楊 喆，李寅良，林杜軍，韓書棟

（1．中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安710054；2．長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪工程學(xué)院，陜西 西安710054）

王家?guī)X碟子溝風(fēng)井場地邊坡為典型巖、土復(fù)合邊坡［1－2］，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上部土層邊坡和下部巖石邊坡都存在潛在不穩(wěn)定滑動面，在工程擾動和持續(xù)降雨等不利條件下，場地邊坡可能會發(fā)生局部或整體的變形破壞。事實上，在場地南側(cè)黃泥灌漿站處的斜坡開挖過程中，已經(jīng)出現(xiàn)了多次小規(guī)模的滑坡，對場地建設(shè)造成了顯著的影響。因此，對場地邊坡進行合理的破壞模式分析和穩(wěn)定性評價是工程首先要解決的關(guān)鍵問題。

1 邊坡的工程地質(zhì)條件

場地展布在兩個古滑坡體上，分別稱為西側(cè)古滑坡和東側(cè)古滑坡，其間為黃土殘梁。邊坡的基本地質(zhì)條件如下所述。

（1）東側(cè)古滑坡。東側(cè)古滑坡長約300m，寬約360m，坡度約15°，主滑方向近正北，滑坡平面形態(tài)呈圈椅狀地形，東側(cè)為溝谷，西側(cè)為沖溝，后緣為黃土邊坡，最大高度約45m，黃土邊坡上植被覆蓋率較高，坡面無變形跡象，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。古滑坡體上可見許多小平臺，臺階高2～6m，平臺寬5～16m?；孪虏科旅嫔峡梢娀鶐r出露，覆蓋土層較薄。

（2）西側(cè)古滑坡。場地西側(cè)古滑坡長約450m，寬約440m，坡度約20°，古滑坡后緣陡坎高低不一，最高處約25m，坡度較平緩。該滑坡為沿基巖面的順層土質(zhì)滑坡，滑體厚度15m左右，下部切過土層，厚度20m余，滑動方向近正北。古滑坡中部為一沖溝，將該古滑坡切分為東西兩部分。在建的場地位于該古滑坡形成的滑坡平臺上。

2 邊坡穩(wěn)定性因素分析

結(jié)合邊坡的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境及其工程地質(zhì)條件，根據(jù)野外調(diào)查和室內(nèi)分析結(jié)果，影響場地邊坡變形破壞機制的因素主要包括7個方面。

（1）巖土體結(jié)構(gòu)。場地基巖與上覆蓋殘坡積土層的界面傾向碟子溝，坡積土之上又覆蓋人工填土，在填土之前未對殘坡積土層處理，填土本身也未進行處理，而且，隨著場地開挖、風(fēng)井的繼續(xù)掘進，填土越來越多，其所造成的斜坡的坡度也越來越陡，邊坡易于發(fā)生局部失穩(wěn)，按照原設(shè)計，熱鍋爐房和煙囪位于填土部位。另外，滑坡堆積中發(fā)育大量的破裂面，其與基巖的接觸面傾向與坡向一致，現(xiàn)場調(diào)查表明，稍有擾動即易發(fā)生局部失穩(wěn)。

（2）巖土類型。場地內(nèi)有大量的人工填土，受原地形影響，其厚度不一致，而且土石混雜，干濕不均，新鮮巖石與風(fēng)化的巖石雜亂，大小不一，易發(fā)生不均勻變形問題和滑移。

（3）巖石力學(xué)性質(zhì)?；鶐r以泥巖、粉砂巖為主，總體強度較低，遇水易軟化。場地的進場公路修建過程中，開挖巖石時未進行爆破，僅使用挖掘機就完成了開挖，可見巖石強度低且軟弱。

（4）地質(zhì)構(gòu)造?；鶐r層理發(fā)育，層面黏結(jié)力小。場地內(nèi)巖層傾角小于斜坡的坡角，有利于斜坡的穩(wěn)定，但如果不合理地開挖坡腳，則易于沿層面發(fā)生滑動。巖層中節(jié)理較為發(fā)育，巖體完整性差。在邊坡上可見3組節(jié)理，其中2組與坡面走向近平行的節(jié)理組合成“X”型，另一組近于直立，節(jié)理面上可見擦痕，節(jié)理與層面的組合易使斜坡發(fā)生局部破壞。

