李新樂，隋惠權，竇慧娟

(大連民族學院土木建筑工程學院遼寧大連 116605)

超高巖質邊坡安全性評價及防護措施研究

李新樂，隋惠權，竇慧娟

(大連民族學院土木建筑工程學院遼寧大連 116605)

超高型巖質邊坡安全性受到諸多因素的影響。針對一工程實例，采用平面分析法研究了影響高大邊坡安全的影響因素。分別考慮了常遇狀態(tài)、降雨影響、地震作用及最不利組合情況下，高大邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)的變化趨勢，并與規(guī)范進行對比，計算結果表明，降雨和地震作用將顯著降低超高型邊坡的安全性。最后，根據(jù)計算結果對此類邊坡的防護給出了設計建議。

超高邊坡;平面滑動法;安全系數(shù);防護措施

在很多工程建設中都會遇到巖石邊坡，同時，由于工程需要，邊坡高度越來越大，高邊坡的穩(wěn)定也越來越成為工程建設面對的問題。眾所周知，巖體常被各種方位的地質結構面切割成不同形狀的塊體，因此，工程實踐中所遇到的巖坡多為巖塊所組成。在一般情況下，結構面的強度遠低于完整巖體的強度，巖坡中結構面的規(guī)模、性質及其組合方式在很大程度上決定著巖坡失穩(wěn)時的破壞形式。結構面的形狀或性質稍有改變，則巖坡的穩(wěn)定性將會受到顯著的影響。另外水文氣象條件也是影響高大邊坡穩(wěn)定的重要因素。

本工程是大連市甘井子區(qū)革鎮(zhèn)堡街道榆山礦坑邊坡工程，位于大連市甘井子區(qū)革鎮(zhèn)堡鎮(zhèn)棋盤村土羊高速公路機場出口南側約100 m，系采石場采掘石灰石巖形成的深坑。該邊坡工程場地深坑呈南北長軸橢圓形，經人工開山鑿巖形成，坑底最低標高為11.05 m，坡頂最高標高為79.2 m。沿場區(qū)外邊線分別形成橢圓形的人工巖質高邊坡，邊坡長約1.61 km，邊坡高度約16～49 m，甚至部分區(qū)域已達到50 m以上，平均坡高32.5 m以上，是典型的高大(超高)型邊坡。

該邊坡巖層是石灰?guī)r，層面大體呈平直狀。經地調查明，厚層灰?guī)r有泥質結構及砂質結構，板理構造一般呈薄層狀，局部呈中厚層狀。裂隙在本高邊坡巖體中均較發(fā)育，延伸較長，互相切割導致坡體呈碎裂結構，裂隙面均較平直光滑，裂隙間少量見明顯張開和夾泥現(xiàn)象，基本上屬結合差的硬性結構面，導致山體有較嚴重的掉塊及崩塌現(xiàn)象。裂隙發(fā)育，巖體切割成巨塊狀。該場地是以灰?guī)r為主的丘陵區(qū)，屬邊坡不穩(wěn)定區(qū)。褶皺、斷裂構造發(fā)育，灰?guī)r層面之間的鈣質板巖遇水極易軟化。

1 分析模型建立

邊坡穩(wěn)定性分析方法大致可以分為以下幾類:定性分析方法、定量分析方法、非確定性分析方法、物理模擬方法。定量分析法就是在定性分析的基礎上對邊坡穩(wěn)定性進行量化計算，得出穩(wěn)定安全系數(shù)。其基本研究內容是基于力學分析和物理上的合理性要求，求解抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)和確定對應于最小安全系數(shù)的滑動面的位置。邊坡抗滑穩(wěn)定分析的定量計算方法成果很多，主要有極限平衡法、極限分析法和有限元法。目前常用的二維極限平衡分析方法有:瑞典法、簡化 Janbu法、Bishop簡化法等，區(qū)別主要在于條間力假設。這些方法都是假定滑體各分條塊在某種條件下(超載或材料強度折減)在剪切面上都達到極限平衡狀態(tài)，并將超載倍數(shù)或強度折減的系數(shù)定義為邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)。

