汶马高速克枯大桥危岩发育特征及破坏模式

许立，胡卸文,2



汶马高速克枯大桥危岩发育特征及破坏模式

许立1，胡卸文1,2

（1. 西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 610031；2 西南交通大学，高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室，成都 610031；）

以汶马高速公路克枯大桥危岩为研究对象，通过野外调查，查明了危岩发育特征，结合赤平投影分析了其稳定性；利用离散元软件模拟，再现了区内典型危岩体WYT3-1的变形破坏全过程，并根据其变形破坏特征提出了针对性的治理措施建议。

汶马高速；危岩；稳定性；破坏模式；

汶马高速克枯特大桥危岩位于在建克枯大桥左线高陡斜坡上，斜坡表面因早期崩落而呈锯齿状，除岩体层面外，坡体内构造裂隙、卸荷裂隙发育。危岩区现状稳定性较差，表层多有危岩体脱离母岩而发生崩落，严重影响汶马高速建设安全及进度。

图1 克枯大桥危岩全景图

图2 工程地质平面图

1 场地工程地质条件

危岩区位于青藏高原东南缘，为河谷陡斜坡地貌，河谷整体呈V字型。杂谷脑河宽15~20m，无阶地发育，杂谷脑河自西向东横穿危岩区。在建的汶马高速克枯大桥顺河右岸而建，岸边发育一陡崖，崖顶高程约为1 540m，垂直高差较大约140m。研究区年均降水量753mm，具有明显的干湿两季，全年降雨量的80%集中在5~9月份。区内出露的地层主要为全新统(Q)、更新统(Qp)及志留系茂县群第二组(Smx)。根据现有资料，确定本区域地震烈度为Ⅷ度

2 危岩发育特征

克枯大桥危岩所在高陡斜坡，坡度80°~90°。陡崖出露基岩为志留系茂县群千枚岩，呈薄~中厚层状，薄层最薄2cm，厚层最厚35cm，岩层产状326°∠56°，坡体结构为横向坡。危岩区主要分布高程1 349~ 1 538m，长约150m，宽约250m，总面积约为37 000m2，整个危岩区根据不同部位可分为5个危岩带，其中在3个危岩带内发育有4个底部呈凹腔的单体危岩(图1、图2)。除岩体层面外，危岩带所在坡体发育有两组明显节理，产状分别为J1：137°∠55°，J2：117°∠34°，其中节理J1较发育，一般呈张开状，可见延伸长度长（大于5m），间距较小（一般小于2m），节理裂隙J2表现为发育程度弱。结构面切割危岩块体尺寸一般0.3~0.5m。

危岩区各危岩带基本特征见表。

克枯大桥危岩基本特征表

危岩带顺坡长度（m）平均宽度（m）立面面积（m2）分布高程（m） WYD1119991527～1538 WYD221204201500～1520 WYD3955038951413～1500 WYD435289801390～1420 WYD5393112091390～1430

3 危岩带及单体危岩稳定性分析

野外调查显示，危岩区边坡坡向35°，坡度85°；岩层面产状326°∠56°；区内发育两组节理：J1：137°∠55°，J2：117°∠34°。边坡结构面的赤平投影见图3：

从赤平投影上可以看出，两组结构面J1，J2与岩层面C共同切割边坡，结构面J1与岩层面C组合交线产状为52°∠7°，结构面J1与结构面J2组合交线产状为63°∠22°，结构面J2与岩层面C组合交线产状为47°∠13°，边坡临空面产状为35°∠85°。根据野外调查，节理面J1延伸较长，且多松弛张开，将薄~中厚层状岩体切割成条块状，因此，节理面J1与岩层面C的组合是危岩的控制性结构面。其组合交点与边坡临空面在同侧，即组合交线与临空面倾向一致，但倾角小于坡角，交线产状为52°∠7°，边坡临空面产状为35°∠85°，交线与边坡临空面倾角相差达78°。综上所述，两者组合结构面切割形成的块体稳定性一般，且可能形成坠落式破坏，对下方在建克枯大桥构成威胁，应加强对危岩及其可能崩塌落石的工程治理，以确保高速公路运营安全。

