中巴公路陡崖块状危岩群体崩塌前兆特征

纳曼·麦麦提, 米红林

(1.喀什大学土木工程学院，喀什 844006；2.南京工业大学岩土工程研究所，南京 210009)

中巴公路具有典型的新疆干旱气候[1]，这引起了诸多学者重点研究该区域频发的泥石流[2-4]和滑坡[5-6]等不良地质现象，也有学者从冰川运动特征[7-8]总结一定的灾害根源，而少有的中巴公路两侧危岩群体稳定性研究中还是以地震作用为主[9]，几乎没有从多个因素发起研究的先例。

喀喇昆仑(中巴)公路位于中国最西边，由于该区域频发地震，路两侧陡崖危岩经常出现群体崩塌，实地勘察发现块状危岩尤其突出，而这区域陡崖块状危岩体具有模式多种多样、崩塌次数比较频繁、灾害范围大的特点。块状危岩崩塌是岩石力学领域研究的重点之一，过去对危岩的理论研究较多[10-11]，也有一些数值模拟计算[12]，但是缺乏模式试验研究以验证数值计算和理论分析的合理性。危岩体失稳研究中判定其失稳破坏模式很关键[13]，抓住失稳破坏模式后通过实验分析再确定其内在的形成因素、运动特征[14]，最后才提供一定的治理措施是研究危岩群体的典型方法。

沿着G314国道(中巴公路中国段)分别在奥依塔克镇、乌红线急弯处和快到布伦口湖前阿克朗木开展了详细考察和取样(图1)，通过实际观察(图2)，抓住中巴公路典型的陡崖段以及危岩体形状、处势、地质地貌因素，基于前期准备的小型振动台模型进行了块状危岩群体崩塌模拟研究，重点探讨该区域危岩体失稳破坏模式的主要内部形成因素以及崩塌出现的运动前兆特征，填补了国家“一带一路”倡议下中巴(喀喇昆仑)公路段危岩堆积体失稳的地质灾害研究的空缺并给中巴公路的养护及维修提供一定的预告标志。

图1 考察和取样点分布Fig.1 Investigate and sample point distribution

图2 陡崖危岩体Fig.2 The cliffy lumpy perilous rocks

1 模拟试验模型

开展的振动模型试验均是利用南京工业大学岩土工程研究所研制的振动台系统和笔者手工制作的振动平面台，振动台系统由动力系统、控制系统以及支撑导向系统等组成。动力系统采用的是已有气压动力源系统；控制系统则由WFI动三轴系统中的IPO控制器与已有数据采集系统(CDAS)等设备改进和组装而成的；其中支撑导向系统包括振动台台面、连接装备、精密导轨和限位装置等。

振动台面扩展完后，在这里还手工制作长宽为398 mm×598 mm、厚度为10 mm的有机玻璃底板，将其套在原有的块状剪切模型箱位置。制作长宽为300 mm×600 mm、厚度为20 mm的有机玻璃板作为建立危岩群体堆积体支撑挡板，两个有机玻璃板以活页进行连接。为了避免振动导致有机玻璃支撑转板出现松动，导致试验装置破坏，用定长的两根空心钢管从后侧对有机玻璃转板做了支撑固定，将有机玻璃装置套在原有振动台模型箱位置，以实现块状危岩群体所处环境，如图3所示。

图3 振动系统和改装后台Fig.3 Model frame and the shaking table

改装后的系统能够较好地传达地震效应，支撑体系设计合理, 消除了边界地震波的反射和散射效应而且台面均匀度良好尺寸比较合理, 试运行显示非主振方向分量值小，试验过程中能控制位移并方便地实现地震效应，信号调理变换器设计合理，试验过程中各类传感器、信号调理器及数据采集系统能够协同工作。

2 试验方案和研究方法

试探性试验阶段笔者通过各种岩块群体堆积方式，不同的堆积高度和堆积倾斜角，用各种频率和振幅组合来进行调试和试探。试探过程发现当危岩群体堆积高度在30 cm左右(3 cm块体堆积10层)，振动强度取0.1g以及堆积倾斜角在90°调动时模型试验运行的比较稳定，更具有陡崖块状危岩群体代表性。因此，将块体边长为3 cm，块状群体高度为30 cm，节理倾角为90°以及振动强度为0.1g的试验方案为基本方案，列出了本次模型试验方案，如表1。

