 T h e s t e r e o g r a p h i c p r o j e c t i o n m a p o f s l o p e d e s t r o y p a t t e r n a ． 平面滑动； b ． 楔形滑动； c ． 折线滑动； 1 ． 结构面极点优势中心； 2 ． 对应于优势 中心的结构面 ； 3 ． 边坡坡面线 ； 4 ． 摩擦图 2 岩坡稳定性评价 的计算方法 岩体边坡破坏绝大部分为滑动破坏。因此 ， 按 滑动面的形 态与组合， 将岩体边坡破坏类型划分 为 平面滑动、 楔形滑动、 折线滑动。评定岩体稳定 性通常采用安全系数法 蔡美峰等 ， 2 0 0 2 。 2 ． 1 平面滑动计算公式 √1 c o s t g c √1 s i n 其中， 一滑块重 ； 水平地震影响系数； 滑面倾角 ； ￡ 一滑块长度 ； 2 ． 2 楔形滑动计算公式 R t g R口 t g 6 C 口 S √l硝 s i n 其中， ， 结构面A， B的正压力； S ， S 口 结构面 A， B的面积； 滑块重量 ； K 水平地震影响系数； 组合交线倾角。 图 2平面滑动示意图 Fi g． 2 Sk e t c h ma p o f p l an ar g l i de 2 ． 3 折线滑动计算公式 普 [ 2 q c o s 2 o “ s i n fl 一 ] s i n a P g’ H’ s i n a一 其中， q， 竹 滑动面上的粘聚力和摩擦角； 受拉面抗拉强度。 3 实例 3 ． 1 工程的地质条件 某拟建电厂需挖山形成高 1 0 0 m以上、 长 8 0 0 m左右的岩石高边坡 邓立立 ， 2 o o 3 。场区位于东 南沿海 ， 属亚热带气候区， 温暖湿润 ， 降水丰富。地 维普资讯 第 3期 刘建东等 裂隙岩体边坡稳定性分析方法 2 5 7 貌属侵蚀剥蚀丘陵， 毗邻厂址最高程为2 1 2 ． 7 m， 相 对高差 2 1 0 m， 拟开挖边坡位于 N E向丘陵 ， 山脊东 R A 高西低 ， 坡角 2 5 。 ～ 4 O 。 ， 局部达4 5 。 ， 总体北坡缓， 南 坡略陡。边坡走向与山脊走向基本一致， 主体 2 O 。 。 b 图 3 楔形滑动示意图 F i g． 3 Sk e t c h ma p o f wed g e- s h a p e d gli d e a ． 含组合交线的铅垂剖面 ； b ． 垂直组合交线的剖面 图 4折 线滑 动 示意 图 F i g． 4 Sk e t c h map o f f o l d ed - l i n e g l i d e 工程地质岩组较为单一 ， 主体为侏罗系高坞组 J 3 g 灰、 深灰、 灰紫色块状英安质晶屑熔结凝灰岩 为主， 其次为流纹质玻屑熔结凝灰岩。为强度较高 的坚硬岩石。其物理力学参数为 2 6 k N ／ m ， C 1 0～ 9 0 k P a ， 3 0 。 ～ 3 5 。 ， 单轴抗压强度平均 6 O M P a ， 软化系数 0 ． 8 。全 风化层变化较大 ， 一般缺 失， 局部达数米 ， 强风化层在 5 m之内。 岩体主体为块状结构 ， 局部节理发育地段呈碎 裂结构， 偶尔在节理密集带可见到碎裂散体结构。 结构面主要为原生节理为主。结构面性质大 多为平直无充填物， 少量结构面波状起伏， 也有一 些泥质充填 ， 偶见粗糙 、 蚀变、 隙宽大都在 0～ 5 m m 之间， 极少见大于 1 0 m m， 结构面属硬性结构面 ， 结 一合程度属 于差。经统计 ， 结构 面长 1 0 m 以上 占 7 ％， 6～1 0 m 占 2 O ％， 3～ 5 m 占 3 8 ％ ， 3 m 占 3 5 ％ 。 较近的斜坡破坏多为人工采石 ， 筑路形成较陡 的边坡 ， 岩石的结构面向临空面滑移。破坏类型主 要是平面滑动和楔形滑动引起， 偶见 由于人工边坡 过陡引起的崩塌。 场区地震基本烈度为Ⅵ度， 边坡评价计算中取 水平地震影响系数 0 ． 0 5 。考虑到这是一个永久性 的超高边坡 ， 地质条件也不是很好， 取整体安全系 数 1 ． 5 。 3 ． 2 结构面统计结果 笔者在场区内， 即工程边坡周围露头选择了 5 个典型地段， 对岩体结构面产状进行 了统计。由西 向南 1 统计 窗位于工程边坡西端外采石场 ， 2 窗 位于边坡西部， 3 窗位 于边坡中西部 ， 4 窗位于 山 坡突出山嘴的公路旁 ， 5 窗位于边坡东侧外隧道顶 部。