岩质边坡确定性块体稳定性的研究.pdf

第14卷第3期水土保持研究Vol. 14 No. 3 2007年6月Research of Soil and Water ConservationJun. ,2007 3 岩质边坡确定性块体稳定性的研究 余先华,聂德新 成都理工大学 工程地质研究所,成都 610059 摘 要在岩质边坡中,岩体的失稳与破坏主要受岩体内结构面的控制,它们相互之间的空间分布位置、 组合关系 包括自然边坡或边坡开挖面的产状和结构面的物理力学性质等,对边坡的稳定都起着至关重要的作用。将野外 测量的结构面资料,用一定的几何图形植入三维地形模型中,可以直观显示各软弱结构面的空间展布规律和交切 关系,再根据赤平投影原理进行分析统计,确定优势产状,进而对边坡在潜在不稳定块体宽度、 高度、 体积、 失稳模 式和滑动方向做出定量的判断,从而指导现场工作人员采取处理措施。 关键词确定性块体稳定性;软弱结构面;硬性结构面;边界条件;破坏模式;组合块体;自然边坡;人工边坡 中图分类号P642. 2 文献标识码A 文章编号10052340920070320180202 Study of the Stability to the Stable Mass in the Rock Slope YU Xian2hua ,NIE De2xin Institute of Engineering Geology , Chengdu University ofTechnology , Chengdu610059, China Abstract In the rock slope , rock’s stability and failure is mainly controlled by the structure of rock. Space distribution between them , combinational relation including natural slope and slope excavating surface’s situation , structural surface’s physical and mechanic quality and some other things play important parts in the rocks’stability. So the law of space distribution and mutual relation of the feeble structure can be shown directly according to the planting into the three2dimensional model of the structural materials surveyed in the field by the means of plank plate; and then make sure the advantages according to the analy2 sis and statistics to projection principle . In this way a quantity’s judgment can be made quickly and simply to the safety coeffi2 cient of slops , mass width , mass height , mass bulk , mass unstable model and mass slipping directions so that workers on the spot can take relative actions. Key words stability of stable mass; soft structural surface; hard structural surface; boundary conditions; failing model ; combi2 national mass; natural slope ;man2made slope 1 边坡块体稳定性研究的意义 早在1979年,我国已故的著名工程地质学家谷德振教 授发表了他的专著 岩体工程地质力学基础 提出了岩体结 构的概念,认识岩体是在漫长的地质历史过程中,经过建造 和改造两个阶段形成。建造阶段形成了岩体的原生结构,改 造阶段经历了构造作用和风化、 卸荷作用。因此,岩体是在 建造过程中形成的,在改造过程中经受变形、 遭受破坏的地 质体。这种地质体具有一定的岩石成分和不同的结构,后者 称为岩体结构。岩体结构是由岩体内的结构面和被结构面 切割成的岩块来表征,结构面的发育密度、 规模大小、 连续性 和组合型式,决定岩块的空间形态和体积大小,形成不同的 岩体结构。孙广忠教授进一步提出了岩体结构控制论的观 点,认为 “岩体是有结构的,其变形和破坏是由岩体结构控制 的” 。岩体变形不仅是材料变形,而且许多情况下是结构变 形。岩体破坏也不仅是材料破坏,而且许多情况下是结构失 稳,结构面按成因分为原生、 构造及次生结构面,按其力学特 性可分为软弱结构面和硬性结构面,其连续性与工程地质性 状均有所区别,边坡的稳定性很大程度上是由控制结构面决 定的。孙广忠和姚宝魁1988曾将岩质边坡失稳模式总结 为平面、 圆弧、 楔体、 倾倒、 溃决等形式。尽管岩质边坡存在 多种失稳模式,但工程中常见的还是平面滑动、 圆弧滑动、 楔 体破坏和倾倒破坏。在岩质边坡中,楔体破坏是岩质边坡的 一个主要的失稳模式。岩体的失稳与破坏主要受岩体内结 构面的控制,它们相互之间的空间分布位置、 组合关系包括 自然边坡或边坡开挖面的产状和结构面的物理力学性质 等,对边坡的稳定都起着至关重要的作用。