G109国道拉萨—羊八井段喀努纳危岩体变形破坏模式及稳定性分析*

孙琪皓 马凤山 刘 港 郭 捷 段学良

(①中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029，中国)

(②中国科学院地球科学研究院，北京 100029，中国)

(③中国科学院大学，北京 100049，中国)

0 引 言

危岩体是指被多组结构面切割，在重力或其他外力的作用下逐渐与母体分离，且稳定性较差的陡倾斜坡岩土体(刘卫华等， 2007)。其发育过程具有渐进性，失稳过程具有突发性，常出现突然脱离母体快速坠落，堆于坡脚或沟谷的现象，是山区地质灾害的主要类型之一。危岩体失稳往往具有产生速度快，没有明显前兆，竖直位移比水平位移大得多的特点。20世纪80年代至今，众多学者对不同类型危岩体的形成机理、稳定性及防治措施等进行了系统的研究，并取得了一定的成果。

G109国道是世界上线路最长、海拔最高的柏油公路，它是进藏公路的主动脉(斯朗拥宗等， 2016)。其中，羊八井至拉萨公路段全线长约85 km，是连接拉萨和羊八井的交通要道。沿G109国道进行地质灾害调查时发现，羊八井至拉萨段大部分为典型的高山峡谷地貌，两侧山高坡陡，地质构造十分复杂，断裂、褶皱构造及节理裂隙十分发育。由于受到强烈的风化、卸荷作用，沿线山体总体稳定性较差。

位于堆龙德庆区堆龙乡喀努纳村西侧的一处陡立危岩体，紧邻国道北侧，受构造运动及强降雨作用影响，存在发生失稳崩落的风险。危岩区内人类工程建设活动日益繁密，危岩体已经成为影响工程建设和人民生命财产安全的重大潜在威胁。因此，本文基于野外详细调查，采用无人机摄影测量技术，获取危岩体的发育形态及节理信息，分析其发育特征和变形破坏机理，并利用块体理论和基于连续介质的离散元方法(CDEM)评价危岩体的稳定性，为危岩体崩塌灾害的防治提供地质力学依据。

1 环境地质条件

1.1 自然地理概况

喀努纳危岩体(29°59′55.43″N ， 90°39′40.99″E)位于西藏自治区拉萨市堆龙德庆区西北部，堆龙河东岸(堆龙河年均流速约60 m3·s-1，年径流量约19×108m3)，距拉萨市区直线距离约60km(图1)。该处恰好为G109国道、京藏高速公路(G6)与青藏铁路三线并行的交汇路段，人类工程活动十分密集。两侧山体平均海拔约4400 m，最大相对高差近400 m。该地区属于高原寒温带湿润季风性气候，冬季漫长，夏季短促，日温差大，年平均气温为2～5 ℃，干湿季分明，多年年平均降雨量约420 mm，且多集中于汛期6～9月，约占全年总降水量的90%。

图1 喀努纳危岩体位置

1.2 基本地质条件

青藏高原是现今地球表面构造活动性最强的大陆构造单元，至今仍发育有强烈的构造运动和地震活动(王琪等， 2001)。堆龙德庆区位于青藏高原中南部，喜马拉雅山脉北侧，大地构造上处于冈底斯-念青唐古拉山板块中段，冈底斯陆缘火山-岩浆弧中部，羊八井—当雄活动断裂东南麓。该区域经历了多次造弧作用以及欧亚-印度大陆碰撞作用的叠加，形成了各种类型的沉积盆地以及多条构造带(姚鹏， 2006)。地层上属于冈底斯-腾冲地层区，主要出露岩性以花岗岩、闪长岩、砂岩、砾岩为主(图2)。地势总体上由东向西倾斜，公路沿线山地海拔多在4000 m以上，山势陡峻，河谷深切，多呈“V”字形分布。受板块挤压以及断层带分布的影响，区内构造活动较为强烈。喀努纳危岩体位于堆龙河上游的峡谷地段，侵蚀性地貌发育强烈，河谷受结构裂隙控制呈折线状弯曲，两侧斜坡自然坡度较陡(白存仓， 2003)。受工程扰动和卸荷作用影响，卸荷裂隙发育，坡体较为破碎，沿线崩塌、泥石流连续发育。河谷两侧及公路旁分布较多块石、砂土，河床曲折且时宽时窄，多处被碎石填埋，偶见巨石，推测曾发生过多次崩积物及冲洪积物堵江事件。

