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广东丘陵地区某岩质边坡稳定性分析及破坏机理研究

2024-11-21 1 上传者：管理员

摘要：以广东丘陵地区某岩质边坡为例，采用定性和定量分析方法进行边坡稳定性分析及破坏机理研究。分析发现，定量分析中数值极限分析结果略高于刚体极限平衡法分析结果；通过现场采样，室内实验获得的土体基本物理力学参数普遍偏低，计算所得安全系数偏低；对边坡稳定性敏感因素c、φ、γs进行分析，总体而言φ值对边坡稳定性的影响较大。通过提高地下水位线的方式模拟暴雨工况，模拟分析结果偏低，过于保守，对后续边坡的防治易造成浪费。采用迈达斯SoilWorks软件，对边坡在暴雨工况下的降雨入渗情况进行分析，其结果显示暴雨工况下雨水入渗深度和边坡孔隙水压力变化均有限，这与实际情况基本相符。对于遇水易软化的岩质边坡，降雨因素对边坡稳定性影响较大，当降雨强度大于雨水入渗速率，在持续暴雨条件下，该类岩质边坡易发生由坡顶破坏引发的崩塌型破坏。

关键词：
岩质边坡
敏感因素
渗流分析
破坏机理
边坡稳定性
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地质灾害因区域气象条件、地形地貌、地质构造及坡体植被覆盖程度、人类工程活动特点、地层岩性、岩土结构等存在区域性差异，开展区域性质的地质灾害防治研究对于全面、系统掌握地质灾害隐患，及时采取合理有效的防范措施具有重要意义。本文以广东丘陵地区某破碎岩质边坡为例，采用不同的分析方法对破碎岩质边坡进行稳定性分析和破坏机理研究，研究成果对进一步开展广东丘陵地区边坡防治研究工作具有重要意义。

1、工程概况

项目所在山体位于广东丘陵地区某市市中心，整山平面面积约31 400 m2，外围周长约1 km。山顶被开发建成了文化体育公园，山脚四周被削坡建造了民房、学校和工厂，原始山体地形地貌受到破坏，四周形成高度2～24 m的边坡，先后有10处发生崩塌型地质灾害，已治理1处，目前有9处需要治理，治理范围总长约577 m。边坡按走向位置、高度，划分为6段进行设计治理。KLM段为其中较复杂的一段，边坡高陡且坡脚距居民建筑物很近，坡脚居民活动频繁。该段边坡潜在崩塌、滑坡的发育程度中等～强，潜在危害程度大，为本次分析研究段边坡。

2、边坡坡体基本特征

KLM段边坡长约90 m，坡高10～24 m，坡度较陡，坡角50～66°，局部达80°。边坡总体走向北偏西，总坡向55°，坡面多呈直线型。坡体主要由强风化泥质粉砂岩组成，坡脚距建筑物1.0～3.0 m不等。勘查期间，该段边坡钻探深度30.2 m范围未见地下水（孔口高程31.21 m，坡脚地面高程8.84 m）。根据其他区段钻孔资料，稳定水位埋深介于坡脚地面以下2.9～5.5 m。该段边坡岩层产状180°∠20°，发育4组不同的构造节理裂隙，节理特征见表1。

表1 节理特征表

3、边坡稳定性分析及破坏机理研究

3.1 定性分析

工程上常采用的边坡稳定性分析方法包括定性分析法和定量分析法。本次采用赤平投影法对KLM坡段进行平面破坏、楔体破坏和倾倒破坏的定性分析，结构面赤平投影采用吴氏网等角度下半球投影。分析建模采用的地质剖面如图1所示，赤平投影分析结果如图2所示。

图1 KLM坡段地质剖面图

从赤平投影分析图（图2）可见，KLM坡段存在不利于边坡稳定的结构面，当坡角达到70°时，边坡沿节理面2与3交割线发生楔体破坏的可能性大，边坡不稳定；当坡角达到80°时，边坡沿节理面2与3交割线、3与4交割线发生楔体破坏的可能性大，边坡不稳定。此外，由图2可知KLM坡段发生平面破坏和倾倒破坏的可能性不大。平面破坏和倾倒破坏的分析结果与实际边坡的破坏形式有误差，分析原因主要是赤平投影分析未考虑岩体风化、破碎程度及外界影响因素，如降雨、地震等的影响。

