危岩体变形失稳与落石运动轨迹模拟分析

2020-04-17王晓娟尹晓萌李鹏霞翟诗雨

廊坊师范学院学报(自然科学版) 2020年1期

王晓娟，尹晓萌，李鹏霞，翟诗雨

（信阳师范学院，河南信阳 464000）

0 引言

危岩是指位于陡崖或陡坡上被岩体结构面切割且在重力、地震力、裂隙水压力等诱发因素作用下稳定性较差的岩石块体及其组合，其形成、失稳与运动属于斜坡动力地貌过程的主要表现形式［1］。危岩崩滑是危岩在地质因素作用下发生失稳破坏的一类地质灾害现象，往往引起灾难性后果。研究危岩体的破坏模式，预测其危害范围，是正确选择有效防治措施，合理布设防治结构的依据，也是防灾减灾的关键工作。国内陈洪凯、唐红梅等众多学者，对危岩体相关研究工作出了较大贡献，提出了滑塌式、坠落式、倾倒式、坐滑式、坐倾式等破坏模式［2-8］，而对危岩危害范围的研究相对较少。

湖北建始县地处构造溶蚀及侵蚀型中低山地区。地形复杂，岩体构造裂隙发育，易孕育危岩体。加之本地多雾多雨，导致危岩体变形显著，崩塌破坏时有发生，一旦发生大规模失稳将会严重威胁当地居民生命财产安全。本研究通过工程地质调查，分析危岩体变形破坏特征，采用数值模拟手段探讨危岩体失稳模式，分析潜在破坏面的位置，并预测危岩体崩塌落石的影响区域。

1 研究区地质概况与危岩体形态

建始县地处鄂西南近东西向展布的褶皱山地。全县平均海拔高程约1000m，属中低山区，地貌形态组合为构造溶蚀及侵蚀型。危岩体所处地区属于亚热带季风性气候，气候温和湿润，多雾多雨，年平均降水量1400mm，降雨多集中在5～9 月份。区内构造行迹以褶皱为主，兼有少量断裂，岩体构造裂隙发育。危岩体所处的山脉走向为北东向，与区域构造方向一致。地形总体趋势为西高东低，由西往东分布溶蚀台地接前沿陡崖接前缘斜坡，危岩体分布在前缘陡崖部位，分布高程1420-1650m，危岩体最高点与最低点，相对高差可达近250m。

该区内出露分布的地层及其岩性从上至下分别为：

（1）第四系（Q）：崩坡积松散堆积层

岩性主要为褐黄色～灰黄色亚粘土，广泛分布于危岩体的斜坡地带及缓坡平台，厚度大于5m。

（2）二叠系

①上统下窑组（P2x）

岩性主要为深灰色燧石结核灰岩，期间夹有深灰色薄层含生物灰岩。分布于危岩体上部，层厚100-130m。

②上统龙潭组（P2l）

岩性主要为灰黑色薄层含炭质页岩，其间夹有煤层，层厚3.08-6.5m。分布于危岩体第一道陡岩体的基脚。

③下统孤峰组（P1g）

岩性为灰黑色中厚层泥质灰岩夹少量薄层叶片状含炭质泥岩，局部夹云质灰岩透镜体。分布于危岩体中部，层厚15-20m。

④下统茅口组（P1m）

岩性为深灰色厚层至巨厚层生物碎屑灰岩，局部含有机质，生物碎屑结构。分布于危岩体中下部，层厚25-35m。

⑤下统栖霞组（P1q）

岩性为深灰、灰黑色中厚层含燧石结核灰岩，具瘤状构造。分布于危岩体底部，层厚35-50m。

⑥下统栖霞组（P1l）

岩性为黑色薄层炭质页岩夹煤层。分布于危岩体基脚一带，未见出露，被第四系崩坡积物所覆盖，层厚3-6m。

（3）石炭系中统黄龙组（C2h）：灰岩，灰白色，底部偶见砾岩。在研究区未见出露，为第四系崩坡积物所覆盖。

（4）泥盆系上统写经寺组（D3x）：白云质灰岩夹鲕状铁矿层。在研究区未见出露，为第四系崩坡积物所覆盖。

研究区地下水以松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水为主。危岩体坡脚为第四系松散岩类孔隙水含水岩组，富水性中等；坡脚底部志留系中统纱帽组为基岩裂隙水含水岩组，含水性弱。危岩体中上部为二叠系碳酸盐岩裂隙溶洞水含水组，因裂隙发育，含水丰富，地下水赋存条件好。区内地下水以接受大气降水补给为主。地下水接受大气降水补给后，迅速向坡体下部运移。松散岩类孔隙水以沿岩土界面运移为主，部分进入裂隙，补给基岩裂隙水。

研究区发育危岩体，当地称为灵观庙危岩体。该危岩体崖顶高程1643m、崖脚高程1395m，垂直高程248m，岩体沿走向长约175m，宽约113m，体积约4.7×106m3。为一独立岩体（独立峰），其下为陡岩，陡岩坡度大于70°（图1）。后缘发育裂缝，上部张开宽2.0～8m，下部宽1～2.5m，裂缝深度大于50m，内填充黄色粘土夹岩石碎块，在后缘裂缝（动盘）内见新鲜拉张痕迹（图2）。崖顶可见一条倾向80°的陡倾拉张型节理，节理从顶面向纵深延展近20m，与一条沿层面的软弱面呈x 型交叉，从而切割坡顶岩体（图3）。危岩体局部可见纵向发育的张拉裂缝，纵深近30m，顶部宽约0.8m（图4）。

