蓉遵高速K337+000右侧危岩体稳定性分析

2019-10-22刘榜余覃乙根

水利科技与经济 2019年9期

刘榜余，覃乙根

(贵州大学资源与环境工程学院，贵阳 550025)

0 引言

危岩体孤石是指在坡面上零星分布、具有一定体积的孤立岩石块体，常以单体形式呈现[1]。主要分布于工程地质条件复杂，岩体中裂隙、软弱夹层及断层发育的山区边坡。随着公路、矿山等工程建设项目所修建的高陡边坡增多，危岩体崩塌已成为工程建设中最常见的地质灾害之一。由于崩塌地质灾害具有破坏性强、高隐蔽性、易形成链状成灾的特点[2]，常对公路、铁路工程造成较大破坏，对行驶车辆和乘客生命带来极大的威胁，因此对公路危岩体孤石的稳定性及破坏模式研究具有重要的意义。

目前，国内已有许多学者开展了关于危岩体孤石稳定性的研究，并取得了一定的成果。如亚南等[3]以链子崖东侧猴子岭为例对崩塌落石的运动学特征开展了地质力学与数值模拟研究，并对防治方案提出了建议。黄润秋等[4]对滚石的运动特征进行了试验研究，并利用正交试验理论分析了影响岩块在边坡运动各因素的敏感性。喻兴等[5]对贵州岩溶区反倾边坡危岩体采用赤平投影和极限平衡法计算其稳定性, 并用二维有限元分析方法进行了验证。杨智翔等[6]对汶川地区裕丰岩上部失稳危岩体孤石稳定性采用理论公式和Rockfall程序数值模拟进行了研究，得出影响危岩体孤石失稳的主要因素。

目前，对危岩体孤石稳定性分析主要采用工程地质法、模型试验和数值模拟。根据研究区特殊地况结合前人研究成果，本文通过理论计算法和数值模拟相结合的方法，对蓉遵高速K337+000处危岩体孤石的稳定性和破坏模式进行了分析，并对孤石破坏后最大影响范围进行了计算，为公路边坡危岩体孤石的治理提供参考。

1 工程概况

危岩体位于蓉遵高速K337+000处，研究区地势呈东南高，西北低，区内大小溪河纵横交错发育，河谷深切，地貌被侵蚀切割成峡谷山地、坪状低山和丘陵等地形。地貌的侵蚀切割使背斜和向斜发生地形倒置，形成向斜成山、背斜成谷的逆向构造地形。区内无大型断裂发育，岩石节理、裂隙发育，以陡倾裂隙为主。区内天然植被发育，地形陡峭，人口稀少。危岩体出露地层为白垩系嘉定群组紫色、砖红、灰紫色、厚层中细粒长石石英砂岩，夹多层紫红色泥岩，底部为厚2～3.5 m砾岩。

图1 危岩体平面图

图2 危岩体剖面示意图

2 危岩体特征

无人机倾斜摄影技术是以无人机为飞行平台搭载传感器设备，来获取地面信息的遥感方式[7]。在保证重叠率和分辨率的情况下，无人机可获取航测区多角度带经纬度信息的照片，通过三维实景建模技术可快速构建实景模型。

通过无人机倾斜摄影技术，获取危岩体多角度的数码照片，通过ContextCapture软件建立三维实景模型。具体步骤包括生成点云模型、模型着色、三角网构建、生成纹理纹理等(图3)。

基于三维实景模型，可以得到危岩体的准确几何特征、空间特征和地质特征。通过对该危岩体体积进行量测，该危岩体长约10 m，宽约6 m，高约8 m，后方嵌于土层中，前方突出悬空，风化剥蚀较轻，有崩落的危险。

图3 孤石无人机三维实景模型的构建

3 破坏模式分析

危岩体体积约480 m3，规模等级为小型，影响小危岩体失稳破坏的主要因素为边坡地形条件、地层岩性和岩体结构，诱发因素有暴雨、地震和人工开挖等[8]。在野外实地调查影响危岩体失稳破坏因素基础上，结合其在工程地质剖面上的形态特征及结构面发育特征与变形破坏特征，判定危岩体形成及破坏过程：由于坡面出露地层为白垩系嘉定群组厚层砂岩夹多层泥岩，岩性呈软硬夹层状产出，软弱夹层较多，坡面岩体在构造节理和风化卸荷切割作用下，使坡面发育以砾岩为底层面的突出孤石；孤石基座为厚砾岩，砾岩在风化作用下持续剥蚀形成风化层，经过雨水的冲刷使岩层面风化层逐渐被冲蚀，加上温度和地下水等作用，岩层面逐渐软化形成软弱结构面。由于危岩体朝坡向面临空，在外力作用下，岩体从最开始较稳定的缓倾内结构逐渐变成不稳定的缓倾外结构，最终沿软弱结构面滑移崩落，即产生倾倒-崩落破坏，其破坏机理为倾覆力矩大于抗倾覆力矩而产生破坏。

4 危岩体稳定性分析

4.1 计算模型及计算公式

本次对危岩体的计算主要依据《崩塌防治工程勘查规范》(T 00/CAGHP 011-2017)所提供的方法来确定。对于倾倒式破坏，其计算公式如下：

1) 对危岩重心在基座顶面前缘内侧情形，倾倒式危岩后部拉断倾倒稳定性可按下式计算(图4)：

图4 倾倒式危岩拉断倾倒稳定性计算

(1)