3.2 定量分析

对该段边坡的定量稳定性分析，采用迈达斯SoilWorks软件和理正边坡综合治理软件进行模拟分析，计算模型根据实测地形、钻探揭露和野外实地调查进行坡面控制和岩土体层位推断，地下水采用钻孔揭露水位结合地形推断。计算工况：自然工况I，边坡处于天然状态下的工况；暴雨工况II，边坡处于暴雨或连续降雨状态下的工况（按土体饱和状态分析）。采用的岩土层物理力学计算参数见表2。自然工况下的分析结果如图3所示。

从分析结果和实际边坡稳定性情况来看，自然工况下边坡处于基本稳定状态，而采用实验数据进行边坡稳定性模拟分析，分析结果均显示边坡处于不稳定状态，由此可见实验数据明显偏低。分析原因：一是尺寸效应问题，二是取样、实验方法问题。例如，岩土体抗剪参数在室内实验过程中受剪面积有限，忽略了岩土体的整体性，实验数据往往偏低。此外，从分析结果还可以看出数值极限分析方法（SRM）分析结果略高于刚体极限平衡法（简化Bishop法）分析结果。

此外，为研究各参数对边坡稳定性分析结果的影响程度，对边坡稳定性敏感因素进行分析，分析范围c=20.3～38.3 kPa，φ=14.7～32.7°，γs=18.5～23.0 kN/m3。敏感系数计算基准值：c=28.3 kPa，φ=16.7°，γs=19.0 kN/m3，分析结果见表3—表5。

图2 KLM坡段结构面赤平投影分析图

表2 土体基本物理力学参数

图3 自然工况下边坡稳定性分析结果

由上述敏感因素分析结果来看，c值敏感系数约为31.7%，φ值敏感系数约为58.1%,γs值敏感系数约为11.1%，总体而言φ值对边坡稳定性的影响较大。

上面对自然工况下边坡的稳定情况进行了分析，对于暴雨工况，工程上常用的简单模拟方式是通过直接提高地下水位实现。对于受地下水位影响较大的边坡，这种方式分析得到的边坡稳定性结果比较接近实际，但对于地下水位基本维持在坡脚标高以下的边坡，通过提高地下水位模拟暴雨工况与实际情况有较大差异。为进一步分析地下水位对边坡稳定性的影响，笔者采用理正岩土边坡稳定分析系统，通过设置不同的地下水位方式进行暴雨工况模拟分析，参数采用2号力学参数，结合现场地质情况通过软件分析确定最危险滑动面，分析结果如图4所示。

表3 敏感因素c分析结果（φ=16.7°，γs=19.0/（kN·m-3))

表4 敏感因素φ分析结果（c=28.3 kPa,γs=19.0/（kN·m-3))

表5 敏感因素γs分析结果（c=28.3 kPa，φ=16.7°）

图4 边坡稳定性分析结果图

从图4的分析结果可以看出，随着地下水位的不断上升，边坡稳定性安全系数在不断降低，边坡失稳的概率大大增加。由此可见地下水位的影响远远大于其他因素的影响。而实际上，从收集到的钻孔资料来看，山体边坡稳定水位一般低于坡脚标高。在边坡经历过多次台风、暴雨天气后，边坡局部发生了崩塌型边坡失稳，而没有如理论分析那样发生深层滑坡破坏。由此可见，通过提高地下水位方式模拟暴雨工况所得的安全系数偏低。

为进一步分析暴雨对边坡稳定性的影响，笔者采用迈达斯SoilWorks软件中的渗流模块和边坡稳定性分析模块对边坡在暴雨工况下的降雨入渗情况和边坡稳定性情况进行分析，结果如图5—图7所示。

图5 边坡孔隙水压力变化云图

图6 边坡饱和度变化云图

在模拟暴雨工况对边坡稳定性的影响时，笔者按项目当地历年来的最大降雨强度155.9 mm/d进行模拟，土体的非饱和渗流特性采用V-G模型。从图5、图6可以看出，极端强降雨条件下雨水入渗深度和边坡孔隙水压力变化均有限，这与实际情况基本相符，也与一些学者[1-10]对其他地区边坡降雨入渗的研究结论相似。对比自然工况下边坡稳定性分析结果（图3）与暴雨工况下边坡稳定性分析结果（图7）可以看出，暴雨工况下边坡稳定性分析结果降低，但降低幅度不大。

