赤平投影在鎮江某巖質邊坡穩定性分析中的應用

陳新德，張映滿，解國愛

(1.南京大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 210023； 2.江蘇省地質工程勘察院,江蘇 南京 210012)

0 前 言

巖質邊坡穩定性主要受地質構造、巖體結構、地形地貌、水的影響及其他因素，其中組成邊坡的巖體結構由巖塊及復雜多變的結構面通過不同的方式組成，巖塊、巖體結構面的結合能力及結構面產狀等因素，是影響巖質邊坡穩定性的主要因素，巖質邊坡的各種結構面是影響巖質邊坡的首要因素[1-2]。

巖質邊坡穩定性分析大體上包括定性分析法和定量分析法兩類，目前，巖質邊坡穩定性分析大多采用定性分析方法[3-5]。本文以赤平投影原理為基礎，通過在吳氏網上能直觀將人工邊坡、天然邊坡及結構面(層理、節理、斷層等)的走向、傾向、傾角等要素表示出來，通過邊坡變形破壞的邊界條件，進一步分析結構面(不連續面)之間的組合關系、邊坡巖體的失穩形態及滑動方向[6-8]。結合對鎮江句容某巖質邊坡的實例分析，表明赤平投影法對巖質邊坡穩定性分析簡單直觀、準確快速。

1 赤平投影方法原理

采用赤平極射投影方法，分析地質構造中各構造面、構造線及它們之間的空間方位與角距的關系。對于構造面來說，其原理是使構造面切割一個假想的圓球(即投影球)，以球面的上極或下極為發射點，將該構造面與下半球或上半球球面的交線軌跡投影到赤道平面上，以求其方位與角距間的關系。對于構造線來說，其原理是使構造線通過投影球的球心，以球面的上極或下極為發射點，將該構造線與下半球或上半球球面的交點投影到赤道平面上，以求其方位與角距間的關系。以上極為發射點者為下半球投影，以下極為發射點者為上半球投影[9-10]。

2 赤平投影法分析巖質邊坡穩定性的方法

巖質邊坡滑動主要分為平面滑動和鍥形狀滑動兩大類。平面滑動一般出現在順層巖質邊坡中或只發育一組結構面的巖體邊坡中，且結構面走向與邊坡走向平行或近平行(夾角小于20°)，滑動面傾角小于邊坡坡角。楔形狀滑動出現在兩組結構面的走向與邊坡走向斜交，兩組結構面交線在坡面上出露，且交線的傾伏角小于邊坡傾角。

2.1 平面滑動邊坡穩定性分析

在層面或其他結構面走向與邊坡面走向一致的條件下，邊坡穩定性條件分析，可分為四種情況。

1)不穩定條件。層面傾向與坡面傾向相同，同時層面傾角小于坡面傾角(見圖1(a))。

圖1 平面滑動邊坡穩定性分析

2)基本穩定條件。坡面傾角等于層面傾角(見圖1(b))。

3)穩定條件。層面傾向與坡面傾向相同，層面傾角大于坡面傾角(見圖1(c))。

4)最穩定條件。層面傾向與坡面傾向相反(見圖1(d))。

2.2 楔形狀滑動邊坡穩定性分析

兩組結構面組成楔形狀滑動的穩定條件，可分為五種情況

1)不穩定條件。結構面(J1)和結構面(J2)投影大圓弧交點(I)，即兩個結構面的交線，位于人工坡面大圓弧Sc與天然坡面大圓弧Sn之間，結構面交線在天然邊坡和人工邊坡均出露(見圖2(a))。

圖2 楔形狀滑動邊坡穩定性分析

2)較不穩定條件。結構面(J1)和結構面(J2)投影大圓弧交點(I)位于天然坡面(Sn)大圓弧的外側，表示結構面交線比天然邊坡平緩，但在坡頂面上沒有出露點(見圖2(b))。

3)基本穩定條件。結構面(J1)和結構面(J2)投影大圓弧交點(I)位于人工坡面(Sc)大圓弧上，表示結構面交線傾伏角與人工邊坡傾角相同，邊坡處于基本穩定狀態(見圖2(c))，此時的開挖坡角即為穩定邊坡角[6]。

4)穩定條件。兩結構面J1和J2的投影大圓弧交點I位于開挖邊坡面大圓弧Sc的內側，兩組軟弱結構面交線比人工邊坡傾角陡，邊坡處于穩定狀態(見圖2(d))

5)最穩定條件。結構面J1和J2的投影大圓弧交點I位于開挖邊坡面大圓弧Sc的相對半圓內，軟弱結構面交線傾向坡體內部，表示此時邊坡最穩定(見圖2(e))。

巖質邊坡受兩組相交的結構面切割時，構成滑移體多數是楔形體，在赤平投影圖中，結構面交線的傾伏向，就是楔形體的滑動方向，如圖2(a)和圖2(b)中交線I的傾伏向即為楔形體的滑動方向。

