太平頂景區懸崖穩定性及防治措施研究

蘭俊　劉杰　燕波　高進　張羅送　高素芳

摘要：本文以某工程為例，結合現場勘查、理論分析和FLAC 3D數值模擬在各工況下對懸崖整體穩定性進行評估，研究表明在未加固條件下，工況2為最危險工況，崖體有可能出現局部失穩，但各工況下崖體整體穩定性較好，懸崖大區域是穩定的；從懸崖局部模型穩定性分析可得，在懸崖邊緣1m范圍內，不能建造建筑物；在懸崖邊緣15m范圍內無需對崖體進行支護，便可建造建筑物；研究最終表明雖然崖體現狀穩定，但安全儲備不足，存在局部失穩的可能，針對此，給出4種加固防護方案，從而保證懸崖整體具有較高的安全性。

Abstract： Taking a project as an example， this paper evaluates the overall stability of the cliff under various working conditions by combining site investigation， theoretical analysis and FLAC 3D numerical simulation. The research shows that under unreinforced conditions， working condition 2 is the most dangerous working condition， and the cliff body may have local instability， but the overall stability of the cliff body is better under various working conditions， and the large cliff area is stable. From the analysis of the stability of the local cliff model， it can be concluded that within 1m of the cliff edge， buildings can not be built； buildings can be built without the need to support the cliffs within 15m of the edge of the cliffs； the study finally shows that though the cliff is in stable condition， its safety reserve is insufficient， and there is the possibility of local instability. According to this， four kinds of reinforcement protection schemes are given， so as to ensure the overall cliff has higher safety.

關鍵詞：崖體；穩定性分析；數值模擬；加固防護措施

Key words： cliff body；stability analysis；numerical simulation；strengthening protective measure

中圖分類號：TU45 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0137-05

0 引言

危巖是山丘地區常見的地質災害之一。它是指位于陡崖或陡坡上被多組巖體結構面切割且穩定性較差的巖石塊體及其組合，其形成、失穩與運動屬于斜坡動力地貌過程的主要表現形式[1]。隨著社會經濟的發展以及工程建設的不斷增多，危巖體失穩破壞對人類生命財產安全造成的威脅越來越嚴重，因此正確分析、判斷、預測危巖體變形失穩模式，對危巖體的穩定性分析計算的基礎上提出防治措施，具有較大價值和工程實際意義。

目前，國內外學者從不同的角度對危巖體失穩機制展開了研究分析，陳洪凱等[2-3]分別基于斷裂力學方法和極限平衡法建立了危巖穩定性分析方法；王立人[4]等根據土力學及巖體力學理論，針對危巖體的可能破壞類型，給出了穩定性系數計算公式；孫云志[5]等將地震作用考慮進剪切破壞崩塌，并對傾倒巖體提出第一、第二失穩判據；陳志強[6]等對重慶市南川甑子巖危巖形成的演化機制進行了分析研究，并提出了相應防治措施；王林峰、陳洪凱等[7]研究了地震作用下墜落式危巖的穩定性；楊志等[8]對瀘定縣觀音閣景區危巖穩定性進行分析并提出治理方案；國外學者如A.M. Ferrero[9]等通過遙感獲得巖體結構特征對意大利北部某地區的巖質陡崖危巖災害進行了調查分析；Ferlisi[10]等對意大利南部某旅游景區邊坡危巖落石對景區產生的安全問題評價。

結合上述研究成果， 本文以遠安縣太平頂景區懸挑式危巖體為研究對象，著重分析懸崖上建造房屋對懸崖危巖體穩定性的影響， 并根據分析結果提出了安全建造區域以及相應的防治措施。

1 工程概況

1.1 工程簡介

擬建湖北省宜昌市遠安縣太平頂旅游區項目場地，屬荊山山脈東南的延伸帶。 懸崖航拍俯視圖如圖1所示，擬建懸崖木屋位于北西側山頂懸崖邊緣區域，該處工程建設依山而建，基本不改變現狀地形地貌，可能引發或加劇的地質災害主要為建設活動攪動及荷載導致的懸崖臨空側巖體局部崩塌、剝落掉塊。據地災評估報告，預測引發或加劇地質災害的可能性中等，危險性中等，危害性中等。

1.2 地質條件

該處巖性為泥盆系云臺觀組石英砂巖（D2-3y），巖層產狀78-93°∠10-15°，坡向大多在265°～289°之間，坡度84-90°。受兩組裂隙控制，1組產狀332°∠75°，發育密度1條/m，呈微張狀；2組產狀86°∠67°，發育密度1條/m，局部張開。該懸崖中部白皮松位置為一典型危巖體，有多組節理切割形成石柱，與整段懸崖完全隔離，現狀基本穩定，但預測穩定性差，應完全避免人類工程影響。北側懸崖如圖2所示。

