西北地区典型土—岩混合边坡危岩体稳定性分析评价

2016-09-22王沈力王春得

西部探矿工程 2016年3期

关键词：危岩节理裂隙

贲　柯，王沈力，王春得，杜　俊

（甘肃中建市政工程勘察设计研究院，甘肃兰州730000）

西北地区典型土—岩混合边坡危岩体稳定性分析评价

贲柯*，王沈力，王春得，杜俊

（甘肃中建市政工程勘察设计研究院，甘肃兰州730000）

土-岩混合边坡在西北地区广泛分布，土-岩混合边坡是指上部是土和强分化岩石组成，下部是岩石组成的边坡。现在使用的规范中未明确给出结合现实问题的土-岩混合边坡危岩体稳定性分析判别方法，结合西北地区的工程实例，本文提出先运用倾倒式危岩破坏模型进行稳定性计算，再利用危岩坠落式危岩破坏模型进行稳定性计算，将2种方法的计算结果进行互补性对比利用，为今后西北地区的土-岩混合边坡危岩体工程的稳定性计算分析提供可靠的参考。

西北地区；土-岩混合边坡；危岩体；稳定性计算

土-岩混合边坡是西北地区最为典型的边坡类型，顾名思义：土-岩混合边坡是指上部是土和强分化岩石组成，下部是岩石组成的边坡。随着西部大开发城镇化的大幅推进，城市日益扩张，被人为开挖或自然破坏的边坡形成的危岩体对于人们的生产与生活带来了很大的潜在危险。现在使用的规范中未明确给出结合现实问题的土—岩混合边坡危岩体稳定性计算的判别方法。对于边坡危岩体的稳定性评价，方法较多，例如：地质分析法、极限平衡法、数值计算、有限元数值模拟等，本文主要采用地质特征结合稳定性系数来确定危岩体的稳定性。

1　危岩体结构特征

本高边坡区均为岩质边坡，其稳定性主要取决于结构面发育程度、结构面之间的组合关系、结构面与临空面间的空间关系，以及卸荷松动情况，从而确定可能变形失稳的危岩体的形态、规模及空间分布，同时判定不稳定块体可能移动的方向和破坏方式。根据本边坡区结构面之间的组合关系、岩体卸荷风化程度，以及岩层倾向与坡向的关系，本边坡可分为Ⅰ-Ⅲ三个工程地质分区。

边坡各分区内岩层岩性及其产状情况比较一致，岩层平直，整合程度高，层位稳定。各分区内岩体结构面发育程度，卸荷风化作用情况有一定差异。其中Ⅰ区岩体结构面主要为近南北向节理组，近东西向节理组和岩层层面，卸荷变形作用相对较弱，2组近南北向和近东西向的节理组为共轭节理，其组合成为切割岩体的控制性结构面。南北向节理面倾角70°～85°，东西向节理面倾角65°～82°，岩层层面倾角6°～8°，根据结构面合关系，岩体被切割成底面近水平的岩柱，其稳定性较好。边坡浅部风化程度较高，并发育有张拉风化裂隙，坡体上分布的孤悬危石主要为山体削坡开挖时岩体受扰动而形成，其稳定性差，部分岩块已处于极限平衡状态，存在崩塌的危险。

Ⅱ区边坡内分布有一条张拉断裂，即桥头张性断裂。该断裂拉断地层后受沟内流水冲蚀形成现状冲沟。由于受断裂带的影响，该区内岩体较为破碎，次生节理及发育程度较高，风化卸荷裂隙追踪节理面发展，并使之扩大，加上削坡时的人为扰动，又加剧了岩体中节理裂隙尺度扩大，使得边坡表部岩体更为破碎，块度变小，从而形成了一系列分布密集的危石和不稳定块体，部分岩块底部已经悬空，并产生后缘拉裂缝，在各种地质营力作用下极易崩塌。在人工切坡后因围岩压力变化，产生附加剪应力，强度不高的岩块因附加剪应力而坡坏，产生楔形体和块体顺层滑移，这种破坏形式在Ⅱ区切坡处比较明显。该区为危岩分布最密集，潜在不稳定块体最多的分区，在边坡与冲沟相交的转角地带稳定性最差。

Ⅲ区边坡相对较为稳定，边坡坡面多为自然形成，上缓下陡，其上分布有黄土和坡积物覆盖层，坡面上植较为茂盛。该边坡经自然平衡，山体整体处于平衡状态，仅零星部位分布有潜在不稳定块体。相比之下Ⅲ区边坡为勘察区内稳定性最好的坡段。

