蓉遵高速K337+000右側危巖體穩定性分析

劉榜余，覃乙根

(貴州大學 資源與環境工程學院，貴陽 550025)

0 引 言

危巖體孤石是指在坡面上零星分布、具有一定體積的孤立巖石塊體，常以單體形式呈現[1]。主要分布于工程地質條件復雜，巖體中裂隙、軟弱夾層及斷層發育的山區邊坡。隨著公路、礦山等工程建設項目所修建的高陡邊坡增多，危巖體崩塌已成為工程建設中最常見的地質災害之一。由于崩塌地質災害具有破壞性強、高隱蔽性、易形成鏈狀成災的特點[2]，常對公路、鐵路工程造成較大破壞，對行駛車輛和乘客生命帶來極大的威脅，因此對公路危巖體孤石的穩定性及破壞模式研究具有重要的意義。

目前，國內已有許多學者開展了關于危巖體孤石穩定性的研究，并取得了一定的成果。如亞南等[3]以鏈子崖東側猴子嶺為例對崩塌落石的運動學特征開展了地質力學與數值模擬研究，并對防治方案提出了建議。黃潤秋等[4]對滾石的運動特征進行了試驗研究，并利用正交試驗理論分析了影響巖塊在邊坡運動各因素的敏感性。喻興等[5]對貴州巖溶區反傾邊坡危巖體采用赤平投影和極限平衡法計算其穩定性, 并用二維有限元分析方法進行了驗證。楊智翔等[6]對汶川地區裕豐巖上部失穩危巖體孤石穩定性采用理論公式和Rockfall程序數值模擬進行了研究，得出影響危巖體孤石失穩的主要因素。

目前，對危巖體孤石穩定性分析主要采用工程地質法、模型試驗和數值模擬。根據研究區特殊地況結合前人研究成果，本文通過理論計算法和數值模擬相結合的方法，對蓉遵高速K337+000處危巖體孤石的穩定性和破壞模式進行了分析，并對孤石破壞后最大影響范圍進行了計算，為公路邊坡危巖體孤石的治理提供參考。

1 工程概況

危巖體位于蓉遵高速K337+000處，研究區地勢呈東南高，西北低，區內大小溪河縱橫交錯發育，河谷深切，地貌被侵蝕切割成峽谷山地、坪狀低山和丘陵等地形。地貌的侵蝕切割使背斜和向斜發生地形倒置，形成向斜成山、背斜成谷的逆向構造地形。區內無大型斷裂發育，巖石節理、裂隙發育，以陡傾裂隙為主。區內天然植被發育，地形陡峭，人口稀少。危巖體出露地層為白堊系嘉定群組紫色、磚紅、灰紫色、厚層中細粒長石石英砂巖，夾多層紫紅色泥巖，底部為厚2～3.5 m礫巖。

圖1 危巖體平面圖

圖2 危巖體剖面示意圖

2 危巖體特征

無人機傾斜攝影技術是以無人機為飛行平臺搭載傳感器設備，來獲取地面信息的遙感方式[7]。在保證重疊率和分辨率的情況下，無人機可獲取航測區多角度帶經緯度信息的照片，通過三維實景建模技術可快速構建實景模型。

通過無人機傾斜攝影技術，獲取危巖體多角度的數碼照片，通過ContextCapture軟件建立三維實景模型。具體步驟包括生成點云模型、模型著色、三角網構建、生成紋理紋理等(圖3)。

基于三維實景模型，可以得到危巖體的準確幾何特征、空間特征和地質特征。通過對該危巖體體積進行量測，該危巖體長約10 m，寬約6 m，高約8 m，后方嵌于土層中，前方突出懸空，風化剝蝕較輕，有崩落的危險。

圖3 孤石無人機三維實景模型的構建

3 破壞模式分析

危巖體體積約480 m3，規模等級為小型，影響小危巖體失穩破壞的主要因素為邊坡地形條件、地層巖性和巖體結構，誘發因素有暴雨、地震和人工開挖等[8]。在野外實地調查影響危巖體失穩破壞因素基礎上，結合其在工程地質剖面上的形態特征及結構面發育特征與變形破壞特征，判定危巖體形成及破壞過程：由于坡面出露地層為白堊系嘉定群組厚層砂巖夾多層泥巖，巖性呈軟硬夾層狀產出，軟弱夾層較多，坡面巖體在構造節理和風化卸荷切割作用下，使坡面發育以礫巖為底層面的突出孤石；孤石基座為厚礫巖，礫巖在風化作用下持續剝蝕形成風化層，經過雨水的沖刷使巖層面風化層逐漸被沖蝕，加上溫度和地下水等作用，巖層面逐漸軟化形成軟弱結構面。由于危巖體朝坡向面臨空，在外力作用下，巖體從最開始較穩定的緩傾內結構逐漸變成不穩定的緩傾外結構，最終沿軟弱結構面滑移崩落，即產生傾倒-崩落破壞，其破壞機理為傾覆力矩大于抗傾覆力矩而產生破壞。

4 危巖體穩定性分析

4.1 計算模型及計算公式

本次對危巖體的計算主要依據《崩塌防治工程勘查規范》(T 00/CAGHP 011-2017)所提供的方法來確定。對于傾倒式破壞，其計算公式如下：

1) 對危巖重心在基座頂面前緣內側情形，傾倒式危巖后部拉斷傾倒穩定性可按下式計算(圖4)：

圖4 傾倒式危巖拉斷傾倒穩定性計算

(1)

2) 對危巖重心在基座頂面前緣外側情形，傾倒式危巖后部拉斷傾倒穩定性可按下式計算：

(2)

