赤平投影在某厂区岩质边坡稳定性分析中的应用

卢艺开 戴可凡 何 立

广东省有色金属地质局九四〇队 广东 清远 511520

1 引言

岩质边坡的稳定性主要受自然及人为因素的影响，自然因素主要指其自身的环境地质背景条件，包括地形地貌、地质构造、岩土体结构及其组成等，其中岩质边坡的岩体结构由不同的结构面通过不同的方式（平行、相交）组合而成[1]，在重力及其他因素的作用下岩块易沿不利的结构面而产生滑动，最终诱发崩塌地质灾害；人为因素主要指自然斜坡被人工开挖后形成临空面，导致坡面上的岩体应力发生变化，从而影响边坡稳定性[2]。某厂区西侧边坡兼具了前述的两种因素，具有典型性，本文通过赤平投影法的直观分析，将自然与人为因素形成的各种（结构）面的产状要素表示出来，进一步分析它们之间的组合关系、边坡岩体失稳和破坏的主要方式。

2 赤平投影的基本原理

本章主要运用极射赤平投影的方法对岩质边坡稳定性进行分析。极射赤平投影主要是用来表示线和面的方向、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[3]。

其投影原理：任何一个过球心的无限伸展的平面（岩层面、断层面、节理面或轴面等）和线，必然与球面相交成球面大圆和点，如图1a。球面大圆与极射点的连线必然穿过赤平面，在赤平面上这些穿透点的连线即为该平面的相应大圆的赤平投影[4-5]，简称大圆弧，如图1b。

图1 赤平投影原理示意图

3 工程地质条件概况

3.1 地形地貌

研究区地形起伏较大，地势总趋势为西高东部低，高差较大，属剥蚀残丘地貌单元，高程在23.52～92.35m之间。厂区西侧斜坡倾向约68°，斜坡体沿线长约416m，地形较陡，总体地形坡角约40～65°，局部坡度可达80°，局部坡面可见反倾悬挂危岩体（图2）。坡脚位置即为厂区，坡脚靠近厂区内部道路有高约1.2m钢筋混凝土挡土墙，墙厚约0.4m；挡土墙后有宽约1.0～2.5m排水沟。

图2 厂区西侧边坡全貌

3.2 地层岩性

根据勘查资料并结合地面调查，研究区地层主要为三叠纪头木冲组砂质页岩，土黄色、紫褐色、深灰色，中厚层状构造，节理裂隙发育，风化层较厚。岩质可分为强风化砂质页岩、中风化砂质页岩，中风化砂质页岩地层产状为68°∠44～46°，边坡岩土构成从上往下描述如下：

强风化砂质页岩：土黄色、紫褐色、深灰色，砂质结构，层状构造，主要成份为粘粒及砂粒，可塑，稍湿稍密，砂粒主要为石英、长石，风化强烈呈半岩半土状及碎块状，部分区域含煤层，底部含有较多煤矸石，遇水易软化、崩解。该层主要分布于坡顶，整体呈北部薄南部厚，据野外调查测得揭露厚度约为5～20m，下部呈碎块状。

中风化砂质页岩：土黄色、紫褐色、深灰色，砂质结构，层状构造，裂隙较发育，见铁锰质钙化，岩质较软，锤击声哑。该层主要分布于边坡坡面及坡脚，边坡坡面出露厚度较大，厚约22～53m。在本层取岩样7件进行室内试验，单轴抗压强度26.22～34.72Mpa，平均30.62Mpa，标准值28.36Mpa，岩石较破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

3.3 岩质边坡结构特征

由于边坡局部存在人工开挖的情况，坡面裸露，岩土体出露清晰，局部可见中风化危岩体反倾、悬挂于边坡；坡顶植被覆盖较好，植被类型以乔木及灌木为主，强风化岩层较厚。边坡整体呈近弧形，大致可分为A-B、B-C、C-D、D-E四段（图2），各段边坡描述如下：

（1）A-B段

边坡总体倾向约为78°，长约100m，坡角40～69°，坡面大部分裸露，而坡顶植被较发育，坡脚为厂区绿化带。坡脚高程24.68～28.29m，坡顶高程67.60～71.33m，坡高39.3～47.1m。该坡段节理发育弱，延伸短且闭合性较好。

（2）B-C段

边坡总体倾向约为86°，长约84m，坡角50～76°，坡面大部分裸露，坡顶植被较发育；坡脚为厂区内部道路及厂区，建有排水沟及钢筋混凝土挡土墙。坡脚高程23.52～25.97m，坡顶高程67.60～83.23m，坡高44.1～58.0m。

据现场调查，在B-C段中风化岩坡脚露头处地层产状主要为68°∠46°，测得4组优势节理裂隙产状分别是：194°∠18°、291°∠78°、44°∠80°、80°∠69°。另外，还发现该段边坡靠近B段处有一揉皱，初步判定为压扭性正断层，断层走向以北西向为主，产状191°∠31°，区内出露长度约50m，断层带宽0.6～1.5m，初步判定该段边坡岩层破碎主要受北西向断裂影响。

（3）C-D段

边坡总体倾向约为93°，长约132m，坡角51～73°，坡面大部分裸露，坡顶植被较发育；坡脚为厂区内部道路及厂区，坡脚建有排水沟及钢筋混凝土挡土墙。坡脚高程26.50～9.61m，坡顶高程83.23～92.35m，坡高56.7～64.2m。

