邊坡變形失穩(wěn)的分析評(píng)價(jià)研究

王禹 張永 張賽

邊坡是指自然或者人工形成的斜坡，邊坡巖土體失穩(wěn)破壞造成的崩塌、滑坡和泥石流給人民生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大危害，邊坡工程是為滿足工程需要而對(duì)邊坡進(jìn)行改造，內(nèi)容涉及地質(zhì)災(zāi)害、巖土工程和環(huán)境工程等，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，邊坡失穩(wěn)帶來(lái)的災(zāi)害成為制約工程建設(shè)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題，同時(shí)邊坡變形失穩(wěn)問(wèn)題也是國(guó)內(nèi)外工程地質(zhì)和巖石力學(xué)界的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

本文主要是通過(guò)對(duì)邊坡的資料收集、數(shù)據(jù)整理和研究分析，結(jié)合工程實(shí)例來(lái)達(dá)到對(duì)邊坡定性和定量分析的目的。其中，到內(nèi)蒙烏拉蓋管理區(qū)烏拉蓋水庫(kù)兩岸礦山實(shí)踐調(diào)查，獲得了一手資料，并且對(duì)這些資料進(jìn)行了整理分析，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算、極射赤平投影方法、ROCKFALL和CAD制圖工具，為實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡失穩(wěn)變形研究提供了一些基礎(chǔ)材料。

1 定量分析

邊坡面產(chǎn)狀為122°∠58°，軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀122°∠40°，邊坡的穩(wěn)定性受傾向與坡向一致的一組軟弱結(jié)構(gòu)面控制，其穩(wěn)定性計(jì)算可沿滑動(dòng)方向取一剖面，由滑動(dòng)巖體自重所產(chǎn)生的下滑力T和抗滑力F分別為:

因?yàn)?

所以:

其中，α為滑動(dòng)面傾角;φ為內(nèi)摩擦角;c為粘聚力;L為滑動(dòng)面長(zhǎng)度;ρ為巖土體密度;W為滑動(dòng)體自重;h為由坡頂至滑動(dòng)面的高度，也稱為變形體高度;K為安全穩(wěn)定系數(shù)。

如圖1所示，坡角為β，AC在水平面上的投影長(zhǎng)度為M，在豎直方向上的投影長(zhǎng)度為H，H=h+N，又:

得到:h=11.87m。

經(jīng)實(shí)際調(diào)查及查閱相關(guān)技術(shù)參數(shù)，得到α=40°，φ=36°，c=0.02mPa，ρ=2.65 g/cm3，g=10，代入到上述公式得到:

一般規(guī)定，K=1.1～1.5，要求邊坡工程中穩(wěn)定系數(shù)K大于此范圍才是穩(wěn)定，因此實(shí)際情況中邊坡存在不穩(wěn)定性。

圖1 邊坡受力結(jié)構(gòu)示意圖

2 定性分析

本文分別通過(guò)極射赤平投影和ROCKFALL軟件，結(jié)合相關(guān)實(shí)際數(shù)據(jù)，給出對(duì)邊坡的一種定性解釋，并且充分驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的正確性與合理性。

2.1 赤平投影分析

極射赤平投影法主要是用來(lái)表示線和面的方向、相互間的角距關(guān)系及其運(yùn)動(dòng)軌跡，把物體三維空間的幾何要素(線、面)反映在投影平面上進(jìn)行研究處理。

極射赤平投影可以通過(guò)反映邊坡與其中的軟弱結(jié)構(gòu)面的關(guān)系，進(jìn)而達(dá)到驗(yàn)證邊坡穩(wěn)定性的目的，經(jīng)前期調(diào)查，本文只涉及到了一組與邊坡傾向相同的軟弱結(jié)構(gòu)面，經(jīng)過(guò)獲得前期成果作者的許可，引用《MATLAB在極射赤平投影中的應(yīng)用與研究》，通過(guò)數(shù)學(xué)軟件MATLAB編程驗(yàn)證:赤平投影圖形見(jiàn)圖2。

圖2 赤平投影圖形

圖3 邊坡穩(wěn)定性結(jié)果圖

軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為:122°∠40°;邊坡面產(chǎn)狀為:122°∠58°;邊坡穩(wěn)定性定性分析結(jié)果為:不穩(wěn)定(見(jiàn)圖3)。

2.2 ROCKFALL 軟件分析

ROCKFALL軟件是專門針對(duì)危巖體計(jì)算分析的一種軟件，可以模擬危巖體失穩(wěn)后落石的運(yùn)動(dòng)路徑，分析運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特征等。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)資料分析，邊坡自上而下依次為灰?guī)r、角礫巖、細(xì)礫石和碎土，輸入相應(yīng)的切向恢復(fù)系數(shù)與法向恢復(fù)系數(shù)，繪制出邊坡危巖體的總能量分布圖與彈跳高度圖，得到危巖體(在此特指邊坡危巖體)在各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的運(yùn)動(dòng)特征，進(jìn)而指導(dǎo)制定工程防治措施，從另一方面充分驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的正確性與合理性。

圖4 彈跳高度圖

圖5 總能量分布圖

彈跳高度圖和總能量分布圖分別見(jiàn)圖4，圖5，從圖4，圖5中可以得出在接近邊坡底部彈跳高度急速降低，此時(shí)能量也是較平緩的趨勢(shì)。結(jié)合實(shí)際的地形，采用被動(dòng)防護(hù)措施，選擇在半坡腳處設(shè)置被動(dòng)攔石網(wǎng)，降低滾落危巖的運(yùn)動(dòng)能量，減少崩塌區(qū)危巖體對(duì)周圍環(huán)境的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以烏拉蓋水庫(kù)兩岸礦山為例，應(yīng)用數(shù)值模擬、赤平投影方法與ROCKFALL軟件，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了定性與定量分析評(píng)價(jià)，并且繪制出彈跳高度圖和總能量分布圖，通過(guò)分析危巖體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的彈跳高度和能量分布特點(diǎn)，針對(duì)性的制定邊坡防治方案，為邊坡失穩(wěn)變形后的工程防護(hù)體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新思路，同時(shí)也為生產(chǎn)礦山地質(zhì)環(huán)境的邊坡治理與恢復(fù)提供了依據(jù)。

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