超高岩质边坡安全性评价及防护措施研究

李新乐，隋惠权，窦慧娟

(大连民族学院土木建筑工程学院辽宁大连 116605)

超高岩质边坡安全性评价及防护措施研究

李新乐，隋惠权，窦慧娟

(大连民族学院土木建筑工程学院辽宁大连 116605)

超高型岩质边坡安全性受到诸多因素的影响。针对一工程实例，采用平面分析法研究了影响高大边坡安全的影响因素。分别考虑了常遇状态、降雨影响、地震作用及最不利组合情况下，高大边坡的稳定性系数的变化趋势，并与规范进行对比，计算结果表明，降雨和地震作用将显著降低超高型边坡的安全性。最后，根据计算结果对此类边坡的防护给出了设计建议。

超高边坡;平面滑动法;安全系数;防护措施

在很多工程建设中都会遇到岩石边坡，同时，由于工程需要，边坡高度越来越大，高边坡的稳定也越来越成为工程建设面对的问题。众所周知，岩体常被各种方位的地质结构面切割成不同形状的块体，因此，工程实践中所遇到的岩坡多为岩块所组成。在一般情况下，结构面的强度远低于完整岩体的强度，岩坡中结构面的规模、性质及其组合方式在很大程度上决定着岩坡失稳时的破坏形式。结构面的形状或性质稍有改变，则岩坡的稳定性将会受到显著的影响。另外水文气象条件也是影响高大边坡稳定的重要因素。

本工程是大连市甘井子区革镇堡街道榆山矿坑边坡工程，位于大连市甘井子区革镇堡镇棋盘村土羊高速公路机场出口南侧约100 m，系采石场采掘石灰石岩形成的深坑。该边坡工程场地深坑呈南北长轴椭圆形，经人工开山凿岩形成，坑底最低标高为11.05 m，坡顶最高标高为79.2 m。沿场区外边线分别形成椭圆形的人工岩质高边坡，边坡长约1.61 km，边坡高度约16～49 m，甚至部分区域已达到50 m以上，平均坡高32.5 m以上，是典型的高大(超高)型边坡。

该边坡岩层是石灰岩，层面大体呈平直状。经地调查明，厚层灰岩有泥质结构及砂质结构，板理构造一般呈薄层状，局部呈中厚层状。裂隙在本高边坡岩体中均较发育，延伸较长，互相切割导致坡体呈碎裂结构，裂隙面均较平直光滑，裂隙间少量见明显张开和夹泥现象，基本上属结合差的硬性结构面，导致山体有较严重的掉块及崩塌现象。裂隙发育，岩体切割成巨块状。该场地是以灰岩为主的丘陵区，属边坡不稳定区。褶皱、断裂构造发育，灰岩层面之间的钙质板岩遇水极易软化。

1 分析模型建立

边坡稳定性分析方法大致可以分为以下几类:定性分析方法、定量分析方法、非确定性分析方法、物理模拟方法。定量分析法就是在定性分析的基础上对边坡稳定性进行量化计算，得出稳定安全系数。其基本研究内容是基于力学分析和物理上的合理性要求，求解抗滑稳定的最小安全系数和确定对应于最小安全系数的滑动面的位置。边坡抗滑稳定分析的定量计算方法成果很多，主要有极限平衡法、极限分析法和有限元法。目前常用的二维极限平衡分析方法有:瑞典法、简化 Janbu法、Bishop简化法等，区别主要在于条间力假设。这些方法都是假定滑体各分条块在某种条件下(超载或材料强度折减)在剪切面上都达到极限平衡状态，并将超载倍数或强度折减的系数定义为边坡稳定的安全系数。

本工程采用工程上应用较多的成熟软件理正岩土软件进行安全性分析，该软件采用极限平衡法(简单平面滑动稳定分析法)进行岩质边坡分析，可以考虑张裂缝、裂隙水、外荷载、地震等外部作用对岩质边坡稳定的影响，同时也可进行锚杆等支护措施效果的研究。

1.1 计算原理

简单平面(二维滑动体，滑裂面为直线)稳定性分析简图如图 1［1］。

图1 简单平面滑动分析简图

平面滑动分析基本假定:

(1)滑动面及张裂缝的走向平行于坡面。

(2)张裂缝垂直，其中充水深度为Zw。

(3)水沿张裂缝底进入滑动面渗漏，张裂缝底与坡趾间的长度内水压力按线性变化至零(三角形分布)。

(4)滑动体重量为W、滑动面上水压力为U，张裂缝中水压力为V，三个均通过滑体的重心，即假定岩块转动力矩为零，破坏只是由于滑动。

潜在滑动面上的安全系数，可按极限平衡条件求得，这时安全系数KS等于总抗滑力与总滑动力之比，即:

式中，L为滑动面长度(m)，C为粘聚力(kPa)，φ为内摩擦角(°)，即

W按下列不同情况进行计算:

1.2 岩体参数的选取

在勘探控制深度范围内，揭露的地层为新元古界震旦系营城子组含砾屑砂，属灰岩、层纹灰岩夹叠层石灰岩、钙质灰岩，根据风化程度分为以下三层。①强风化灰岩:褐黄色，裂缝发育，岩芯呈碎块状。该层分布于场地低丘陵顶部，揭示厚度4.0～18.0 m。②中风化灰岩:黄褐色，泥质结构，层状构造，节理裂隙发育，局部夹石英砂岩，岩芯呈柱状、短柱状，风化呈块状。该层为较软岩，遇水易软化，是场地边坡稳定性控制的主要岩层，分布连续，厚度在10.0～30.0 m。③微风化灰岩 :青灰色、灰黑色，泥质结构，层状构造，节理裂隙比较发育，裂面呈褐色，局部夹石英砂岩，岩芯呈块状、短柱状，属于软岩。岩体基本质量等级为Ⅳ级，为边坡稳定性控制的主要岩层。揭露厚度在10.0 ～30.0 m。

根据部分土工试验及地区经验［2－3］，提出如下边坡稳定性验算指标的推荐值，见表1和表2。

表1 边坡稳定性验算指标推荐值

表2 边坡稳定性验算指标推荐值(中风化岩类结构面)

2 高边坡安全性评价

本文主要对该工程矿坑东侧高边坡区域进行稳定分析。开挖边坡为南北走向，倾向东，岩层倾向北东，山体开挖形成顺向坡，加之山体岩体内所夹薄钙板岩侵水易软化，形成软弱夹层，因此岩体极易发生滑动、崩塌等破坏类型，对山体开挖后形成的边坡不稳定性严重;共划分为6个区，取典型断面6个进行边坡稳定性分析。典型断面如图2。图3为I－1计算断面的实际潜在的滑动体。

图2 典型断面示意图

图3 I－1计算断面实际潜在滑动体

由于大连处于沿海地区，全年降雨量较大，且距离发生过大震的海城非常近，因此，针对本工程，分析了以下几种工况:①常遇状态下安全性;②地震作用下安全性;③降雨作用下安全性;④暴雨及地震共同作用下安全性。根据文献［4］，本工程岩质边坡稳定安全系数见表3。

表3 岩质边坡稳定安全系数(平面滑动法)

根据勘区揭示岩土层的工程地质特征及岩体结构面性状和拟开挖边界线的关系及开挖高度，将本边坡工程分成如平面图所示6段，具体情况见表4。

表4 工程分段及安全等级

2.1 常遇状态下安全性分析

常遇状态是指本工程多数情况下自然环境因素作用状态，即地下水低不计裂隙水、无降雨、不考虑地震等因素，对该高边坡进行稳定安全性计算，判断其发展趋势。常遇状态下高边坡稳定性计算结果见表5。

表5 常温状态和地震作用下稳定性计算结果

2.2 地震安全性分析

根据《建筑工程抗震设计规范》(GB50011－2010)［5］，场地抗震设防烈度为7度，据《中国地震动参数区划图》(GB18306－2001)，区内地震动峰值加速度为0.10 g。地震动反应谱特征周期为0.40 s，据《中国地震动参数区划图附录 D》，区内对应的地震基本烈度为Ⅶ度。考虑地震影响高边坡安全性计算结果见表5。

2.3 降雨安全性分析

依据《大连市建筑气象参数标准》(JGJ35－87)，场地属于北温带季风气候区，并具有海洋性气候特点。主要气象要素如下:年平均温度为10.2℃，极端最高温度为35.3℃，极端最低温度为－21.1℃;平均年总降水量为671.1 mm，一日最大降雨量为171.1 mm;年平均风速为5.2 m·s－1，30 年一遇最大风速为 31.0m·s－1;年最多风向为北向，频率占15%;最大积雪厚度为0.37 m;基本风压为 0.65 kN·m－2(n=50)、0.75 kN·m－2(n=100)，基本雪压为0.40 kN·m－2(n=50)、0.45 kN·m－2(n=100)，最大积雪厚为0.37 m。土壤标准冻结深度为0.70 m，最大冻结深度为0.93 m。

考虑降雨影响时，水对结构面软弱夹层的影响显著，由于水的作用，结构面上的粘聚力C值将减小，其经验取值在20～30 kPa。降雨时高边坡安全性计算结果见表6。

表6 考虑降雨、地震影响稳定性计算结果

2.4 最不利情况下安全分析

为评价超高边坡在极端情况下稳定安全性，特对本工程进行了最不利情况下安全性分析，即考虑暴雨及地震共同作用下安全性，计算结果见表6。

对比表5和表6，可得以下结论:

(1)考虑场地7度设防烈度地震作用时，与常遇状态相比，高边坡稳定系数降低约5%左右，稳定性降低，需进行加固设计;

