黄山某岩质高边坡稳定性分析与评价

刘一强 朱杭琦

摘 要：在山区建设中，岩质边坡普遍出现，因此分析岩质边坡的稳定性尤为重要。黄山某岩质边坡勘察，采用极射赤平投影法、力学计算法分别对该岩质边坡稳定性进行定性分析和定量计算，并利用FLAC3D数值模拟法进行验证。结果表明：该岩质边坡整体较稳定，但因L1、L2两组节理面与岩层面组合成楔形体，在不利条件下，易沿 L2节理面向下滑动，破坏模式为滑塌式。数值模拟验证了该边坡在天然工况下处于稳定状态，在暴雨工况下处于欠稳定状态。

关键词：岩质边坡;极射赤平投影;力学计算;FLAC3D数值模拟

Abstract： In mountain area construction， rocky slopes are common， so it is particularly important to analyze the stability of rocky slopes. In the survey of a rock slope in Huangshan， the paper uses the polar erythroscopic projection method and mechanical calculation methods to qualitatively analyze and quantitatively calculate the stability of the rock slope， and then uses FLAC3D numerical simulation method to verify. The results show that the rock slope is relatively stable as a whole. However， because of the two sets of joint planes L1 and L2 combined with the rock layer to form a wedge-shaped body， it is easy to slide along the L2 joint plane under unfavorable conditions. And the failure is expected to be a slump mode. Through numerical simulation， it is verified that the slope is stable under natural conditions and unstable under heavy rain conditions.

Keywords： rocky slope; polar equatorial projection; mechanical calculation; FLAC3D numerical simulation

近年来，随着国民经济的快速提升，基础设施建设发展迅速，尤其是山区建设项目层出不穷。而山区地质条件复杂，地形起伏变化大，工程建设及环境整治中往往会遇到自然山体陡坡、陡崖及场地挖填方形成的各类人工切坡，其中岩质边坡作为一种主要的边坡类型频频出现，因此对边坡实施有效的防护和治理是避免滑坡、崩塌等地质灾害，保证场地稳定性的重要工作，边坡稳定性分析作为这项工作的依据和前提，一直以来都受国内外学者关注。

岩质边坡变形破坏与地形、地质构造、岩体结构、岩性、岩石风化程度、水的作用、地震及人类工程活动等因素相关，斜坡岩体的失稳与破坏主要受岩体内结构面的控制，它们之间的空间分布位置、组合关系（包括边坡的产状）和结构面的物理力学性质等，对边坡的稳定性都起着至关重要的作用（韩颖，2006）。目前，分析岩质边坡稳定性的方法主要有定性分析法、定量分析法和非确定性分析法。其中，定性分析法主要有历史成因分析法、工程类比法和图解法（高丙丽等，2005;刘建东等，2004;吴绍强，2009）;定量分析法主要有极限平衡分析法和数值分析法;非确定性分析法主要包括可靠性分析、模糊数学理论、随机过程方法以及灰色系统预测滑坡失稳分析方法。在众多的分析方法中，尤以极限平衡分析法和数值分析法（邬爱清等，2008;张玉灯，2008;赵尚毅等，2003）比较常见，特别是随着计算机技术的发展，利用有限元FLAC3D、離散元UDEC、块体理论DDA等数值模拟技术建立模型，结合位移场及应力场，得到边坡稳定的安全系数的方法大量应用在实践工作中。

本文以黄山某岩质边坡为例，在工程地质勘察的基础上，首先利用赤平投影法反映各结构面的空间组合形式，定性分析该边坡可能出现的破坏形式，再结合计算，定量分析其稳定性，最后利用数值模拟软件FLAC3D建立模型，验证分析结果，并对该边坡提出有效的支护建议，研究方法对山区建设项目的岩质边坡稳定性分析与评价具有一定的指导意义。

1 工程概况

东黄山国际小镇基础设施项目位于安徽省黄山市黄山区谭家桥镇，该项目包含道路、桥梁等工程。拟建滨河路为城市次干路，全长约1764 m。其中K1+635～K1+680段为路基上方的高陡斜坡。该斜坡近直立，走向35°～138°，方位角约222°～225°，上边缘高程230～245 m，坡脚地面高程约202 m，高差28～42 m（图1）。

