危巖體變形失穩(wěn)與落石運(yùn)動(dòng)軌跡模擬分析

王曉娟，尹曉萌，李鵬霞，翟詩(shī)雨

（信陽(yáng)師范學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000）

0 引言

危巖是指位于陡崖或陡坡上被巖體結(jié)構(gòu)面切割且在重力、地震力、裂隙水壓力等誘發(fā)因素作用下穩(wěn)定性較差的巖石塊體及其組合，其形成、失穩(wěn)與運(yùn)動(dòng)屬于斜坡動(dòng)力地貌過(guò)程的主要表現(xiàn)形式［1］。危巖崩滑是危巖在地質(zhì)因素作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞的一類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，往往引起災(zāi)難性后果。研究危巖體的破壞模式，預(yù)測(cè)其危害范圍，是正確選擇有效防治措施，合理布設(shè)防治結(jié)構(gòu)的依據(jù)，也是防災(zāi)減災(zāi)的關(guān)鍵工作。國(guó)內(nèi)陳洪凱、唐紅梅等眾多學(xué)者，對(duì)危巖體相關(guān)研究工作出了較大貢獻(xiàn)，提出了滑塌式、墜落式、傾倒式、坐滑式、坐傾式等破壞模式［2-8］，而對(duì)危巖危害范圍的研究相對(duì)較少。

湖北建始縣地處構(gòu)造溶蝕及侵蝕型中低山地區(qū)。地形復(fù)雜，巖體構(gòu)造裂隙發(fā)育，易孕育危巖體。加之本地多霧多雨，導(dǎo)致危巖體變形顯著，崩塌破壞時(shí)有發(fā)生，一旦發(fā)生大規(guī)模失穩(wěn)將會(huì)嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)鼐用裆?cái)產(chǎn)安全。本研究通過(guò)工程地質(zhì)調(diào)查，分析危巖體變形破壞特征，采用數(shù)值模擬手段探討危巖體失穩(wěn)模式，分析潛在破壞面的位置，并預(yù)測(cè)危巖體崩塌落石的影響區(qū)域。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況與危巖體形態(tài)

建始縣地處鄂西南近東西向展布的褶皺山地。全縣平均海拔高程約1000m，屬中低山區(qū)，地貌形態(tài)組合為構(gòu)造溶蝕及侵蝕型。危巖體所處地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，氣候溫和濕潤(rùn)，多霧多雨，年平均降水量1400mm，降雨多集中在5～9 月份。區(qū)內(nèi)構(gòu)造行跡以褶皺為主，兼有少量斷裂，巖體構(gòu)造裂隙發(fā)育。危巖體所處的山脈走向?yàn)楸睎|向，與區(qū)域構(gòu)造方向一致。地形總體趨勢(shì)為西高東低，由西往東分布溶蝕臺(tái)地接前沿陡崖接前緣斜坡，危巖體分布在前緣陡崖部位，分布高程1420-1650m，危巖體最高點(diǎn)與最低點(diǎn)，相對(duì)高差可達(dá)近250m。

該區(qū)內(nèi)出露分布的地層及其巖性從上至下分別為：

（1）第四系（Q）：崩坡積松散堆積層

巖性主要為褐黃色～灰黃色亞粘土，廣泛分布于危巖體的斜坡地帶及緩坡平臺(tái)，厚度大于5m。

（2）二疊系

①上統(tǒng)下窯組（P2x）

巖性主要為深灰色燧石結(jié)核灰?guī)r，期間夾有深灰色薄層含生物灰?guī)r。分布于危巖體上部，層厚100-130m。

②上統(tǒng)龍?zhí)督M（P2l）

巖性主要為灰黑色薄層含炭質(zhì)頁(yè)巖，其間夾有煤層，層厚3.08-6.5m。分布于危巖體第一道陡巖體的基腳。

③下統(tǒng)孤峰組（P1g）

巖性為灰黑色中厚層泥質(zhì)灰?guī)r夾少量薄層葉片狀含炭質(zhì)泥巖，局部夾云質(zhì)灰?guī)r透鏡體。分布于危巖體中部，層厚15-20m。

