基于三维块体切割分析及块体理论的高陡硬岩边坡稳定性分析.pdf

第 卷，第 期年 月公路工程 ，：收稿日期 基金项目湖南省交通运输厅科技进步与创新计划资助项目（，）作者简介黎炬锋（），男，湖南岳阳人，高级工程师，主要从事公路勘察设计及安全性评价工作。引文格式黎炬锋，吴庆禄，余文龙 基于三维块体切割分析及块体理论的高陡硬岩边坡稳定性分析 公路工程，（）：，（）：基于三维块体切割分析及块体理论的高陡硬岩边坡稳定性分析黎炬锋，吴庆禄，余文龙（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 ；上饶市广信区水利局，江西 上饶 ；大庆油田设计院有限公司，黑龙江 大庆 ）摘要硬岩边坡稳定问题通常表现为受结构面控制的块体失稳。采用三维块体切割和块体理论对某高陡硬岩边坡确定性结构面切割形成的定位块体问题、随机裂隙形成的不定位块体问题与确定性和随机结构面共同切割形成的半定位块体问题进行较为全面地计算分析。结果表明：当存在较多产状和位置变化复杂的确定性长大结构面时，采用传统块体理论方法进行组合并确定不同组合形成的关键块体，则工作量大，且块体形态特征难以确定。然而，三维块体切割分析可以快速搜索得到所有块体。在综合考虑结构面延伸为 ，搜索得到体积大于 的可失稳块体有 个，但块体稳定性均较好，不需要采取支护措施；随机节理裂隙形成的不定位块体，在重力的作用下，不存在失稳问题；确定性与随机性结构面共同形成的半定位块体，只在少数断层旁边出现，其稳定性均满足设计要求。该边坡的岩体结构面切割形成的块体问题不突出，结构面组合特征对边坡的稳定性影响较小。关键词三维块体切割；块体理论；硬岩边坡；块体稳定性 中图分类号 文献标志码 文章编号 （），（，；，；，），第 期黎炬锋，等：基于三维块体切割分析及块体理论的高陡硬岩边坡稳定性分析 ，；概述我国西部山区边坡岩体经历了复杂的地应力变化和强烈的改造作用，造成岩体的变形、破裂和松弛，岩体结构破碎程度逐渐加剧，斜坡整体结构变差，在外界干扰作用下，易发生失稳破坏，为工程建设和人们生产生活带来困扰。某高陡硬岩边坡岩体为灰岩，岩石质地坚硬，但节理裂隙发育，风化作用强烈。强卸荷弱风化带上段岩体质量较差，呈块裂结构；弱卸荷弱风化带下段岩体，裂隙紧闭，呈块状、层状结构。边坡岩体被众多结构面切割，在自然坡表上已出现倾倒破坏和楔形体滑移失稳现象。结构面发育情况下的硬岩边坡，往往表现为结构面切割下形成的局部块体失稳，块体理论在分析结构面复杂切割下形成的块体问题，无疑是强有力工具。年石根华发表“岩体稳定分析的赤平投影方 法”一 文，可 视 为 块 体 理 论 的 雏 形 。年 与石根华 正式提出了块体理论。块体理论将几何拓扑学方法应用到岩体稳定分析领域，全面准确地解答了多组结构面切割情况下在不同临空面上出现的可动块体与关键块体识别、失稳模式判别等问题。块体理论假定结构面为平面且无限延伸、块体为刚体、块体失稳为平行移动形式，在此前提下，块体理论是严格的、完备的。然而在工程应用中，可能遇到实际工程条件与块体理论基本假设明显不符的情形，如多滑面块体稳定问题、凹形体问题、不定位块体大小确定问题、有限结构面网络切割下形成的块体识别问题等。多年来，针对这些问题，在经典块体理论基础上，有关块体分析技术获得了许多重要进展，主要包括：复杂块体形态分析和稳定分析 、三维结构面网络模拟和随机块体分析 、结构面识别和块体自动判别 、三维块体切割和渐进失稳分析 、一般 块 体理论 等；在工程应用方面，块体理论已经在矮寨大桥桥台边坡、三峡工程永久船闸边坡和地下厂房、锦屏水电站隧洞等众多工程中得到较广泛的应用 。