西南山區巖質高邊坡危巖體穩定性及運動特征研究

文興祥

(陜西鐵道工程勘察有限公司,西安 710043)

隨著我國經濟的快速發展,公路建設規模也逐步擴大,社會各界對公路建設質量提出更高要求,如何順利進行高邊坡工程的相關施工作業,成為近年來公路建設的熱點問題[1]。 特別是在我國西南山區進行公路等線狀工程建設時,往往會遇到較多的高陡巖質邊坡危巖體。 因此,對該地區高邊坡危巖體穩定性及運動特征進行研究很有必要。

危巖是指位于陡崖或陡坡上被多組巖體結構面切割,在重力、地震、水體等誘發因素作用下處于不穩定、欠穩定或極限平衡狀態的結構體[2]。 危巖崩塌災害破壞力大、突發性高[3],常對一定范圍內公路、鐵路等重要工程造成嚴重破壞。

在危巖區地質勘察、防護設計和災害治理的過程中,國內外學者已進行大量探索,并取得豐碩的研究成果[4]。

在危巖成因機制研究方面,李明等指出危巖的形成、失穩與運動屬于邊坡地貌動力過程演化的一種重要形式[5]。

在危巖分類及變形失穩模式研究方面,陳濤對發育在巖層反傾或切向陡崖上、受陡傾裂隙控制危巖的失穩模式進行分類[6]; 張令非等基于極限平衡理論建立含弱層巖石邊坡分區滑動力學模型,將弱層上部坡體分為穩定區—欠穩區—失穩區,推導三區力學平衡方程與坡體穩定差函數,研究含弱層邊坡分區穩定性的影響因素,揭示欠穩區是形成大型滑坡的關鍵區域[7];王祿洲等利用離散元法揭示了地震作用下滑塌式危巖塊體滑動為主,滾動為輔的失穩機理[8];王曉娟等總結滑塌式、墜落式、傾倒式、坐滑式、坐傾式等破壞模式[9]。

在危巖穩定性分析方法研究方面,吳川等提出基于譜表示法和時間衰變模型的巖體穩定性評價方法,將強度參數的時間和空間變異性結合起來評價巖體穩定性[10];夏相驊等運用赤平投影法和極限平衡法對崩塌危巖體分別進行定性和定量穩定性評價[11]。

在危巖崩塌運動路徑研究方面,柳萬里等運用Rockfall 數值模擬軟件研究不同模擬參數對落石運動特征的影響程度和作用機制[12];ANSAR 模擬落石下降軌道和反彈高度,認為反彈高度和平均動能依賴于落石質量變化,落石質量增加平均動能增加,但是反彈高度減小[13]。 雖然對危巖的相關理論知識已比較成熟,但在高陡巖質邊坡開展相關項目時,仍會有較多具體問題不易解決。

基于此,依托“西南某擬建公路巖質高邊坡危巖體勘察”項目,利用危巖體穩定性評價方法和Rockfall模擬軟件,對危巖體的形成機理、穩定性、落石崩落軌跡和治理措施進行深入研究。

1 危巖體基本概況及破壞模式分析

危巖區位于四川省巴中市巴州區三匯鎮白巖灣村。 巴州區屬于四川北部的低中山丘陵區,屬構造侵蝕中低山地形地貌,高程為600 ～ 830 m,高差230 m;氣候類型為亞熱帶濕潤季風氣候;水系在區域上屬長江水系嘉陵江支流渠江流域,經過工程區的河段名為鎮家灘河,沿河兩岸分布一些沖積而成的小平壩。

巴州區總體地質構造單一,構造形跡主要以寬緩褶皺為主,斷層不發育,但局部巖體內部平行和垂直褶曲的構造裂隙發育。 根據該區歷史地震資料分析結果,研究區未發生過大的地震,是地殼相對穩定區,地震基本烈度為Ⅵ度,地震分組為第一組,地震動峰值加速度為0.05g。

研究區域位于擬建公路山體后部的四級崖壁,共分布18 塊危巖體(W1～W18)。 崖壁坡度為80°～88°,區內巖性為白堊系下統蒼溪組砂巖、泥巖,崖面下部多形成泥巖凹腔。 該區巖體節理裂隙較發育,危巖體表面均呈現柱狀、棱柱狀、楔形。 危巖具體分布情況見圖1。