该斜坡发育寒武系西阳山组灰岩，青灰色，隐晶质结构，中厚层状构造，局部具微层理，主要由碳酸盐矿物组成。节理裂隙发育，结构面结合好—一般，岩石饱和单轴抗压强度为29.50～65.20 MPa，坚硬程度为较坚硬—坚硬岩。岩芯较完整，发育方解石脉体，夹钙质页岩，钻孔岩芯有少量溶蚀现象，取芯率约92%～93%。岩层产状为3°∠48°～6°∠50°，层面无充填，结合好;岩体发育有两组节理，产状分别为：116°∠24°～105°∠32°（NE为主）和221°∠63°（SW），呈微张—密闭状，未见充填物。

K1+635～K1+680段路基上方的高陡斜坡概化工程地质剖面图见图2。

2 边坡稳定性分析

根据地质勘察报告，拟建滨河路K1+635～K1+680段岩质高斜坡为层状斜向结构岩质边坡，边坡岩体类型为Ⅲ级;边坡高度约为35 m，边坡离路基较近，且近乎直立，对新建道路存在一定的安全风险，需对该边坡进行稳定性分析，以期采取相应的治理措施，保证工程安全，边坡工程安全等级可按二级考虑。

采用极射赤平投影法定性分析边坡的稳定性及其破坏形式，在此基础上采用力学计算法定量评价该岩质高斜坡的稳定性。

2.1 定性分析——极射赤平投影法

（1）极射赤平投影理论简介

极射赤平投影简称赤平投影，它主要用线和面的方向、相互间的角距关系及其运动轨迹，把物体三维空间的几何要素（线、面）反映在投影平面上进行研究处理（李忠权等，2013）。利用赤平投影的原理，通过分析结构面或者结构交线的倾向与坡面倾向的关系，确定边坡稳定性。

（2）极射赤平投影分析

通过现场地质调查测得典型岩层面（YM）产状6°∠50°，坡面（PM）坡向225°坡角80°，节理面1（L1）产状116° ∠24°，节理面2（L2）产状221°∠63°，作赤平极射投影图，如图3。

由图3可知，高陡斜坡岩层产状与坡面呈反向斜交关系，层面与坡面斜交，倾向夹角141°，角度较大，因此斜坡整体处于较稳定状态，但局部不利结构面的组合可形成危岩体。

经赤平投影分析可知，L1节理面倾向与坡面倾向斜向，倾向夹角109°，易形成层面与节理组成的楔形体;L2节理面倾向与坡面倾向同向，倾向夹角4°，坡脚切断后易产生沿节理面的顺层滑动;L1、L2结构面组合交线倾向于坡内（交点在斜面BM1的内侧），说明L1、L2结构面组合形成的楔形体不易掉落。

综合分析判定，K1+635～K1+680段路基上方的高陡斜坡整体较稳定，但因L1、L2两组节理面与岩层面组合切割楔形体形成危岩体，在不利条件下，易沿节理面L2节理面向下滑动，破坏模式为滑塌式，道路边坡可能发生崩塌地質灾害。

2.2 定量分析——边坡稳定性计算

（1）边坡稳定性评价计算模型

根据场地工程地质、水文地质特征，以及2.1节结构面赤平投影分析，结合类似场地的经验以及边坡可能破坏的模式，采用楔形体滑动法计算。根据GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》，边坡稳定性系数按下式计算：

其中：Fs为边坡稳定性系数;N1、N2分别为两结构面对楔形体的支持力;θ为两结构面交线的倾角;γ为楔形体的容重;L为楔形体的长度;Ф为结构面内摩擦角;c为结构面的黏聚力;α，β分别为结构面与水平面的夹角。

（2）边坡稳定性计算参数建议值

根据室内试验、野外地质调查及当地经验综合考虑，边坡稳定性计算的参数选用见表1。

（3）边坡稳定性计算结果

按楔形体滑动法进行边坡稳定性计算，利用理正岩土软件，对L1、L2及YM组成的楔形体按照楔形体理论计算边坡稳定安全系数。

计算结果显示，在一般工况下，边坡稳定安全系数Fs'=1.42;地震工况下，边坡稳定安全系数Fs"=1.27。根据GB 50330-2013《建筑边坡工程技术规范》中的规定，该岩质高边坡（二级），一般工况下稳定安全系数Fs=1.30，Fs'>Fs;地震工况下稳定安全系数Fs=1.10，Fs">Fs。因此，该边坡处于稳定状态。

