梳妝臺危巖體穩定性評價及落石運動特征研究

2022-08-12 12:49:44賈洪彪馬淑芝張子涵李逸鵬

安全與環境工程 2022年4期

王朋，賈洪彪*，馬淑芝，張子涵，李逸鵬，劉翠

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北武漢 430074；2.中國地質大學(武漢)計算機學院，湖北武漢 430078)

崩塌是陡坡或陡崖上的危巖體因發生失穩破壞脫離母體下落的一種山地地質災害。崩塌落石涉及的巖體方量較小，但其具有速度快、能量高、爆發突然、分布范圍廣、運動距離遠等特點，往往會對人民生命及財產安全和交通線路等基礎設施的建設及安全運營構成嚴重威脅[1-3]。據統計，我國平均每年發生崩塌災害多達2 000余次，造成了巨大的經濟損失和人員傷亡[4]。因此，研究崩塌的形成條件、運動特征，從而評價危巖體的穩定性以及預測其危害性對危巖體崩塌防治工程建設具有重大意義。

近年來，已有較多學者紛紛開展了針對危巖體穩定性的研究工作，并取得了一系列成果。在危巖體穩定性影響因素方面，陳洪凱等[5]、樊維等[6]研究認為月球引潮力、晝夜溫差效應、植物根劈作用對危巖穩定性具有顯著的影響；Aydan[7]、Wang等[8]著重考察了地震對危巖體穩定性的影響。在危巖體穩定性評價方面，陳帆等[9]、Shi等[10]分別采用極射赤平投影法、圓弧圖表法和塊體離散元法(DEM)對危巖體穩定性進行了評價；李世明等[11]、趙健等[12]分別采用極限平衡法、三維嚴格極限平衡法和3DEC離散元方法開展了巖質邊坡的穩定性評價。為了進一步評價危巖體崩落后的影響，國內外學者對落石的運動特征進行了研究，如賀鵬[13]利用RocFall軟件對邊坡落石運動路徑進行了模擬研究，得到了落石的運動特征和崩落威脅范圍，并由此提出了防治建議；周月智等[14]結合RocFall和DDA軟件研究了地震作用下落石的運動特征，得到了巖體軟弱結構面的貫通時間、峰值速度、水平位移等與地震波峰值加速度之間的關系；Nagendran等[15]通過室內試驗與RocFall軟件模擬結果的對比，驗證了室內試驗在落石評價中的適用性，并標定了彈跳塊體的關鍵參數恢復系數；Gallo等[16]利用無人機攝影測量技術和數值模擬再現了落石的運動路徑。

上述研究雖然從各個方面對危巖體穩定性和落石運動特征進行了研究分析，但是針對危巖體破壞模式對落石運動特征的影響研究還較少。值得注意的是，危巖體破壞模式決定了落石運動的初始條件(水平速度、角速度、落石質量等)，落石運動特征決定了防治措施的合理選取。因此,研究危巖體破壞模式對落石運動特征的影響，對危巖體防治工程建設具有重要的指導意義。

為此,本文在前人研究的基礎上，以武當山梳妝臺危巖體為研究對象，通過地質調查、理論分析、數值模擬等手段，開展了危巖體破壞模式分析、穩定性評價和落石運動特征研究，并通過對比分析不同危巖體破壞模式下落石的運動特征，為選取相應的防治措施提供理論指導，同時為相似危巖體防治工程提供參考。

1 危巖體工程概況

梳妝臺危巖體位于武當山飛升崖梳妝臺頂部，見圖1。梳妝臺危巖體邊坡平均坡度約為70°，坡面上部基巖裸露，下部為植被覆蓋，坡腳處為游客通道，可見小塊巖石散落，推測有局部小塊巖石崩落。梳妝臺危巖體整體向外凸出，長為3.3 m，寬為0.8～1.9 m，高為4.9 m，危巖體頂標高為921.4 m，底標高為916.5 m。該危巖體由微風化灰綠色綠泥鈉長石英片巖(以下簡稱綠片巖)構成，卸荷裂隙與層間裂隙均發育，主要包括兩組控制性節理：節理J1近平行于臨空面，產狀為342°∠66°，長度約為4 m，張開度為5～70 mm,巖體表面未見明顯充填物，但有灌木由裂隙中生長，推斷內部有泥質填充物，裂隙面形態似弓形，略彎曲，裂面較粗糙，構成潛在的破裂結構面，且植物根系發育易引起巖體失穩破壞；節理J2與節理J1成大角度相交，產狀為175°∠18°，裂隙長度約為2.9 m，張開度小，無填充，裂隙面兩側巖體明顯錯動。梳妝臺危巖體工程地質剖面圖，見圖2。

