基于巖體質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)的邊坡穩(wěn)定性分析
——以遼寧寬甸地區(qū)下河口—拉古哨路段為例

顏翔錦，黃 偉，任傳濤

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局牡丹江自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 牡丹江 157000

0 引言

不穩(wěn)定的天然斜坡和設(shè)計(jì)坡角過大的人工邊坡，在巖體重力、土體重力、水體壓力、振動(dòng)力及其他外力作用下，常發(fā)生巖土崩塌或滑動(dòng)破壞［1］. 巖體崩塌或者山體滑坡的發(fā)生會(huì)給人類的生產(chǎn)生活帶來較重負(fù)面影響，例如交通問題、居民建筑的坍塌，還可能導(dǎo)致水流方向的改變［2］. 因此對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究十分有必要，既有利于地質(zhì)災(zāi)害的防治，又可以使人工邊坡的設(shè)計(jì)達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目的［3-6］.

研究區(qū)已經(jīng)完成了基礎(chǔ)地質(zhì)、礦產(chǎn)資源、水工環(huán)地質(zhì)、重要目標(biāo)體地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估等不同尺度和層面的地質(zhì)調(diào)查工作，積累了較為豐富的地質(zhì)成果資料. 為了調(diào)查下河口—拉古哨路段當(dāng)前邊坡穩(wěn)定情況，利用實(shí)地調(diào)查對(duì)野外邊坡做了大量分析和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其中有73%的邊坡穩(wěn)定性不強(qiáng)，其中一部分已經(jīng)出現(xiàn)了坍塌情況，另一部分出現(xiàn)坍塌的可能性較大. 對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析通常包括定性和定量?jī)煞N方法，其中定性分析的方法較多，例如極限分析法、類比法等. 除此之外，還有一些方法并不成熟，仍處于測(cè)試階段，例如灰色理論分析法等［7］.

1 工程地質(zhì)條件

1.1 自然地理

研究區(qū)位于遼寧省寬甸滿族自治縣的長(zhǎng)甸鎮(zhèn)，地處遼東低山丘陵地貌景觀區(qū)，東部為鴨綠江中下游的中朝邊境地帶，同時(shí)位于長(zhǎng)白山和千山兩大山脈之間，地勢(shì)具有西北部較東南部高的特點(diǎn). 通過資料收集調(diào)查發(fā)現(xiàn)，西北部最高海拔達(dá)1 336.1 m，東南部山地較多，多為300～500 m，平均海拔約400 m. 其中山地丘陵占地較多，盆地及河流占地面積較少，兩者間的比例可達(dá)到2∶1. 在氣候方面，寬甸縣屬于東亞季風(fēng)區(qū)，降水量較多，有明顯的四季對(duì)比，特別是冬夏兩季的季節(jié)氣候較為明顯，并且不同海拔不同緯度地區(qū)的氣候差別也較大［8］.

1.2 地質(zhì)環(huán)境

寬甸地區(qū)大地構(gòu)造處于華北板塊邊緣，地質(zhì)特征較為明顯，地層巖石主要包括古元古界遼河群高家峪組二段以及中生代早白堊世侵入巖（圖1）. 高家峪組二段以混合巖和片麻巖為主，早白堊世侵入巖主要為石英正長(zhǎng)巖和石英二長(zhǎng)巖［8］. 本次研究的巖體主要分布在鴨綠江下河口—拉古哨路段沿線，巖體在地質(zhì)歷史中曾遭受過多期構(gòu)造作用，受多條北東向斷裂控制，統(tǒng)稱為鴨綠江斷裂帶. 鴨綠江深部斷裂帶及其次生斷裂基本控制了本區(qū)構(gòu)造格局，具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征［8-9］.

圖1 研究區(qū)巖體分布圖Fig. 1 Distribution map of rock masses in the study area1—中侏羅世花崗巖（Middle Jurassic granite）；2—中侏羅世石英二長(zhǎng)巖（Middle Jurassic quartz monzonite）；3—中侏羅世石英正長(zhǎng)巖（Middle Jurassic quartz syenite）；4—混合巖（migmatite）；5—高家峪組石墨黑云鉀長(zhǎng)片麻巖（graphite biotite K-feldspar gneiss of Gaojiayu fm.）；6—野外調(diào)查點(diǎn)（field survey spot）

1.3 巖體質(zhì)量等級(jí)

根據(jù)工程地質(zhì)巖組劃分的原則，將下河口—拉古哨路段巖體劃分為侵入巖組和變質(zhì)巖組兩個(gè)小類. 侵入巖包括石英二長(zhǎng)巖和石英正長(zhǎng)巖兩個(gè)子類，變質(zhì)巖包括混合巖和片麻巖兩個(gè)子類［10］.

通過野外實(shí)地調(diào)查及室內(nèi)點(diǎn)荷載試驗(yàn)［11］，得出巖體工程地質(zhì)數(shù)據(jù)（表1）. 侵入巖組總體為微風(fēng)化，少數(shù)為中等風(fēng)化，總體為較完整，堅(jiān)硬程度總體為堅(jiān)硬；變質(zhì)巖均有不同程度的風(fēng)化，多為中等程度風(fēng)化，并且?guī)r體結(jié)構(gòu)破壞程度較重，屬于較硬巖—較軟巖. 通過分析可知石英正長(zhǎng)巖、石英二長(zhǎng)巖和混合巖巖體質(zhì)量等級(jí)較好，片麻巖巖體質(zhì)量等級(jí)較差［12］（表2）.