2 危岩体发育特征

2.1 危岩体几何特征

危岩体的发育特征与其所处的地形地貌、地层岩性、岩体结构特征、地质构造以及工程建设影响等因素密切相关(黄达等， 2007)。喀努纳危岩体整体呈西北—东南展布，岩性主要为灰白色中细粒黑云二长花岗岩和中粒含角闪二长花岗岩，构造多呈块体或厚板状。由于地形复杂、边坡高陡，仅凭目视或经验无法获取更为准确的危岩体特征信息。研究过程中借助于无人机摄影测量技术(王明等， 2019)，对危岩体进行高精度摄影测量并利用解译软件提取信息，过程及结果如图3、图4所示。

图3 无人机摄影测量过程

图4 危岩体数字三维模型

危岩体分布范围约长500 m，顶部高程约4150 m，垂直高差约250 m(图5)。从纵向剖面来看，斜坡整体呈上陡下缓状，平均坡度约50°，局部陡倾处近70°，具有较好的落石滚落条件(图6)。调查发现，边坡浅表部存在5～10 m深的卸荷裂隙带，在纵向上可以将危岩体划分为上部坡顶整体崩塌源、中部基岩裂隙带、下部块石堆积区3个区域(图6，图7)，

图5 危岩区等高线图

图6 危岩体工程地质剖面图

表1 危岩体分区特征

图7 危岩体局部分区

分区基本特征如表1描述。由于卸荷作用强烈，斜坡节理裂隙十分发育，且几乎无树木植被覆盖。坡面及坡脚处可见数十块崩落的块石，最大块径约2.5 m，推测为受工程扰动及车辆震动影响而发生的岩体崩落。危岩体前缘为京藏高速(G6)格拉段(格尔木—拉萨)在建路基工地，局部切坡高度达1～3 m， G109国道(工地以西约10 m)、青藏铁路(工地以西约20 m)、堆龙河(工地以西约35 m)在其西侧依次展布。

2.2 危岩体结构面特征

岩体中常发育有各种不同地质成因的断层、岩脉、节理裂隙、层面、层理以及破碎带等不连续面，它们相互穿切交叉，往往可以组合成特定的岩体结构。结构面常作为危岩体失稳的边界条件，对边坡岩体的稳定性具有控制性作用。确定危岩体结构面特征并分析其优势结构面组合是危岩体稳定性分析中的重要环节(赵宪民， 2013)。

利用Coltop3D软件对喀努纳危岩体三维点云数据进行结构分析(图8)，通过提取特征点并进行处理，从而可以得到危岩体不同位置处的节理产状信息，共提取出节理数据27145条(王瑞琪等， 2019)。通过统计数量和产状优势指标对节理裂隙分组统计，分别绘制了节理裂隙的等密度图(图9)和统计玫瑰花图(图10)，并结合野外实地调查，得到喀努纳危岩体统计优势结构面及其特征参数(表2)。

表2 优势结构面特征

图8 Coltop3D渲染视图

图9 节理裂隙等密度图

图10 节理裂隙玫瑰花图

3 危岩体变形破坏机理

3.1 危岩体稳定性影响因素

3.1.1 结构面的影响

边坡变形破坏的首要条件，往往取决于坡体中存在的各种形式的结构面(朱维伟， 2008)。喀努纳危岩体位于堆龙河北侧的高边坡，边坡卸荷效应强烈，形成了高差近70 m的卸荷裂隙带(图11a)。主要发育有4组节理，其中的高角度节理对边坡岩体的稳定性极为不利，不同的节理组合形式可产生多种潜在破坏模式，已有部分块体沿结构面发生微量滑移，数十块坠落块石滞留坡面或滚落至坡脚处(图11b)。

图11 边坡卸荷裂隙带及掉落块石

3.1.2 斜坡形状变化的影响

河流的冲刷及掏刷，常使岸坡外型变得更加陡峭。人工切坡也常会使坡体失去底部支撑，从而诱发斜坡的变形与破坏(李向华， 2003)。喀努纳危岩体受河流长年冲蚀，坡脚处工地局部已被开挖，边坡逐渐加陡，必然增加坡顶、坡脚的应力集中程度。如若后期施工程序不当，下部开挖速度过快，则将使斜坡更为陡峭或形成倒坡，坡顶及坡面张力带范围进一步扩大，坡脚应力集中带的最大剪应力也随之增大，最终可能导致危岩体的变形与破坏。