(2)考虑降雨影响时，与常遇状态比较，稳定系数降低约10%左右，说明水对高大边坡稳定性影响显著，易发生边坡滑塌灾害;

(3)考虑降雨与地震共同作用时，稳定系数降低达到15%左右，极易发生边坡滑塌灾害，将极大威胁边坡及周围建筑物安全。

3 边坡防护措施

3.1 坡形和坡角

根据上述边坡稳定性分析计算结果及工程地质条件，建议各段最优坡形和坡脚如下:

(1)I－1亚段:开挖高度小于50 m，可采取直线放坡，依岩体破碎程度，坡度值1∶0.7～1。

(2)I－2亚段:开挖高度小于30 m，采用折线台阶放坡，坡度值1∶0.7～1，每阶高度宜大于10 m，台阶宽2～4 m。

(3)I－3亚段:开挖高度小于50 m，采用直线放坡，坡度值1∶0.7 ～1。

(4)I－4亚段:开挖高度小于50 m，采用折线台阶放坡，每级高度不宜大于10 m，坡度值1∶0.7 ～1。

(5)I－5亚段:开挖高度小于50 m，每级高度不宜大于10 m，坡度值1∶0.7～1。

(6)I－6亚段:开挖高度不大于30 m，采用直线放坡，坡度值1∶0.7～1。

3.2 边坡防治措施

本场地I－1、I－3、I－5亚段为不稳定边坡，可采用清除放坡及长锚索(杆)+挂网喷射混凝土(混凝土板);I－2、I－4、I－6亚段为较不稳定边坡，可采用清除放坡、短锚索(杆)+挂网喷浆。

常遇状态下未见地下水，该场区多年平均降水量不大，但多集中在7～8月份，易形成暴雨冲刷坡面，降低坡体稳定性。因此，设计、施工中应充分考虑疏、排水措施，并优先实施，以减少雨水的不利影响。

3.3 边坡防治监测

本工程边坡主要为高大特级边坡，因此须对边坡开挖、支护及竣工后三年内进行监测工作，建议监项测目内容:坡顶水平位移和垂直位移、地表裂缝、降雨量与时间关系、锚杆拉力、支护结构变形、支护结构应力。根据相关规范规定，边坡工程的监测要求由设计方提出，由业主委托有资质的监测单位编制监测方案后组织实施。

4 结论与建议

综合以上计算分析可见，对于岩质超高或高大型边坡，由于结构面及地层产状与边坡坡向不利组合、结构面状态、填充物、雨水及地震等因素，使岩体失去平衡而产生下滑力可导致边坡安全系数显著降低，存在边坡失稳趋势。特别是考虑降雨与地震共同作用时，稳定系数显著降低，不能满足规范要求，极易发生边坡滑塌事故，建议进行加固处理。

由于开挖的边坡坡角部分偏大，边坡高度变化较大，加之岩体较破碎，边坡防护设计时，岩土参数可考虑使用区间值的低值，当某些地段计算参数较大时，可按《建筑边坡工程技术规范》(GB50330－2002)规范进行折减。从现状看，可以根据不同的岩体性质与形态参数采用防护和加固方式对边坡进行治理。如锚索(杆)+挂网喷浆、抗滑桩等。本工程边坡防护属一级边坡，按国家《建筑边坡工程技术规范》要求必须采用动态设计法。

［1］曾革，周志刚.平面滑动面路基边坡稳定性分析方法［J］.中外公路，2009，29(5):31 －34.

［2］中华人民共和国建设部.GB/T50266－99工程岩体试验方法标准［S］.北京:中国标准出版社，1999.

［3］中华人民共和国建设部.GB50021—2001岩土工程勘察规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［4］中华人民共和国建设部.GB50330－2002建筑边坡工程技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［5］中华人民共和国建设部.GB50011－2010建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

Study on Safety Evaluation and Protection Measures for Superhigh Rock Slope

LI Xin －le，SUI Hui－quan，DOU Hui－juan
(College of Civil Engineering and Architecture，
Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China)

The safety for superhigh rock slope is affected by many external factors.In accordance with a typical engineering example，the planar method has been used to analyze the important influence factors for superhigh slope.Safety factors for typical superhigh slope under four conditions such as normal state，rainfall，earthquake and most unreasonable combination，have been calculated.The calculated result has been contrasted to the existing code.The safety of superhigh slope is significantly decreased because of the exaction of the rain and earthquake.At last，some design advices has been given to the protection measures for this kind of slope according to the foregoing research parts.

superhigh slope;planar slide method;safety factor;protection measures

TD325.1

A

1009－315X(2011)05－0481－05

2011－06－27;最后

2011－07－11

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DC10040115);大连民族学院博士启动基金资助项目(20066104)。

李新乐(1973－)，男，河北保定人，副教授，博士，主要从事地震研究。

(责任编辑 邹永红)