巖質邊坡塊體穩定分析強度指標的獲取與應用

楊海燕，李建強

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

巖質邊坡失穩模式包括平面、圓弧、楔體、潰決等形式[1]，而塊體破壞是邊坡主要失穩模式之一。塊體的穩定性由結構面的空間分布位置、組合關系和物理力學性質控制[2-4]，物理力學性質特別是強度指標的獲取是計算塊體穩定性的關鍵，常采用試驗法，但考慮工程的特殊性，試驗法存在一定的難度，國內外專家結合已建工程提出經驗值法，并根據結構面強度指標的影響因素總結研究出了計算方法。不同的計算方法考慮的影響因素不同，同一方法在不同工況下考慮的影響因素亦不相同。本文通過總結前人的經驗，詳細闡述了結合工程特性塊體的分類和不同類型的塊體結構面強度指標的獲取方法，并通過工程實例對各種方法應用需注意的事項進行了論述。

1 巖質邊坡塊體的分類及失穩條件

巖質邊坡塊體分為無限塊體、倒楔塊體、穩定塊體、可能失穩塊體和關鍵塊體，可能失穩塊體和關鍵塊體是巖質邊坡塊體穩定性分析的重點研究類型。結合赤平極射投影原理對塊體穩定性進行分析,如圖1所示，可能構成潛在不穩定塊體的條件[1]：(1)傾角a1小于坡面傾角a2；(2)交線傾向與坡面傾向一致；(3)兩者夾角小于或等于20°。

圖1 赤平極射投影在邊坡穩定分析中的應用

2 塊體穩定性計算

塊體穩定性計算主要基于極限平衡分析原理，常用的軟件包括Swage、YCW(陳祖煜)、SlopeBlock、DIPS、結構面網絡模擬(汪小剛)、三維赤平投影等，圖2為Swage軟件的計算界面。

圖2 邊坡塊體穩定性常用軟件Swage計算界面示意圖

2.1 定位塊體結構面強度指標的獲取

結合工程特性,塊體穩定性分析主要分為定位塊體和隨機塊體兩方面的應用。定位塊體的穩定性計算多數為小范圍、大比例尺地質測繪的自然邊坡和開挖邊坡等方面的應用，塊體/楔形體邊界條件多由大規模斷層或控制性結構面組合形成。目前穩定性計算需要的結構面強度指標主要通過試驗和經驗兩種方式獲取，試驗法分為室內和現場原位試驗；經驗法結構面強度參數的獲取多適用于Ⅳ和Ⅴ級結構面，張性結構面c值多取0，圖3為《水力發電工程地質手冊》給出的一般結構面強度經驗值。

圖3 結構面強度參數經驗值示意圖

2.2 隨機塊體結構面強度指標的獲取

隨機塊體穩定性分析主要為大范圍、小比例地質測繪邊坡破壞形式的分析，計算邊界條件多由隨機結構面(一般Ⅳ、Ⅴ級結構面)或部分隨機結構面、部分確定性結構面組合形成的塊體。計算過程多先進行結構面分析統計，對結構面進行分組，得到各組結構面的優勢產狀，之后分析各組結構面強度指標,計算不同塊體類型的穩定性，如圖4所示。控制性I、II和III級結構面由于規模大，穩定性影響貢獻率高，應重點研究考慮。

圖4 隨機結構面統計分析

隨機塊體穩定性的分析主要難點在于隨機結構面力學參數的取值，目前巖體強度參數的獲取主要通過試驗和計算兩種方法，試驗法通過選取各組典型結構面進行室內、原位試驗獲取各組結構面的力學參數；計算法目前的主流為Hoek-Brown法和基于數據模型結構面網絡模擬計算法(汪小剛等)，見表1和表2。