（5）不良地質(zhì)。場地東側(cè)和西側(cè)均為古滑坡，形成年代久遠(yuǎn)，目前穩(wěn)定狀況較好，沒有發(fā)現(xiàn)滑動破壞跡象。但是在邊坡上進行工程活動時，有可能打破邊坡平衡狀態(tài)，引起滑坡復(fù)活或產(chǎn)生新的滑坡。

（6）降雨。根據(jù)當(dāng)?shù)厮臍庀筚Y料顯示，研究區(qū)常年干旱少雨，大氣降水多表現(xiàn)以暴雨的形式出現(xiàn)，易于形成較強的地表徑流，由于黃土具有濕陷性，這種降雨條件將會對邊坡上部土層的變形破壞方式及其穩(wěn)定性具有較為不利的影響。

（7）工程活動。水工建筑物的泄漏以及生活污水排泄不當(dāng)會導(dǎo)致邊坡內(nèi)部分土體出現(xiàn)浸水或飽和現(xiàn)象，從而降低土體的力學(xué)指標(biāo)。

3 邊坡穩(wěn)定性分析評價

3．1 赤平投影法

結(jié)構(gòu)面赤平投影可定性分析邊坡的穩(wěn)定性，同時也可以掌握邊坡的主控結(jié)構(gòu)面，為進一步定量分析計算提供依據(jù)［3－4］。對碟子溝風(fēng)井場地，取坡面產(chǎn)狀為355°∠20°，層面產(chǎn)狀為5°∠13°，結(jié)合4組優(yōu)勢節(jié)理面進行結(jié)構(gòu)面赤平投影分析。結(jié)構(gòu)面的赤平投影圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)面赤平投影

（1）結(jié)構(gòu)面組合L1和L2，L1和L3，L2和L3，L2和L4，L3和L4的交點都出現(xiàn)在坡面的對側(cè)，說明潛在滑面的傾向與坡面傾向相反，這些結(jié)構(gòu)面對坡體穩(wěn)定性是有利的，它對邊坡穩(wěn)定性影響只是破壞坡體巖石的完整性和控制滑塊邊界。

（2）層面投影弧形和邊坡投影弧形方向相同，且層面投影弧形位于坡面弧形投影之外，由此可知層面與坡面傾向幾近相同，且?guī)r層傾角小于坡腳，巖層層面為場地邊坡的主控結(jié)構(gòu)面，邊坡易沿層面出現(xiàn)潛在滑面。

（3）結(jié)構(gòu)面組合L1和L4，CM 和L1，CM 和L3，CM和L4的交點與坡面在同側(cè)，說明結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與坡向相同，屬于相對不穩(wěn)定型。其中L1和L4這2組結(jié)構(gòu)面傾角均大于坡面角，使組合交線未能在邊坡出露，如果不具備臨空面，滑動的可能性很小。結(jié)構(gòu)面組合CM和L1，CM和L3，CM和L4中組合交線外傾，交角小于坡腳，該類型邊坡穩(wěn)定性較差，其中層面的傾角小于坡腳，節(jié)理L1，L3，L4的傾角大于坡腳，即組合結(jié)構(gòu)面傾角一個大于坡面傾角，一個小于坡面傾角，有可能發(fā)生折線滑動破壞。

上述分析表明，場地邊坡的主控結(jié)構(gòu)面為巖層層面，邊坡易沿巖層層面發(fā)生順層滑動，其中節(jié)理L1，L3，L4和層面組合能使邊坡發(fā)生折線型滑動，采用理正計算軟件對結(jié)構(gòu)面組合CM和L1，CM和L3，CM和L4進行分析計算，CM和L1所切割的巖體穩(wěn)定性系數(shù)為1．343，CM 和L3的為1．510，CM 和L4的為1．337，均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。隨著場地建設(shè)的進行，當(dāng)邊坡開挖出不利邊坡穩(wěn)定的臨空面時，邊坡發(fā)生滑坡破壞的可能性較大。