圖1 武當山梳妝臺危巖體側視圖Fig.1 Side view of the unstable rock block in Shuzhuangtai in Wudang Mountain

圖2 梳妝臺危巖體工程地質剖面圖Fig.2 Engineering geological section of the unstable rock block in Shuzhuangtai

2 危巖體穩定性影響因素及破壞模式分析

2. 1 危巖體穩定性影響因素分析

危巖體發育有其特殊的環境巖土工程條件，是地形地貌、地震和地下水等多因素耦合的結果。危巖體穩定性影響因素總體上可分為內因和外因，內因主要指危巖體巖性結構，外因包括植物根劈、降雨、地震、人類活動等作用[17]。

(1) 危巖體巖性結構。梳妝臺危巖體主要受節理J1的影響，該節理走向與臨空面走向相近，成小角度相交，節理J1傾角、長度、張開度均較大，且危巖體整體突出懸空，利于崩塌體形成；節理J2長度、張開度較小，但延伸至危巖體臨空面，形成上部巖體傾倒或滑移的軟弱面。節理J1與節理J2共同切割危巖體，形成不穩定危巖體巖性結構。此外，層理在坡體臨空面形成多處小規模危巖塊體，多呈臨空狀態，受外界擾動時極易引發落石災害。

(2) 植物根劈作用。梳妝臺危巖體表面及裂隙中可見大量植物生長，以灌木為主，根系沿節理裂隙深入生長，破壞巖體結構完整性，降低危巖體穩定性，致其易發生失穩破壞。

(3) 降雨作用。梳妝臺危巖體裂隙底部連接處滲透性差，雨水不易排出，容易形成容水空間。由于瞬時靜水壓力效應，當靜水壓力超過其允許值時，裂隙外側巖體將脫離母體，極大地降低危巖體的穩定性；同時，雨水對危巖體裂隙內填充的碎屑、泥質具有明顯的軟化作用，雨水流動可能會帶走一部分細粒物質，進一步降低巖體的強度。

(4) 地震作用。地震是危巖體發生崩塌破壞的誘發因素，在地震水平作用力下，危巖體結構面將會快速擴展，危巖體會產生較大的位移，形成崩塌災害。武當山大部分地區抗震設防烈度為Ⅵ度，但該地區靠近南部的竹山、竹溪為抗震設防烈度Ⅶ度區，考慮到國寶文物的重要性，在后期分析時，地震設防烈度提高1度即按Ⅶ度考慮。

(5) 人類活動。武當山為旅游景區，人為荷載、修筑景區道路、建筑等人類活動會對危巖體造成一定的擾動，從而降低其穩定性。

煤油共煉技術在得到輕、中質油品外，同時還有一些些烴類氣體、固液分離過程產生煤油共煉殘渣（又稱瀝青砂）和工藝水產生。瀝青砂一般約占進料量的7%～15%。瀝青砂在室溫下的外觀狀態成固體瀝青狀或粘稠油漿。對瀝青砂的合理化利用，是煤油共煉技術的又一研究方向[6-10]。

2. 2 危巖體破壞模式分析

2.2.1 沿節理裂隙面滑移崩落

根據梳妝臺危巖體坡面、層理面、節理J1、節理J2傾向和傾角繪制了赤平投影圖(下半球投影)，見圖3。

圖3 梳妝臺危巖體赤平投影分析圖Fig.3 Stereographic projection of the unstable rock block in Shuzhuangtai

由圖3可見：梳妝臺危巖體層理面、節理J1與坡面為內傾關系，兩者交線傾向也與坡面傾向相反，可知三者組合屬于穩定結構，滑動可能性小；節理J2與坡面傾向一致，但傾角及張開度均較小，發生滑動的可能性較小。

綜上所述，梳妝臺危巖體發生沿節理裂隙面滑移崩落的可能性較小。

2.2.2 隨機塊體崩落

梳妝臺危巖體表面在層理裂隙切割及風化作用下，發育了多處小規模危巖塊體，部分危巖塊體臨空，重心位于危巖體臨空面外，穩定性較差，且已有小塊危巖崩落發生，進一步發生隨機塊體崩落的可能性極大[18]。