2　边坡危岩可能的破坏模式及稳定性计算

危岩体的稳定性受多种因素制约，其稳定性计算涉及较多参数和复杂的边界条件，而准确参数的获得和边界条件的完全查明非常困难。为了深刻认识区内危岩的稳定性，适应危岩整治的需要，试选择部分典型危岩崩塌类型进行稳定性计算分析。由于危岩体的稳定性评价，目前尚无较为合理的定量方法，本次对边坡危岩体的计算主要依据《工程地质手册》（第四版）和《滑坡防治工程勘察规范》（DZ/T 0218-2006）所提供的方法确定。

2.1危岩可能的破坏模式

由于危岩体的边界条件、裂隙贯通深度难以准确确定，只能把一些不完全确定的因素理想化地进行定量分析计算。根据危岩体的可能破坏模式，建立计算模型。通过现场踏勘调查，根据边坡危岩结构特征及现状，对其可能发生的破坏模式做出预测。

（1）危岩倾倒破坏。倾倒式崩塌发生于被裂隙贯通后与母岩分离的危岩体中，暴雨、风化、地震是其主要诱发因素（见图1）。其计算模型如图2所示：

图1　倾倒式危岩稳定性计算模型

图2　倾倒式危岩

根据以上模型，其危岩稳定性系数按照如下公式计算：

式中：F——危岩稳定系数；

H——后缘裂隙上端到未贯通段的垂直距离，m；

W——危岩体自重，kN/m3；

Flk——危岩体抗拉强度标准值，kPa；根据岩石抗拉强度标准值乘以0.4的折减系数确定；

h——后缘裂隙深度，m；

hw——后缘裂隙充水高度，m，天然时取0.2h，暴雨时取0.3～0.5h（根据裂隙发育情况而定）；

V——裂隙水压力，kN/m，V=0.5γwhw2；

Q——地震力（kN/m），Q=ζeW，ζe为地震水平系数取0.05；

β——后缘裂隙倾角，（°）；

α——危岩体重心到倾覆点的水平距离，m；

h0——危岩体重心到倾覆点的垂直距离，m；

b——后缘裂隙末端到倾覆点的水平距离，m。

（2）危岩坠落式破坏。勘察区可能发生坠落式崩塌的危岩其后缘均有陡倾裂隙，下部处于悬空状态（见图3），其计算模型如图4所示：

图3　坠落式危岩稳定性计算模型

根据以上模型，其危岩稳定性系数按照如下公式计算：

式中：Q——地震力，kN/m，Q=ζeW，ζe为地震水平系数取0.05；

W——危岩体自重，kN/m3；

H——危岩体垂直高度，m；

h——危岩体重心到其下部边界垂直高度，m；

ζ——危岩抗弯力矩计算系数；

a0——危岩体重心到潜在破坏面的水平距离，m；

b0——危岩体重心到过潜在破坏面形心的铅垂距离，m；

flk——危岩体抗拉强度标准值（kPa），根据岩石抗拉强度标准值乘以0.2的折减系数确定。

2.2计算参数的确定及计算结果

（1）计算工况。危岩稳定性计算所采用的工况可分为天然工况（工况1）、暴雨工况（工况2）、地震工况（工况3）；

危岩稳定性计算中各工况考虑的荷载组合应符合下列规定：

a.对工况1和工况2应考虑自重，同时对倾倒式危岩应考虑现状裂隙水压力、暴雨时裂隙水压力。

b.对工况3应考虑自重和地震力，同时对倾倒式危岩应考虑暴雨时裂隙水压力。

图4　坠落式危岩

（2）计算参数的确定。计算参数的选择考虑裂隙的贯通程度、裂隙的填充程度及裂隙的结合情况，根据《建筑边坡工程技术规范》（DB50/330-2002）表4.5.1结构面抗剪强度指标标准值来确定裂隙面粘聚力C及内摩擦角φ；岩体抗拉强度根据室内岩石抗拉强度试验值按《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001 2009版）的折减要求进行折减，折减时考虑陡崖体的裂隙贯通程度。自然状态下裂隙充水高度取裂隙深度的0.2倍，暴雨时裂隙充水高度取裂隙深度的0.5倍。计算参数见表1、稳定状态划分标准见表2。

表1　危岩体稳定性计算参数一览表

表2　危岩稳定状态划分标准表

（3）稳定性计算结果。根据上述稳定性计算公式对边坡典型部位上分布的不稳定块体（计算危岩位置详见综合工程地质图）进行稳定性计算，计算结果表见表2。

从计算结果可以看出，倾倒式破坏危岩体W1在天然状态下稳定，在暴雨和地震工况下处于欠稳定状态，坠落式破坏危岩体W2、W3、W4、W5、W6在天然、暴雨和地震状态下均处于欠稳定状态。由此可见，边坡危岩主要破坏模式为坠落式，在暴雨或者地震影响下局部可能发生倾倒破坏。危岩体的体积越大，地震作用的强度越大，危岩下部风化凹腔越深，危岩稳定性越差；地震力作用对危岩体的稳定性影响最大，在发生地震的情况下，勘察区危岩体发生崩塌失稳的可能性大。