式中：a為危巖體重心到基座頂面前緣的水平距離，m；β為后緣陡傾結構面傾角，(°)；h0為水平地震力作用線到基座頂面前緣的垂直距離，m；α為塊體與基座接觸面傾角，(°)；b為后緣裂隙的延伸段下端到基座頂面前緣的水平距離(即塊體與基座接觸面長度的水平投影)，m；H為后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距離(即危巖懸臂高度)，m；h為后緣裂隙深度，m；σt為巖體抗拉強度，kPa；V為后緣陡傾裂隙水壓力，kN/m；hw為后緣陡傾裂隙充水高度，m，對現狀工況根據調查資料確定；對暴雨工況根據匯水面積、裂隙蓄水能力和降雨情況確定，當匯水面積和裂隙蓄水能力較大時不應小于裂隙高度的1/3；Qh、Qv為水平地震荷載和垂直地震荷載；G為危巖的重量(含地面荷載)，kN/m。

孤石可能發生傾倒式崩塌的危巖，按式(1)計算，傾倒式危巖計算模型按單位寬度考慮。

4.2 危巖穩定安全系數

穩定性評判標準及設防安全系數的確定，按照《崩塌防治工程勘查規范》(T 00/CAGHP 011-2017)中表8的規定，考慮危巖體位于赤水市風景區主干道，地質環境、人文環境也較簡單，危巖體綜合影響因素主要為自然因素。因此，在判定危巖體穩定性時，危巖體防治工程等級按Ⅱ級，其穩定性判別標準見表1。

危巖穩定安全系數應根據崩塌防治工程等級和破壞模式確定(表2)。

4.3 巖土參數

危巖為泥質粉砂巖，取其經驗值作為穩定性計算參數，見表3。

表1 危巖穩定狀態劃分

表2 危巖穩定安全系數

表3 穩定性計算參數取值表

4.4 危巖體穩定性計算

4.4.1 計算簡圖及工況

工況1：基本荷載(危巖自重+工程荷載)

工況2：基本荷載+暴雨(融雪)引起的裂隙水壓力

計算簡圖見圖5。

4.4.2 穩定性計算結果

根據上述穩定性計算公式及穩定狀態評價標準，對危巖體進行穩定性計算及穩定性評價，計算結果見表4。

圖5 計算簡圖

表4 危巖體穩定性計算結果表

由表4穩定性計算結果可知，危巖體處于工況1或工況2時皆處于穩定狀態。

4.5 影響范圍預測

4.5.1 計算剖面和參數選取

本文運用Rockfall模擬危巖體孤石運動軌跡。Rockfall程序是通過輸入一些與斜坡和落石相關的基本參數，模擬孤石在斜坡上的運動路徑、能量分布和彈跳高度變化，從而為防護治理設計提供直觀有效的依據[9]。

斜坡根據坡面植被發育程度分為2個坡段，上坡段為基巖裸露段，下坡段為公路坡段。各坡段計算參數取值見表5。

表5 各坡段計算參數

4.5.2 計算結果及分析

根據地形地貌特征和可能崩塌的主方向，選取圖2剖面圖為滑動方向示意圖，運用Rockfall模擬計算孤石滾落可能影響的范圍。其中，巖塊起崩點速度根據其滑移距離計算，坡面的切向、法向恢復系數和摩擦系數根據坡面植被覆蓋和坡面巖土結構特征，結合前人學者研究成果綜合確定。模擬可以得到運動速度、彈跳高度、運動軌跡等結果，按照落石的能量、跳躍位置，可以確定防護措施設置的能級和高度。

經Rockfall模擬危巖體孤石運動軌跡，研究區危巖體孤石的下落軌跡及破壞后的影響范圍見圖6。

圖6 孤石破壞后的影響范圍

落石運動速度、動能及彈跳高度分布曲線見圖7。

圖7 運動速度、動能及彈跳高度分布曲線圖

由圖7分布曲線圖可以看出，運動速度和動能分布曲線變化趨勢大致相同。這是因為隨著運動速度的增大，重力勢能轉化為動能，導致動能增大，反之亦然；運動速度和動能在距落點距離約25和42 m處達到峰值，在距落點距離約32 m處為兩峰值間谷值。這是因為距落點約25和42 m處落石與斜坡臺階、路面發生強烈碰撞彈跳，在碰撞前運動速度和動能達到最大值，碰撞時能量發生損耗，碰撞后由于落石運動方向發生改變，運動速度和動能開始降低，在距落點距離約32 m處落石彈跳高度達到峰值，其運動速度和動能減至谷值。落石在距落點42 m處與路面發生碰撞彈跳后運動速度、動能和彈跳高度總體變化趨勢明顯降低。

由Rockfall模擬危巖體孤石運動軌跡可知，孤石破壞后最大影響范圍是距落點約58 m，影響路面寬度約20 m。所以在危巖落石防護時，要結合實際地況，在路面合適位置設置被動攔石網，有效攔阻危巖及滾石，消除崩塌區危巖體及崩塌堆積體滾石的威脅。

5 結 論

1) 基于ContextCapture軟件建立三維實景模型，得到危巖體的準確幾何特征、空間特征和地質特征。該危巖體長約10 m，寬約6 m，高約8 m，后方嵌于土層中，前方突出懸空，風化剝蝕較輕，有崩落的危險。

2) 在野外實地調查影響危巖體失穩破壞因素基礎上，結合其在工程地質剖面上的形態特征及結構面發育特征與變形破壞特征，判定危巖體潛在破壞模式為傾倒-崩落，其破壞機理為傾覆力矩大于抗傾覆力矩。

3) 采用理論計算法考慮不同工況下危巖體穩定性計算時，危巖體皆處于穩定狀態。

4) 運用Rockfall模擬危巖體孤石運動軌跡，得到孤石破壞后最大影響范圍是距落點約58 m，影響路面寬度約20 m。