3．2 極限平衡法

極限平衡法由于簡單直觀，利于工程設(shè)計，因此廣泛應(yīng)用于工程界中。Sarma方法屬于其中一種，其在分析巖質(zhì)邊坡時具有較高的精度，它的條塊的分條是任意的（但不能水平分條），無需條塊邊界垂直，可以對各種特殊的邊坡破壞模式進行穩(wěn)定性分析［5－7］，因此，本文采用此法對該巖、土復(fù)合邊坡進行計算評價。

為了進一步分析場地邊坡的穩(wěn)定性，沿西側(cè)古滑坡體和東側(cè)古滑坡的主滑方向各選擇1條典型剖面（西側(cè)為2—2′剖面，東側(cè)為6—6′剖面）進行邊坡穩(wěn)定性的分析計算。根據(jù)調(diào)查分析，場地邊坡最可能的破壞方式主要有兩種，第一種情況是沿著泥巖發(fā)生整體破壞，將該潛在破壞面定為推測泥巖滑面進行穩(wěn)定性計算（圖2a）；第二種破壞情況是邊坡下部粉質(zhì)黏土區(qū)發(fā)生局部的破壞，定為最危險滑面進行穩(wěn)定性計算（圖2b）。

圖2 邊坡穩(wěn)定性計算剖面

穩(wěn)定性分析所考慮的工況條件包括天然工況，飽和工況，飽和＋地震工況。所分析的滑面包括由工程地質(zhì)調(diào)查推估的滑面以及搜索的最危險滑面。

3．2．1 計算參數(shù)的選?。?－10］在巖、土界面處所選擇的參數(shù)根據(jù)原位剪切試驗結(jié)果和室內(nèi)試驗結(jié)果綜合確定。

原位剪切試驗由于試驗點位置選擇較困難，試驗結(jié)果不盡合理，所得參數(shù)僅作參考。在室內(nèi)進行二次剪切試驗和飽和殘剪試驗，所得結(jié)果較符合實際，以室內(nèi)試驗結(jié)果為主進行參數(shù)選取。同時，參數(shù)選擇時還綜合考慮了反算試驗結(jié)果和經(jīng)驗參數(shù)，綜合確定的參數(shù)建議值如表1所示。

表1 抗剪強度參數(shù)建議值

3．2．2 計算結(jié)果分析

（1）西側(cè)邊坡計算結(jié)果。由表2可知，在天然狀態(tài)下西側(cè)邊坡總體穩(wěn)定。在飽和狀態(tài)下，巖質(zhì)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，巖體和土體構(gòu)成的邊坡處于臨界狀態(tài)，局部可能產(chǎn)生的滑動面穩(wěn)定性處于極限狀態(tài)。

在飽和＋地震（水平地震加速度為0．01g）的工況下，巖質(zhì)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，巖體和土體構(gòu)成的邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，局部可能產(chǎn)生的滑動面也處于不穩(wěn)定狀態(tài)。從穩(wěn)定計算分析的結(jié)果看，西側(cè)邊坡目前在自然和飽和狀態(tài)下處于穩(wěn)定或基本穩(wěn)定狀態(tài)。雖然整體穩(wěn)定性較好，但已經(jīng)進行了大量工程建設(shè)，而且由于開挖不當(dāng)?shù)仍蛞呀?jīng)造成局部地段穩(wěn)定性較差，因而局部存在失穩(wěn)破壞的可能，在工程建設(shè)中，今后應(yīng)注意合理開挖和回填，并截排地表水。

表2 西側(cè)邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

（2）東側(cè)邊坡計算結(jié)果。由表3可知，東側(cè)邊坡在天然狀態(tài)下，巖質(zhì)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，基巖上覆堆積體邊坡處于極限狀態(tài)。在飽和狀態(tài)下，巖質(zhì)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，巖體和土體構(gòu)成的邊坡處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。在飽和＋地震的工況下，巖質(zhì)邊坡處于極限穩(wěn)定狀態(tài)，巖體和土體構(gòu)成的邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 東側(cè)邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

