公路沿线赤平极轴投影岩体稳定性分析研究——以藏木水电站场内交通工程为例

刘庆舒,陈改霞

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

公路沿线赤平极轴投影岩体稳定性分析研究
——以藏木水电站场内交通工程为例

刘庆舒,陈改霞

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

边坡岩体的稳定性分析是赤平极轴投影在工程地质勘察中的基本应用之一。目前已有众多的赤平极轴投影分析岩体稳定性的软件和插件。这些软件或插件都是针对单个工点进行的。对公路沿线进行多个赤平极轴投影分析时，需要对公路沿线进行多次、重复性的分析。本文在Auto CAD基础上，采用VBA开发了对公路沿线进行赤平极轴投影分析的插件，可以有效提高分析工作效率。

赤平极轴投影;岩体稳定性分析;公路路线;VBA

1 概 述

藏木水电站位于西藏自治区山南地区加查县境内，雅鲁藏布江中游沃卡～加查峡谷段出口处，为雅鲁藏布江中游河段规划的第一个水电站。水电站场内交通工程主要为水电站枢纽区施工服务，一般沿河岸布置，具有施工区域集中，路线起终点、路线走向可调整幅度较小等特点。工程区内主要出露地层为三叠系、白垩系、第三系、第四系及燕山晚期～喜山期二长花岗岩、花岗斑岩、花岗闪长岩及超基性岩。区内河谷深切，谷坡陡峻，裂隙较发育，岩体卸荷较明显。主要优势裂隙有三组：

(1)N60°～70°W/SW∠70°～80°(与雅鲁藏布江走向近平行)，延伸>5 m,平直粗糙，局部充填岩屑，中等锈染，间距20～60 cm。

(2)N40°～60°E /NW∠40°～55°(该裂隙与雅鲁藏布江走向大角度相交)，延伸>5 m, 起伏粗糙，局部充填岩屑，中等锈染，间距20～60 cm。

(3)N20°～40°E /SE∠70°～75°(该裂隙与雅鲁藏布江走向大角度相交)，延伸>10 m, 起伏粗糙，局部充填岩屑，中等锈染，间距30～50 cm。

公路边坡岩体被三组节理裂隙切割，岩体严重松动，节理裂隙张开1～20 cm，有的危岩体仅有底面与斜坡基岩接触，周围临空。工程区边坡破坏模式主要为楔形体破坏。可以采用赤平极射投影法进行边坡稳定性分析。每次分析时，需要手工量取路线走向，手工计算边坡倾向，简单重复性工作量较大。本文在Auto CAD基础上，采用VBA开发了对公路沿线进行赤平极轴投影分析的插件，一旦路线确定后，可以通过输入特定桩号，或者输入桩号间距，批量分析公路边坡岩体的稳定性，有效提高了分析工作效率。

2 赤平极轴投影简介

赤平极射投影是利用一个球体作为投影工具，把物体的几何要素(点、线、面)投影于圆球面上，再以南极为发射点将球面上的物体的几何要素投影于赤道平面上。在工程地质工作中，可以用于分析各种结构面间的相互关系，分析边坡的稳定性，分析隧道围岩的稳定性等。

对受两组结构面切割、控制稳定性的边坡，以重力为主要作用力时，稳定性分析如下：

(1)先按结构面产状，做出赤平极射投影图，标出两结构面的倾向线及结构面交线。根据三者的位置关系，可以确定滑动方向为三者之一。

(2)再根据两组结构面投影的交点、边坡及天然边坡投影的相对位置关系，可以将边坡的稳定性分为最稳定、稳定、较稳定、较不稳定、不稳定五种情况[1]。

3 需要解决的问题

采用赤平极射投影分析边坡的稳定性时，需要输入的参数主要包括：公路路线、结构面的产状，边坡坡比(坡比和路线方向结合起来可以转化为产状，方便在赤平极轴投影中表示)。

结构面的产状一般在工程地质勘察时进行测量。边坡走向同公路路线的走向，需要区分路线左侧或右侧，倾向与走向垂直，倾角可以通过坡比进行计算。

本文编制的Auto CAD插件，需要解决的问题主要为：产状的储存格式、边坡的走向、倾向、倾角的计算等问题。

4 Auto CAD插件内部数据结构

产状一般有两种表示方法：

(1)方位角表示法：记录倾向和倾角 ，如205∠65，即倾向为南西205°，倾角65°，其走向则为NW295°或SE115°。

(2)象限角表示法：记录走向、倾向和倾角，如N65°W/25°SW，即走向为北偏西65°，倾角为25°，向南西倾斜。自然语言中，这些表示方法都可以很容易地区分。但是，作为程序内部，为了统一，需要采用一种统一的格式进行数据存储。