本工程采用工程上應用較多的成熟軟件理正巖土軟件進行安全性分析，該軟件采用極限平衡法(簡單平面滑動穩(wěn)定分析法)進行巖質邊坡分析，可以考慮張裂縫、裂隙水、外荷載、地震等外部作用對巖質邊坡穩(wěn)定的影響，同時也可進行錨桿等支護措施效果的研究。

1.1 計算原理

簡單平面(二維滑動體，滑裂面為直線)穩(wěn)定性分析簡圖如圖 1［1］。

圖1 簡單平面滑動分析簡圖

平面滑動分析基本假定:

(1)滑動面及張裂縫的走向平行于坡面。

(2)張裂縫垂直，其中充水深度為Zw。

(3)水沿張裂縫底進入滑動面滲漏，張裂縫底與坡趾間的長度內水壓力按線性變化至零(三角形分布)。

(4)滑動體重量為W、滑動面上水壓力為U，張裂縫中水壓力為V，三個均通過滑體的重心，即假定巖塊轉動力矩為零，破壞只是由于滑動。

潛在滑動面上的安全系數(shù)，可按極限平衡條件求得，這時安全系數(shù)KS等于總抗滑力與總滑動力之比，即:

式中，L為滑動面長度(m)，C為粘聚力(kPa)，φ為內摩擦角(°)，即

W按下列不同情況進行計算:

1.2 巖體參數(shù)的選取

在勘探控制深度范圍內，揭露的地層為新元古界震旦系營城子組含礫屑砂，屬灰?guī)r、層紋灰?guī)r夾疊層石灰?guī)r、鈣質灰?guī)r，根據(jù)風化程度分為以下三層。①強風化灰?guī)r:褐黃色，裂縫發(fā)育，巖芯呈碎塊狀。該層分布于場地低丘陵頂部，揭示厚度4.0～18.0 m。②中風化灰?guī)r:黃褐色，泥質結構，層狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部夾石英砂巖，巖芯呈柱狀、短柱狀，風化呈塊狀。該層為較軟巖，遇水易軟化，是場地邊坡穩(wěn)定性控制的主要巖層，分布連續(xù)，厚度在10.0～30.0 m。③微風化灰?guī)r :青灰色、灰黑色，泥質結構，層狀構造，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，裂面呈褐色，局部夾石英砂巖，巖芯呈塊狀、短柱狀，屬于軟巖。巖體基本質量等級為Ⅳ級，為邊坡穩(wěn)定性控制的主要巖層。揭露厚度在10.0 ～30.0 m。

根據(jù)部分土工試驗及地區(qū)經驗［2－3］，提出如下邊坡穩(wěn)定性驗算指標的推薦值，見表1和表2。

表1 邊坡穩(wěn)定性驗算指標推薦值

表2 邊坡穩(wěn)定性驗算指標推薦值(中風化巖類結構面)

2 高邊坡安全性評價

本文主要對該工程礦坑東側高邊坡區(qū)域進行穩(wěn)定分析。開挖邊坡為南北走向，傾向東，巖層傾向北東，山體開挖形成順向坡，加之山體巖體內所夾薄鈣板巖侵水易軟化，形成軟弱夾層，因此巖體極易發(fā)生滑動、崩塌等破壞類型，對山體開挖后形成的邊坡不穩(wěn)定性嚴重;共劃分為6個區(qū)，取典型斷面6個進行邊坡穩(wěn)定性分析。典型斷面如圖2。圖3為I－1計算斷面的實際潛在的滑動體。

圖2 典型斷面示意圖

圖3 I－1計算斷面實際潛在滑動體

由于大連處于沿海地區(qū)，全年降雨量較大，且距離發(fā)生過大震的海城非常近，因此，針對本工程，分析了以下幾種工況:①常遇狀態(tài)下安全性;②地震作用下安全性;③降雨作用下安全性;④暴雨及地震共同作用下安全性。根據(jù)文獻［4］，本工程巖質邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見表3。

表3 巖質邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)(平面滑動法)

