基于强度折减法的花石崖危岩体稳定因素数值分析

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(1.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002; 2.四川省能投攀枝花水电开发有限公司，四川 攀枝花 617068)

基于强度折减法的花石崖危岩体稳定因素数值分析

高德军1，郑居华1，贾蕴翔2，朱小冬1，李昆1，丁绪蒙1

(1.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002; 2.四川省能投攀枝花水电开发有限公司，四川 攀枝花 617068)

危岩体一般处于非稳定或极限平衡状态，影响危岩体稳定的因素很多，而地质勘探往往难以给出危岩体的准确参数。以金沙江花石崖危岩体为例，主要考虑了危岩体裂缝位置和深度、裂缝中水压力大小、危岩体强度参数以及危岩体下部软弱岩层参数等因素。使用FLAC3D软件基于强度折减法计算分析各因素变化对危岩体安全系数的影响。对比计算分析结果表明，裂隙水压力和危岩体下部软弱岩层参数对危岩体稳定影响较大，在危岩体治理中应加固下部软弱岩层以及封闭上部裂缝，防止雨水汇集。

危岩体治理; 失稳破坏; 强度折减法;影响因素; FLAC3D软件

1 研究背景

斜坡上的岩土块体已有变形迹象，但还没有坍塌下来，称为危岩。显然,危岩即为岩土块体发生崩塌前的称呼。软硬相间的地层组合是形成危岩的主要地层特征，其形成因素复杂，主要内在因素有岩体岩性、岩体结构,以及地貌条件；外部因素有：水体因素、风化因素、地震因素,以及植被因素[1]。小危岩体是指规模较小的危岩体[2],几立方米到数千立方米的危岩体坠落，对下方的建筑物、构筑物,以及人员生命构成威胁。危岩体一旦崩塌滑落会造成巨大的生命财产损失。与较大的危岩体相比，小危岩体还未引起足够的重视。

目前，危岩稳定性评价方法主要可以分为静力分析法、断裂力学分析法、可靠度分析法、系统综合评价法、数值分析法[3]。国内外众多学者对较大规模危岩体展开了大量的研究工作[4-12]。其中，陈洪凯等[8]根据危岩的失稳模式，将危岩分为滑塌式、倾倒式和坠落式3种类型，并根据岩体结构理论和极限平衡理论建立了3类危岩的稳定性计算方法;欧武涛等[9]选择岩组类型、坡高、坡度、主控结构面、水文地质条件、降雨强度、地震烈度和人类工程活动8个因素作为评价指标，建立了危岩稳定性评价的层次分析综合指数法;尤其是位于长江三峡的链子崖危岩体是国内危岩研究的典范。从地质环境、模型试验、数值模拟及防治技术等方面进行了深入研究[10-12]。由岩土工程常用的Mohr-Coulomb强度准则可知,岩土体破坏是由于某个面上的剪应力达到了岩土体的剪切强度,此时剪切面上必然发生较大的剪切变形,因此可以通过搜索最大剪应变增量的位置来确定边坡滑动面[13]。

影响危岩体稳定的因素有很多，并且有些影响因素难以用试验方法确定，在地质勘探上存在一定难度。本文以金沙江花石崖危岩体为实例，利用安全系数作为评判指标，使用FLAC3D数值模拟软件基于强度折减法定性分析了危岩体顶部裂缝位置和深度、裂缝中水压力、危岩体黏聚力和内摩擦角以及危岩体下部软弱岩层的黏聚力和内摩擦角等因素对危岩体稳定性的影响程度。研究成果可为地质勘探和危岩治理提供参考依据。

2 研究区域工程地质

危岩体位于金沙江右岸陡崖，边坡长230 m左右，崖顶高程1 570～1 660 m，崖底高程1 450 m左右，高差近200 m，走向近东西，坡角60°～75°，局部近直立或崩塌形成负地形；崖底以下为冲沟。危岩体南侧至山脊为缓坡地带，坡面为倾向南东的斜坡，坡角22°～30°，杂草丛生。

