岩质边坡楔形破坏

第一章绪论1.1 引言随着国民经济的发展，水利建设，交通运输和国防工程等建设工程中所遇到的岩质边坡稳定性问题也相应地增多。

由于工程建设的需要，往往在一定程度上破坏或扰动原来较为稳定或岩体而形成新的人工边坡，诱发新的地质灾害。

地质灾害已经成为制约我国经济及社会可持续发展的一个重大问题。

岩质边坡滑坡作为地质灾害中一个十分突出的问题，给国民经济建设的各个部门带来了严重的干扰和损失。

1993年三峡库区巫溪县南门岩体崩滑造成200余人丧生。

2000年彭水县山体滑坡造成70余人丧生。

2004年12月11日，雨台温高速公路柳市附近突发大面积山体滑坡事故。

滑坡的山体高约100m、宽约70m.甫台温高速公路70余米的路段完全被滑落的大石封死，致使温州大桥白鹭屿至乐成镇一段的高速公路双向车道全部瘫痪。

地震作用诱发的边坡滑动和坍塌也是常见的灾害之一。

特别是在山区和丘陵地带，地震诱发的滑坡往往分布广、数量多、危害大。

我国是一个多地震的国家，西部地区又是地中海一喜玛拉雅地震带经过的地方，是亚欧大陆最主要的地震带，也是我国地震活动最活跃的地区，因地震而导致的滑坡灾害非常严重。

大量崩塌与滑动主要发生在多震的西部地区，而这些地区正是我国的水电能源和各种矿产资源的主要蕴藏地。

随着国家西部大开发战略的实施，将加速对西部地区水电、矿产资源开发、及公路、铁路等基础设施建设，愈来愈多的工程(如水电、矿山、能源、核废料储存及溶质运移)都建设在岩体之上，几乎所有的土木工程建设都涉及到边坡的动力稳定问题。

在大多数岩体力学问题的研究中，都假定岩体在外力作用下是静止的，所以，考虑问题的角度也一般是从静力学角度出发，其结果与实际情况不尽相符，往往对结果作一些折减。

通常，在许多实际情况中，荷载常具有动力特性，如上所述的地震滑坡灾害等，沿用静力学的原理和方法来求解这类问题，结构的动载特性无法反应出来，这显然是不合适的。

例如，在地震作用和影响下，岩质边坡的稳定;隧洞围岩和衬砌结构的安全;筑造在岩层中的导弹发射竖井能否继续使用;修建大型水库以后是否存在诱发地震的可能性，以及在诱发地震一旦发生时，大坝及库区岩质边坡的稳定等。

在水利水电、露天采矿、能源及交通等工程领域岩质边坡出现得越来越多，这些岩质边坡往往是工程中的控制性项目，关系工程进度、经济效益，甚至工程成败。

因此，安全可靠、经济合理地分析岩质边坡的稳定性并进行边坡设计，其意义就越发显得突出。

岩质边坡稳定分析作为设计的基础，更是重中之重。

1.2 岩质边坡楔破坏定及边坡动力问题研究现状楔体理论（Wedge Theory）是石根华博士与R.E.Goodman于1982年通过研究块体理论提出来的。

1985年，石根华博士与R.E.Goodman教授合著了《块体理论及其在岩体工程中的应用》（Block Theory And Its Application To Rock Engineering）一书。

块体理论自提出以来一直受到国内外科研人员与工程技术人员的重视。

楔形体破坏在工程实践中经常发生。

如高度为300m左右的大冶露天矿边坡，边坡岩体岩石坚硬，岩体结构基本上属于完整结构，稳定性理应较高，但由于受断层切割，局部形成了楔形块体，并出现破坏现象，三峡工程地下厂房尾水出口边坡在开挖过程中，设计人员先后确定了大量可能下滑的楔形岩块。