根據(jù)勘區(qū)揭示巖土層的工程地質特征及巖體結構面性狀和擬開挖邊界線的關系及開挖高度，將本邊坡工程分成如平面圖所示6段，具體情況見表4。

表4 工程分段及安全等級

2.1 常遇狀態(tài)下安全性分析

常遇狀態(tài)是指本工程多數(shù)情況下自然環(huán)境因素作用狀態(tài)，即地下水低不計裂隙水、無降雨、不考慮地震等因素，對該高邊坡進行穩(wěn)定安全性計算，判斷其發(fā)展趨勢。常遇狀態(tài)下高邊坡穩(wěn)定性計算結果見表5。

表5 常溫狀態(tài)和地震作用下穩(wěn)定性計算結果

2.2 地震安全性分析

根據(jù)《建筑工程抗震設計規(guī)范》(GB50011－2010)［5］，場地抗震設防烈度為7度，據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306－2001)，區(qū)內地震動峰值加速度為0.10 g。地震動反應譜特征周期為0.40 s，據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖附錄 D》，區(qū)內對應的地震基本烈度為Ⅶ度。考慮地震影響高邊坡安全性計算結果見表5。

2.3 降雨安全性分析

依據(jù)《大連市建筑氣象參數(shù)標準》(JGJ35－87)，場地屬于北溫帶季風氣候區(qū)，并具有海洋性氣候特點。主要氣象要素如下:年平均溫度為10.2℃，極端最高溫度為35.3℃，極端最低溫度為－21.1℃;平均年總降水量為671.1 mm，一日最大降雨量為171.1 mm;年平均風速為5.2 m·s－1，30 年一遇最大風速為 31.0m·s－1;年最多風向為北向，頻率占15%;最大積雪厚度為0.37 m;基本風壓為 0.65 kN·m－2(n=50)、0.75 kN·m－2(n=100)，基本雪壓為0.40 kN·m－2(n=50)、0.45 kN·m－2(n=100)，最大積雪厚為0.37 m。土壤標準凍結深度為0.70 m，最大凍結深度為0.93 m。

考慮降雨影響時，水對結構面軟弱夾層的影響顯著，由于水的作用，結構面上的粘聚力C值將減小，其經驗取值在20～30 kPa。降雨時高邊坡安全性計算結果見表6。

表6 考慮降雨、地震影響穩(wěn)定性計算結果

2.4 最不利情況下安全分析

為評價超高邊坡在極端情況下穩(wěn)定安全性，特對本工程進行了最不利情況下安全性分析，即考慮暴雨及地震共同作用下安全性，計算結果見表6。

對比表5和表6，可得以下結論:

(1)考慮場地7度設防烈度地震作用時，與常遇狀態(tài)相比，高邊坡穩(wěn)定系數(shù)降低約5%左右，穩(wěn)定性降低，需進行加固設計;

(2)考慮降雨影響時，與常遇狀態(tài)比較，穩(wěn)定系數(shù)降低約10%左右，說明水對高大邊坡穩(wěn)定性影響顯著，易發(fā)生邊坡滑塌災害;

(3)考慮降雨與地震共同作用時，穩(wěn)定系數(shù)降低達到15%左右，極易發(fā)生邊坡滑塌災害，將極大威脅邊坡及周圍建筑物安全。

3 邊坡防護措施

3.1 坡形和坡角

根據(jù)上述邊坡穩(wěn)定性分析計算結果及工程地質條件，建議各段最優(yōu)坡形和坡腳如下:

(1)I－1亞段:開挖高度小于50 m，可采取直線放坡，依巖體破碎程度，坡度值1∶0.7～1。

(2)I－2亞段:開挖高度小于30 m，采用折線臺階放坡，坡度值1∶0.7～1，每階高度宜大于10 m，臺階寬2～4 m。

(3)I－3亞段:開挖高度小于50 m，采用直線放坡，坡度值1∶0.7 ～1。

(4)I－4亞段:開挖高度小于50 m，采用折線臺階放坡，每級高度不宜大于10 m，坡度值1∶0.7 ～1。

(5)I－5亞段:開挖高度小于50 m，每級高度不宜大于10 m，坡度值1∶0.7～1。

(6)I－6亞段:開挖高度不大于30 m，采用直線放坡，坡度值1∶0.7～1。

3.2 邊坡防治措施

本場地I－1、I－3、I－5亞段為不穩(wěn)定邊坡，可采用清除放坡及長錨索(桿)+掛網噴射混凝土(混凝土板);I－2、I－4、I－6亞段為較不穩(wěn)定邊坡，可采用清除放坡、短錨索(桿)+掛網噴漿。

