陡缓节理切割形成的平面滑移型危岩稳定性分析

王志勇（中铁第四勘察设计研究院集团有限公司，湖北武汉　430063）

3　参数敏感性分析



陡缓节理切割形成的平面滑移型危岩稳定性分析

王志勇
（中铁第四勘察设计研究院集团有限公司，湖北武汉430063）

摘要通过建立以陡、缓2组节理切割形成的危岩体平面滑移失稳模式的工程地质模型，分析典型失稳模式的特征，并结合静力平衡分析和数值模拟的方法研究节理倾角、边坡坡角、裂隙水深度、结构面强度等因素对危岩体稳定性的影响，为危岩体崩塌成灾预判和危险性预估评价提供依据。研究结果表明:影响围岩稳定性的敏感因素由大到小依次为裂隙水、内摩擦角、坡角、陡倾角、缓倾角和黏聚力。

关键词危岩；节理；平面滑动；倾覆滚动

我国2 /3以上的国土面积为山区，是受危岩崩塌灾害最严重的国家之一。如福建省属主要的山地地区，强大和活跃的构造运动以及气候湿热交替循环剧烈，风化等作用强烈，导致构造裂隙发育［1］。由不同产状、深度、张开程度和密集程度的节理切割构成的潜在崩塌体（危岩）直接威胁公路、铁路、航道的安全运营。其中以陡缓节理切割形成的危岩体平面滑移失稳模式最为常见。本文针对典型的工程地质模型，结合危岩失稳破坏机理，以平面滑移破坏模式为例评价危岩的稳定性。

国内外对危岩的大量研究主要集中在危岩分类、稳定性分析方法、防治措施、失稳后运动路径等方面。文献［2］采用灰色聚类法，同时结合可靠性理论和时序分析方法对危岩体稳定性进行综合评价。文献［3］把非线性科学引入岩体稳定性的定量评价中。文献［4］基于三峡及西部地区的危岩崩塌实际情况开展危岩崩塌演化理论及防治实践研究。较早期的文献［5］按崩塌的形成机理把危岩体的破坏模式分为5类：倾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓胀式崩塌、拉裂式崩塌和错断式崩塌。由于崩塌问题的复杂性、不确定性及突发性，稳定性评价方面仍处在定性、半定量的阶段，并且缺乏对工程地质条件与节理岩体形成对应关系的研究。因此本文针对性地利用极限平衡和数值模拟的方法定量分析由陡缓2组节理切割形成的危岩稳定性，并依据典型工程地质模型探讨边坡倾角、陡缓节理产状、裂隙水发育深度、黏聚力、内摩擦角等影响参数的敏感性。

1危岩稳定性的影响因素

危岩稳定性影响因素主要包括研究区域地形地貌、地层岩性、地质构造、岩体结构特征、风化卸荷特征、地震、气象与水文地质条件、岩体物理力学性质、人工开挖等［6-7］。其中降雨、地震和人工开挖为外部诱导因素。依据主要影响因素总结了典型的危岩平面滑移失稳破坏模式特征，见表1。

表1　危岩平面滑移失稳破坏模式特征

2工程地质模型及力学分析

滑移式崩塌在坡体上存在后缘陡倾的节理和缓倾于坡体向下的结构面或软弱面，雨水入渗岩体裂隙进一步软化结构面，2组节理逐渐贯通，产生了不稳定的危岩体，在重力、动静水压力的综合作用下滑移，直至重心滑移出坡体导致崩塌发生。

根据常见地质状况采用图1所示平面滑移分析模型。

图1　平面滑移分析模型

图1中α为模型边坡倾角，β1，β2分别为陡、缓节理倾角，Z为裂隙深度，H为危岩块体高度。陡缓2组节理一组是沿边坡后缘由于构造应力、裂隙水及人工开挖等作用引起局部产出剪切错动和拉裂的陡倾构造节理或风化卸荷裂隙；另一组是顺坡体向下缓倾的岩层面或夹层在地下水、大气降雨、气温等风化营力作用下，逐渐软化甚至发生泥化形成的软弱结构面，常见于倾斜层状岩体边坡中。滑动面及张裂缝的走向平行于坡面。张裂缝是陡倾的，水沿张裂缝的底部进入滑动面并沿滑动面渗透，在大气压力下沿滑动面的出露处流出。