2.2.3 沿節理裂隙面拉裂-傾倒破壞

在滲水軟化、植物根劈作用下，危巖體強度將持續降低，更易發育裂隙，加速危巖體演化過程，致使梳妝臺危巖體縱向節理J1不斷擴展。最終，在巖體自重、降雨、地震等內外因素綜合作用下將會導致巖體與母體完全脫離，呈現拉裂-傾倒破壞模式。

3 危巖體穩定性評價

3. 1 危巖體穩定性系數計算

根據《地質災害防治工程勘察規范》(DB 50/T 143—2018)，對于梳妝臺危巖體這一類由后緣巖體抗拉強度控制，且危巖體重心在傾覆點之外的情況，采用下面公式(1)計算其穩定性：

(1)

式中：F為危巖體穩定性系數；h為危巖體的后緣裂隙深度(m)；hw為危巖體的后緣裂隙充水高度(m)；H為危巖體的后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距離(m)；W為危巖體自重(kN/m)；Q為地震力(kN/m)；h0為危巖體重心到傾覆點之間的垂直距離(m)；a為危巖體重心到傾覆點之間的水平距離(m)；b為危巖體的后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點之間的水平距離(m)；flk為危巖體抗拉強度標準值(kPa)，根據巖石抗拉強度標準值乘以0.4的折減系數確定；α為危巖體與基座接觸面之間的傾角(°)，外傾時取正值，內傾時取負值；β為危巖體后緣裂隙傾角(°)；V為危巖體的后緣裂隙靜水壓力(kN/m)。

危巖體穩定性評價采用下列3種工況:①天然工況，自重+裂隙水壓力(天然狀態)；②暴雨工況，自重+裂隙水壓力(暴雨狀態)；③地震工況，自重+裂隙水壓力(天然狀態)+地震力(地震狀態)。危巖體的破壞方式為危巖體重心在傾覆點之外的傾倒破壞。

參照臧浩等[19]的模擬研究，危巖體穩定性極限平衡法計算參數根據現場測試結果、室內試驗數據和規范折算綜合確定，見表1。其中，天然工況時取三分之一孔隙水柱高計算巖體的后緣裂隙靜水壓力；暴雨工況時取三分之二孔隙水柱高計算巖體的后緣裂隙靜水壓力。梳妝臺危巖體穩定性計算結果，見表2。

表1 梳妝臺危巖體穩定性計算參數

表2 梳妝臺危巖體穩定性計算結果

本工程的安全等級為一級。按危巖體穩定性系數F來判斷危巖體穩定狀態時，應符合以下規定：F<1.00表示危巖體為不穩定狀態；1.00≤F<1.25表示危巖體為欠穩定狀態；1.25≤F<1.50表示危巖體為基本穩定狀態；F≥1.50表示危巖體為穩定狀態。

由表2可知：在天然工況下梳妝臺危巖體的穩定性系數為1.55，處于穩定狀態；在暴雨工況下梳妝臺危巖體的穩定性系數為1.10，處于欠穩定狀態；在地震工況下梳妝臺危巖體的穩定性系數為0.92，處于不穩定狀態，易失穩破壞。

3.2 危巖體3DEC數值模擬

3.2.1 數值模型建立與參數選取

采用離散元軟件3DEC建立梳妝臺危巖體數值模型，見圖4。梳妝臺危巖體巖石及結構面的物理力學參數根據現場測試結果、室內試驗數據和經驗值綜合確定，具體取值見表3。

圖4 梳妝臺危巖體3DEC數值模型Fig.4 3DEC numerical model of the unstable rock block in Shuzhuangtai

表3 梳妝臺危巖體巖石及結構面物理力學參數取值

天然工況下，梳妝臺危巖體未受到外界干擾，僅有自重應力作用于危巖體；暴雨工況下，選取飽和狀態下巖體相關參數；地震工況下，通過從模型底部輸入正弦剪切波模擬地震條件，動力輸入持續時間設置為1 s。監測點設置在危巖體頂部，監測參數為危巖體頂部水平方向(x方向)的位移和垂直方向(z方向)的位移。