2 計算參數、模型及工況

2.1 計算參數

危巖體采用摩爾庫倫本構模型，參數選取時說明是根據工程類比法選取，模型建立參數選取如表1所示。

2.2 計算模型

采用FLAC3D進行數值分析[11-13]，根據表1建立長度為2km的整體懸崖三維模型，研究懸崖巖土體在各工況下的整體穩定性，該懸崖整體模型如圖3所示。

2.3 計算工況條件說明

①針對建房考慮了施工對周圍巖體的擾動破壞，巖體參數降低20%[14-15]；考慮長期性水軟化及巖體工程運行五十年后的巖體風化，巖體性質降低40%[18-20]。

②根據《GB 50011-2010（2016年版）建筑抗震設計規范》[16]建筑所在地區遭受的地震影響，應采用宜昌市項目所在地的抗震設防烈度和設計基本地震加速度等地震動參數來表征，如表2所示。

③根據《GB 50011-2010（2016年版）建筑抗震設計規范》中考慮局部突出地形（主要是指山包、山梁和懸崖、陡坎等）對地震動參數的放大作用，以突出地形的高差H，坡降角度的正切H/L以及場址距突出地形邊緣的相對距離L1/H為參數，歸納出各種地形的地震力放大作用如下：

結合本工程可知：懸崖突出地形的高度H≥60m，且局部突出臺地邊緣的側向平均坡降（H/L）≥1.0，故局部突出地形地震影響系數的增大幅度為0.6；且L1/H<2.5，？孜取1.0；即局部突出地形頂部的地震影響系數的放大系數

3 懸崖整體模型計算成果分析

3.1 計算工況

根據建立計算模型，施加以下荷載工況進行具體分析：①工況1：考慮巖體自重+房屋荷載；②工況2：考慮地震情況；③工況3：最危險工況+加固處理（考慮被加固區域巖體參數提高10%）。

3.2 三種工況下懸崖整體位移、應力計算結果

上述三種工況下懸崖整體位移、應力計算結果如表4所示。

3.3 三種工況下懸崖整體穩定性結果分析

3.3.1 工況1崖體穩定性分析

由表4和圖4從位移、應力和塑性區分析工況1：考慮巖體自重+房屋荷載可知；崖體整體除在邊緣懸挑區有小部分塑性貫通區外，其余基本無塑性貫通區；施加房屋荷載后，主要考慮懸崖巖體受拉狀態即Y方向位移、應力，Y方向（垂直于巖壁長邊方向）的最大位移主要集中于崖體邊緣，最大值為22.5cm；最大拉應力位于崖體懸挑部位，最大值為0.03MPa；可知工況1作用下崖體整體穩定性較好。

3.3.2 工況2崖體穩定性分析

由表4和圖5從位移、應力和塑性區分析工況2：考慮地震情況可知；房屋荷載加載后崖體邊緣大面積塑性區成貫通狀態，表明崖體整體穩定性較差；Y方向的最大位移值為30cm，最大拉應力位于崖體裂隙、懸挑區域，拉應力最大值為0.125MPa。三者相互印證，表明崖體在該工況下處于危險狀態，崖體有可能出現局部失穩，應對崖體局部進行支護處理。

3.3.3 工況3崖體穩定性分析

由表4和圖6從位移、應力和塑性區分析工況3：最危險工況+加固處理可知；懸崖危巖加固后崖體邊緣基本不出現塑性區貫通狀態，表明加固后崖體呈基本穩定狀態；加固后，位移和應力都是在崖體邊緣，但對崖體穩定基本無影響，Y方向位移和拉應力最大值分別為2.5cm和0.01MPa。此結果與崖體邊緣基本不出現塑性區相互印證，表明在該工況下崖體加固后整體穩定性較好，具有較高的安全系數。

綜上三種工況分析可知；懸崖在未加固條件下，工況2為最危險工況，崖體有可能出現局部失穩。各工況下距崖體邊緣5～10m范圍內施加房屋荷載產生的塑性區與崖壁邊緣有小部分貫通；10m范圍外施加房屋荷載產生的塑性區與崖壁邊緣無貫通，總體來說，崖體整體穩定性較好，懸崖大區域是穩定的。

4 局部模型穩定性分析

根據現場勘測結果和上述結論，選取懸崖塑性區發育較大和懸崖地質巖體破損程度嚴重的區域1、2、3如圖7所示，建立局部三維模型，如圖8所示，并根據房屋荷載到懸崖邊緣的距離劃分兩種工況，進行崖體局部穩定性分析，通過分析局部模型，進一步驗證懸崖的整體穩定性。