据调查，在C-D段中风化岩坡脚露头处地层产状主要为68°∠44°，测得6组优势节理裂隙产状分别是：207°∠73°、334°∠67°、94°∠59°、138°∠40°、188°∠55°、20°∠35°。另外，还发现该段边坡中部有一东西向压扭性正断层经过，从坡脚贯穿到坡顶，产状162°∠78°，断层带宽0.6～1.5m，初步判定该段边坡岩层破碎及岩层节理裂隙主要受东西向断裂影响。

（4）D-E段

边坡总体倾向约为95°，长约100m，坡角45～89°，坡面大部分裸露，坡顶植被较发育；坡脚为厂区内部道路及厂区。坡脚高程27.76～33.38m，坡顶高程62.88～89.44m，坡高29.8～61.7m。

据调查，在D-E段中风化岩坡脚露头处地层产状主要为68°∠44°，测得6组优势节理裂隙产状分别是：287°∠48°、171°∠52°、66°∠51°、335°∠89°、95°∠55°、354°∠65°。另外，测得坡脚一处褶皱形成的节理产状为2°∠57°、21°∠32°、200°∠51°，局部坡面中部见张性裂隙产状为275°∠70°。

4 赤平投影分析

由于人工开挖山体，于厂区西侧形成了陡峭的边坡，且坡面未作支护处理，在构造作用、降雨、风化、应力释放等因素影响下，岩体形成了方向、规模各异的结构面，这些结构面的不同组合方式，易形成楔形体，导致崩塌。这里利用赤平投影法对该斜坡B-C、C-D、D-E段进行稳定性分析，结果如下：

（1）B-C段

本次分析按最不利因素考虑，故坡角采用76°进行边坡稳定性分析。总体产状（J0）为68°∠46°，该坡段优势节理面主要有4组， 产状分别为：J1#节理 194°∠18°、J2#节理 291°∠78°、J3#节理 44°∠80°、J4#节理80°∠69°。从边坡结构面的赤平投影图（图3）可以看出：①J3与J4、J0与J3、J0与J1结构面组合可能形成楔形体破坏；②边坡坡度陡，对边坡稳定性最不利的是J4结构面，其与坡向夹角为6°，为顺向坡，倾角69°，倾角大且小于坡面倾角，在震动、暴雨等工况条件下，岩体较易向80°方向崩滑。因此，初步查明该坡段存在沿不利结构面或不利结构面组合失稳的可能，边坡整体处于不稳定状态。

图3 B-C段坡面赤平投影

（2）C-D段

本次分析按最不利因素考虑，故坡角采用73°进行边坡稳定性分析。总体产状（J0）为68°∠44°；该坡段优势节理面主要有6组，产状分别为：J1#节理 207°∠73°、J2#节理 334°∠67°、J3#节理 94°∠59°、J4#节理 138°∠40°、J5#节理 188°∠55°、J6#节理20°∠35°。从图4可以看出：①J0与J4、J0与J5、J4与J6结构面组合可能形成楔形体破坏；②边坡坡度陡，对边坡稳定性最不利的是J3结构面，其与坡向夹角为1°，为顺向坡，倾角59°，倾角大且小于坡面倾角，在震动、暴雨等工况条件下，岩体较易向94°方向崩滑，边坡整体处于不稳定状态。

图4 C-D段坡面赤平投影

（3）D-E段

本次分析按最不利因素考虑，故坡角采用89°进行边坡稳定性分析。总体产状（J0）为68°∠44°；该坡段优势节理面主要有6 组， 产状分别为：J1#节理 287°∠48°、J2#节理 171°∠52°、J3#节理 66°∠51°、J4#节理335°∠89°、J5#节理 95°∠55°、J6#节理 354°∠65°。从图5可以看出：①J0与J2、J2与J3结构面组合可能形成楔形体破坏；②边坡坡度陡，对边坡稳定性最不利的是J5结构面，其与坡向夹角为0°，为顺向坡，倾角55°，倾角大且小于坡面倾角，在震动、暴雨等工况条件下，岩体较易向95°方向崩滑，边坡整体处于不稳定状态。

图5 D-E段坡面赤平投影

总体而言，由于边坡面与节理面的切割，B-E坡段存在沿多组节理面引发较大规模崩塌或掉块的可能性，对行经坡脚的车辆、人员和厂区安全构成威胁。

5 结论

本文通过对厂区西侧人工开挖形成的岩质斜坡进行调查，并运用赤平投影法来分析斜坡不同坡段的最不利结构面与开挖边坡的空间关系，得出以下结论：

（1）厂区西侧岩质斜坡主要受北西及东西向断裂挤压作用影响，节理裂隙发育，其中斜坡B-C段发育4组优势节理、C-D及D-E段分别发育6组优势节理，形成了多个不利结构体；

（2）赤平投影法分析结果表明：厂区西侧人工开挖形成的岩质斜坡中B-C、C-D、D-E这3个坡段处于不稳定状态，结构面切割边坡岩体产生倾向坡外的楔形体，可能形成楔形体滑移-坠落式破坏；

（3）本文利用赤平投影法对高角度开挖形成的岩质斜坡的稳定性及破坏方式进行定性分析，简洁且直观地反映了厂区边坡存在的崩塌地质灾害隐患问题，建议有针对性的采取措施对该斜坡进行治理。