3.2.2 不同工況下危巖體位移模擬結果分析

不同工況下梳妝臺危巖體頂部總位移云圖見圖5，天然、暴雨和地震工況下梳妝臺危巖體頂部監測點位移時程曲線見圖6和圖7。

圖5 不同工況下梳妝臺危巖體頂部總位移云圖Fig.5 Displacement magnitude at the top of the unstable rock block in Shuzhuangtai under different working conditions

圖6 天然和暴雨工況下梳妝臺危巖體頂部監測點位移時程曲線Fig.6 Displacement time history diagram of monitoring points at the top of the unstable rock block in Shuzhuangtai under natural and rainstorm conditions

圖7 地震工況下梳妝臺危巖體頂部監測點位移時程曲線Fig.7 Displacement time history diagram of monitoring points at the top of the unstable rock block in Shuzhuangtai under earthquake conditions

由圖5、圖6和圖7可以看出：

(1) 天然工況下，梳妝危巖體頂部位移量較小，最大位移為1.25 cm，且位移較大區域集中在危巖體頂部[見圖5(a)]，這與實際情況較為符合；同時，x方向和z方向位移最初隨時步增加而增加，最后分別收斂至最大位移1.06 cm和0.64 cm(見圖6)。3DEC模擬結果表明：天然工況下，隨著步程的增加，梳妝臺危巖體內部較小裂隙并不會持續擴展，危巖體整體結構依舊處于穩定狀態，不易發生崩塌。

(2) 暴雨工況下，梳妝臺危巖體頂部位移量相比天然工況有顯著的增加，最大位移為3.55 cm，最大位移區域仍集中在危巖體頂部[見圖5(b)]；此外，x方向和z方向最大位移量分別為3.06 cm和1.24 cm(見圖6)，較天然工況均有較大增加。3DEC模擬結果表明：暴雨工況下，隨著時步的增加，梳妝臺危巖體拉裂深度將進一步增加，危巖體整體結構處于欠穩定狀態，崩塌發生的可能性增大。

(3) 地震工況下，梳妝臺危巖體頂部位移云圖與天然工況、暴雨工況有明顯的區別[見圖5(c)]，在施加地震荷載后，危巖體的后緣裂隙完全裂開，危巖體已經脫離母巖，發生拉裂-傾倒破壞。由梳妝臺危巖體頂部監測點位移時程曲線(見圖7)可知，危巖體頂部監測點x及z方向位移均不收斂，且位移-時程曲線的斜率逐漸變大。3DEC模擬結果表明：地震工況下，施加地震荷載初期梳妝臺危巖體總位移變化較小，隨著時步的增加，危巖體頂部監測點位移迅速增加，危巖體整體結構發生失穩破壞，崩塌隨之發生。

4 落石運動特征分析

危巖體崩落后主要以落石的形式沿坡面向下滾動、跳躍、滑動[20-21]，對坡下的游客通道安全構成嚴重威脅。本文根據梳妝臺危巖體邊坡實際情況進行了合理概化，建立了連續的折線形邊坡計算模型。在落石運動路徑分析時，使用RocFall軟件模擬了危巖體落石的運動過程，得到落石在坡面運動過程中沖擊動能、彈跳高度和運動速度的變化規律。

梳妝臺危巖體對游客通道安全性的威脅包括危巖體整體崩塌和隨機危巖塊體的崩落兩種破壞模式，但整體崩塌落石和隨機落石的數量及危險性存在明顯的差異，因此可對比分析不同危巖體破壞模式下落石運動特征的異同。

4.1 RocFall軟件模擬計算參數確定

結合現場勘察資料，設置危巖體體積為10 m3，初始運動位置為傾倒點。對于隨機落石，根據坡腳平臺處落石體積統計平均值，設置小規模崩落塊石為體積0.01 m3的球體，密度為2.55 g/cm3。整體崩塌落石為傾倒破壞，初始角速度取為20 rad/s，速度為0。隨機落石初始運動視為自由落體，初始速度及角速度均取為0。落石路徑坡面段的材料參數直接影響落石的崩落速度和彈跳高度等，目前RocFall軟件內置的經驗值表受到廣泛的認可[22-23]，本文即基于此進行取值，坡面參數切向恢復系數(Rt)和法向恢復系數(Rn)的取值見表4。結合現場勘察資料，RocFall軟件模擬計算參數的取值見表5。