圖1 危巖分布全貌

從破壞模式角度出發,對不同破壞類型危巖體的失穩機理進行深入剖析。 滑移式危巖一般發育有與臨空面傾向一致的緩傾結構面,結構面之上的危巖體將會在自身重力作用或水壓力的作用下沿結構面產生水平和垂直位移變形而失穩;傾倒式危巖一般發育有垂直或陡傾的結構面。 巖體將會在重力、水壓力和地震力的影響下,以坡底的某一點所在直線為軸而轉動發生傾倒破壞;墜落式危巖體上部在結構面的切割作用下與母巖分離,但其下部尚未完全脫離母巖。 此時上部的巖塊由于底部臨空,在自身重力或外力擾動下最終將向著地面落。 綜合以上分析結果,可將危巖區的危巖體進行分類研究(見表1)。

表1 危巖區危巖體分類

2 危巖體形成機理分析

危巖體形成過程是多種工程地質條件相互作用的結果。

(1)地形地貌:本區危巖體所在邊坡以四級陡崖的形式展布,且危巖體所在坡腳處已被人工開挖,邊坡逐漸加陡,必然增加坡頂、坡腳的應力集中程度。 若后期施工程序不當,下部開挖速度過快,則將使斜坡更為陡峭或形成倒坡,坡頂及坡面張力帶范圍進一步擴大,坡腳最大剪應力集中帶隨之增大,最終可導致危巖體的變形與破壞。

(2)地層巖性:本區邊坡體巖層整體產狀平緩,巖性為軟硬相間的砂、泥巖互層。 一方面,危巖體發育大量黏土質親水性礦物充填的張開結構面;另一方面,砂巖節理裂隙發育,降雨易沿裂隙下滲,當遇到底部薄層泥巖時,整個巖層被軟化。 此外,泥巖還具有飽水軟化、失水開裂等特征,這都大幅增加危巖體形成和失穩的可能性。

(3)巖體結構面:危巖體變形破壞往往取決于坡體中各種形式的結構面。 本區的構造作用較為強烈,從總體上看,無大規模斷層發育,但構造裂隙較發育,對危巖體的形成起到直接促進作用。 節理主要沿NE和NW 向展布,見圖2。 其中,高角度節理對危巖體的穩定性極為不利,節理組合形式的不同可導致多種潛在破壞模式。

圖2 危巖體節理走向玫瑰花圖

(4)水文地質:區內地下水主要為孔隙水和基巖裂隙水兩類,當雨季連續暴雨時,雨水沿著砂巖裂隙入滲,并且在裂隙內流動的過程中將帶走裂隙中局部充填的細顆粒物質,這會使結構面張開度增大,進而嚴重降低其抗剪強度,使得危巖體形成過程大幅加快。

(5)風化、卸荷作用:根據危巖區砂巖和泥巖互層的巖性特征,砂巖抗風化能力強,多為弱-中風化,巖體相對較完整且多突出地表;泥巖則與之相反。 因差異風化,卸荷作用使得巖體內的初始應力狀態被打破,從而巖體極易發生崩塌。

(6)動力作用:構造應力的變化、地震、爆破、地下水壓力以及施工荷載等都會直接或間接作用于坡體,對危巖體穩定性的影響直接而迅速。 地震力對危巖體的形成主要有兩方面作用:一種是垂直地震力降低了危巖體的完整性;另一種則是水平地震力使得危巖的安全系數減小。 從根本上來說,水平地震力的大小主要與危巖體的質量、水平地震影響系數有密切關系。

3 危巖體穩定性評價

3.1 危巖體穩定性計算模型

為使研究區內危巖體的穩定性評價更準確以及后續工程治理方案更加經濟合理,需進一步建立危巖體的主斷面工程地質模型和相應的穩定性計算模型,運用靜力平衡法對各危巖體的穩定性進行定量計算和評價。 在綜合參考相關規范和相關勘察資料的基礎上[16],對該危巖區不同破壞類型的危巖體建立與實際情況相符的計算模型,并進行穩定性評價。 本次穩定性計算重點考慮自然工況、“自然+暴雨”工況和“自然+地震”工況。 計算模型見圖3～圖5,計算公式見式(1)～式(8)。

圖3 滑移式危巖穩定性計算模型

圖5 墜落式危巖穩定性計算模型

(1)滑移式危巖穩定性計算模型

安全系數

(2)傾倒式危巖穩定性計算模型

圖4 傾倒式危巖穩定性計算模型

式中,H為危巖體高度;E為危巖體裂隙深度;Q為裂隙靜水壓力;e為裂隙充水深度;[σt]為危巖體抗拉強度;a為重力作用點距傾覆點的水平距離;h為地震力距傾覆點的垂直距離。