④下統(tǒng)茅口組（P1m）

巖性為深灰色厚層至巨厚層生物碎屑灰?guī)r，局部含有機(jī)質(zhì)，生物碎屑結(jié)構(gòu)。分布于危巖體中下部，層厚25-35m。

⑤下統(tǒng)棲霞組（P1q）

巖性為深灰、灰黑色中厚層含燧石結(jié)核灰?guī)r，具瘤狀構(gòu)造。分布于危巖體底部，層厚35-50m。

⑥下統(tǒng)棲霞組（P1l）

巖性為黑色薄層炭質(zhì)頁(yè)巖夾煤層。分布于危巖體基腳一帶，未見(jiàn)出露，被第四系崩坡積物所覆蓋，層厚3-6m。

（3）石炭系中統(tǒng)黃龍組（C2h）：灰?guī)r，灰白色，底部偶見(jiàn)礫巖。在研究區(qū)未見(jiàn)出露，為第四系崩坡積物所覆蓋。

（4）泥盆系上統(tǒng)寫(xiě)經(jīng)寺組（D3x）：白云質(zhì)灰?guī)r夾鮞狀鐵礦層。在研究區(qū)未見(jiàn)出露，為第四系崩坡積物所覆蓋。

研究區(qū)地下水以松散巖類(lèi)孔隙水、基巖裂隙水、碳酸鹽巖類(lèi)裂隙溶洞水為主。危巖體坡腳為第四系松散巖類(lèi)孔隙水含水巖組，富水性中等；坡腳底部志留系中統(tǒng)紗帽組為基巖裂隙水含水巖組，含水性弱。危巖體中上部為二疊系碳酸鹽巖裂隙溶洞水含水組，因裂隙發(fā)育，含水豐富，地下水賦存條件好。區(qū)內(nèi)地下水以接受大氣降水補(bǔ)給為主。地下水接受大氣降水補(bǔ)給后，迅速向坡體下部運(yùn)移。松散巖類(lèi)孔隙水以沿巖土界面運(yùn)移為主，部分進(jìn)入裂隙，補(bǔ)給基巖裂隙水。

研究區(qū)發(fā)育危巖體，當(dāng)?shù)胤Q(chēng)為靈觀廟危巖體。該危巖體崖頂高程1643m、崖腳高程1395m，垂直高程248m，巖體沿走向長(zhǎng)約175m，寬約113m，體積約4.7×106m3。為一獨(dú)立巖體（獨(dú)立峰），其下為陡巖，陡巖坡度大于70°（圖1）。后緣發(fā)育裂縫，上部張開(kāi)寬2.0～8m，下部寬1～2.5m，裂縫深度大于50m，內(nèi)填充黃色粘土夾巖石碎塊，在后緣裂縫（動(dòng)盤(pán)）內(nèi)見(jiàn)新鮮拉張痕跡（圖2）。崖頂可見(jiàn)一條傾向80°的陡傾拉張型節(jié)理，節(jié)理從頂面向縱深延展近20m，與一條沿層面的軟弱面呈x 型交叉，從而切割坡頂巖體（圖3）。危巖體局部可見(jiàn)縱向發(fā)育的張拉裂縫，縱深近30m，頂部寬約0.8m（圖4）。

圖1 靈觀廟危巖體遠(yuǎn)景圖

圖2 后緣拉張裂縫

圖3 坡頂裂縫

圖4 縱張裂縫

2 危巖體破壞特征與失穩(wěn)模式分析

危巖體頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示，近年來(lái)該危巖體處于不斷的變形中，過(guò)去1 年累積變形量達(dá)到396.4mm。危巖體的變形波動(dòng)峰值主要集中于冬季1-2 月份與夏季7-8 月份。尤其在7-8 月份變形明顯加劇，意味著雨雪尤其是降雨對(duì)危巖體變形有顯著的促進(jìn)作用。降雨入滲補(bǔ)給地下水，會(huì)軟化巖土體與結(jié)構(gòu)面，造成其抵抗變形能力變?nèi)酰瑥亩鹱冃渭觿　Ｔ谄麦w的持續(xù)變形過(guò)程中，危巖體局部崩塌現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，這是由于節(jié)理裂縫的切割，造成巖體破碎，削弱了與母巖的聯(lián)系，在降雨環(huán)境下，破碎塊體邊界強(qiáng)度降低，不利作用力增大，使得塊體脫離母巖塌落。崩塌堆積塊體以長(zhǎng)方體居多，尺寸不等，大者可達(dá)4-5m 高。隨著坡體的持續(xù)變形，危巖體節(jié)理裂縫緩慢擴(kuò)張，當(dāng)規(guī)模較大的后緣主裂縫擴(kuò)展至一定程度后，危巖體將發(fā)生大規(guī)模的整體失穩(wěn)。