本插件中，采用方位角表示法，“∠”在输入时用“/”代替。为了编程方便，在倾角后，也增加“/”作为结束标识。比如：“205/65/”表示结构面为N295°W/65°SW；“205/65/65/25/”表示有两组控制性结构面，分别为N295°W/65°SW和N295°W/25°SW。

5 公路线路的表示方法

公路设计主要包括测量、工程地质、道路平纵横设计、路面设计、桥涵设计、隧道设计、图表及文档管理等。全面而规范化的数据描述与定义是设计集成化、一体化的基础。其中路线平纵横几何设计是桥涵、隧道等设计的基础，因此是CAD系统的基础[2]。

本插件主要解决边坡的岩体稳定性分析。赤平极射投影分析时，需要将研究的面或线移动到球心，因此，该分析中可以不考虑高程问题。在本插件中，仅需考虑公路线路的平面线性和边坡坡比的问题。

5.1 公路平面线形

公路平面线形的计算方法有导线形设计法和曲线形设计法。在CAD软件系统中，不同的设计方法面向用户有不同的设计步骤和设计参数，但是得到的平面线形结果是相同而且是唯一的[2]。

从几何的角度看，平面线形是由直线、回旋线和圆曲线这三种要素组合而成的一条平面曲线。只要有了公路的平面线形，可以很容易地获得给定桩号位置的走向。

5.2 公路边坡

公路边坡坡比一般采用1∶x表示，如“1∶0.3”，转换为倾角可采用如下公式：

(1)

公路边坡的倾向需要考虑路线的方向及边坡相对路线中线的位置确定。规定计算路线左侧边坡的倾向时，按路线走向+90°计算，路线右侧边坡的倾向时，按路线走向-90°计算。

6 插件在藏木水电站场内交通工程中的应用

本插件在使用时，可以按路线方向按桩号等间距绘制赤平极轴投影图，也可以根据特定桩号和给定结构面产状绘制工点的赤平极轴投影图，思路清晰，使用方便。

下面以藏木水电站场内交通4号公路为例说明插件的应用。

4号公路路线布置于雅鲁藏布江右岸，公路起点位于藏木水电站坝址下游0.9 km，与2号公路的大坝下游藏木桥右岸桥头连接，终点位于藏木水电站大坝右岸供料平台，其间连接布置于电站右岸的混凝土拌和系统，路线全长0.88 km。4号公路沿线百米桩处赤平极轴投影及K0+480.00 m处赤平极轴投影见图1、2。

根据对图1各赤平极轴投影图分析，边坡的稳定性分析基本上与图2中4号公路K0+480.00 m处边坡的稳定性相似。

4号公路K0+480.00 m处边坡存在以②号结构面为底滑面，①、③号结构面为后缘及侧壁的楔形体破坏模式，需要进行边坡支护(见图3)。实际工程中，K0+500.00～K0+610.00 m段边坡原设计开挖坡比为1∶0.3，支护为φ22砂浆锚杆，长L=4.0 m。根据现场实际开挖揭示的边坡结构面勘察情况，一级马道以上边坡放缓为1∶0.5，并增设800 kN锚索，长L=40 m进行加强支护。目前该边坡已处理完毕，投入使用多年，运营状况良好。

7 结 论

通过在藏木水电站场内交通工程多条公路的应用，发现本插件在设计时，可以有效地确定公路沿线边坡可能存在楔形体破坏的地段，大大提高分析的效率，并对进一步进行详细的勘察、设计有指导作用。

图1 4号公路沿线百米桩处赤平极轴投影

图2 4号公路K0+480.00 m处赤平极轴投影

图3 4号公路K0+480.00 m处破坏模式分析

目前本插件只能解决边坡问题，实际上，隧道围岩稳定性分析也可以纳入本方法。作者将继续做研究。此外，考虑工程地质的复杂性和随机性，本插件分析认为稳定的边坡也可能存在不稳定性因素，现场详细勘察和施工勘察时需要仔细地复核岩层产状是否与勘察的产状一致。

[1] 铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，2005.

[2] 王福建，吴国雄.道路工程三维建模技术[M].北京:人民交通出版社，2004.

2016-09-01

刘庆舒(1978-)，男，四川荣县人，硕士，高级工程师，从事公路设计工作。

U418.52

B

1003-9805(2017)01-0089-03