因此,只要将野 外测量的结构面资料包括产状、 性质、 长度、 宽度、 高度以及 三维空间坐标 , 用数字化的板状模型植入三维地形模型中, 可以直观显示各软弱结构面的空间展布规律和交切关系,再 根据赤平投影原理进行分析统计,确定优势产状,可以快速、 简捷对边坡在各种工况下的安全系数以及块体宽度、 块体高 度、 块体方量、 块体失稳模式、 块体滑动方向做出定量的判 断,从而指导现场工作人员采取处理措施。 3收稿日期2006211208 基金项目国家自然科学基金资助项目40372127 作者简介余先华1975 - ,男,硕士研究生,专业地质工程,研究方向岩土体工程特性及工程环境效应。 2 边坡块体的基本边界条件确定 对于边坡块体的边界条件主要以硬性和软弱结构面组 成。对于开挖后的工程边坡,易于掉块和产生小型块体的崩塌 及滑落,这些主要是由硬性结构面的组合而形成;软弱结构面 层面、 断层和泥质物夹层等由于力学性质较差,易于组合为较 大块体,甚至引起大面积的滑动破坏。因此对于边坡的稳定性 应以软弱结构面为主,硬性结构面作为辅助边界条件进行分析。 块体组成的基本边界条件主要为各种结构面与边坡坡面 组成,由两种结构面组成的楔形体如图1所示。这些边界由各 个与边坡坡面相交切的结构面组成,只有在对可能构成边界的 结构面进行详细分析后,才能更正确的指导边坡稳定性的研究。 图1 块体组合模式图 3 边坡潜在滑面或组合滑面的搜索 斜坡弱面的全面搜索,对于构成边坡重要边界条件的软 弱结构面,其位置及性质的调查主要通过以下几个方面获 得 1 现场调查,在斜坡上广泛调查弱面在地表上的出露位 置及弱面特性,并由产状推算其在未来边坡上的位置 ; 2 在 勘探平洞可获得最为详细和准确的弱面位置、 性状以及延伸 方向,并与地表出露的部分弱面相对应起来 ;3 通过钻孔所 揭示的弱面得到弱面的位置及延展情况。 根据调查所获得弱面基本资料,并对弱面进行分组,用 赤平投影图可以清楚地反映出各组优势方位以及各组优势 方位与边坡构成的交切关系,从而可以初步判定边坡块体的 组合型方式。 再将边坡所在地地形用三维立体模型展示出来,并将调 查所得到的软弱结构面用板状模型程序导入模型中,弱面在 三维地形中的位置及延伸可以很直观的表现出来,采用剖切 的方法便能很方便的得到弱面在剖面图上的展示情况以及 组合块体的长度、 宽度、 高度。某进水口边坡地段观察数字 模型如图2所示。 图2 某进水口地段块体观察数字模型 4 组合块体分析及潜在次稳定性块体的全面搜索 对边坡块体进行稳定性分析,首先应当先找出边坡有哪些 结构面的组合块体,对组合块体的稳定性进行评价后,再筛选出 潜在不稳定的块体一一进行重点分析。对于组合的块体选择, 考虑到边坡坡向与弱面组合块体的关系以及块体组合边界条件 的要求,在边坡贴近坡面位置上剖切一条横剖面上,从横剖面上 可以很清楚的看到各个方向结构面所交切的关系以及组合的块 体。选取其中不同方向的结构面组合块体如图3所示。 图3 边坡块体组合模式 图4 边坡块体组合三维空间模式 注Jiont1 -结构面1 ,Jiont2 -结构面2 ,Slope Face -边坡 开挖面Upper Face -上部平台,67/ 229 -倾向/倾角 图5 组合块体组合模式的赤平投影图 为了对边坡的块体组合进行全面的了解,对边坡上的所 有弱面分组后进行两两组合,采用块体稳定性分析程序逐一 进行计算,即可得到边坡上所有能够组合成块体的弱面组 下转第185页 181第3期 余先华等岩质边坡确定性块体稳定性的研究 16 02～18 30 ,降雨量42 mm。从图中可看出,刘家凹 5 号流域在降雨11 min后即16 13出现峰值,随之开始降 落。而井沟 7 号流域沟道出现峰值时间比前者提前至少5 min ,且输沙过程线变化没后者平缓。图5时2003年从8月 25日12 15至8月26日18 30的径流输沙过程线,此次降 雨量为276 mm ,观测时间从26日10 10开始,显然井沟支 沟输沙量峰值的出现要远早于刘家凹支沟。另外,井沟支沟 径流输沙量显著高于刘家凹支沟输沙量,以最大峰值处的径 流输沙量值为例,后者约是前者的3～6倍,因此,森林植被 可大大降低暴雨坡面产沙量。 可见,在流域尺度上,植被对减少坡面产流产沙的作用是 巨大的。在雨季径流深和径流系数上,森林流域较无林流域 减少80 ～95 、 多林流域较少林流域减少60 ～70 。同 时植被可以减少降雨土壤侵蚀量,阻延径流,消减径流输沙 量。 4 结论与讨论 1坡面径流小区尺度上,不同土地利用类型的小区场 降雨产流产沙差异显著,若以虎榛子灌木林的产流量、 产沙 量各为1 ,则天然次生林分别为1. 34和0. 57 ,刺槐林4. 54 和2. 05 ,油松林5. 98和4. 49 ,果农复合经营模式17. 14和 3. 96。对于果农复合经营模式,在经过高质量大工程整地 后,产流产沙量明显减少,因此对于黄土区为发展区域经济 和开展退耕还林还草工程,经营果农复合模式不失明智。 2通过对影响坡面植被产流产沙的地形因子和林分结 构因子灰色关联分析,林分郁闭度和草本、 枯落物生物量影 响最显著,其关联度值均大于0. 6 ;坡向、 坡度因子对场降雨 径流影响显著,灰色关联度值均大于0. 5。 3流域尺度上森林植被对径流泥沙的影响中,森林植 被具有减小流域雨季径流总量的作用,在雨季径流深和径流 系数上,多林流域较少林流域减少60 ～70 。暴雨径流 输沙量,多林流域是少林流域的3～6倍,因此在黄土高原的 小流域,人工造林形成的森林植被覆盖度较高的流域,降雨 时坡地径流和泥沙被有效地拦蓄,从而使流域雨季径流深、 径流系数和径流总量都比较小,暴雨径流输沙过程线较为平 缓,输沙量少。 参考文献 [1] 陈军锋,裴铁 ,陶向新.河流两侧坡面非对称采伐森林对流域暴雨-径流过程的影响[J ].应用生态学报,2000 ,112 210 - 214. 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