依据图1进行力学分析。安全系数K表示为

式中：c为结构面黏聚力标准值；φ为结构面内摩擦角标准值；L为滑动面长度（每单位宽度内面积）；V为裂缝水压力；U为软弱结构面上的扬压力；W为危岩体自重；P为地震力作用，P = Wn，n为地震系数（据地震烈度查表）。

有关计算公式为

当张裂缝位于坡顶面上时

当张裂缝位于坡面上时

式中：γw为浮重度，取10 kN/m；Zw为裂隙充水深度，天然状态下取裂隙深度的1 /3，暴雨状态下取裂隙深度的2 /3。

3参数敏感性分析

利用rocplane程序进行危岩稳定性分析时主要考虑以下影响因素：①边坡倾角α；②主控结构面陡、缓节理倾角β1和β2；③裂隙充水深度Zw；④结构面内摩擦角φ和黏聚力c。

设置坡高为60 m，其他基本参数不变，分析α，β，γ，c和Zw与安全系数K之间的相互关系。模拟时Zw通过裂隙水深度所占裂隙深度的百分比来反应，其值取60％时近似于暴雨工况下的裂隙水深度所占比例。模型所选用的参数见表2，此时结构面内φ取30°，c取30 kPa。

表2　数值模拟参数取值

在考虑裂隙水作用的情况下，安全系数-坡角关系曲线见图2。随着陡倾节理倾角的减小，安全系数对坡角变化的敏感性增大，坡角越大，陡倾角越小，安全系数越小（见图2（a））；缓倾节理倾角从15°增大到25°，稳定性对坡角变化的敏感性不大，缓倾角越大，坡角越大，安全系数越小，但缓倾角达到30°时，坡角变化对稳定性的影响急剧增大（见图2（b））。据此得到，陡倾角越小，缓倾角越大，稳定性对坡角的变化越敏感。

安全系数-缓倾角关系曲线见图3。当缓倾角≤20°时，坡角的变化不影响安全性；当超过20°时，缓倾角越大，坡角越大，对稳定性的影响越大，安全系数越小；在坡角达到35°时，随着缓倾角的增大，安全系数有先减小后增大的趋势，转折点在缓倾角25°处（见图3（a））；当缓倾角在5°～15°时，陡倾角对安全系数影响较大，但均处在稳定范围，当缓倾角增大时，陡倾角变化对安全系数影响较小，均处在较不稳定状态（见图3（b））。据此得到，当缓倾角较大时，成组的陡倾角对稳定性影响不大，当坡角与缓倾角较为接近时岩体较稳定。

安全系数-陡倾角关系曲线见图4。坡角＜35°，陡倾角变化对稳定性影响较小且均处在稳定状态，坡角越大，陡倾角越小，稳定性越低，敏感性越强（见图4（a））；缓倾角＜15°时，岩体稳定性对陡倾角变化的敏感性较大，但处在稳定状态；缓倾角越大安全系数越小，对陡倾角变化的敏感性也越小（见图4（b））。据此得到，坡角超过35°时安全系数受陡倾角的影响较大，缓倾角超过15°之后，危岩处于不稳定状态，受陡倾角变化的影响不大。

图2　安全系数-坡角关系曲线

图3　安全系数-缓倾角关系曲线

图4　安全系数-陡倾角关系曲线

图5　安全系数-裂隙水深度关系曲线

安全系数-裂隙水深度关系曲线见图5。坡角超过35°之后稳定性对裂隙水深度较为敏感；陡倾角变化时稳定性对裂隙水深度较为敏感；缓倾角越大安全系数越小，对裂隙水深度变化的敏感性越小。

分析危岩体黏聚力对稳定性的影响时，不考虑裂隙水作用。黏聚力取30 kPa，坡角取45°。缓倾角取15°，20°，25°和30°，陡倾角取60°，90°和110°，内摩擦角取10°～45°。分析危岩体内摩擦角对稳定性影响时，内摩擦角取30°，黏聚力取10～50 kPa。