表4 坡面恢復系數取值

表5 RocFall軟件模擬計算參數取值

4. 2 落石運動路徑與防護分析

將坡體上部設置為基巖表面，下部為有植被覆蓋的崩塌堆積體，游客通道設置為崩塌堆積體，利用RocFall軟件模擬得到了落石的運動路徑，見圖8。圖8中橫坐標為落石運動水平距離，縱坐標為高程，單位均為m，為了使圖像更直觀，將游客通道位置設置為橫、縱坐標零點。

圖8 落石運動路徑的RocFall軟件模擬結果Fig.8 Rocfall simulation results of Rockfall motion path

由圖8可知：危巖體崩塌后，先做自由落體運動，落至坡面后發生第一次碰撞，經過多次跳躍滾動，隨機落石最終在緩坡平臺停止運動，落石最遠影響范圍為游客通道外側30 m;然而，整體崩塌落石則還具有一定的速度，繼續向前跳躍或滾動。整體崩塌落石和隨機落石均有較大概率落至游客通道，說明危巖體兩種破壞模式均對游客通道安全性具有威脅。根據現場調查，游客通道內外側分布有較小塊徑落石，為前期崩落堆積，與模擬結果吻合。

兩種破壞模式下落石距坡面高度、運動速度和總動能隨落石運動水平距離的變化曲線，見圖9。

圖9 兩種破壞模式下落石距坡面高度、運動速度和總動能隨落石運動水平距離的變化曲線Fig.9 Bounce height,translational velocity and total kinetic energy with horizontal distance of rock movement two failure modes

由圖9(a)可知：兩種破壞模式下落石距坡面高度在相近落石運動水平距離處有相似的3個峰值，分別位于AB段邊坡中段、BC段邊坡中段和緩坡平臺中段，即兩者發生彈跳的位置接近，但整體崩塌落石具有更大的彈跳高度；在坡腳平臺處，整體崩塌落石的彈跳高度遠大于隨機落石的彈跳高度，而這兩種破壞模式的初始條件主要不同在于落石質量和落石初始角速度，冉麗洪等[24]的研究證明落石質量對彈跳高度的影響不明顯，由此可知落石初始角速度的增加會增加其在坡腳平臺處的彈跳高度。

由圖9(b)、(c)可知：由于重力勢能轉化成動能，落石運動速度及動能在下落過程中總體上逐步增大；在與坡面發生碰撞處，落石部分動能轉化成內能，其速度及動能均有明顯降低，落石落至坡腳后，落石運動速度及總動能呈下降趨勢。由于落石初始角速度和落石質量的不同，整體崩塌落石在坡腳平臺處運動時間更長，其速度及動能消減速度慢于隨機落石，若擬建防治工程位置距坡腳較遠，則落石破壞模式對防治措施的選取具有較大的影響。

總體上看，初始角速度和落石質量對落石運動特征的影響主要體現在坡腳平臺處運動階段。整體崩塌落石距坡面的最大高度為12.3 m，最大運動速度為35.6 m/s，最大沖擊動能為18 070 kJ;隨機落石距坡面的最大高度為6.3 m，最大運動速度為32.9 m/s，最大沖擊動能為14.9 kJ。可見，整體崩塌落石較隨機落石在坡腳平臺處有更大的沖擊動能、彈跳高度和運動距離。

4. 3 防治措施建議

由于武當山為國家級旅游景區，梳妝臺本身具有一定的文物價值，因此不能簡單地采取清除危巖的治理措施。梳妝臺由于地形陡峻，危巖體位于直立陡崖頂部，沖擊動能巨大，防治難度高，目前情況下采取工程加固措施治理缺乏施工條件，且該處危巖基本上不危及周圍主建筑，因此可暫時不采取工程加固措施，以監測、觀察預警為主，但需要對靠近梳妝臺頂部的裂隙進行封堵。由于隨機落石數量多，威脅范圍大，但沖擊動能較小，因此可在游客通道內側設置被動式SNS防護網。該防護網位置和高度可參考落石彈跳高度隨落石運動水平距離的變化曲線，將5.0 m高防護網設置在游客通道內側3.7 m處，此處坡度稍緩，落石距坡面最大高度為4.1 m。使用RocFall軟件模擬被動式SNS防護網的防護效果見圖10。