為了給危巖體防治提供可靠依據(jù)，采用基于有限元理論的數(shù)值模擬手段，分析危巖體的潛在破壞面與失穩(wěn)模式。本次有限元分析軟件選用Phase2軟件，它是一款功能強(qiáng)大的巖土工程彈塑性有限元分析軟件，能夠輕松、快速地完成復(fù)雜的、多工況步的模型的建模分析，常用來(lái)分析巖土體漸進(jìn)破壞、土與結(jié)構(gòu)相互作用等問(wèn)題。

靈觀廟危巖體有限元計(jì)算模型如圖5 所示，模型的建立依據(jù)危巖體工程地質(zhì)剖面圖，頂部為二疊系下窯組含燧石灰?guī)r，其次為龍?zhí)督M炭質(zhì)頁(yè)巖夾煤層、孤峰組泥質(zhì)灰?guī)r、茅口組灰?guī)r和棲霞組灰?guī)r。根據(jù)野外調(diào)查與研究，二巖底部棲霞組灰?guī)r與梁山組地質(zhì)界線(xiàn)未揭露，被第四系所掩蓋，且坡腳以下無(wú)變形跡象，故二巖危巖體底部巖層概化為基座。計(jì)算模型所用參數(shù)均為經(jīng)驗(yàn)值，參數(shù)取值時(shí)考慮了降雨對(duì)巖土材料與結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的弱化。

圖5 靈觀廟危巖體計(jì)算模型圖

靈觀廟危巖體最大剪應(yīng)變分布圖如圖6 所示，由圖可知整體上靈觀廟危巖體除炭質(zhì)頁(yè)巖巖層外剪應(yīng)變基本為0，剪應(yīng)變集中于炭質(zhì)頁(yè)巖地層組，推斷靈觀廟危巖體可能因炭質(zhì)頁(yè)巖夾煤層面貫通破壞導(dǎo)致失穩(wěn)。

圖6 靈觀廟危巖體最大剪應(yīng)變圖

靈觀廟危巖體位移云圖如圖7 所示，靈觀廟危巖體位移由裂縫處向危巖體炭質(zhì)頁(yè)巖夾煤層層位發(fā)展，位移量最大值在頁(yè)巖坡腳處為0.20m。由位移云圖知危巖體變形區(qū)主要位于裂縫至危巖體臨空面區(qū)域，并從炭質(zhì)頁(yè)巖層位貫通，而裂縫至危巖體后部山體部分及頁(yè)巖下部巖體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，推測(cè)危巖體裂縫端部斜切于炭質(zhì)頁(yè)巖層的面為潛在破壞面。位移云圖顯示，不穩(wěn)定坡體內(nèi)由上而下變形增大，可見(jiàn)該段坡體一旦發(fā)生破壞，首先自下部起滑，上部隨之滑動(dòng)，因此危巖整體失穩(wěn)模式為剪切滑移。

圖7 靈觀廟危巖體位移云圖

3 危巖體運(yùn)動(dòng)軌跡分析

該危巖體因節(jié)理裂隙較為發(fā)育，在外界條件誘發(fā)下時(shí)常發(fā)生一定范圍的落石崩塌。根據(jù)危巖體的地形地貌特征研究危巖體落石崩塌軌跡及其堆積區(qū)域，有利于科學(xué)合理地針對(duì)崩塌塊體布置攔截措施，保護(hù)居民生命財(cái)產(chǎn)安全。