不同缓倾角和陡倾角条件下，安全系数与黏聚力、内摩擦角的关系曲线分别见图6、图7。缓倾角变化对危岩整体稳定性的影响相对于陡倾角更大；随着缓倾角增大，稳定性减弱；随着黏聚力逐渐增大安全系数的变化率基本保持一致；缓倾角越低，安全系数对内摩擦角的变化越敏感；陡倾角变化对危岩体稳定性变化趋势影响很小。

依据以上分析并结合危岩体稳定性判别标准（见表3）可知，坡角35°的危岩体处于稳定状态，坡角45°的危岩体基本处于稳定状态。坡角55°，60°的危岩体的稳定性分别见表4、表5。

图6　安全系数-黏聚力关系曲线

图7　安全系数-内摩擦角关系曲线

表3　平面滑移模式危岩体稳定性判别标准

表4　坡角55°危岩体的稳定性

表5　坡角65°危岩体的稳定性

4　结论与建议

本文结合工程经验对平面滑移模式的野外判别特征进行了分析，从岩体岩性、岩体结构面发育情况、地形地貌条件、结构体形式、主要受力状态及失稳后的运动模式等方面总结了其特点，可据此在工程勘察初期对危岩体崩塌灾害的可能性进行预估。此外，利用极限平衡法，基于对陡缓倾节理切割危岩体的力学分析，给出了安全系数计算公式，并计算分析了陡缓倾节理角度对安全系数的影响。主要结论如下：

1）影响危岩稳定性的敏感因素由大到小依次为裂隙水、内摩擦角、坡角、陡倾角、缓倾角和黏聚力。

2）坡角越大，陡倾角越小，安全系数越小；坡角越大，缓倾角越大，安全系数越小；随着裂隙水深度增大，缓倾角和坡角越大，安全系数越小，陡倾角越小安全系数越小；随着内摩擦角的减小，缓倾角越大，安全系数越小。

建议在实际工程应用中，首先依据平面滑移模式的失稳特征对致灾的可能性和破坏力进行预估，并将极限平衡法安全系数计算结果与数值模拟结果相结合得出对危岩体稳定性的准确判断。

参考文献

［1］陈洪凯，王蓉，唐红梅.危岩研究现状及趋势综述［J］.重庆交通学院学报，2003，22（3）：18-22.

［2］谢全敏，夏元友.危岩块体稳定性的综合评价方法分析［J］.岩土力学，2002，23（6）：775-781.

［3］黄达，黄润秋，刘卫华，等.危岩体危险性评价及防治对策研究——以雅砻江锦屏一级水电站为例［J］.岩土工程学报，2007，26（1）：175-181.

［4］陈洪凯，唐红梅，王林峰，等.危岩崩塌演化理论及应用［M］.北京：科学出版社，2009.

［5］胡厚田.崩塌与落石［M］.北京：中国铁道出版社，1989.

［6］曾廉.崩塌与防治［M］.成都：西南交通大学出版社，1990.

［7］HOEK E，BRAY J W. Rock Slope Engineering［M］. London：The institution of Mining and Metallugy，1977.

（责任审编李付军）

Stability Analysis on Dangerous rock of Plane Sliding Mode Formed by Cutting of Steep or Gentle Joints

WANG Zhiyong
（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430063，China）

AbstractT he engineering geological model of plane-sliding rock cut by steep and gentle joints was established to analyze the characteristics of typical rock unstable modes. Combined with the static equilibrium analysis and numerical simulation method，influence of joint angles，slope angle，fissure water depth，structure surface strength and other factors on the stability of rock was studied. T he results show that the sensitive factors from large to small in turn were fissure water depth，internal friction angle，slope angle，steep joint angle，gently joint angle and cohesion. T he research results provide effective support for possibility prediction and hazard pre-assessment on collapse of dangerous rock.

Key wordsDangerous rock；Joint；Plane sliding；Overturning；rolling

中图分类号U216. 41+5

文献标识码A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 31

文章编号：1003-1995（2016）06-0116-05

收稿日期：2016-01-13；修回日期：2016-03-07

作者简介：王志勇（1971—），男，高级工程师，硕士。