其 中有代表性的 3 窗优势结构面极点等密图 见图5 。可以看出该处共有 8个等密中心， 其 中心 结构 面的产 状从 多到少 依次 为① 3 4 0 。 L8 9 。 ； ② 1 9 1 。L7 9 。 ； ③ 1 1 0 。／_ 6 0 。 ； ④ 2 7 0 。 1 0 。 ； ⑤ 4 0 。 L2 0 。 ； 3 3 0 。 LT O 。 ； ⑦5 。 L 4 0 。 ； ③7 O 。 L7 9 。 。从 图 中可看出此处存在同倾的缓倾结构面。 图 5 3 。 窗等密图 赤平投影 F i g ． 5 Eq u al d e n s it y ma p o f 3。wi n d o w s t e r e o g r a p h ic p r o j e c t io n 维普资讯 东华理工学院学报 2 0 0 4 年 3 ． 3 破坏模式分析 取台阶坡率 1 0 ． 2 5 ， 整体坡率 1 1 。优势结构 面密度中心赤平投影图解见图 6 。 从前述的分析 的理论 可知 ， 对于 3 统计窗 局 部坡率 1 0 ． 2 5 ， ‘p 3 0 。 时 图 6 a ， 其潜在破坏模 式为平面滑动、 楔形滑动和折线滑动 ； 整体坡率为 1 1 ， ‘p 3 5 。 时 图 6 b ， 可能发生折线滑动。 图6 3 统计窗赤平投影图解 F ig ． 6 S t r e o g r a p h i c p r o j e c t io n ma p i n 3 w i n d o w a ． 台阶边坡； b ． 整体边坡 3 ． 4 稳定计算 3 ． 4 ． 1 计算参数取值 正确合理的计算参数取值是各种数值计算方 法取得可靠成果峋重要环节。计算参数取值方法 有试验方法 、 反分析方法、 工程类 比法等 张勤等， 1 9 9 9 ； 陈志坚等， 2 0 0 0 。试验方法是获取各种计算 参数最直接最可靠的方法 ， 但室内试验对试样 的原 状性和代表性往往难以保证 ； 现场原位试验虽然能 够克服室内试验的不足， 但试样 的制备、 试验设备 及整个试验过程费时费力、 耗资较大。反分析方法 的可靠性取决于分析模型的可靠性 ， 类 比法的关键 是类比对象的相似性。根据以上研究， 笔者把参数 取值建立在地质分析的基础上， 在充分利用有 限试 验资料直接确定计算参数的基础上， 对工程性质相 似的结构面或工程岩组 ， 根据现场试验资料采用定 量类比的方法进行参数取值 ， 有条件时用反分析法 进行必要的校核。这样建立在地质分析基础上 ， 采 用多种方法综合确定计算参数， 不仅节省投资， 同 时也有效地保证了计算参数的可靠性。 计算式采用台阶边坡 坡率 1 0 ． 25 与整体边 坡 坡率 1 1 两种条件进行。计算参数如表 1所 示 。 表 1 边坡稳定性计算参数建议值 Ta b．1 Ca lcu la t i on p ar ame t e r o f s l o p e s t a b i l i t y an a l y s i s 3 ． 4 ． 2 边坡稳定性计算 坡率为 1 1 时， 各统计窗均不存在平面滑动。 潜在契形滑动在 1 ， 2 ， 4 统计窗各存在一组。计 算表明， 它们的安全系数均大于 3 ， 因而当整体边坡 坡率为 1 1 时 ， 整体边坡是稳定的。 表 2 整体边坡楔形滑动计算结果 Ta b ．2 Calc u l a t i o n r e s u lt o f we dg e s h ap e d g l i d e o f wh o l e s l o p e 维普资讯 第 3期 刘建东等 裂隙岩体边坡稳定性分析方法 4结论 1 对岩石边坡 ， 尤其是硬岩边坡应从分析岩 体中结构面的倾斜产状与发育程度着手 ， 对边坡 的 潜在破坏模式进行分析。 2 赤平投影图统计岩体结构优势中心方便 ， 有效。赤平投影图解可准确预测结构面对边坡 的 破坏模式。 3 结构面分析结合岩石强度参数的计算评价 结果准确 、 可靠 ， 与野外调查结果吻合。 4 在地质分析基础上 ， 采用多种方法进行计 算参数的综合取值， 不仅能够节省投资， 同时能有 效地保证计算参数取值的合理性。 参 考 文 献 H o e k E ， W． B r a y J ． 卢世宗等译． 1 9 9 3 ． 岩石边坡工程 [ M] ． 北京 冶 金工业出版社． 徐靖南 ， 朱维申， 白世伟． 1 9 9 3 ． 压剪应力作用下多裂隙岩体 的力学 特性一本构模型[ J ] ． 