复杂地质条件下岩石边坡的稳定性分析

摘要：以某大型岩石高边坡为例，在分析该高边坡的工程地质条件，尤其是结构面分布特征基础上，首先，采用块体理论分析了该复杂岩石边坡工程块体系统的分布规律，找出了控制该大型边坡稳定性的关键块体的位置、规模及开挖后的稳定性系数，并据此指导优化岩石边坡稳定性的监测布置与加固控制；其次，根据监测信息对块体系统加固前后的受力及稳定性动态进行了分析。

关键词： 边坡工程，岩体结构，块体理论，监测布置，加固控制

中图分类号：U213.1+3 文献标识码： A

1 引言

随着工程规模的加大及受场地的限制，经常需在复杂地质环境条件下，人为开挖各种各样高陡岩质边坡或土坡。这些复杂边坡工程系统在不同部位、不同施工时间的稳定性是动态变化的，并存在着稳定性的相对薄弱部位，而这些稳定性薄弱部位的稳定状态及发展趋势控制与制约着整个边坡工程系统的稳定性。对受岩体结构控制的岩石边坡而言，其稳定性薄弱部位主要为岩体结构面及开挖临空面所形成的大小及稳定程度不同的块体，因此，及时确定与实时控制这些块体系统的稳定性就显得十分重要。

按照工程地质的“突破”观点及岩坡优势面理论，岩体工程如果发生破坏，总是首先从某个(些)部位(如某个关键块体)开始逐渐发展，并受实际变化条件的制约。当外界条件发生变化(如开挖形成临空面)时，有的块体(部位)滑面应力未超过其强度，处于相对稳定状态；有的块体滑面(部位)因应力变化达到甚至超过其抗剪强度而出现滑移失稳，该块体失稳后可能诱发原先稳定的块体产生连锁反应而失稳，从而危及整个边坡的整体稳定。先寻找确定这些最薄弱块体(部位)，优先进行监测及加固，则有可能使边坡工程不破坏或不出现不可接受的破坏，防患于未然，以取得事半功倍的效果。

2 工程地质概况

某边坡总高210 m，总体上分为上、下2 段，上段为垂直台阶式灰岩边坡，台阶高15 m，平台宽5 m；下段为倾斜台阶式页岩边坡，台阶高10～15m，平台宽2～5m，并在灰页岩交界处存在一厚2～3m的泥化夹层。灰岩段总体坡角73°，页岩段总体坡角30°，边坡形状呈“上陡下缓”。边坡采用预裂爆破开挖，并进行锚喷支护。在灰岩段上部安设长40 m，锚固力为200t 的预应力锚索。

图1 高边坡工程平面示意图

2.1 边坡地层岩性及组合特征

与边坡工程有关的地层主要有寒武系下统石龙洞组()灰岩和石牌组()页岩。从岩性组合看，边坡高程135～160 m 以上为坚硬的灰岩体，其弹性模量为1000～2000 MPa，抗压强度为51～64MPa。而在边坡高程135～160 m 以下为软弱的页岩体，其弹性模量为700 MPa，抗压强度为10～20MPa。这就形成了“上硬下软”的不利岩性组合，特别是页岩层压缩性大，加之在灰页岩交界处存在一连续分布的201 泥化夹层，使得更不利于边坡稳定。

2.2 岩体结构特征

边坡工程中灰岩体内岩体结构发育，主要有泥化夹层、断层、节理裂隙。其中201 夹层，厚度大，强度低，具明显流变特性，并且又处于灰页岩交接处，故其对边坡稳定起关键性控制作用。区内主要发育有11 条断层，断层规模从数十米到数百米不等，为Ⅳ-Ⅲ级结构面，走向与边坡走向正交或大角度斜交，陡倾(倾角60°～75°)，倾向SW，SE，与边坡岩层倾向相反。