危岩体主体为陡崖顶下第1层含炭粉砂质泥岩以上的中粗粒岩屑砂岩、含炭粉砂质泥岩与残坡积碎石土，东西方向长约230 m、南北宽15～35 m，面积4 500 m2，高度14～34 m，估算体积10×104m3。

本文中所研究的危岩体位于I1区(图1)，I1区为危岩体西半部分，其北侧临空，坡顶接近山脊，至脊顶70 m左右；东、西两侧分别以裂缝T1,T10为界，南侧以裂缝影响范围为界，底部以含炭粉砂质泥岩底为边界；坡长90 m，宽20～33 m，高20～34 m，估算体积6.5万m3，危岩体为中粗粒岩屑砂岩，岩层缓倾角内倾，坡前缘产生崩塌后坡线呈锯齿状。地质剖面图如图2所示，其中的裂缝位置和深度为推测结果。

图1 I1区危岩体实景(面向东摄影)Fig.1 Area I1 of potentially unstable rock mass

图2 I1区危岩体地质剖面图Fig.2 Geological profile of area I1 of potentially unstable rock mass

3 仿真模型及参数

根据地质剖面图使用AutoCAD,ANSYS以及自编数据转换程序建立FLAC3D模型(图3)。由于FLAC3D对网格数目十分敏感，如果网格过密，势必耗时较大，一味加密网格将导致计算不经济[14-15]。因此网格划分时考虑到计算效率和计算精度，将危岩体部分网格划分较密，基岩部分网格较疏。

图3 ANSYS中划分网格界面图Fig.3 Meshes in ANSYS

计算基本模型如图4(a)所示，计算危岩体岩层参数折减、危岩体下部软弱岩层折减和裂隙水深度敏感性分析时使用计算基本模型；进行裂缝敏感性分析时，使用裂缝敏感性计算模型(图4(b))。计算分析单裂缝位置和深度对危岩体稳定性的影响，基准裂缝深度为9 m，距离临空面14 m(临空面是指左侧悬崖面)，上部开度取与地勘报告给出的T9裂缝相同，为0.96 m，开度垂直向下逐渐减小。

注：岩体分区编号1,2,3,4,5对应的岩性见表1图4 计算基本模型与裂缝敏感性计算模型Fig.4 Basic model of calculation and calculation model for crack sensitivity

数值分析所需要的岩土力学参数根据地质勘察资料和类似项目参数所确定。计算采用摩尔-库伦强度准则模型，最后建议本文数值模拟所采用的主要岩土基本力学参数取值见表1。

表1 基本计算参数Table 1 Basic parameters for calculation

4 结果与分析

4.1 裂缝位置和深度的影响

裂缝位置和深度对危岩体安全系数的影响如表2所示，根据地勘报告给出的裂缝分析了其位置和深度在一定范围内变化的敏感性分析。可以看出裂缝深度和临空面距离在一定范围内(10 m)对危岩体安全系数和破坏形式的影响很小,如图5。这是因为在FLAC3D建模和计算中采用的摩尔-库伦本构模型假设危岩体为均质体，并且危岩体强度较高，没有考虑到危岩体的节理发育状态和破坏程度[16]，这也是摩尔-库伦模型在计算非均质岩体时的局限性。

表2 裂缝对安全系数的影响Table 2 Effect of crack on safety factor

4.2 岩体强度参数的影响

危岩体岩层以及危岩体下部软弱岩层的内摩擦角和黏聚力折减对危岩体安全系数的影响如表3所示。从表3中可以看出危岩体内摩擦角和黏聚力在一定范围内变化对安全系数影响很小。主要是由于危岩体整体性较好，并且下部支撑情况较好，使得折减危岩体参数对其安全系数影响不大。

从危岩体下部岩层参数折减的结果可以看出，下部岩层参数折减对上部危岩体安全系数的影响较大。主要原因是下部岩层参数减弱直接导致其对围岩的支撑能力减弱。一旦发生破坏将导致上部围岩悬空，会使危岩体发生崩塌破坏。