3.1.3 岩土体力学性质的影响

雨季或雨后是危岩体变形失稳的多发季节，可见水对斜坡稳定性的影响十分显著。喀努纳危岩区雨水丰沛，且多集中于汛期。危岩体发育有大量黏土质亲水性矿物充填的张开结构面，浸水后极易软化、泥化或崩解，结构面强度急剧恶化。另一方面，岩石矿物在雨水的长期侵蚀作用下，整体力学参数也将逐渐劣化。因此，降雨既增加了危岩体沿结构面破坏的风险，同时也削弱了危岩体的整体稳定性程度。

3.1.4 动力的作用

区域构造应力的变化、地震、爆破、地下静水压力和动水压力，以及施工荷载等，都会直接作用于斜坡体，对危岩体稳定性的影响直接而迅速。

喀努纳危岩区新构造运动强烈，地震加速度约为0.3，存在较大的水平构造残余应力。雨水渗入、河水水位上涨等使危岩体地下水位被抬高，降低了抗滑阻力，增加了沿渗流方向的下滑力。另一方面，人类工程活动对于危岩体稳定性的影响也不可忽视。

3.2 危岩体变形破坏模式

危岩体失稳破坏是一个渐进演化的过程，分析其变形破坏模式及其演化过程，对于研究灾害的形成机理以及进行针对性的工程防治，具有重要意义。根据喀努纳危岩体的发育特点及结构特征，可将其变形破坏模式主要归纳为：剪切滑动、倾倒破坏、断裂坠落3种类型(李铁峰等， 2002； 胡显明等， 2011； 刘贺军等， 2018)。

3.2.1 剪切滑动

简单凸块体或复合块体沿着单组软弱结构面或两个结构面的交线可以发生剪切滑动，关键块体的滑动会导致危岩体发生连锁破坏(图12)。喀努纳危岩体浅表部卸荷裂隙发育，坡面中上部存在较多平直结构面(图13)，且较多倾向于临空面，雨水等对结构面具有劈裂、挤胀作用，使得结构面进一步延伸发展，抗剪强度降低，因此，块体(图13中块体1、2)在自重作用下即存在沿结构面发生滑移的可能性。

图12 剪切滑动模式示意图

图13 喀努纳危岩体中上部块体

3.2.2 倾倒破坏

岩石块体受到相对于其基底的倾覆力矩的作用，发生转动并导致破坏，还可以细分为弯曲倾倒和块状倾倒等形式(图14)。喀努纳危岩体坡顶高陡，坡体中上部存在较多近直立结构面。后缘裂缝在重力及水头作用下，不断向深部及两侧扩展延伸，岩体不断向临空面方向倾斜，因此，在降雨或地震作用下，危岩体发生倾倒破坏(图13块体3、4、5)。

图14 倾倒破坏模式示意图

3.2.3 断裂坠落

喀努纳危岩体浅表部完整性相对较差，局部呈板状，节理裂隙切割下岩体较为破碎(图15)。处于高陡坡体的碎裂块体在风化作用、水的劈裂、挤胀作用下常常形成突出的危岩块体。在风化作用下，块体底部支撑力逐渐减弱，重心外移。在重力作用下危岩块体与母体之间突然发生断裂，脱离的块体随之崩落。

图15 断裂坠落模式示意图

4 危岩体稳定性分析

危岩体稳定性分析方法主要包括定性方法、定量方法、物理模拟法、数值模拟法、不确定性分析方法等(李作兵等， 2012)。由于研究条件所限，未能获得研究区岩土强度参数的准确数据。因此，结合喀努纳危岩体现场实测资料，决定采用块体理论初步判别自重作用下危岩体的稳定性，基本方法如下：利用几何分析，首先找出边坡中由结构面和临空面形成的潜在可动块体，再通过运动学分析确定自重力作用下的可动块体； 进而根据结构面物理力学性质，确定所有“关键块体”，并计算出其稳定性(王在泉， 1999)。采用该种方法分析和计算的对象为边坡优势结构面与临空面组合形成的所有潜在块体。