表1 模型试验方案

以下的方案组合表明模型试验将重点研究调动以上提出的四大因素，控制住三个因素(不变参数)的同时改变第四个因素(可变参数)，这样研究可变参数对块状危岩群体破坏的影响，总共进行11组试验。

3 四大因素的影响

初步通过观察危岩群体崩塌破坏过程的连续截图以及崩塌过程中立方体块体位移变化快慢、块体出现崩塌时候的瞬间截图进行对比发现当危岩群体发生崩塌破坏的时候崩塌块体的位移变化速率会发生明显的改变，而其他的改变量则很难或者无法体现出危岩已经发生了崩塌，如图4，分析认为最早出现较大位移的块体横向和竖向位移情况可以比较准确地反映块体有无出现崩塌破坏，因此在这里将利用监测得到的危岩块体的竖横向位移来说明危岩的崩塌情况，以及对此进行各个因素影响分析。

3.1 危岩群体危岩块度的影响

从试验过程发现块体尺寸越小崩塌破坏发生的时间越早，崩塌所用的时间越少，最终的崩塌覆盖地面积越大。小尺寸块体，即严重块状危岩体稳定性表现得极其脆弱，振动开始那瞬间出现大规模塌落，几乎没有孤立式块体滚落，崩塌覆盖地面积也较大，总体崩塌模式接近于土质边坡滑塌状况，中度块状危岩体崩塌时既有局部块体崩落，也有瞬间出现部分块体堆抛射塌落，大尺寸块体，即轻度块状危岩体具有较大的稳定性，崩塌开始时间较迟，所用时间也较长，崩塌时多为个别块体孤立式滚动，大规模塌落较少。

从图5中不难可看出当立方体块体边长为1.5 cm时，横向位移曲线1.5 s时间点开始明显斜率突变，而对应的竖向位移曲线也出现拐点。因此可以认为块体1.5 s时发生了崩塌。当立方体块体边长为3 cm时，横向位移曲线2.5 s时间点出现了拐点，竖向位移发生了急速的增大，可以说明2.5 s时块体发生了崩塌。而当立方体块体边长为5 cm时，横向位移曲线4.5 s时间点才出现了竖向位移突然增大，同时横向位移快速变化的拐点，因此取4.5 s时间点为崩塌开始点。

图4 岩块崩塌连续图Fig.4 Continuous pictures of rock blocks

图5 不同块度时间-横竖向位移曲线Fig.5 Time-horizontal,vertical displacement curves of different blocks

从以上解说和分析可知当块体边长从5 cm到3 cm再到1.5 cm的过程当中块体的发生崩塌时间也从4.5～2.5 s再到1.5 s，随着块体尺寸变小崩塌开始时间逐渐的前移，这说明危岩群体危岩块度越严重，越容易发生崩塌。因此，实际工程中治理岩质边坡时检测和评价危岩体危岩块度是一项必要的工作。

图6 不同危岩体高度时间-横竖向位移曲线Fig.6 The time-horizontal,vertical displacement values under different rock mass heights

3.2 危岩群体高度的影响

观察可知随着危岩体高度越高越容易发生崩塌，崩塌开始越早所用时间越短，崩塌面积越大，崩塌块体坠落面积越大。

通过检测数据处理和崩塌时间-位移曲线的绘制,如图6，很容易就可以看出3 cm边长立体堆积高度为27、30、33、36 cm时，竖向位移出现急速增加的时间点分别为2.8、2.6、2.3、2.0 s，出现了微小的前移。从总体趋势出发来讲危岩群体高度对崩塌开始时间点的变化比较小，既当危岩群体高度从27 cm增到30 cm时，增大了1/9高度，而崩塌开始时间点只前移了0.2 s，是1/14时间。所以，可以总结为随着危岩群体高度增加崩塌时间是越来越早，但是变化量相对来讲不是太大。