2) 对危岩重心在基座顶面前缘外侧情形，倾倒式危岩后部拉断倾倒稳定性可按下式计算：

(2)

式中：a为危岩体重心到基座顶面前缘的水平距离，m；β为后缘陡倾结构面倾角，(°)；h0为水平地震力作用线到基座顶面前缘的垂直距离，m；α为块体与基座接触面倾角，(°)；b为后缘裂隙的延伸段下端到基座顶面前缘的水平距离(即块体与基座接触面长度的水平投影)，m；H为后缘裂隙上端到未贯通段下端的垂直距离(即危岩悬臂高度)，m；h为后缘裂隙深度，m；σt为岩体抗拉强度，kPa；V为后缘陡倾裂隙水压力，kN/m；hw为后缘陡倾裂隙充水高度，m，对现状工况根据调查资料确定；对暴雨工况根据汇水面积、裂隙蓄水能力和降雨情况确定，当汇水面积和裂隙蓄水能力较大时不应小于裂隙高度的1/3；Qh、Qv为水平地震荷载和垂直地震荷载；G为危岩的重量(含地面荷载)，kN/m。

孤石可能发生倾倒式崩塌的危岩，按式(1)计算，倾倒式危岩计算模型按单位宽度考虑。

4.2 危岩稳定安全系数

稳定性评判标准及设防安全系数的确定，按照《崩塌防治工程勘查规范》(T 00/CAGHP 011-2017)中表8的规定，考虑危岩体位于赤水市风景区主干道，地质环境、人文环境也较简单，危岩体综合影响因素主要为自然因素。因此，在判定危岩体稳定性时，危岩体防治工程等级按Ⅱ级，其稳定性判别标准见表1。

危岩稳定安全系数应根据崩塌防治工程等级和破坏模式确定(表2)。

4.3 岩土参数

危岩为泥质粉砂岩，取其经验值作为稳定性计算参数，见表3。

表1 危岩稳定状态划分

表2 危岩稳定安全系数

表3 稳定性计算参数取值表

4.4 危岩体稳定性计算

4.4.1 计算简图及工况

工况1：基本荷载(危岩自重+工程荷载)

工况2：基本荷载+暴雨(融雪)引起的裂隙水压力

计算简图见图5。

4.4.2 稳定性计算结果

根据上述稳定性计算公式及稳定状态评价标准，对危岩体进行稳定性计算及稳定性评价，计算结果见表4。

图5 计算简图

表4 危岩体稳定性计算结果表

由表4稳定性计算结果可知，危岩体处于工况1或工况2时皆处于稳定状态。

4.5 影响范围预测

4.5.1 计算剖面和参数选取

本文运用Rockfall模拟危岩体孤石运动轨迹。Rockfall程序是通过输入一些与斜坡和落石相关的基本参数，模拟孤石在斜坡上的运动路径、能量分布和弹跳高度变化，从而为防护治理设计提供直观有效的依据[9]。

斜坡根据坡面植被发育程度分为2个坡段，上坡段为基岩裸露段，下坡段为公路坡段。各坡段计算参数取值见表5。

表5 各坡段计算参数

4.5.2 计算结果及分析

根据地形地貌特征和可能崩塌的主方向，选取图2剖面图为滑动方向示意图，运用Rockfall模拟计算孤石滚落可能影响的范围。其中，岩块起崩点速度根据其滑移距离计算，坡面的切向、法向恢复系数和摩擦系数根据坡面植被覆盖和坡面岩土结构特征，结合前人学者研究成果综合确定。模拟可以得到运动速度、弹跳高度、运动轨迹等结果，按照落石的能量、跳跃位置，可以确定防护措施设置的能级和高度。

经Rockfall模拟危岩体孤石运动轨迹，研究区危岩体孤石的下落轨迹及破坏后的影响范围见图6。

图6 孤石破坏后的影响范围

落石运动速度、动能及弹跳高度分布曲线见图7。

图7 运动速度、动能及弹跳高度分布曲线图

由图7分布曲线图可以看出，运动速度和动能分布曲线变化趋势大致相同。这是因为随着运动速度的增大，重力势能转化为动能，导致动能增大，反之亦然；运动速度和动能在距落点距离约25和42 m处达到峰值，在距落点距离约32 m处为两峰值间谷值。这是因为距落点约25和42 m处落石与斜坡台阶、路面发生强烈碰撞弹跳，在碰撞前运动速度和动能达到最大值，碰撞时能量发生损耗，碰撞后由于落石运动方向发生改变，运动速度和动能开始降低，在距落点距离约32 m处落石弹跳高度达到峰值，其运动速度和动能减至谷值。落石在距落点42 m处与路面发生碰撞弹跳后运动速度、动能和弹跳高度总体变化趋势明显降低。

由Rockfall模拟危岩体孤石运动轨迹可知，孤石破坏后最大影响范围是距落点约58 m，影响路面宽度约20 m。所以在危岩落石防护时，要结合实际地况，在路面合适位置设置被动拦石网，有效拦阻危岩及滚石，消除崩塌区危岩体及崩塌堆积体滚石的威胁。