这些由在片麻岩花岗岩内发育的几组节理组成的不稳定块体，楔体方量从几十方到几千方不等。

Mononobe H A等最早从变形体的角度研究了土质边坡的动力特征，并第一次提出了一维剪切楔法的模型，开创了剪切楔法分析边坡地震反应分析的先河(Mononobe et al.,1936)。

然而，直到20年后，由于Karnataka和Ambraseys 的工作，这个模型的意义才被人们重新认识并得到工程界的认可。

后来的很多学者对一维剪切楔法进行了改进，把剪切楔法推广到二维三维。

进入20世纪80年代，通过参数研究来阐明诸如峡谷集合几何变形，材料不均匀性等因数的重要性，进而产生了几种改进分析模型。

一般认为，动力荷载对岩质边坡稳定性的影响主要是由于动荷载引起的惯性力和因循环退化引起的剪应力降低，导致边坡整体下滑力加大，降低了边坡的安全系数。

因此将动荷载下边坡失稳分为：惯性失稳（Inenial Instability ）和衰减失稳（Weakelling Instability ) ，爆破造成边坡的失稳一般属于惯性失稳。

目前边坡动力分析方法主要还是基于极限平衡理论和应力变形分析。

惯性失稳常采用的分析方法有：拟静力法（Pseudostatic Analysis ) , Newmark 滑块分析法( Newmark sliding Block Analysis ）、Makdisi seed 的简化分析法，地震边坡的概率分析方法及有限元方法。

而衰减失稳常采用：流动破坏分析法（Flow Failur Analysis ）和变形破坏分析法(Deformation Failure Analysis)。

王思敬( 1977 ）较早地研究岩质边坡动力特性问题，1987 年，王存玉在二滩拱坝动力模型试验中发现，岩石边坡对地震加速度不仅存在铅直向的放大作用，而且还存在水平向的放大作用。

何蕴龙等人（1998 ）通过动力有限元法发现了“岩石边坡的地震动力系数并不随坡高增高而单调增大”，并且得出了“坡高约100m 时坡顶最大动力系数达到最大值，坡高超过100m动力系数反而有所降低。

但总的来说，岩石边坡动力系数对坡高的变化是不敏感的，在工程常见的坡高范围内边坡动力系数的变化是不大的”的结论，并基于此提出了岩质边坡地震作用的近似算法。

薛守义博士（1989 ）较为系统地分析和总结了前人对岩体边坡动力稳定性所做的零星工作后结合岩体结构思想，并指出了各种情况下所需选用的动力分析方法，将岩体边坡稳定性分析模型归纳为岩体地质模型、力学模型和几何模型三类，并在振动模型研究的基础上，分析了岩体振动的力学效应，发展推导了楔形体滑动机制下的地震滑动位移分析公式，并编制了相应计算程序，在振动单剪仪上，进行了小浪底原状泥化夹层的动力特性试验研究，取得了泥化夹层动特性比较可靠的直接资料。

徐卫亚博士在其博士学位论文中采用振型迭加法对链子崖的动力时程响应也曾经进行过研究。

另外，孙钧（l987 ）、孙进忠（2001 )、胡津贤（1989 ）等的著述中涉及到岩质边坡的动力响应的问题。

1.3 本文主要内容研究针对岩土工程中的岩质边坡楔形破坏问题，并对边坡动力特性进行研究分析。

主要内容有：（1）对岩质边坡楔形破坏理论学习，并对边坡楔体稳定性进行分析，并做出评述。

（2）对特征岩质边坡楔体稳定性分析基本方法、影响岩质边坡楔体破坏稳定性的因素等方面进行理论学习及分析；在总结前人研究成果的基础上，对如何计算分析楔体的稳定性进行研究。

（3）通过对边坡岩体特征的分析和评价，建立边坡岩体整体模型，并结合国内外相关岩石（体）动力特性研究成果，研究边坡岩体的本构关系，进行岩质边坡的动力分析计算。

（4）结合工程实例对边坡楔形破坏及边坡动力分析。

第二章研究区域边坡工程地质条件2.1自然地理概况研究区域位于贵州省黔东南州从江县，与广西壮族自治区接壤，东接广西三江侗族自治县，南邻广西融水苗族自治县和环江毛南族自治县，西连荔波、榕江两县，北靠黎平县，是重要的交通枢纽通道。