從穩(wěn)定計算分析的結(jié)果看，東側(cè)邊坡處于極限穩(wěn)定狀態(tài)，很有可能會沿土石界面形成貫通滑面，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞。特別是在人類工程活動或持續(xù)降雨的條件下，邊坡失穩(wěn)破壞的可能性較大。從現(xiàn)場的勘查資料來看，東側(cè)邊坡為一沿基巖內(nèi)軟弱面發(fā)生滑動的古滑坡，由于滑坡造成局部基巖結(jié)構(gòu)破壞，巖體錯斷、破碎現(xiàn)象較嚴(yán)重，形成裂隙發(fā)育，其上覆土體結(jié)構(gòu)亦較疏松，在鉆孔過程中漏漿嚴(yán)重。所以，地表水下滲軟化巖體易形成軟弱結(jié)構(gòu)面，從而造成邊坡整體失穩(wěn)，這應(yīng)該引起建設(shè)方的足夠重視，采取相應(yīng)治理措施保證坡體安全?？傊鱾?cè)邊坡在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，但存在局部滑動的可能，在降雨或工程活動等不利工況組合的條件下，邊坡亦有整體滑動的可能，特別是邊坡西半部分沿土、巖界面發(fā)生滑動的可能性較大。東側(cè)邊坡處于極限穩(wěn)定狀態(tài)，在降雨等不利條件下邊坡會處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3．3 有限元模擬法

本次還對典型剖面（西側(cè)邊坡選擇2—2′剖面，東側(cè)邊坡選擇6—6′剖面）進行了有限元分析，擬對邊坡的位移和變形趨勢做出判斷，進而分析邊坡的穩(wěn)定性。

模型中主要的巖土體分區(qū)包括了粉土、粉質(zhì)黏土、黃土、泥巖、砂巖以及下伏的泥巖、砂巖互層，各層的力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表4 計算所用的力學(xué)參數(shù)

為了使有限元計算結(jié)果更為合理，計算模型適度延長右邊界和下邊界，且左邊界與右邊界的邊界工況為x方向固定，而下邊界則在x與y方向固定。

通過有限元法求得的最小主應(yīng)力、最大剪應(yīng)變以及塑性區(qū)的結(jié)果整理，可以了解各邊坡剖面的應(yīng)力變形趨勢，并借此判斷該邊坡的穩(wěn)定性。

由圖3a可知，2—2′剖面的最大剪應(yīng)變范圍出現(xiàn)在邊坡下部粉質(zhì)黏土堆積處，在該處有滑動的可能。由圖3b可知，6—6′剖面的最大剪應(yīng)變范圍出現(xiàn)在邊坡下部滑坡堆積層和上部黃土層覆蓋區(qū)，在邊坡下部粉質(zhì)黏土區(qū)有滑動的趨勢，應(yīng)予以處治。導(dǎo)致黃土區(qū)最大剪應(yīng)變值較大的原因是黃土的變形模量較低（由于黃土層較厚，上覆土壓力較大，其應(yīng)變也較大，但該區(qū)并未達到塑性）。

圖3 剖面最大剪應(yīng)變云圖

由圖4a可知，2—2′剖面的塑性區(qū)分布范圍較集中，在剪應(yīng)變較大部位表層土體有塑性變形區(qū)，說明該處在一定地質(zhì)條件下會發(fā)生變形破壞。由圖4b可知，6—6′剖面的塑性區(qū)分布范圍在邊坡下部粉質(zhì)黏土區(qū)（主要是滑坡堆積物和殘坡積層），在剪應(yīng)變較大部位土體有塑性變形區(qū)，說明該處地段有變形破壞趨勢，應(yīng)對其進行加固治理。