本文采用三维块体切割和块体理论，对该高陡硬岩边坡确定性结构面切割形成的定位块体问题、随机裂隙形成的不定位块体问题与确定性和随机结构面共同切割形成的半定位块体问题进行较为全面的计算分析。三维块体切割和渐进失稳分析原理三维块体切割分析时，考虑结构面大小有限，产状、间距和空间位置任意发育，形成任意结构特征的裂隙网络；结构面平直、不考虑起伏差对块体的影响。三维块体切割分析的主要过程为：三维结构面网络模拟生成；结构面（以及岩体边界面）之间的交线分析、封闭回路分析；孤立回路删除、相关回路分析；封闭块体搜索，块体搜索正确性检验。在三维块体切割分析基础上，进行块体系统渐进失稳分析。其含义是：若临空面上某块体失稳，则与该块体相邻块体的接触面变成临空面，因此相邻块体所受的约束减少，可能成为可失稳块体。可失稳块体存在失稳模式（脱离岩体、单面滑动、双面滑动）。因而，当存在可失稳块体时，就进行循环分析，得到第 批、第 批等不同批次（每重新循环 次得到的可失稳块体为不同批次）的失稳块体，直至不再存在可失稳块体，由此完成块体渐进失稳分析过程。形成的块体失稳模式有 种类型：脱离岩体、单面滑动、双面滑动。块体在已知合力（如自重）情况下，判定块体的可动性及其失稳模式的方法如下 ：单面滑动。块体沿一个结构面 滑动时，其方向 与主动力合力 在该平面上的投影方向一致，即：公路工程 卷()（）式中：为结构面 的向上法向矢量。块体沿结构面 的滑动必须满足下列两个条件：合力 使块体不脱离滑动面 ，即：；块体的运动方向 使除结构面 以外各结构面与岩体脱开，即：。若，则可分析块体存在平行结构面问题。双面滑动。块体沿两个结构面 和 的双面滑动，即沿两结构面的交线运动：()（）式中：函数 ，当 小于 、等于 、或大于时，分别取 、。通过该函数保证运动方向 与主动力合力 呈锐角相交。这时，合力 必须使块体与滑动面和 接触，即：（）（）其中，分别为合力 在结构面 和上的投影，按式（）计算。且运动方向 使除结构面 和 以外的结构面与岩体脱开，即：（）式中：代表块体各结构面，但 。若，则可分析块体存在平行结构面问题。脱离岩体。当块体为脱离岩体运动时，运动方向 与主动力合力 的方向 一致，即：（）块体在主动力合力作用下，各个结构面与岩体脱开：（）式中：代表组成块体的各结构面；为结构面指向块体内部的单位法向矢量。当运动方向 与 的点积小于 时，块体与该结构面保持接触；等于 时为沿该面平移；大于 为与该面脱开。边坡岩体结构特征(边坡出露岩层为泥盆系下统)第 层薄 中厚层状白云质灰岩、变质灰岩，岩石致密坚硬。边坡岩体中发育有许多条断层、挤压破碎带，以及层面和多组节理裂隙（见表 ）。勘探平硐内共揭露 条确定性的断层和挤压带，断层主要走向 和 ，倾角 ，少数 。这些结构面为、级，其空间位置确定（因此称为确定性结构面或定位结构面），但其长度在平硐内无法准确勘察得知，根据现场调查，其延伸（平均迹长）估计均为 。表 边坡裂隙发育统计表 组别产状性状特征 层面裂隙，延伸较长，较平直、粗糙间距 （薄层 巨厚层）起伏，粗糙，延伸一般几米至十几米，间距 平直，粗糙，短小裂隙，延伸 ，间距 确定性结构面形成的定位块体 块体形态和可失稳块体由于该边 坡 的 定 位 结 构 面 产 状 各 异，空 间位置不同，其它方 法如 连 续 或 非 连 续 介 质 数 值分析方法，难以对 余条产状各异的结构面对边坡稳定的 影 响 进 行 合 理 模 拟。