图2.1 贵州从江县地图2.2区域地质环境概况2.2.1气候、水文贵州省从江县属亚热带季风温润湿热气候区，夏长冬短，冬温夏热，最高气温39.0℃，最低气温-6.0℃，多年平均气温18.4℃，多年平均降雨量1200～1500mm 之间，雨量丰富，全年湿润，无霜期300天以上。

地下水的赋存形式以上层滞水存在，其中以吸着水、毛细管水、孔隙水、裂隙水为主，水的补给源以稻田内的地表水和大气降水为主。

边坡前缘约45m处发育一条四季常流河，该河为都柳江，系珠江水系，流量及水位受季节性影响较大，丰水期时流量变大，最大洪水水位标高:160.30m；枯水期时流量变小，水位标高：152.30m；常年水位标高：154.80m。

2.2.2地形、地貌研究区位于缓陡剥蚀的中低山地貌区，场区高程在173.00～283.00m，相对高差约110m，边坡后壁较陡，坡度角呈20°～40°倾斜，边坡前部为陡坡，坡度角呈45°～53°倾斜。

实测边坡体后缘高程为283.70m，前缘高程173.30m，相对高差110.40m。

2.2.3地质构造与地震本区在区域地质构造上属扬子准台地江南台隆（即江南古陆）北缘，主要由浅变质岩系组成，边缘分布震旦系和寒武系地层。

由于地层经历多次构造运动，紧密线性褶皱及断裂构造发育，老构造经多次断裂活动的改造、复合已难以辨认，现以燕山期、加里东北区的构造最为显著。

区内无大的断裂和构造经过，地层主要为上元古宇丹洲群拱洞组变质岩分布区，岩性主要为灰、灰绿、淡黄、褐黄色粉砂质板岩，局部夹浅灰色凝灰岩，粉砂质板岩，地层产状105°∠48°，岩体内节理裂隙密集发育，共发育有“X”型共轭节理，其中以产状为355°∠68°（密度为46条/m2）、205°∠79°（密度为54条/m2）、15°∠43°（密度为51条/m2）及270°∠48°（密度为31条/m2）最为发育，节理密度23条/m2，裂隙面被粘土、铁锰质氧化膜充填，前两组裂隙具张拉性质，后两组裂隙具卸荷性质。

裂隙将岩体切割成碎裂状、散体状，使岩体强度大大降低，且裂隙面于岩层面构成水解粘土化作用中水介质运移通道。

表2.1 边坡场区节理裂隙统计表经查阅贵州历史地震资料，本区最大地震震级为Ⅴ级，场区土体无地震液化的可能。

取地震传递系数P=0.00g。

2.3边坡工程地质条件2.3.1地质特征该地区分布土体为第四系人工回填层、耕植土层和残坡积层，岩体为上元古宇丹洲群拱洞组（P t3g）粉砂质板岩，分述如下：耕植土层（Q pd）为淡黄色耕植土层，见植物根茎。

厚度0.10～0.40m。

回填土层（Q me）为杂色人工回填层，由碎块石、粘土及水泥凝结物，结构中密。

厚度1.20～1.50m。

残坡积层（Q el+dl）为淡黄色碎块石土，碎块石成分强至弱风化粉砂质板岩，粒径：0.20～35.2cm，含量38～45%，结构稍密。

控制厚度4.10～12.80m。

岩体（P t3g）场区岩体为上元古宇丹洲群拱洞组粉砂质板岩。

强风化层（P t3g），为灰绿、淡黄、褐黄色粉砂质板岩，原岩组织结构大部分被破坏，尚存残余层理结构，风化作用强烈，岩石破碎，整体性差，厚度变化大。