4.3 裂隙水压力的影响

危岩体顶部裂缝中水压力对安全系数的影响如图6所示。计算分析水深度分为1,1.5,2,2.5,3 m，从图6中可以看出，裂隙水压力对危岩体安全系数影响较大，当裂隙水深度超过2 m时安全系数降低至1.0以下。主要原因为裂隙水压力会对危岩体裂缝部位附加水平力，相当于沿着裂缝劈拉危岩体，所以其对危岩体稳定性影响较大。

图5 不同工况下的最大剪应变增量云图Fig.5 Contours of maximum shear strain increment in different working conditions

表3 岩体强度参数对安全系数的影响Table 3 Influence of strength parameters on safety factor

图6 裂缝水深度对安全系数的影响Fig.6 Effectoffissurewaterdepthonsafetyfactor

5 结 论

通过以上对影响危岩体稳定性的部分因素分析，可以得出如下结论：

(1) 金沙江花石崖I1区危岩体在天然状态下安全系数较高，处于稳定状态。

(2) 危岩体的黏聚力、内摩擦角等岩体强度参数在一定范围内变化对其稳定性影响较小，最危险滑动面随着参数的减小有向临空面移动的趋势，但移动范围较小。

(3) 对于本工程而言，上部危岩岩体较为稳定，并且厚度较大，下部支撑情况较好。较小的裂缝对安全系数影响较小，对比各滑动面位置，可知其对最危险滑动面位置存在较小的影响。

(4) 降雨工况下，雨水汇集到裂缝中会形成较大的静水压力，从而对危岩体的稳定性造成较大影响。

(5) 在治理此类危岩体时，应对其下部起支撑作用的软弱岩层进行加固处理，以防止下部破坏影响危岩体稳定性。对于上部裂缝应进行封闭处理，防止雨水汇集进裂缝形成较大水压力从而影响危岩体的稳定性。

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(编辑：赵卫兵)

Numerical Analysis on Stability Factors of Potentially Unstable Rockat Huashi Cliff Based on Strength Reduction Method

GAO De-jun1,ZHENG Ju-hua1,JIA Yun-xiang2,ZHU Xiao-dong1,LI Kun1,DING Xu-meng1

(1.College of Civil Engineering & Architecture,China Three Gorges University,Yichang 443002,China; 2.Sichuan Energy Investment Panzhihua Hydropower Development Co.,Ltd.,Panzhihua 617068,China)

Potentially unstable rock mass is generally in unsteady or limit equilibrium state.There are many factorsthat affect the stability of potentially unstable rock mass,but geological exploration is often difficult to give accurate parameters about the potentially unstable rock mass.With the potentially unstable rock mass at Huashi cliff on Jinsha River as an example,we took in consideration factors including crack position and depth,fissure water pressure,strength parameters of potentially unstable rock mass,and parameters of weak rock strata under the potentially unstable rock mass.Furthermore,we calculated the effect of the above factors on the safety coefficient of rock mass by using FLAC3Dbased on strength reduction method.Through comparisons,we concluded that fissure water pressure and parameters of weak rock strata under the potentially unstable rock mass have great influence on the stability of the potentially unstable rock mass.Therefore,weak rock strata under the potentially unstable rock mass should be reinforced,and the fissures must be closed to prevent from rainwater collection.

treatment of potentially unstable rock; instability and failure; strength reduction method; influence factor; FLAC3D

TU413.62

A

1001-5485(2017)10-0114-04

2016-06-27;

2016-09-14

防灾减灾湖北省重点实验室(三峡大学)开放基金资助项目(2016KJZ09)

高德军(1969-)，男，山东临朐人，副教授，主要从事岩土工程稳定分析及加固方面的研究，(电话)13669073916(电子信箱)gdjsd@163.com。

郑居华(1991-),男，湖北荆州人，硕士研究生，主要从事堆积体边坡治理与加固方面的研究，(电话)15587912561(电子信箱)874682275@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160651 2017,34(10):114-117,123