4.1 工況說明

本文針對施加房屋荷載到懸崖邊緣的距離劃分兩種工況，①工況4：房屋荷載施加在懸崖懸挑1m處；②工況5：房屋荷載施加在離懸崖懸挑15m處；如圖9、10所示。

4.2 各工況下懸崖局部區域穩定性分析

4.2.1 懸崖局部區域位移、應力計算結果

上述兩種工況下懸崖局部模型位移、應力計算結果如表5所示。

4.2.2 工況4懸崖局部區域穩定性分析

房屋荷載施加在距懸崖懸挑1m處的塑性區圖如圖11所示。

結合表5圖11從塑性區、位移和應力三個方面進行穩定性分析可知：

①崖體懸挑區域出現較大面積的塑性區貫通，其主要分布于懸挑位置周圍。

②Y方向的最大位移主要集中于崖體懸挑與垂直面過渡區，位移最大值為20cm，與崖體懸挑區出現較大面積塑性區相互印證。

③從應力云圖綜合分析，最大拉應力位于崖體懸挑部位，拉應力最大值0.25MPa。

表明在此工況下懸崖懸挑區出現崖體失穩可能性較大，存在較大安全風險，故此工況下不建議直接布置建筑物。

4.2.3 工況5懸崖局部區域穩定性分析

房屋荷載施加在距懸崖懸挑15m處的塑性區圖如圖12所示。

結合表5圖12從塑性區、位移和應力三個方面進行穩定性分析可知：

①施加房屋荷載后，崖體懸挑區域無塑性區，此種工況對懸崖穩定性影響較小。

②施加房屋荷載后，Y方向位移基本不發生變化，表明在臨近崖體15m處施加房屋荷載對懸崖崖體的位移影響很小，此結果與上述崖體懸挑區出現較小塑性區相互印證。

③施加房屋荷載后，主要考慮巖體受拉狀態，從應力云圖綜合分析，此工況下崖體基本無拉應力。

表明房屋荷載施加在離懸崖邊緣15m處時，崖體塑性區、位移及應力均很小，對崖體穩定性基本無影響，故在懸崖邊緣15m范圍內無需對崖體進行支護，即可建造建筑物。

綜上，對崖體局部區域穩定性分析可知，房屋荷載施加在懸崖懸挑1m處，崖體失穩風險較大，不能建造建筑物；在距崖體邊緣15m處施加房屋荷載，對崖體穩定性基本無影響，無需對崖體進行支護，便可建造建筑物。

4.3 房屋布置及加固措施建議

針對上述結論和結合太平頂懸崖現場詳細調查結果，對現場房屋布置給出如下建議及加固措施。

4.3.1 現場木屋布置建議

結合現場勘測及計算分析結果情況可知，懸崖總體穩定性北側較好，南側懸崖出露多處卸荷裂隙，雖然崖體現狀穩定，但安全儲備不足。另外懸崖巖體主要組成成分為石英砂巖，抗風化能力中等，靠近懸崖邊界處風化程度遠大于內側，基于以上調查結論，木屋現場布置調整建議如下：

①太平頂懸崖白皮松以北區域基本穩定，可以布置木屋，木屋間距應保持大于10m，木屋外側基礎持力端應保持距離懸崖邊界5m以上。

②太平頂懸崖轉折端至西側金頂范圍現狀基本穩定，但安全儲備不足，特別是圖9中紅圈內區域，不能保證景區運行期長時間的穩定性，建議減少木屋建設，必須建設的木屋外側基礎持力端應保持距離懸崖邊界10m以上（10m以內建設必須實施人工加固處理）。

③基礎入巖施工過程必須盡量減少對懸崖的擾動，由于懸崖外側臨空，且巖性偏脆，基礎入巖施工過程不可采用沖積和擠土形式，應采用回轉的方式進入基巖。

4.3.2 懸崖防治建議

針對懸崖巖土體安全儲備不足，存在局部失穩的可能提出以下加固防護方案，下述方案施工過程中要盡量減少對崖體邊緣5m范圍內的擾動。

①危巖清除：對懸崖局部位置破損或松動危巖體宜采用清除措施，在危巖實施清除處理前充分論證清除后對母巖的損傷程度。

②裂縫灌漿封閉：太平頂山體中節理面較多、巖體較破碎，特別是靠近懸崖邊緣處，為了確保山體的整體性，可進行有壓灌漿處理（特別是設計中部分木屋接近懸崖邊緣的情況），灌漿孔應盡可能穿越較多的巖體裂隙面尤其是主控裂隙面，灌漿材料應盡量充填封閉，使得懸崖巖體內結構面、節理裂隙面的強度等參數得以提高，并提高其防水止滲性能，從而保證巖體的完整性，減弱房屋荷載對順坡向陡傾角節理面和卸荷裂隙的影響。

③修建完備的排水系統：一方面在懸崖頂部卸荷裂隙發育的附近，進行防水處理，防止雨水滲入，集聚到裂隙發育的地方，避免巖體裂隙進一步擴大；另一方面在景區建設過程中完成系統排水工程，減少生活污水及降雨對懸崖裂隙的進一步影響。

④建成完備的監測體系：進去運行后，懸崖的穩定性尤為重要，建議業主建成完備的監測系統，有人員巡視和位移監測組成，及時獲取懸崖的穩定性數據，確保景區安全運營。

5 結論

①懸崖整體穩定性分析可知，在未加固條件下，工況2兩種工況為最危險工況，崖體有可能出現局部失穩；各工況下崖體整體穩定性較好，懸崖大區域是穩定的；

②懸崖局部模型穩定性分析可知，在懸崖邊緣1m范圍內，不能建造建筑物；在懸崖邊緣15m范圍內無需對崖體進行支護，便可建造建筑物；

③結合現場勘查及計算結果分析可知，雖然崖體現狀穩定，但安全儲備不足，存在局部失穩的可能。針對此，給出4種加固防護方案，從而保證懸崖整體具有較高的安全性。

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