表1 巖體子類的基本質(zhì)量等級(jí)特征一覽表Table 1 Basic quality grade characteristics of rock mass subclasses

表2 下河口—拉古哨路段邊坡巖體質(zhì)量分級(jí)Table 2 Rock mass quality grading of the slope along Xiahekou-Lagushao road section

1.4 巖體力學(xué)參數(shù)

在巖體質(zhì)量等級(jí)分類上，常用的有RMR 和BQ 方法，RMR 巖體分級(jí)體系是Bieniawski 于1973 年建立的，其目的是對(duì)巖體的性質(zhì)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，并為巖體穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)提供依據(jù)［13］. 而BQ 分級(jí)法主要考慮的是巖塊的強(qiáng)度以及巖體的完整性［14］. 這兩種方法的最大特點(diǎn)就是可以綜合巖體中的影響因素，也正是因?yàn)榉旨?jí)方法較為相似，兩種方法在運(yùn)行過程中也有著一定相關(guān)性［15］，如以下公式，從式（1）中可利用BQ 得到RMR 的結(jié)果，而式（2）（3）則可計(jì)算巖體特性材料常數(shù)m、s［7］.

式（4）中σn代表巖體的法向應(yīng)力，τ 代表剪應(yīng)力，φ 代表摩擦角. 通過式中的計(jì)算情況可知法向應(yīng)力會(huì)對(duì)剪應(yīng)力造成影響，并可利用巖體的特性材料常數(shù)m 對(duì)σn和τ 數(shù)據(jù)擬合得到相應(yīng)的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角［7］（表3）巖石的內(nèi)聚力越低、內(nèi)摩擦角越小，則巖石的強(qiáng)度就越低，巖體的穩(wěn)定性就會(huì)變低，反之亦然［16］.

表3 各類巖體力學(xué)參數(shù)值表Table 3 Mechanical parameters of rock masses

2 邊坡失穩(wěn)模式分析

一般情況下，在判斷巖體是否會(huì)發(fā)生滑動(dòng)破壞現(xiàn)象時(shí)，會(huì)將巖體表面傾斜方向和坡向視為同向，當(dāng)其傾角度數(shù)處于巖體內(nèi)摩擦角和坡角度數(shù)之間時(shí)，其發(fā)生滑動(dòng)破壞的可能性較大［17］. 下河口—拉古哨路段坡向總體為南東向，對(duì)邊坡進(jìn)行節(jié)理面傾向和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面分析，其結(jié)果如圖2、圖3 所示. 玫瑰花圖（圖2）由31組巖體傾向數(shù)據(jù)制成，通過分析，測(cè)定的4 組均值數(shù)據(jù)（272°∠42°、290°∠46°、12°∠39°、153°∠52°）中，只有第四組的節(jié)理傾向和坡面傾斜情況相近，其余3 組的節(jié)理方向均與坡面方向相差較大［18］. 通構(gòu)造結(jié)構(gòu)面分析（圖3），其優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的方向與坡面相反，根據(jù)此結(jié)果得出發(fā)生滑動(dòng)破壞的可能性較小. 同時(shí)對(duì)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面和坡面的夾角進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果均不大于120°，以此判斷出現(xiàn)山體傾倒的幾率較?。?9］.

圖2 下河口—拉古哨路段節(jié)理面傾向玫瑰花圖Fig. 2 The rose diagram for joint plane dip directions of Xiahekou-Lagushao section

圖3 下河口—拉古哨路段構(gòu)造結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)統(tǒng)計(jì)圖Fig. 3 Polar point statistical diagram for structural planes of Xiahekou-Lagushao section

片麻巖巖體完整性程度總體為較破碎，局部風(fēng)化嚴(yán)重，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有顯著影響，故對(duì)于片麻巖組成的邊坡段，必須考慮風(fēng)化程度、節(jié)理發(fā)育程度與坡面的空間組合關(guān)系. 下河口—拉古哨路段全風(fēng)化片麻巖邊坡如遇強(qiáng)降雨等因素會(huì)發(fā)生滑動(dòng)破壞. 對(duì)該片麻巖巖體邊坡的傾角、節(jié)理和坡面角度進(jìn)行測(cè)定后，發(fā)現(xiàn)其傾角和坡面角度較大，同時(shí)節(jié)理密集，以此判斷其可能出現(xiàn)的危象為崩塌［20］.

3 結(jié)論

1）經(jīng)巖體質(zhì)量分級(jí)，有3 種巖體的質(zhì)量等級(jí)較高，其BQ 值大于440 小于550，分別為石英二長(zhǎng)巖、石英正長(zhǎng)巖及混合巖.

2）石英二長(zhǎng)巖、石英正長(zhǎng)巖、混合巖和片麻巖巖體優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面與坡面的夾角均小于120°，出現(xiàn)巖體傾倒的幾率較小.

3）石英二長(zhǎng)巖、石英正長(zhǎng)巖和混合巖巖體節(jié)理對(duì)邊坡失穩(wěn)破壞的影響較?。黄閹r的巖體質(zhì)量等級(jí)較低，其風(fēng)化等級(jí)較高且節(jié)理發(fā)育較好，降低了邊坡的穩(wěn)定性，巖體有可能發(fā)生滑動(dòng)破壞.

4）下河口—拉古哨路段巖體風(fēng)化程度、完整性和巖體結(jié)構(gòu)面的節(jié)理發(fā)育情況對(duì)邊坡的穩(wěn)定程度尤為重要. 當(dāng)某邊坡穩(wěn)定程度受到影響時(shí)，其影響因素存在較多情況，需進(jìn)行實(shí)地勘測(cè).