(3)墜落式危巖穩定性計算模型

關于后緣有陡傾裂隙的墜落式危巖體,其穩定性計算可按式(5)、式(6)進行計算,最終按兩種計算結果中的較小值來確定,即

式中,ζ為危巖抗彎力矩計算系數,依據潛在破壞面形態取值,一般可取1/12～1/6,當潛在破壞面為矩形時可取1/6;a為危巖體重心到潛在破壞面的水平距離;b為危巖體重心到過潛在破壞面形心的鉛垂距離;flk為危巖體抗拉強度標準值;根據巖石抗拉強度標準值乘以0.20 的折減系數確定;c為危巖體黏聚力標準值;φ為危巖體內摩擦角標準值。

而關于后緣無陡傾裂隙的墜落式危,其穩定性計算可按下式進行,最終按兩種計算結果的較小者取值,有

式中,H為危巖體后緣潛在破壞面高度;flk為危巖體抗拉強度標準值,可根據巖石抗拉強度標準值乘以0.3 的折減系數確定。

3.2 危巖體穩定性綜合評價

利用3.1 節相關計算公式,對危巖體的安全系數進行計算,以下僅列出滑移式和傾倒式典型危巖穩定性計算參數,見表2、表3,其他類似情況不再贅述。 危巖體穩定性評價標準見表4,最終得出的危巖區危巖體穩定性評價見表5。

表2 W7 危巖單體穩定性計算參數(滑移式)

表3 W10 危巖單體穩定性計算參數(傾倒式)

表4 危巖體穩定性評價

表5 危巖區危巖體穩定性評價結果

3.3 穩定性評價結果分析

根據穩定性評價結果,對該區不同破壞類型的危巖體穩定性做如下分析。

(1)滑移式破壞危巖體

其定性評價的結果是欠穩定。 靜力平衡法定量評價結果顯示,在自然工況下,除W11、W12 為欠穩定之外,其他危巖體均處于基本穩定和穩定狀態;在“自然+暴雨”條件下,都處于不穩定狀態;在“自然+地震”條件下,大部分都處于欠穩定狀態。 故在進行綜合治理時,除對W11、W12 進行重點治理外,還要對該區降雨情況做好預報預測工作,并設置排水系統,盡量減小地下水對該區危巖體穩定性的影響。

(2)傾倒式破壞危巖體

其定性評價結果是欠穩定。 靜力平衡法的定量評價結果表明,在自然工況下,除W10、W17、W18 是基本穩定之外,其他均處于欠穩定狀態;在“自然+暴雨”和“自然+地震”工況下,大部分危巖體都處于欠穩定和不穩定狀態。 故在對該種破壞類型的危巖體進行治理工程設計時,對W1、W2、W3、W5 危巖體應投入較大成本進行重點治理,同時對W10、W17、W18 危巖體實施24h 動態監測并及時做好預測預報和應急治理。

(3)墜落式破壞危巖體

其穩定性定性評價結果為基本穩定。 因此,可對該類危巖體初步采取動態監測,預防為主的治理措施。

綜上分析可知,暴雨和地震對危巖體的穩定性具有嚴重影響,均為觸發危巖體發生崩落的活躍因素。因此,應進一步加強該區氣候和地震的預測預報工作,減少危巖體對該區的影響。

4 危巖體落石運動路徑特征研究

4.1 Rockfall 模擬原理

Rockfall 基于瞬間摩擦理論、能量轉化理論、運動學和動力學等原理,采用不同的公式來研究落石的運動軌跡特征[15]。 危巖體在受到擾動等因素的影響下,從坡上開始運動,與坡面以及地面不斷地發生碰撞,能量逐漸損失,直至最后運動停止。 落石在整個運動過程中,均符合能量守恒定律。

4.2 數值模擬過程

(1)模型假設

為便于模擬分析,現對W1、W6 和W8 三塊不同破壞模式的典型危巖體及所在邊坡工程地質主斷面做如下假設:①坡面看成是若干段相連的折線形坡;②典型危巖體及其所在坡面均為各向同性的彈-塑性體;③不考慮空氣對落石運動的影響;④坡面材料參數考慮了各種工況綜合選定;⑤危巖體初始運動的速度很小;⑥不考慮該區地質構造對危巖體落石運動軌跡的影響;⑦邊界影響因素不會對該模型產生任何干擾。

(2)模型參數

坡面材料參數選取主要是依據危巖所在坡面的巖土材料特征和Rockfall 軟件多次試算結果綜合選定。結合各典型危巖體所在模型的位置、坡面的材料特征和勘察資料所探明各危巖體的危害程度,選定參數并進行數值模擬,參數見表6、表7。 其中,每次數值模擬拋出的落石數目為50 個。