图1 灵观庙危岩体远景图

图2 后缘拉张裂缝

图3 坡顶裂缝

图4 纵张裂缝

2 危岩体破坏特征与失稳模式分析

危岩体顶部监测点数据显示，近年来该危岩体处于不断的变形中，过去1 年累积变形量达到396.4mm。危岩体的变形波动峰值主要集中于冬季1-2 月份与夏季7-8 月份。尤其在7-8 月份变形明显加剧，意味着雨雪尤其是降雨对危岩体变形有显著的促进作用。降雨入渗补给地下水，会软化岩土体与结构面，造成其抵抗变形能力变弱，从而引起变形加剧。在坡体的持续变形过程中，危岩体局部崩塌现象时有发生，这是由于节理裂缝的切割，造成岩体破碎，削弱了与母岩的联系，在降雨环境下，破碎块体边界强度降低，不利作用力增大，使得块体脱离母岩塌落。崩塌堆积块体以长方体居多，尺寸不等，大者可达4-5m 高。随着坡体的持续变形，危岩体节理裂缝缓慢扩张，当规模较大的后缘主裂缝扩展至一定程度后，危岩体将发生大规模的整体失稳。

为了给危岩体防治提供可靠依据，采用基于有限元理论的数值模拟手段，分析危岩体的潜在破坏面与失稳模式。本次有限元分析软件选用Phase2软件，它是一款功能强大的岩土工程弹塑性有限元分析软件，能够轻松、快速地完成复杂的、多工况步的模型的建模分析，常用来分析岩土体渐进破坏、土与结构相互作用等问题。

灵观庙危岩体有限元计算模型如图5 所示，模型的建立依据危岩体工程地质剖面图，顶部为二叠系下窑组含燧石灰岩，其次为龙潭组炭质页岩夹煤层、孤峰组泥质灰岩、茅口组灰岩和栖霞组灰岩。根据野外调查与研究，二岩底部栖霞组灰岩与梁山组地质界线未揭露，被第四系所掩盖，且坡脚以下无变形迹象，故二岩危岩体底部岩层概化为基座。计算模型所用参数均为经验值，参数取值时考虑了降雨对岩土材料与结构面力学性质的弱化。

图5 灵观庙危岩体计算模型图

灵观庙危岩体最大剪应变分布图如图6 所示，由图可知整体上灵观庙危岩体除炭质页岩岩层外剪应变基本为0，剪应变集中于炭质页岩地层组，推断灵观庙危岩体可能因炭质页岩夹煤层面贯通破坏导致失稳。

图6 灵观庙危岩体最大剪应变图

灵观庙危岩体位移云图如图7 所示，灵观庙危岩体位移由裂缝处向危岩体炭质页岩夹煤层层位发展，位移量最大值在页岩坡脚处为0.20m。由位移云图知危岩体变形区主要位于裂缝至危岩体临空面区域，并从炭质页岩层位贯通，而裂缝至危岩体后部山体部分及页岩下部岩体基本处于稳定状态。因此，推测危岩体裂缝端部斜切于炭质页岩层的面为潜在破坏面。位移云图显示，不稳定坡体内由上而下变形增大，可见该段坡体一旦发生破坏，首先自下部起滑，上部随之滑动，因此危岩整体失稳模式为剪切滑移。

图7 灵观庙危岩体位移云图

3 危岩体运动轨迹分析

该危岩体因节理裂隙较为发育，在外界条件诱发下时常发生一定范围的落石崩塌。根据危岩体的地形地貌特征研究危岩体落石崩塌轨迹及其堆积区域，有利于科学合理地针对崩塌块体布置拦截措施，保护居民生命财产安全。

（1）计算原理及工具

危岩体落石运动规律分析基于物理学与运动学原理。假定危岩顶部块体崩塌，模拟研究块体运动轨迹及规律，确定落石体最终堆积位置，结合工程地质平面图进而进行影响范围的划分与研究，依此为据进行防治工程的设计。

本次运动学模拟软件选用Rockfall 软件。该程序能够确定块石在坡面运动全程的能量、速度、弹跳高度包络图以及滚石最终分布位置，并能够计算得到块石沿着坡面的能量分布、速度分布以及弹跳高度分布等数据。

灵观庙危岩体落石崩落运动轨迹图如图8 所示，裂缝靠山体侧大冶组灰岩崩入裂缝中，而裂缝至坡面范围内的崩塌体将沿临空面运动，至实际高程1510m 处（对应图中高程约188m）发生较明显弹射，当崩塌体落石弹射至坡脚地形较缓区域，逐渐沿地面滚动最终运动停止，在平距（离坡肩的水平距离）约170m（均值）处落石弹射高度逐渐减小，直至为0，形成落石堆积区。

图8 灵观庙落石运动轨迹图

研究落石运动过程中弹射高度变化（图9），进一步分析危岩体落石运动规律，从灵观庙坡顶坠落的石块沿坡面滚动约40m，后被坡面弹射而起，高度最大达15m 以上，在平距约80m 处经坡面再次弹射，弹射高度最高28m，此后落石弹射高度大致上逐渐减小，最终沿地形较缓坡面滚动，在平距约170m（均值）处落石开始逐渐堆积。

图10显示落石从灵观庙坡顶至平距约60m 处，运动能量总体上逐渐增大，而在此后经过地面弹射，运动能量总体趋势逐渐减小，至减为0时不再运动，此时对应水平平距320m，表明此后区域无运动表征，基本不会有落石运动至此处堆积。由上述分析可知，危岩体崩落块石主要堆积范围为距离坡肩140-220m，最远可达320m。