此外，通过对暴雨工况的模拟分析，可以看出随着雨水的入渗，边坡浅部土体重度在逐渐增加，土体逐渐从不饱和变为饱和状态，这使得边坡的下滑力增大，类似于增加了额外荷载，降低了边坡浅部稳定性。从边坡的岩土体特性分析，泥质粉砂岩具有遇水易软化的特点，这是广东丘陵地区许多边坡岩土体具有的一个特性，现场崩塌下来的岩块手捏即碎。所以随着降雨的持续进行，边坡浅部岩土体基质吸力消失，抗剪强度降低[4]，边坡稳定性降低。从土体的非饱和渗流特性来看，雨水入渗深度有限，当降雨强度大于雨水入渗速率，在持续暴雨条件下，坡顶会产生大量积水，坡顶荷载增加，坡面径流增大，边坡冲刷现象明显，在持续暴雨条件下，对于土质边坡易造成坡面严重冲沟的结果[1]，对于泥质粉砂岩这类遇水易软化的岩质边坡则容易造成由坡顶破坏引发的崩塌型破坏。

图7 暴雨工况下边坡稳定性分析结果

4、结论

依托广东丘陵地区某岩质边坡项目，从定性、定量分析的角度分析讨论了边坡的稳定性及破坏机理。分析探讨结果表明如下。

1）对于岩质边坡，可以采用赤平投影法对边坡沿节理面或节理交割线发生平面破坏、楔体破坏和倾倒破坏的可能性进行分析，初步判断边坡的稳定性情况。但因为在分析过程中未考虑岩体风化、破碎程度及外界影响因素等，往往结果与实际存在一定误差。

2）在对边坡稳定性进行定量分析时，采用试验数据、工程经验数据和软件数据库提供的参考数据，分别采用2种方法开展分析研究，发现数值极限分析结果略高于刚体极限平衡法分析结果。此外，对坡率相同的同一边坡，对边坡稳定性敏感因素c、φ、γs进行分析，总体而言φ值对边坡稳定性的影响较大。

3）边坡稳定性定量分析中，对暴雨工况的简单模拟通常采用提高地下水位线的方式，该方式对于地下水位通常低于坡脚标高的山体边坡而言，分析结果往往偏低，过于保守，对后续边坡的防治设计、施工治理可能会造成一些浪费。

4）从土体的非饱和渗流特性来看，雨水入渗深度有限，当降雨强度大于雨水入渗速率，在持续暴雨条件下，对于土质边坡易造成坡面严重冲沟的结果，对于风化岩质边坡则容易造成由坡顶破坏引发的崩塌型破坏。这也说明了为什么在采用定量法分析边坡稳定性时，分析结果中均显示坡脚塑性变形最大，是最容易破坏的地方，但实际上由坡顶破坏引发的崩塌型边坡失稳要先于由坡脚破坏引发的深层滑坡。

5）对于遇水易软化的岩质边坡，降雨因素对边坡稳定性影响较大，除此以外，影响边坡稳定性的因素还包括地形地貌、地层岩性、岩土结构、地质构造、坡体植被覆盖程度及人类工程活动特点等。

参考文献:

[1]潘俊义,侯大勇,李荣建,等.不同雨强下黄土边坡降雨入渗测试与分析[J].工程地质学报,2018,26(5):1170-1177.

[2]刘果果,吴礼舟.非饱和成层土一维降雨入渗水力耦合分析[J].水电能源科学,2015,33(7):66-70.

[3]豆红强,谢森华,王浩,等.降雨条件下球状风化花岗岩类土质边坡渗流特性与稳定性分析[J].工程地质学报,2023,31(2):638-649.

[4]周玮,闵望,喻永祥,等.宜兴牛犊山某高边坡降雨条件下饱和-非饱和边坡稳定性分析[J].工程勘察,2023,51(1):7-12.

[5]胡华,吴轩,张越.基于降雨滑坡模拟试验的花岗岩残积土边坡破坏模式分析[J].厦门大学学报(自然科学版),2021,60(6):1098-1102.

[6]杜忠原,葛忻声,仝飞.不同降雨条件下高边坡的稳定性分析[J].科学技术与工程,2021,21(30):13039-13045.

[7]马蓓青,杜玉鹏,王怀星,等.持续降雨条件下黄土边坡稳定性试验研究[J].水土保持学报,2021,35(5):50-56.

[8]邵珠山,赵南南,吴奎,等.多层土质边坡降雨入渗过程及稳定性分析[J].应用力学学报,2021,38(3):981-991.

[9]曾昌禄,李荣建,关晓迪,等.不同雨强条件下黄土边坡降雨入渗特性模型试验研究[J].岩土工程学报,2020,42(S1):111-115.

[10]年庚乾,陈忠辉,张凌凡,等.边坡降雨入渗问题中两种边界条件的处理及应用[J].岩土力学,2020,41(12):4105-4115.