（1）計(jì)算原理及工具

危巖體落石運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析基于物理學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)原理。假定危巖頂部塊體崩塌，模擬研究塊體運(yùn)動(dòng)軌跡及規(guī)律，確定落石體最終堆積位置，結(jié)合工程地質(zhì)平面圖進(jìn)而進(jìn)行影響范圍的劃分與研究，依此為據(jù)進(jìn)行防治工程的設(shè)計(jì)。

本次運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬軟件選用Rockfall 軟件。該程序能夠確定塊石在坡面運(yùn)動(dòng)全程的能量、速度、彈跳高度包絡(luò)圖以及滾石最終分布位置，并能夠計(jì)算得到塊石沿著坡面的能量分布、速度分布以及彈跳高度分布等數(shù)據(jù)。

靈觀廟危巖體落石崩落運(yùn)動(dòng)軌跡圖如圖8 所示，裂縫靠山體側(cè)大冶組灰?guī)r崩入裂縫中，而裂縫至坡面范圍內(nèi)的崩塌體將沿臨空面運(yùn)動(dòng)，至實(shí)際高程1510m 處（對(duì)應(yīng)圖中高程約188m）發(fā)生較明顯彈射，當(dāng)崩塌體落石彈射至坡腳地形較緩區(qū)域，逐漸沿地面滾動(dòng)最終運(yùn)動(dòng)停止，在平距（離坡肩的水平距離）約170m（均值）處落石彈射高度逐漸減小，直至為0，形成落石堆積區(qū)。

圖8 靈觀廟落石運(yùn)動(dòng)軌跡圖

研究落石運(yùn)動(dòng)過(guò)程中彈射高度變化（圖9），進(jìn)一步分析危巖體落石運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從靈觀廟坡頂墜落的石塊沿坡面滾動(dòng)約40m，后被坡面彈射而起，高度最大達(dá)15m 以上，在平距約80m 處經(jīng)坡面再次彈射，彈射高度最高28m，此后落石彈射高度大致上逐漸減小，最終沿地形較緩坡面滾動(dòng)，在平距約170m（均值）處落石開(kāi)始逐漸堆積。

圖10顯示落石從靈觀廟坡頂至平距約60m 處，運(yùn)動(dòng)能量總體上逐漸增大，而在此后經(jīng)過(guò)地面彈射，運(yùn)動(dòng)能量總體趨勢(shì)逐漸減小，至減為0時(shí)不再運(yùn)動(dòng)，此時(shí)對(duì)應(yīng)水平平距320m，表明此后區(qū)域無(wú)運(yùn)動(dòng)表征，基本不會(huì)有落石運(yùn)動(dòng)至此處堆積。由上述分析可知，危巖體崩落塊石主要堆積范圍為距離坡肩140-220m，最遠(yuǎn)可達(dá)320m。

圖9 靈觀廟落石彈射高度圖

圖10 靈觀廟落石運(yùn)動(dòng)能量圖

4 結(jié)論

（1）危巖體處于構(gòu)造溶蝕及侵蝕型區(qū)，節(jié)理裂隙發(fā)育。坡體以不同地質(zhì)年代的灰?guī)r為主，夾有含煤的炭質(zhì)頁(yè)巖軟弱層。在降雨誘發(fā)下，危巖體產(chǎn)生持續(xù)變形，崩塌現(xiàn)象亦時(shí)有發(fā)生。危巖體后緣分布縱深裂縫，對(duì)其整體穩(wěn)定性起控制作用。

（2）基于有限元理論的數(shù)值模擬計(jì)算分析可得，危巖體出現(xiàn)整體失穩(wěn)時(shí)，潛在破壞面自后緣主控裂縫端部擴(kuò)展，向炭質(zhì)頁(yè)巖夾煤層部位貫通，沿該軟弱層發(fā)生剪切滑移型破壞。

（3）利用運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬軟件Rockfall 從危巖體落石狀態(tài)、落石彈射高度、運(yùn)動(dòng)能量等方面對(duì)危巖體落石崩塌軌跡及其堆積區(qū)域進(jìn)行研究。得出危巖體崩落塊石主要堆積范圍為距離坡肩140-220m，最遠(yuǎn)可達(dá)320m。研究結(jié)果對(duì)于布防攔截措施，防止危巖落石危害有指導(dǎo)意義。