基 于 此，采 用三维块体切割方法 ，将所有定位结构面输入，通过几何拓扑 学 方 法 搜 索 结 构 面 切 割 形 成的块体，并分 析 块 体 的 可 失 稳 性。由 于 结 构 面延伸（平均迹长）对切割形成的块体情况有很大影响，在勘察资料估计其延伸为 基础上，为了安全起见在计算分析中假定延伸均为 。三维块体切割技术分析形成的块体形态如图图 所示，在此基础上，分析块体在重力作用下的失稳模式，可能有单面滑动、双面滑动和脱离岩体 种。通过块体渐进失稳分析方法 ，得到可失稳块体如图所示如图 图 所示，结构面延伸（平均迹长）越大，切割形成的块体越多，并且越 容 易 形 成 可 失 稳 块 体。当 结 构 面 延 伸 达 到 时，形成的块体规模较大。第 期黎炬锋，等：基于三维块体切割分析及块体理论的高陡硬岩边坡稳定性分析（）块体数为 个（）渐进失稳块体（批次失稳）图 块体和可失稳块体（结构面迹长为 ）（）（）块体数为 个（）渐进失稳块体（批次失稳）图 块体和可失稳块体（结构面迹长为 ）（）（）块体数为 个（）渐进失稳块体（批次失稳）图 块体和可失稳块体（结构面迹长为 ）（）（）块体数为 个（）渐进失稳块体（批次失稳）图 块体和可失稳块体（结构面迹长为 ）（）定位块体稳定性和支护分析结构面不同延伸（平均迹长，）形成的块体形态和可失稳块体不同。由图 图 可知，结构面延伸为 时与延伸为 时相比，可失稳块体数量明显增多，出露范围也明显增大，而与延伸为 时情况相近，因此以延伸为 为代表进行边坡块体问题分析，可以较为充分地估计到潜在的块体问题，有利于保障边坡稳定，也不至于过于保守。结构面延伸 时，得到渐进失稳块体见图，共存在 批可失稳块体。其中体积大于 的块体信息如表 所示。其中，与前批次可失稳块体相邻的结构面，在后批次可失稳块体分析时已成为临空面，此时将该结构面编号以下划线标示。（）第 批失稳（）第 批失稳（）第 批失稳图 块体渐进失稳过程 公路工程 卷在 批次的失稳块体中，体积大于 的块体仅有 个（见表 ）、块体形态见图 。根据室内外试验并结合相似工程经验，块体稳定系数计算中，断层摩擦系数取 ，黏聚力取 时，块体的稳定性均能够满足稳定要求，不需要进行支护。表 定位结构面形成的可失稳块体 块体编号块体体积 结构面组成（针对体积大于 ）失稳模式失稳批次稳定系数 ，双面滑 ，双面滑 ，双面滑 ，单面滑 ，双面滑 ，双面滑 （）块体 （）块体（）块体 （）块体 （）块体（）块体 图 体积大于块体 的可失稳块体 随机节理裂隙形成的不定位块体分析边坡在随机裂隙切割下形成的块体问题，随机裂隙包括层面裂隙 、节理 、节理 ，其产状 如 表 所示。计算 中节理裂 隙摩 擦 系数 取 ，黏聚力取 。全空间赤平投影分析中，考虑到正面坡的临空面为马道与斜坡面形成的组合临空面（台阶状），因此临空面有 个，产状分别 （开挖形成的斜坡面）和 （水平马道）。全空间赤平投影分析如图 所示，实线圆 为结构面 、的投影；点线圆为赤道参考圆，也是水平面的投影；虚线圆为坡面的投影。另外，“”等为结构面锥（或称节理锥 ，）的编号，“”、“”分别表示面的上、下半空间，个数字从左到右依次对应 个结构面（图的左上角显示各结构面顺序）。