通過有限元法分析碟子溝風(fēng)井場地邊坡，可以得出：

（1）西側(cè)邊坡整體穩(wěn)定性較好，但在邊坡下部的粉質(zhì)黏土區(qū)穩(wěn)定性較差，在一定的地質(zhì)條件下有沿巖、土界面和局部不穩(wěn)定地段發(fā)生滑動的可能。粉質(zhì)黏土區(qū)物質(zhì)成分主要是古滑坡堆積物及人工填土，其下伏巖石為砂質(zhì)泥巖，兩者界面傾向碟子溝，在巖與土接觸面處易形成貫通的滑面，在進行工程建設(shè)的過程中應(yīng)對該處坡體實施加固。

圖4 剖面塑性區(qū)范圍圖

（2）東側(cè)邊坡整體穩(wěn)定性較差，主要的剪應(yīng)力分布范圍和塑性區(qū)分布范圍集中在邊坡的粉質(zhì)黏土區(qū)，由于該處土體物質(zhì)組成以滑坡堆積物和殘坡積物為主，結(jié)構(gòu)松散，在持續(xù)降雨和工程活動的影響下易沿土體內(nèi)部或土、石界面發(fā)生貫通的滑動面。另外，根據(jù)現(xiàn)場勘查，該邊坡是一個沿基巖內(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動的古滑坡，其下部基巖由于發(fā)生滑動、錯斷而反傾，下部巖層結(jié)構(gòu)碎散，完整性較差，故該古滑坡仍然有沿基巖內(nèi)軟弱面發(fā)生活動的可能。

（3）邊坡后緣的黃土覆蓋區(qū)土層較厚，在模擬計算中，黃土層覆蓋區(qū)最大剪應(yīng)變值較大，但該區(qū)并未達到塑性，最大剪應(yīng)變值較大的原因是黃土層較厚，上覆土壓力較大，其應(yīng)變也較大，該區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）場地邊坡目前雖處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，但場地基巖以泥巖、粉砂巖為主，遇水易軟化，總體強度較低，基巖上覆粉質(zhì)黏土與基巖接觸面也易形成貫通滑面，所以在受到工程影響或在持續(xù)降雨的情況下，邊坡局部地段會產(chǎn)生蠕滑變形，甚至失穩(wěn)破壞。

4 結(jié) 論

（1）影響研究區(qū)邊坡變形破壞的因素主要有巖土體類型及結(jié)構(gòu)、巖土體力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)、降雨、工程活動等因素。

（2）風(fēng)井場地基巖節(jié)理相對較發(fā)育，巖層層面是影響風(fēng)井場地邊坡穩(wěn)定性最不利結(jié)構(gòu)面，對坡體穩(wěn)定性構(gòu)成較大威脅，巖層層面與節(jié)理L1，L3，L4分別組合均可能形成折線形潛在滑面。

（3）在穩(wěn)定性分析中，基巖軟弱面處的抗剪強度指標(biāo)采用原位剪切試驗所取得的抗剪強度指標(biāo)和經(jīng)驗參數(shù)綜合確定；在巖、土界面處的抗剪強度指標(biāo)根據(jù)原位剪切試驗結(jié)果和室內(nèi)試驗結(jié)果綜合確定，以室內(nèi)試驗結(jié)果為主。

（4）通過極限平衡法和有限元法分析碟子溝風(fēng)井場地邊坡，可知西側(cè)邊坡在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，但存在局部滑動的可能，在降雨或工程活動等不利工況組合的條件下，邊坡亦有整體滑動的可能，特別是邊坡西半部分沿土、巖界面發(fā)生滑動的可能性較大。東側(cè)邊坡處于極限穩(wěn)定狀態(tài)，在降雨等不利條件下邊坡會處于不穩(wěn)定狀態(tài)。主要的剪應(yīng)力分布范圍和塑性區(qū)分布范圍集中在邊坡的粉質(zhì)黏土區(qū)，該區(qū)易沿巖、土界面發(fā)生滑坡，下伏基巖由于以前發(fā)生過一定程度的滑動、錯斷，巖層結(jié)構(gòu)碎散，完整性較差，故該老滑坡仍然有沿基巖內(nèi)軟弱面發(fā)生活動的可能。因此，需要采取防治措施。

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