岩土力学， 1 4 4 1 1 5 ． 张 勤， 陈志坚 ， 朱代洪， 陈 松． 2 0 0 1 ． 层状裂隙岩体稳定性分析 的主 要问题[ j ] ． 岩土工程学报， 2 3 6 7 5 3- 7 5 6 ． 蔡美峰等． 2 0 0 2 ． 岩石力学于工程[ M] ． 北京 科学出版社． 邓立立． 2 0 0 3 ． 华东地 区火 山岩边坡研究一 以华能玉环电厂高边坡 为例[ 硕士学位论文] ． 南京 南京大学． 张 勤， 陈志坚 ， 罗增益． 1 9 9 9 ． 裂隙岩体结构面力学参数取值的工程 地质研究[ J ] ． 河海大学学报， 2 7 6 1 1 4 1 1 7 ． 陈志坚 ， 卓家寿． 2 0 0 0 ． 样本单元法及层状含裂隙岩体力学参数 的确 定 [ J ] ． 河海大学学报 ， 2 8 1 1 41 7 ． S t a bi l i t y Ana l y s i s M e t ho d s o f Ro c k M a s s Sl o pe L I U J i a n d o n g ，S HAO Ch a n g y u n ，CHEN Z h e n g z h o u ，DENG L i l i 1 ． D e p a r tm e n t o f E a a h S c i e n c e ， N a n j in g U n i v e r s i t y ， N 目 u 1 j i n g ， J S 2 1 0 0 9 3 ， C h i n a ； 2 ．J i a n g s u N 肌j i n g I n s ti t u t e G e o e n g i n e e r i n g E x p l o r a t i o n ，Na n j i n g ，J S 2 1 0 0 0 0 ，C h i n a ； 3 ． Z h e j i a n g I n s t i t u t e o f E l e c t r i c P o w e r ， Ha n g z h o u ，Z J 3 1 0 0 1 4 ， C h i n a Ab s t r a c t In t h i s p a p e r ，T h e s t a b i l i t y a n a l y s i s o f r o c k s l o p e s p e c i a l l y fi s s u r e r o c k ma s s i s s t u d i e d ．The o c c u r - r e n c e，c h a r a c t e r a n d g r o wt h d e g r e e o f r o c k ma s s p l a n e s h o u l d b e c o n s i d e r e d．As f a r as the s t o c h ast i c r o c k ma s s p l a n e i s e o c e r n e d ， The m e tho d p r o j e e t i o n o n e q u a t o r p l a n e i s b a s e d o n a s c e r t a i n i n g p ref e r r e d p l a n e and a n a l y z i n g l a t e n t d e s t r o y p a a e m o f s l o p e ．Th e Gi v e n the e x a mp l e o f o n e 1 0 0 m h i 曲 r o c k s l o p o n the p o w e r s t a ti o n ， Th e i n t e g r a t e d p m j e c ti o n o n e q u a t o r p l a n e a n d u l ti ma t e b ala n c e me tho d i s i n t r o d u c e d ． Ke y W o r d s roc k s l o p e ；fi s s u re ；r o c k ma s s ；p r e f e rre d p l a n e； d e s t r o y p a t t e r n；s t ab i l i ty a n aly s i s 维普资讯