根据块体可移动性判断准则，若某结构面锥 完全包含于一个或多个临空面交成的空间锥 之内，则该结构面锥为相应临空面（或交棱、交角）的可移动块体。结构面锥编号下部的“”等表示在自重条件下，结构面锥对应的失稳模式。结构面锥 位于马道与斜坡面之并集或交集形成的空间锥内，因此可在边坡内任何位置（马道外侧、内侧和斜坡面上）形成可动块体。但从块体形态（见图 ）可以看出，由层面裂隙 、形成的交棱倾向坡内，因此在重力作用下，这类块体是稳定的。由于分析中取平均产状，当随机裂隙产状与平均产状相差不太大时，该结论仍成立。图 随机裂隙与正面坡的全空间赤平投影 第 期黎炬锋，等：基于三维块体切割分析及块体理论的高陡硬岩边坡稳定性分析（）坡面上的块体形态（）块体的结构面组成图 结构面锥 在正面边坡上形成的可移动块体 确定性与随机性结构面共同形成的块体 块体形态和可失稳块体分布由于确定性结构面和随机性结构面这两种结构面在自然界同时存在，因此还需分析两种结构面共同切割形成的块体问题。采用三维块体切割技术，对于 确 定 性 结 构 面，假 定 结 构 面 平 均 迹 长 为 ，产状和空间位置按实际勘察结果输入。对于随机结构面（层面和节理裂隙），根据其产状、延伸、间距等采用 法模拟生成。模拟中，结构面空间位置在模拟区域内满足均匀分布，结构面迹长假定为负指数分布，间距服从负指数分布，产状取平均值不变。随机结构面网络模拟参数见表 。模拟得到边坡内块体形态和失稳块体如图 、图 所示，可失稳块体中包括确定性结构面形成的定位块体之外，还有定位结构面与随机结构面切割形成的半定位块体，而仅仅由随机结构面切割（随机块体）不能形成可失稳块体，因此坡面上出现的可失稳块体沿某些定位结构面旁边而发育。由于随机结构面不能形成可失稳块体，边坡上的可失稳块体分布范围是有限的，对于边坡的稳定性影响较小。表 随机结构面网络模拟参数 随机结构面平均产状 （）平均迹长 平均间距 层面裂隙 节理 节理 图 边坡的块体形态（第 次模拟）（）图 边坡内可失稳块体（第 次模拟）（）半定位块体稳定性和支护分析由于定位结构面数量多，在块体类型和形态分析时如果将所有定位结构面都与随机结构面进行组合，则工作量无疑是巨大的。从图 可知，只有部分定位结构面通过与 、组合，形成半定位块体。在此以 旁发育的半定位块体为例，进行块体稳定性和支护分析。首先通过全空间赤平投影分析，如图 所示，公路工程 卷按 、次序依次对应图中的实线圆、。由图 可以看出，结构面锥 、可以形成可失稳块体；并且，结构面锥 、（其中 表示对应的结构面不参与结构面锥的形成，即 个结构面形成的结构面锥）也可以形成可失稳块体（见图 ）。如图 （）所示，在忽略结构面黏聚力情况下，上部数字表示结构面锥单位体积剩余滑动力，下部数字表示稳定系数。当不考虑黏聚力的稳定系数大于 时，认为该结构面锥形成的块体是稳定的。当可失稳块体类型较多时，可以在赤平投影中对某些不能形成关键块体的可移动块体予以筛除，只针对关键块体进行块体形态分析，并进行考虑黏聚力的稳定计算。由图 （）可知，结构面锥 形成的块体的滑动模式为“”（即沿第 个滑动面 、（）结构面锥编号和失稳模式（）单位体积的剩余滑动力和稳定系数图 断层与随机裂隙的全空间赤平投影 第 个面 的双面滑动），不考虑黏聚力且滑面摩擦系数取 （）时稳定系数达 ，相应的结构面锥 也如此，可以不进行支护分析。结构面锥 、形成的块体的滑动模式为“”，不考虑黏聚力的稳定系数为 ，因此需要进一步分析。图 断层与随机裂隙形成的可失稳块体 考虑黏聚力时，块体的稳定性与形态、体积有关。