图3 赤平投影图（上半球）

4 危岩变形破坏的离散元模拟

为了进一步分析克枯大桥危岩的变形破坏过程，采用离散元数值模拟，分析研究区危岩变形破坏的全过程。以危岩体WYT3-1（照片及剖面图见图4）为典型建立模型，模型高159m，宽100 m，固定模型左、下边界，其他为自由边界（模型见图5）。并根据研究区针对变质岩的微观结构和力学特征实验结果，综合选取计算参数。

图4 WYT3-1危岩体剖面图

图5 离散化模型图

通过将模型分别迭代5×104次，10×104次，20×104次及25×104次，并观察记录每个计算时步下，危岩变形特征，可再现克枯大桥危岩变形破坏的全过程。

第一阶段：由于凹岩腔的存在，在重力作用下，斜坡内应力调整并在斜坡上表现出一定的变形特征。模型迭代到5×104次、实际计算持续0.64s时，斜坡上的变形主要集中在危岩体顶部，岩体被拉裂松动，并沿陡倾坡外的主控结构面形成拉裂缝，裂缝深度约为0.5m（图6）。

图6 迭代5×104 次

图7 迭代10×104 次

第二阶段：模型迭代10×104次，实际计算持续时间为1.37s。危岩体后缘边界上拉裂面继续发展，同时下部由于重力荷载作用发生剪切变形；开始有小块岩体沿着陡倾坡外主控结构面滑移变形，进而发生坠落运动（图7）。

第三阶段：危岩体后缘拉裂面开裂贯通的过程时间较长，所以此变形总过程较缓慢。但是当危岩体后缘结构面贯通之后，危岩体的向下坠落的过程是迅速的，具有突发性。当模型迭代到20×104次、实际计算持续2.34s时，拉裂面即将贯通，并且危岩体下部发生了明显的剪切破碎现象，WYT3-1危岩体整体有脱离母岩的趋势（图8）。

图8 迭代20×104 次

图9 迭代25×104 次

第四阶段：模型迭代到25×104次，实际计算持续时间为3.12s。拉裂面贯通，危岩体沿着陡倾坡外的结构面迅速坠落，由于危岩体内部被结构面切割较为破碎，岩体在向下坠落过程中，接触坡面后沿结构面分解，形成小块石（图9）。

5 结论及建议

5.1 结论

1）克枯大桥危岩区所在地形高陡，坡体结构为横向坡，在整个危岩区呈阶梯状发育有5个危岩带及4个较大规模危岩单体。

2）通过危岩区不同结构面组合的赤平投影图分析，显示节理面J1与岩层面C构成了危岩的主控结构面，主控结构面的交线与临空面倾向一致，倾角小于坡角，倾角相差达78°，易发生坠落式破坏。

3）利用离散元程序对危岩WYT3-1进行了变形破坏过程分析，结果表明，危岩体因底部临空（凹岩腔），岩体顶部逐渐受拉，当拉裂缝扩展至一定程度时，岩体再沿着陡倾坡外主控结构面迅速滑移坠落，为典型的坠落式危岩。

5.2 建议

1）对危岩区4个重点单体危岩进行清除，对高位残余危岩进行主动网防护；

2）加强危岩治理前、中、后的变形监测巡视与监测预警工作。

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Development Characteristics and Failure Patterns of Unstable Rock Mass at the Kuke Bridge of the Wenchuan-Markam Motorway

XU Li1HU Xie-wen1,2

（1-Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031; 2-State-Province Joint Engineering Laboratory of Spatial Information Technology for High-Speed Railway Safety, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031）

This study finds out developmental characteristics of unstable rock mass at the Keku bridge of the Wenchuan-Markam Motorway and analyzes its stability with stereographic projection. The whole process of the deformation and failure of the typical dangerous rock WYT3-1 in the region is reproduced by use of the discrete element software, and some control measures are put forward according to its deformation and destruction characteristics.

Wenchuan-Markam Mortorway; unstable rock amss; stability;failure pattern

2018-05-21

国家自然科学基金资助（No.41731285，41672283）；四川省国土资源厅科学研究计划(KJ-2014-10，KJ-2015-18，KJ-2016-8)；

许立（1993-），男，硕士研究生，主要从事工程地质方面的研究

胡卸文(1963–)，男，博士，现任教授、博士生导师，主要从事工程地质、环境地质方面的教学与研究工作，E-mail：huxiewen@163.com

P642.2

A

1006-0995（2019）01-0109-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.026