3 块体系统分布规律及稳定性预测

在坚硬或半坚硬岩层中，岩体被结构面切割成各种类型的块体。在自然状态下，这些空间块体处于静力平衡状态。当进行边坡开挖，或对岩体施加新的荷载后，使暴露在临空面上的某些块体失去原始静力平衡状态，因而，造成某些块体首先沿结构面滑移、失稳，进而产生连锁反应，造成整个岩体工程的破坏。而一般称这种首先失稳的块体为“关键块体”[1]。“关键块体”失稳与否的判据标准是在工程作用力及自重作用下，滑动面上的抗剪强度是否足以抵抗滑动力。而“可移块体”一般指在“关键块体”不失稳条件下才能保持稳定的块体。若“关键块体”失稳，这种“可移块体”也可能失稳，甚至变为“关键块体”。因此，由岩体结构面组合而形成的块体是边坡工程稳定性的薄弱部位之一。

块体理论的基本方法就是：首先，通过几何分析，找出岩体工程中由岩体结构面及临空面所形成的块体，排除其中的无限块体及不可动块体，再通过运动学分析，找出在工程作用力及自重作用下的可动块体；然后，根据滑面的物理力学性质，确定工程开挖面上的所有“关键块体”，并计算出其稳定性及使其稳定所需的锚固力，从而用于指导工程加固。上述方法与步骤均有现成的计算程序或解析方法，其关键是正确确定岩体工程有关结构面的分布参数及相关力学参数。

由地质资料，经分析处理后可得灰岩体中各结构面及力学参数的统计参数，见表1。表中c 为粘聚力，j为内摩擦角，其中重度均取27 kN/m3。

表1 结构面参数及抗剪强度取值统计

由表 1 参数，根据块体理论，可以确定出边坡中的“关键块体”及“可移块体”，具体方法可参见文[2、3]。其代表性块体特征、规模、稳定性系数见表2。由表 2，可知，边块开挖后，“关键块体”主要存在于边坡中部及引水洞上方。其中边坡下游“关键块体”较少，且规模不大，而在上、下游交界的边坡中部有体积较大的“可移块体”，其移动与否受制于“关键块体”C，D。从块体规模看，多为由小断层或大型节理切割而成的四面体或五面体，其体积在几百立方米到几千立方米，并以缓倾和陡倾结构面组合交线滑移为主。

表2 边坡中的块体特征

4 边坡块体系统的监测与控制

由以上分析可知，该边坡工程系统中存在的由岩体结构控制的薄弱部位(“关键块体”)主要存在于边坡中部及引水洞上方，且在正面坡与侧面坡交界处存在体积较大的潜在“关键块体”。故边坡开挖过程中应进行优先监测与控制，否则有可能在施工过程中失稳(甚至产生连锁反应)。

对块体监测主要进行了位移及应力监测，并根据监测结果，及时对块体进行针对性锚固。下图中即为块体C 的锚杆受力变化曲线。其中，观测锚杆采用了直径为16 mm 的全长注浆锚固式，而锚固锚杆则采用了直径为32 mm 全长注浆锚固式。从图可以看出，块体锚固前出现了明显的移动迹象，并且，拉应力以每月 5 MPa 的速率增加；而对块体实施长10 m，直径32 mm 的锚杆加固后，拉应力明显降低(0.5～1.0 MPa/月)，其降低幅度为60%～80%，后来逐步稳定下来，说明块体加固的效果是良好的。另外，对靠近2#，3#引水洞出口处的块体B，主要采取了引水洞出洞时打超前管缝长锚杆(首先实施小导洞开挖，减少临空面)，从而防止了该块体的可能移动。

5 结论

(1) 边坡工程是一个非线性的耗散系统。对由岩体结构控制的岩质边坡而言，边坡工程中的块体系统是控制边坡稳定的薄弱部位，可采用块体理论方法确定块体系统的分布规律及稳定性。

(2) 基于块体理论方法确定的边坡工程块体系统中各“关键块体”的位置、规模及其稳定状态，并制定以边坡块体系统稳定性监测与加固为主要目标的边坡工程监测与加固方案，可大大减少上述工作的盲目性，以达事半功倍之效果。

参考文献：

[1] 刘锦华，吕祖衍. 块体理论在工程岩体稳定分析中的应用[M]. 北京：水利水电出版社，1988

[2] 梁炯鋆，黄鼎成，邢念信等. 工程地质体控制论[J]. 岩石力学与工程学报，1992，11(2)：117～129

[3] 杨志法，王思敬. 工程地质学一个新的研究方向[J]. 地质灾害与环境保护，1996，7(1)：1～7