3 基于FLAC3D的数值模拟验证

3.1 模型概况

在进行边坡数值建模时，可以选择二维或三维模型，采用二维模型可以显著地提高计算效率，但是二维计算模型无法考虑空间范围内被结构面控制的边坡形态特征，采用ansys进行建模，借鉴其强大的前处理功能，可建立被结构面控制的边坡三维数值模型，在ansys里面划分网格，并借助网格转换插件，最终导入到FLAC3D中。根据概化工程地质剖面图，建立数值计算模型，如图4所示，尺寸长74.4 m，宽20 m，高58 m，共划分网格11201个，节点数2650个。

3.2 确立边界条件

为避免计算中产生边界效应引起误差，本次数值计算约束边坡底面4个角点3方向位移均为0，边坡两侧面固定，计算中除了底面和两侧面，均允许边坡产生3方向位移，可较真实模拟在自重作用下被结构面控制的边坡稳定性特征。

3.3 结果分析

主要针对天然工况和暴雨工况两种模式展开数值模拟，分析应力分布特征及边坡稳定状态。

（1）天然工况

从图5可以看出，边坡最大主应力符合一般边坡应力状态分布，边坡主应力数值从边坡坡表到边坡内部逐渐降低，但在边坡不同坡段拐角处，边坡受力不均匀，边坡出现应力集中现象，其中最大主应力出现在被结构面控制的楔形体处，达到83 kPa，楔形体处存在明显的受力不均匀情况。

边坡在天然状况下稳定性系数大小和位移云图如图6所示，经计算，稳定性系数等于1.46，边坡整体处于稳定状态，其中边坡最大位移出现在楔形体处，边坡其他部位位移接近为0。

由前分析可以得到，边坡可能发生破坏的区域为楔形体部分，计算边坡楔形体在天然状况下的剪应变增量以及可能发生破坏的方向如图7所示，可以看出，楔形体最大剪应变增量分布区域位于楔形体与坡面接触的位置，根据可能破坏的速度方向可以知道，楔形体可能发生滑移破坏。

（2）暴雨工况

暴雨工况下，边坡最大主应力如图8所示，从图8中可以得到，边坡最大主应力分布与天然工况下相似，所不同的是，边坡最大主应力数值相对较小，达64 kPa，但在楔形体附近出现更大面积的应力集中现象，可能破坏的面积相对天然工况下更大。

暴雨工况下，边坡稳定性位移云图如图9所示，其稳定性系数明显小于天然工况，数值为1.02，处于欠稳定状态，这是因为降雨入渗下，边坡稳定性参数相对较小，在自重和降雨作用下容易发生破坏，可能发生破坏的最大变形量出现在楔形体处。

暴雨工况下，楔形体剪应变增量如图10所示，相比天然工况下，暴雨工况下楔形体最大剪应变增量更大，图中箭头长短表示楔形体变形速度的大小，其方向表示楔形体破坏的方向，可以得到，可能的最大变形速度较天然工况下更大，最大变形速度出现在楔形体与边坡相交的平面处，根据可能破壞的速度方向可以知道，楔形体可能沿着节理面L2发生平面滑移破坏。

综上所述，该边坡在数值模拟计算中表明其天然工况下处于稳定状态，但其楔形体存在滑移破坏的可能。而在暴雨工况下，边坡处于欠稳定状态，其稳定性系数明显小于天然工况，并且楔形体附近出现了更大面积的应力集中现象，最大剪应变增量也相较更大，根据可能破坏的速度方向可知，楔形体较大可能沿着节理面L2发生平面滑移破坏。

4 结语

（1）赤平投影法可定性分析岩质边坡可能的破坏形式，力学计算可定量分析岩质边坡的稳定性，再利用数值模拟技术，可有效开展岩质边坡稳定性的综合分析及评价。

（2）赤平投影结果表明，该岩质边坡整体处于稳定状态，但因L1、L2两组节理面与岩层面组合可形成危岩体，易发生滑塌式崩塌地质灾害。

（3）根据楔形体滑动法计算公式，得出稳定性系数为1.42，大于规范中的安全系数，说明边坡处于稳定状态。

（4）基于FLAC3D边坡稳定性分析得出天然工况下边坡处于稳定状态，这一模拟结果与上述两种方法吻合，从而验证了分析方法的准确性。暴雨工况下边坡处于欠稳定状态，其稳定性系数明显小于天然工况。

（5）边坡岩体易发生局部崩塌，可对新建道路行车安全形成较大隐患，建议采取适当削坡减小坡度，清除斜坡上的松动楔形体危岩体，对局部危岩体锚固，并做好坡体和坡面排水，对其已有坡面泉水通过设置管道、截排水沟等设施消除其对斜坡稳定性的不利影响。

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