受随机裂隙延伸（延伸越大，块体越大，所需的支护力越大）的控制，假定形成块体的边长一般不超过 ，由此确定块体形态并进行稳定性计算（如图 ）。计算结果见表 ，由计算结果可知，这些类型的块体在考虑黏聚力后的稳定性可以达到稳定要求，不需进行支护。（）形成的块体（）形成的块体（）形成的块体图 断层与随机裂隙形成的可失稳块体形态和结构面组成 第 期黎炬锋，等：基于三维块体切割分析及块体理论的高陡硬岩边坡稳定性分析表 断层旁边的可失稳块体的稳定系数和所需的支护力（，）（，）块体编号块体体积 失稳模式稳定系数所需的支护力 形成的块体 双面滑（，）形成的块体 双面滑（，）形成的块体 双面滑（，）结论本文采用三维块体切割和块体理论对某高陡硬岩边坡确定性结构面切割形成的定位块体问题、随机裂隙形成的不定位块体问题，以及确定性和随机结构面共同切割形成的半定位块体问题进行了较为全面的计算分析。得到以下认识：当存在较多产状和位置变化复杂的确定性长大结构面时，采用传统块体理论方法进行组合分析，则工作量大，块体形态特征难以确定，然而，三维块体切割分析可以快速搜索得到所有定位块体。在综合考虑结构面延伸为 ，搜索得到体积大于 的可失稳块体有 个，但块体稳定性均较好，不需要进行支护。随机节理裂隙形成的不定位块体，在重力的作用下，不存在失稳问题；确定性与随机性结构面共同形成的块体，只在少数断层旁边出现半定位块体，其稳定性均满足设计要求。根据勘探平硐等现场结构面调查结果，该边坡岩体结构面切割形成的块体问题不突出，结构面组合特征对边坡的稳定性影响较小。参考文献 石根华 岩体稳定分析的赤平投影方法 中国科学，年第 期 ，：，张奇华 基于块体加与块体减算法的岩石块体几何形态分析 水利学报，（）：张奇华，胡惠华，张煜，等 块体稳定分析中传统赤平投影与全空间赤平投影对比研究 岩土工程学报，（）：邬爱清，朱虹，李信广 一种考虑块体侧面一般水压分布模式下的块体稳定性计算方法 岩石力学与工程学报 ，（增）：张奇华 多滑面块体的分块极限平衡分析法 岩石力学与工程学报，（）：，（）：邬爱清，张奇华 岩石块体理论中三维随机块体几何搜索 水利学报，（）：李术才，刘洪亮，李利平，等 基于数码图像的掌子面岩体结构量化表征方法及工程应用 岩石力学与工程学报，（）：王述红，杨勇，王洋等 基于数字摄像测量的开挖空间模型及不稳块体的快速识别 岩石力学与工程学报，（）：徐俊，谢礼明，刘宇等 基于三维激光扫描的岩体结构面识别与块体分析 人民长江，（）：，（）：，：张奇华，邬爱清 边坡及洞室岩体的全空间块体拓扑搜索研究 岩石力学与工程学报，（）柯锦福，王水林 三维数值流形法块体切割技术研究 岩土力学，（）：，：，（）：，（）：，：于青春，陈德基，薛果夫，等 裂隙岩体一般块体理论初步 水文地质工程地质，（）：程毅，陈征宙 对关键块体失稳可能性分析中形状参数的研究 公路工程，（）：，康志亮，周顺田，朱永生，等 基于赤平投影方法的周宁抽蓄电站边坡块体破坏模式识别 人民珠江，（）：朱传刚，苏永华 公路隧道裂隙化围岩失稳分析方法及应用 公路工程，（）：梁宁，伍法权，刘彤，等 块体理论赤平解析法在锦屏二级水电站皮带机隧洞稳定分析中的应用 工程地质学报 ，（）：邬爱清 基于关键块体理论的岩体稳定性分析方法及其在三峡工程中的应用 长江科学院院报，（）：潘朝辉 坡顶均布荷载作用下土石混合体边坡的稳定性和破坏性特征分析 湖南交通科技，（）：