3.3 地震强度(外力)的影响

从时间-位移曲线(图7)中比较明显地看出来随着振动强度的增强，危岩群体崩塌开始时间点明显前移，振动越强危岩群体越容易发生崩塌破坏，这也是符合逻辑。不过，人类也很难有办法控制大地发生的地震强度，本项试验主要还是试探地震强度的变化对崩塌的影响有多大。

图7 不同外力崩塌块体时间-位移曲线Fig.7 Time-displacement angle curve under different external forces

3.4 节理倾角大小的影响

通过观察发现90°和80°节理倾角跟70°和60°节理倾角群体破坏模式上确实存在比较大的不同。90°和80°节理倾角是非常明显的陡崖型，这使块体重力方向几乎处于垂直向下，这样重力对块体稳定性的贡献大大减小，破坏时一般以群体崩塌为主,而60°和70°这两种节理倾角使块体重力偏向危岩体母体方向，从重力给块体分出了一个拉力，拉着块体不容易离开危岩体而塌落，一般出现上部群体在节理倾角处发生滑动破坏，更像是岩质边坡滑动破坏模式。

用录像过程检测数据，绘制节理倾角不同时的崩塌时间-位移曲线如图8所示。可以看出随着节理倾角的变小，崩塌破坏开始时间出现得越迟，90°和80°节理倾角明显证明了陡崖块状岩体的危险性，而60°和70°这两种节理倾角更具有稳定性，实际过程的破坏模式也是更偏向岩质边坡滑动破坏。通过检测数据和曲线就可以看出陡崖性最强的垂直节理倾角直接导致危岩体处在一种极限临界状态，只要受到很小的水平推动力就塌倒。因此，实际工程中如果多种节理同时存在时，90°节理倾角是最危险的，务必要进行治理，否则很容易就导致岩体发生裂开崩塌，而且倒塌面积非常之大。

图8 不同节理倾角大小下块体时间-位移曲线Fig.8 Time-displacement angle curve under different joint angles

除此之外，从数据表和崩塌时间-位移图可以看出当节理倾角大小分别为60°、70°和80°时对应的竖向位移突然快速增大的时间点分别为3.6、3、2.6 s。这表明随着节理倾角的逐渐变大崩塌出现的时间点越来越早，危岩群体越容易发生崩塌。节理倾角越大崩塌带动的块体数量越多，90°节理甚至带动很多的块体一下子发生崩塌，这说明实际工程当中必须要对危岩体存在的节理进行仔细的勘察，找出最大的节理倾角，并且对此进行全面的治理。

4 结论

(1)通过手工制作的振动平面台给小型危岩堆积体产生地震效应，进行堆积体倾角、尺寸等因素的变化是可行的，位移角是判定块体是否失稳的重要依据之一。

(2)随着危岩群体块度的变小，块体群体越容易发生崩塌，危岩块度是评价危岩体的一个重要指标；随着节理倾角的变大，危岩体表现越来越不稳，90°特殊垂直节理倾角表现的非常脆弱不稳，崩塌面积非常之大，实际工程中务必要进行治理；危岩体群体高度越高群体越容易发生崩塌，实际工程中可以使危岩体推平减少高度，以达到降低危险程度；地震强度越强烈危岩体越容易发生崩塌，振动持续时间越长发生的崩塌面积就越大，高频率地震区可以提前做好准备，以将损失降到最低限。

(3)危岩体崩塌并不是块体一直偏离而脱离，而是在振动效应下在一定范围内波动，位移一会儿变大一会儿变小，通过能量累计使位移达到一定的值才出现脱离而崩塌；崩塌总体一般在危岩体1/3～1/2高度以上，之下几乎不发生崩塌，而危岩体达到平衡状态，因此，实际工程可以重点控制1/2高度的锚固处理。

(4)块状危岩群体临界态岩柱倾倒角证明危岩体越高，块度越小或者振动越强倾倒角均是越小，越容易发生崩塌破坏；节理倾倒角从90°减到70°时使群体破坏模式从群体崩塌转为群体滑动破坏模式，更像是岩质边坡滑动加滚动破坏。90°节理倾角体现了其严重的危险性，也是典型的陡崖危岩，实际工程中必须要加强对其进行全面安全评估和防治崩塌破坏，以减小损失。