表1 Hoek-Brown法計算不同邊坡高度的巖體強度

表2 結構面網絡模擬計算巖體強度指標

3 強度參數影響因素

結構面強度參數主要受充填物、充填物膠結狀態、面起伏度、面粗糙度、張開閉合狀態及跡長等因素的影響。

Hoek-Brown法和結構面網絡模擬法通過計算巖體強三度來獲得結構面強度指標。Hoek-Brown法計算巖體強度主要受巖塊單軸抗壓強度、地質強度指標(GSI)、材料常數、擾動系數、巖塊變形模量和巖體重度等因素影響,如圖5所示，計算不同邊坡高度巖體的強度指標，Hoek-Brown法目前國外工程多采用。結構面網絡模擬計算法考慮結構面產狀、結構面特性、測線角度等因素模擬計算巖體的強度指標,如圖6所示，目前多用于國內工程。

圖5 Hoek-Brown法計算巖體強度的影響因素

圖6 結構面網絡模擬法計算巖體強度的影響因素

4 工程應用

4.1 開挖邊坡定位塊體穩定性計算

巴基斯坦某水電站交通洞進口上部邊坡巖性主要為綠泥石片巖、石英云母片巖和變質泥質粉砂巖，強風化狀，主要發育三組結構面，且以陡傾角結構面為主，陡傾角結構面傾角為71。，邊坡開挖后傾角73。，如圖7所示。

圖7 結構面及邊坡赤平投影圖

洞口上部邊坡為Ⅳ類，且邊坡開挖后由上述三組結構面組合形成定位塊體,如圖8所示，通過室內試驗和Hoek-Brown法獲取主要結構面的強度參數，計算結果塊體安全系數為1.5，處于基本穩定狀態。由于邊坡開挖后長期未進行支護，導致該塊體發生滑動破壞，塊體滑動前后的對照圖見圖9。

圖8 塊體模型

圖9 邊坡塊體滑動前后狀態對照圖

該案例邊坡塊體由基本穩定狀態至產生滑動，說明邊坡開挖后結構面的強度指標隨應力的釋放會減小，致使邊坡穩定性重分配，也充分說明了邊坡開挖后，應對松散塊體和關鍵塊體進行及時清除和支護，以防止失穩，影響工程安全。

4.2 自然邊坡隨機塊體穩定性計算

云南某雙曲拱壩水電站工程壩址區左、右岸邊坡巖性以玄武巖、熔巖為主，主要發育4組結構面，一組為陡傾角，三組為緩傾角，見圖10和表3。左、右岸邊坡穩定性對隨機塊體的分析，采用結構面網絡模擬計算不同測線方向的巖體強度，結合經驗值獲取主要組成隨機塊體結構面的強度指標，進而計算隨機塊體的破壞形式和穩定性。

圖10 兩岸邊坡結構面分組

表3 結構面優勢產狀

對壩址區兩岸結構面進行編錄，建立結構面特性指標數據模型，對兩岸壩址區結構面發育形態進行模擬，得到不同測線方向壩址左、右岸邊坡結構面網絡模擬圖，并計算出巖體強度參數(圖11、圖12和表4)，進而計算結構面組合形成主要塊體類型的穩定性。

圖11 結構面特性指標數據模型

圖12 壩址左、右岸邊坡結構面網絡模擬圖

由表4可知，結構面網絡模擬計算巖體的強度指標與測線方向有關；巖體強度與結構面間距成正比，與跡長成反比，且跡長對巖體強度的影響要比間距大。

表4 結構面網絡模擬巖體力學參數

本工程壩址區左右岸邊坡塊體組合形式主要有4種,如圖13所示，其中塊體1和3的安全系數偏低小于1.5，屬于關鍵塊體，工程施工應予以重視。

圖13 兩岸邊坡形成塊體的類型

5 結語與建議

(1)塊體穩定性計算強度指標的獲取宜結合工程特性判別是定位塊體還是隨機塊體，不同類型的塊體其強度指標的獲取方法亦不相同。

(2)結構面強度指標的獲取應與巖體和結構面實際狀態相符，充分考慮影響結構面強度指標的各項影響因素，能合理評價塊體穩定性計算的結果；控制型結構面對塊體的穩定性起關鍵作用，應重點關注。

(3)建議計算開挖邊坡塊體的穩定性應考慮時效性，邊坡開挖后結構面狀態隨巖體應力釋放而變化，結構面強度指標亦隨之變化。