上述平面滑動和楔形狀滑動的邊坡穩定性分析和穩定坡角的推斷中，沒有考慮結構面(滑動面)的抗剪強度，即假定結構面的粘聚力和內摩擦角值均很小，因而一律把滑動面上的巖體當不穩定體對待，這是偏安全的。另外，平面滑動分析中，當結構面的走向與邊坡走向大于20°，或者楔形狀滑動分析中，當兩個結構面交線傾伏向與邊坡傾斜方向大于20°，此時人工開挖的邊坡應該屬于較穩定條件，在利用赤平投影分析時，需要另行考慮。當然，邊坡的穩定或破壞總是許多因素綜合作用的結果，赤平投影分析法只是為邊坡穩定性研究提供一個初步推斷。

3 應用工程實例

3.1 工程地質概況

擬建場地位于江蘇省鎮江市句容市丁家邊G312國道北側，寧鎮山脈中段北麓，規劃為住宅(別墅)用地。項目位于鎮江寶華鎮境內，地處寧鎮山脈中段北麓，屬低山丘陵地貌單元。擬建場地地勢北高南低，呈“兩山夾一谷”地形，現狀各處坡體穩定，兩側山頂標高均約110 m，中間低谷標高約60 m，起伏較大。場地紅線沿線高程約60～120 m，規劃室外整平標高為65～90 m，最大開挖深度24 m，最大填方深度15 m。開挖、回填將導致與原地面形成人造邊坡，坡高一般為5～15 m，最大可達24 m，邊坡安全等級屬二級。未經處理的坡體對場地內建筑物的施工及后期使用有較大安全隱患。

場地內揭示的土層主要為第四系全新統(Q4)粉質黏土與更新統(Q3)下蜀組黏性土與殘積土，基巖為三疊系下統(T1)青龍組灰巖。

場地下水主要為孔隙潛水與基巖裂隙水?？紫稘撍饕x存于層填土以及層殘積土中，接受大氣降水入滲補給，蒸發排泄或向西沖水庫排泄，水位動態受季節變化、地形地勢以及填土厚度影響明顯，層內的孔隙水具微承壓性?；鶐r裂隙水分布于灰巖溶蝕裂隙與溶洞中。場地內灰巖溶蝕現象明顯，溶隙3～10 cm，局部被黏性土充填。

場地植被覆蓋茂密，未見基巖出露，在本場地東北側1.5 km石料廠測得幾處灰巖代表性產狀225°∠25°、345°∠45°與324°∠15°，傾向基本為東北(或東南)，傾角15°～45°。受區域構造影響，裂隙較發育，兩組主要節理面正交發育，產狀185°∠76°、165°∠77°、1°∠55°、135°∠57°與243°∠82°，傾向基本為正南與正北，傾角55°～82°?？刂破麦w穩定性的主要為層面(傾向東北，傾角15°～45°)，節理面(傾向正南、正北，傾角55°～82°)。

場地劃分為8個區(見圖3)，其中B區和D區開挖深度較大，存在滑坡隱患。

圖3 各施工區現狀及整平標高圖

B區：該區呈“峰狀”對稱坡，斜坡高度約20 m，坡長共約200 m，在該區取多點測得坡向分別為85°、70°與300°、275°，斜坡坡度25°～40°。

D區：該區呈“峰狀”對稱坡，斜坡高度約10～15 m，坡長共約190 m，在該區取多點測得坡向分別為45°～75°與160°～165°，斜坡坡度18°～45°。

3.2 工程地質評價

根據巖體的變形破壞機制，巖體的破壞方式是在軟弱結構面的切割貫通下巖塊沿巖體的結構面產生滑移，受軟弱結構面的控制[11]。因此，對人工邊坡的穩定性評價，首先通過人工邊坡與結構面赤平投影圖對巖滑穩定性進行分析判斷，確定巖體穩定程度，再根據各結構面組合交線對巖體滑動方向的進行分析。本文主要針對大厚度開挖區(B區與D區)進行赤平極射投影圖，因場地未見基巖出露，產狀按周邊石料廠(345°∠45°)考慮，坡體產狀按自然坡體考慮。

1)B區。該區呈“峰狀”對稱坡，在坡兩側各取一點進行投影分析。西側坡275°∠40°，東側坡85°∠25°，開挖最大高度約24 m。開挖后主要形成巖質邊坡，坡頂有少量填土及殘坡積土，直立開挖時，坡頂土體不穩定。邊坡坡壁巖性為灰巖，溶隙發育，邊坡巖體為軟巖，屬Ⅳ類巖質邊坡。