常遇狀態(tài)下未見地下水，該場區(qū)多年平均降水量不大，但多集中在7～8月份，易形成暴雨沖刷坡面，降低坡體穩(wěn)定性。因此，設計、施工中應充分考慮疏、排水措施，并優(yōu)先實施，以減少雨水的不利影響。

3.3 邊坡防治監(jiān)測

本工程邊坡主要為高大特級邊坡，因此須對邊坡開挖、支護及竣工后三年內進行監(jiān)測工作，建議監(jiān)項測目內容:坡頂水平位移和垂直位移、地表裂縫、降雨量與時間關系、錨桿拉力、支護結構變形、支護結構應力。根據(jù)相關規(guī)范規(guī)定，邊坡工程的監(jiān)測要求由設計方提出，由業(yè)主委托有資質的監(jiān)測單位編制監(jiān)測方案后組織實施。

4 結論與建議

綜合以上計算分析可見，對于巖質超高或高大型邊坡，由于結構面及地層產狀與邊坡坡向不利組合、結構面狀態(tài)、填充物、雨水及地震等因素，使巖體失去平衡而產生下滑力可導致邊坡安全系數(shù)顯著降低，存在邊坡失穩(wěn)趨勢。特別是考慮降雨與地震共同作用時，穩(wěn)定系數(shù)顯著降低，不能滿足規(guī)范要求，極易發(fā)生邊坡滑塌事故，建議進行加固處理。

由于開挖的邊坡坡角部分偏大，邊坡高度變化較大，加之巖體較破碎，邊坡防護設計時，巖土參數(shù)可考慮使用區(qū)間值的低值，當某些地段計算參數(shù)較大時，可按《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB50330－2002)規(guī)范進行折減。從現(xiàn)狀看，可以根據(jù)不同的巖體性質與形態(tài)參數(shù)采用防護和加固方式對邊坡進行治理。如錨索(桿)+掛網噴漿、抗滑樁等。本工程邊坡防護屬一級邊坡，按國家《建筑邊坡工程技術規(guī)范》要求必須采用動態(tài)設計法。

［1］曾革，周志剛.平面滑動面路基邊坡穩(wěn)定性分析方法［J］.中外公路，2009，29(5):31 －34.

［2］中華人民共和國建設部.GB/T50266－99工程巖體試驗方法標準［S］.北京:中國標準出版社，1999.

［3］中華人民共和國建設部.GB50021—2001巖土工程勘察規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［4］中華人民共和國建設部.GB50330－2002建筑邊坡工程技術規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［5］中華人民共和國建設部.GB50011－2010建筑抗震設計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

Study on Safety Evaluation and Protection Measures for Superhigh Rock Slope

LI Xin －le，SUI Hui－quan，DOU Hui－juan
(College of Civil Engineering and Architecture，
Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China)

The safety for superhigh rock slope is affected by many external factors.In accordance with a typical engineering example，the planar method has been used to analyze the important influence factors for superhigh slope.Safety factors for typical superhigh slope under four conditions such as normal state，rainfall，earthquake and most unreasonable combination，have been calculated.The calculated result has been contrasted to the existing code.The safety of superhigh slope is significantly decreased because of the exaction of the rain and earthquake.At last，some design advices has been given to the protection measures for this kind of slope according to the foregoing research parts.

superhigh slope;planar slide method;safety factor;protection measures

TD325.1

A

1009－315X(2011)05－0481－05

2011－06－27;最后

2011－07－11

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(DC10040115);大連民族學院博士啟動基金資助項目(20066104)。

李新樂(1973－)，男，河北保定人，副教授，博士，主要從事地震研究。

(責任編輯 鄒永紅)