宜宾市某危岩稳定性计算及应用★

王玉平 帅羽亭 张学磊 文 虹

(宜宾学院资源与环境工程学院,四川 宜宾 644000)

危岩是指由多组岩体结构面切割并位于陡坡或陡崖上的不稳定岩体[1],是三峡库区典型的地质灾害类型之一,根据失稳类型将危岩分为坠落式危岩、滑塌式危岩、倾倒式危岩3类[2]。地震、人类工程活动和暴雨是危岩失稳的主要动力因素[3]。常中华等人[4]运用赤平极射投影法分析论证了潜在崩塌的可能性问题,王玉平等人[5,6]通过分析危岩体状况,对危岩体滑塌提出了综合治理方案。本文通过地面调绘辅以必要的勘探,查明崩塌及边坡所在区域的地质背景,调查地质环境条件以及合理确定相关边坡岩体的物理力学参数,探讨其稳定性,为该地区危岩破坏机制提供理论参考和工程借鉴。

1 危岩稳定性计算和荷载组合

荷载类型：危岩体自重，即危岩体的体积和天然容重的乘积；裂隙水压力，指土壤或岩石中地下水的压力,该压力作用于微粒或孔隙之间。其分为静孔隙水压力和超静孔隙水压力,主要考虑静水压力。天然状态取1/3裂隙水柱高,暴雨期间取2/3裂隙水柱高；地震力，又称地震荷载,是结构物由于地震而受到的惯性力,土压力和水压力的总称。一般只考虑水平地震力,为危岩体自重和地震系数的乘积。

荷载组合：组合一，自重+裂隙水压力(天然)；组合二，自重+裂隙水压力(暴雨)；组合三，自重+裂隙水压力(天然)+地震力(地震状态)。三种荷载组合中,计算所得危岩稳定系数最小者为设计荷载。

危岩分类：危岩分为滑塌式危岩、坠落式危岩和倾倒式危岩3类,根据勘探剖面及现场调查情况分析,该地质灾害点可能出现的破坏形式主要为倾倒式危岩(见图1)。

计算方法(倾倒式危岩)：倾倒式危岩计算模型如图2所示,按单位长度考虑,危岩体计算剖面应通过危岩块体重心。

计算公式:

其中，F为稳定性系数；W为危岩体自重,kN/m；V为裂隙水压力,kN/m；Q为地震力,kN/m；h为后缘裂隙深度,m；hw为后缘裂隙充水高度,m；H为后缘裂隙上端到未贯通段下端的垂直距离,m；a为危岩体重心到倾覆点的水平距离,m；b为后缘裂隙未贯通段下端到倾覆点之间的水平距离,m；h0为危岩体重心到倾覆点的垂直距离,m；ftk为抗拉强度标准值,kPa;α为倾角,(°)；β为后缘裂隙倾角，(°)；F为危岩稳定性系数；Ft为危岩稳定性安全系数。

2 算例分析——以宜宾市龙头山危岩体为例

2.1 宜宾市龙头山危岩体概况

工程位于宜宾市临港经济技术开发区,地理坐标为东经104°40′25″、北纬28°45′20″。属于侵蚀剥蚀构造丘陵缓坡地貌,危岩带区域地面高程分布在330 m～380 m之间,相对高差约50 m,坡体上主要微地貌为台地及斜坡地貌,斜坡地段自然坡度约15°～35°,危岩带发育地段成台地状,台地陡坎坡度为70°～85°。区内对地质环境有影响的人类工程活动主要为龙头山景区建设及房屋建设,公路的建设对山体进行切破,形成高陡临空面,导致基岩出露,风化严重形成崩塌。根据现场调绘,该崩塌可以分为2个危岩区(WQ01,WQ02)危岩区顶部高程约377 m～377.5 m,底部高程为365 m～365.5 m,高差约12 m,平面上呈近似弯钩状,长约100.0 m,立面面积约1 400 m2。其中WQ01位于整个危岩区的西侧,长约60 m,高差约6 m～18 m,WQ02位于整个危岩区的南侧,长约40 m,高差约15 m～25 m。崖面陡峻,岩性为变质砂岩与泥岩互层,卸荷强烈,节理裂隙极为发育,个别孤悬呈危岩,裂隙拉张明显,局部贯通,在暴雨、暴晒长期风化作用或地震等外力作用下易形成崩塌或坠石。根据危岩带岩体结构面发育程度及组合特征划分为5个危岩单体,主要分布在陡崖上部(见表1)。该危岩带横向宽度为95.0,纵向长度为3.5 m,坡面斜面面积约350 m2。危岩带后缘顶部高程377 m～377.5 m,底部高程为365 m～365.5 m,高差约12 m,危岩带方量0.02×104m3,属小型岩质崩塌(如图3所示)。