表6 典型危巖體數值模擬參數

表7 坡面材料參數

4.3 危巖體數值模擬成果與分析

(1)數值模擬成果

在模型假設的條件下,對3 種不同破壞類型的危巖體落石下落軌跡進行相應數值模擬,繪制典型危巖體落石運動軌跡、終點停靠水平位置、反彈高度包絡曲線和平均速度分布曲線,主要模擬成果見圖6(以墜落式危巖落石為例)。

圖6 墜落式危巖體落石崩落數值模擬成果

(2)數值模擬結果對比分析

數值模擬結果見表8。 由表8 可知,墜落式危巖體W6 發生崩落之后可能停留的水平范圍最大,且運動的距離較遠,速度最大,總體運動過程持續時間較長。 故其一旦發生崩落,將對整個危巖區產生嚴重的危害。 根據傾倒式危巖體W1 和滑移式危巖體W8 的數值模擬結果,二者的最大平均速度較為接近,但落石終點水平范圍、最大彈跳高度和落石位移方面傾倒式危巖均比滑移式危巖大,這與該兩類危巖體的破壞機理一致。 因為滑移式危巖發生破壞常常依附于巖體內的潛在滑動面滑移,其受巖土體的黏聚力和內摩擦角的影響很大;而傾倒式破壞的危巖體一般是以其底部某點所在直線為轉軸發生傾倒變形而破壞的,一旦失穩,危巖體將脫離母巖而崩落。 因此,傾倒式危巖體崩落后運動距離較遠,所需時間也相對較長。 從該危巖區的實際情況來看,這兩類危巖體的規模均較大,且滑移式危巖體的完整性較好,傾倒式危巖體有的結構較完整,有的較破碎,并且下部發育有程度不同的泥巖凹腔。

表8 典型危巖體模擬成果對比

5 典型危巖體治理方案

5.1 主要治理區域

整個危巖區的危巖體被裂隙切割強烈,在暴雨或地震工況下容易發生沿裂隙面的滑動或傾覆。 根據危巖體所在邊坡的特點,其陡崖段的危巖體不穩定,易于再次發生較大規模的崩塌形變。 危巖區的18 塊危巖體, W6、W7、W10、 W13、W15、 W16、W17、W18 位于該區右側, W11、W14 位于該區左側,沒有明顯危害;其余8 塊危巖體及其下方均為需要進行重點治理。

5.2 危巖體治理措施

在滿足危巖區工程防治目標與原則的前提下,綜合考慮不同工況下危巖體穩定性評價結果,各危巖體的規模、結構、破壞類型,以及典型危巖體落石運動軌跡數值模擬結果的基礎上,針對危巖單體的破壞模式和方量,分別提出“凹腔嵌補+錨固”“清除+攔截”和主動防護網3 種治理措施。 W1、W2、W3、W5 和W8 因方量較大,故采用“凹腔嵌補+錨固”進行治理,墜落式危巖崩落距離較遠,方量不大,建議對W4 和W9 采用“清除+攔截”進行治理,W12 危巖方量居中,可采用主動防護網進行治理。 具體治理方案見表9。

表9 危巖體治理方案

6 結論

基于靜力平衡法和Rockfall 模擬軟件,對巖質高邊坡危巖體的形成機理、穩定性、運動軌跡和治理措施進行深入研究,主要結論如下。

(1)危巖體形成機制是多種因素相互耦合的結果。 地形地貌、地層巖性、巖體結構,水文地質條件等是危巖體形成的基礎條件,而降雨、地下水、地震、風化作用等會進一步誘發危巖體破壞失穩。

(2)對危巖體穩定性進行定量計算,并對區內的18 塊危巖體的穩定性做出合理評價,暴雨和地震對危巖體的穩定性具有嚴重影響,均為觸發危巖體發生崩落的活躍因素。

(3)運用Rockfall 軟件對危巖區不同破壞模式的典型危巖體(W1、W6、W8)進行崩落軌跡的模擬,并對每一破壞類型的危巖體模擬結果進行分析,最終得出墜落式危巖崩塌的速度快、運動距離遠、運動時間長和危害性最大;傾倒式危巖次之,滑移式危巖整體相對較弱。

(4)明確重點治理區域后,在對危巖區實際工程地質條件、穩定性計算和落石運動軌跡深入分析的基礎上,對區內危害性較大的8 塊危巖針對性提出“凹腔嵌補+錨固、清除+攔截、主動防護網”3 類治理方案。