根據B區邊坡與結構面產狀(見表1)做上半球赤平投影圖，如圖4。

表1 B區邊坡和結構面及其交線產狀表

圖4 B區西坡與東坡赤平極射投影圖

(1)B區西坡。通過圖4(a)的結果分析可知，巖層和2組節理均與人工開挖邊坡走向呈大角度相交，出現平面滑動可能性不大。

結構面J0與J1交線I1產狀為75°∠0°，正好位于基圓上，說明此交線呈水平狀態，處于穩定狀態。結構面J0與J2交線I2產狀為302°∠36°，正好落在人工開挖邊坡(Sc)大圓弧上，表示結構面交線傾伏角與人工邊坡傾角相同，邊坡處于基本穩定狀態。結構面J1與J2交線I3的產狀為79°∠17°，位于邊坡面投影弧相對一半圓內，說明2組節理交線傾伏向與邊坡傾向相反，表示此時邊坡最穩定。

(2)B區東坡。由圖4(b)結果分析可知，3組結構面與開挖邊坡大角度相交，單個結構面處于穩定狀態。

結構面J0與J1交線I1位于基圓上，交線呈水平狀態，處于穩定狀態。結構面J0與J2交線I2產狀為302°∠36°，位于邊坡面投影弧相對一半圓內，兩組節理交線傾伏向與邊坡傾向相反，此時邊坡最穩定。結構面J1與J2交線I3的產狀為79°∠17°，交點位于天然坡面(Sn)大圓弧的外側，表示結構面交線比天然邊坡平緩，但在坡頂面上沒有出露點，處于較不穩定條件。

上述表明B區西坡開挖后處于較穩定狀態，東側兩組節理面可能組成楔形狀滑動，為較不穩定狀態，建議開挖后對B區東邊坡進行安全支護處理。

2)D區。該區呈“峰狀”對稱坡，在坡兩側各取一點進行投影分析。南側坡165°∠22°，北側坡45°∠32°，開挖最大高度約17 m。開挖后主要形成巖質邊坡，坡頂有少量填土及殘坡積土，直立開挖時，坡頂土體不穩定。邊坡坡壁巖性為灰巖，溶隙發育，邊坡巖體為軟巖，屬Ⅳ類巖質邊坡。

根據D區邊坡與結構面產狀(見表2)做上半球赤平投影圖，如圖5。

表2 D區邊坡和結構面及其交線產狀表

圖5 D區南坡與北坡赤平極射投影圖

(1)D區南坡。通過圖5(a)赤平投影圖的結果分析可知，地層層面J0和節理J2傾向與坡面傾向相反，屬于最穩定條件；節理J1與坡面傾向相同，節理面傾角大于坡面傾角，為穩定條件。

結構面J0與J1交線I1位于基圓上，結構面交線水平，處于穩定狀態。結構面J0與J2交線I2產狀為302°∠36°，位于邊坡面投影弧相對一半圓內，2組結構面交線傾伏向與邊坡傾向相反，此時邊坡最穩定。結構面J1與J2交線I3的產狀為79°∠17°，交點位于開挖邊坡面大圓弧Sc的內側，結構面交線比人工邊坡傾角陡，邊坡處于穩定狀態。

(2)D區北坡。由圖5(b)結果分析可知，結構面均與開挖邊坡大角度相交，單個結構面處于穩定狀態。

結構面J0與J1交線I1位于基圓上，結構面交線水平，處于穩定狀態。結構面J0與J2交線I2產狀為302°∠36°，位于邊坡面投影弧相對一半圓內，層面與節理J2交線傾伏向與邊坡傾向相反，此時邊坡最穩定。結構面J1與J2交線I3的產狀為79°∠17°，兩個結構面的交線，位于人工坡面大圓弧Sc與天然坡面大圓弧Sn之間，結構面交線在天然邊坡和人工邊坡均出露，處于不穩定條件。

上述表明D區南坡開挖后處于穩定狀態，北坡兩組節理面組成楔形狀滑動，為較不穩定狀態，建議開挖后對D區北坡進行安全支護處理。

4 結 語

本文通過闡述赤平投影基本原理與巖質邊坡穩定性評價標準，直觀地反映了各組合交線與邊坡的空間關系。

1)定性分析了平面滑動和楔形狀滑動的不同穩定條件，進而反映了邊坡的整體穩定性，為邊坡的防治提供了依據。

2)以鎮江句容寶華鎮某巖質邊坡為實例，采用赤平投影方法，通過對地層層面和兩組主要發育的節理進行赤平投影分析，認為該場地B區東邊坡和D區北坡處開挖后于較不穩定狀態，建議開挖后進行安全支護處理。

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