表1 危岩单体规模及形态特征表

危岩体编号空间形态(长×宽×厚)/m体积/m3岩性主崩方向/(°)破坏模式W11.1×2.2×0.81.94砾岩301倾倒式W21.5×3.2×0.83.84砾岩301倾倒式W32.5×2.0×1.89.00砾岩271倾倒式W41.7×1.6×1.13.00砾岩199倾倒式W53.2×2.0×0.42.56砾岩199倾倒式

2.2 宜宾市龙头山危岩体稳定性计算及分析

2.2.1定性评价

通过现场对危岩的详细调查,在危岩块体自重及风化等作用下,危岩体裂隙较发育,距陡崖边坡约15 m的后缘形成顺坡走向的拉张卸荷裂隙为崩塌体最发育的裂隙,裂隙已形成0.5 m高的错台,竖向已沿地表至强风化砾岩底面基本贯通,平均深度约17 m,裂隙平均宽度约45 cm,目前裂隙可见深度约1.5 m,其下部为泥质、砂质充填,沿后缘呈贯通状,在陡崖与后缘裂隙之间也发育多条间断张拉裂隙,竖向深度6 m～13 m；此外,由于危岩体前部发生崩塌并向下运动,堆积于坡脚,致使前缘形成高陡的临空面,从而在危岩体内临空面附近形成了极大的张拉应力,局部产生了拉应力集中的现象,而由于上部砾岩层的抗拉强度较低,使危岩体内的裂隙持续发展,这是危岩块体的形成和破坏的决定性因素；在地震作用下,岩体卸荷裂隙扩大,岩体松脱,同时受水、树木的根劈作用以及人类工程活动等多种因素的影响,危岩在地震中加剧变形后,在暴雨工况下变形裂缝有扩展之势,由此可见,该处危岩一直处于变形阶段,危岩体多处于欠稳定状态,在暴雨及余震等不利因素作用下,易再次出现失稳崩塌。

2.2.2定量评价

本文对每个危岩体进行了计算(见表2),计算结果表明,5个危岩体在自重+裂隙水压力(天然)下都处于稳定或基本稳定状态,在自重+裂隙水压力(暴雨)下处于稳定～欠稳定状态,在自重+裂隙水压力(天然)+地震力(地震状态)下的稳定性要降低,处于欠稳定状态,危岩体崩塌直接危害对象为斜坡下方景区游道上过往车辆及游人的生命安全,因此需对危岩体进行治理。

表2 稳定性计算结果

3 结语

本文以宜宾市临港经济技术开发区沙坪街道构庄村五社龙头山上山公路危岩体为工程背景,首先在工程地质调查的基础上,查明危岩体的形态特征及其发育的特定环境,通过对其成因进行分析,对其稳定性进行评价,基于极限平衡理论和岩体结构理论,建立了倾倒式危岩破坏模式下稳定系数的表达式。其结果表明:WY01危岩在天然状况下危岩稳定系数为1.43,属于基本稳定岩体,在饱和状态下和地震力作用下,属于欠稳定岩体,将计算结果与实际危岩破坏情况比较,发现计算结果与实情相符,基本反映危岩体的实际稳定状况,研究成果对于科学探索该地区危岩破坏机制具有积极意义。