4.1 赤平极射投影分析

运用赤平极射投影方法可以直观地搜索出边坡内的所有可动块体(高正， 2005)。根据已知的优势节理面产状信息，采用直角坐标法，以参照圆圆心为原点，设平面P的投影圆半径为r，圆心坐标为(Cx，Cy)，正东为x向轴，正北为y向轴，则投影圆半径和圆心的计算公式如下(田卿燕， 2008)：

r=R/cosα

Cx=Rtanαsinβ

Cy=Rtanαcosβ

(1)

式中：Cx为在赤道平面投影圆上优势节理面的横坐标；Cy为在赤道平面投影圆上优势节理面的纵坐标；r为在赤道平面投影圆上优势节理面的半径；α为优势节理面的倾向；β为优势节理面倾角；R为参考圆的半径，文中取20。由已知的临空面及优势结构面产状信息，确定各节理面的投影圆心及半径如表3所示。

表3 赤平极射投影圆的半径和圆心坐标

根据上述投影圆圆心与半径，在CAD中绘制出4组优势结构面相互组合关系的赤平极射投影图(图16a)，以及优势结构面与临空面组合关系的赤平极射投影图(图16b)。

图16 优势结构面与临空面的赤平极射投影

各投影大圆将赤平投影平面划分为许多小区域，各区域分别对应一个非空裂隙锥JP，采用如下规则对JP进行编号：P1圆内各区域第1个数字标上“0”，圆外各区域第1个数字标上“1”。以此类推，Pi圆内各区域第i个数字标上“0”，圆外各区域第i个数字标上“1”，直至各区域标完为止(高正， 2005)。上述各区域即可表示各界面互不平行的非空裂隙锥JP。本文中各裂隙锥的编号如图13所示，据结果可知裂隙锥0010、0011、0001为潜在的可动块体。

4.2 自重作用下稳定性分析

表5 (0， 0，-1)时各运动方向矢量坐标

表6 相应各运动形式的JP编号

(2)

(3)

根据块体不同运动形式的判别条件，分别求出相应各运动形式的JP编号。

对危岩体进行受力分析，建立喀努纳危岩体作用于可动块体上的力的平衡方程：

(4)

通过式(4)求出剩余下滑力F值。若F>0，则该块体为关键块体，即危岩体会沿相应的节理面发生滑移失稳破坏，必须施加工程措施才能增加其稳定性，若F<0，则该块体保持受力平衡，处于较为稳定的状态。以上计算结果汇总如表7所示。

表7 关键块体分析结果汇总

据结果可知，在自然工况下(自重作用)，危岩块体处于较为稳定的状态。

5 危岩体地震动力响应分析

喀努纳危岩体位于新构造运动活跃区，周边地区地震多发。与其邻近的当雄县，地震灾害频发， 1951年曾发生8级地震， 2008年发生了6.6级地震， 2010年发生了4.7级地震。喀努纳危岩体距当雄县直线距离不足70 km。因此，地震对于喀努纳危岩体的稳定性具有至关重要的影响(周礼等， 2019)。利用基于连续介质力学的离散元数值模拟软件GDEM，建立危岩体的数值模型，研究地震荷载作用下危岩体的失稳过程和变形破坏机理，为工程防治提供依据。

5.1 GDEM

GDEM是一种利用有限元算法和离散元算法耦合计算的数值模拟软件，它实现了力学连续与非连续的统一计算。与传统的有限元、有限差分和离散元商业软件不同，该软件以基于连续介质力学的离散元方法(CDEM)为理论基础，采用高性能图形处理器(GPU)实现大规模并行计算。利用该软件可以实现岩土材料从连续变形到破裂运动的全过程模拟，从而对结构的整体稳定性进行评价。

5.2 危岩体数值模型的建立

利用无人机测量数据生成危岩区高精度数字高程模型(DEM)，根据危岩体的发育特征，选取具有代表性的一条剖面，通过有限元网格生成软件Gmsh建立危岩体数值模型，并将优势结构面导入到模型中(图17)。模型共划分单元7653个，浅部采用密集网格剖分，深部采用较稀疏网格剖分。

图17 喀努纳危岩体数值模型

5.3 计算过程及参数选取

利用GDEM软件模拟地震条件下危岩体的动力响应，按如下步骤进行：首先仅考虑自重应力场，在模型四周及底面采用固定约束，模拟危岩体在自重条件下的变形情况。然后在模型底部施加20 s地震波，模拟危岩体的地震动力响应。地震波施加结束后，使其再次处于自重应力场下，研究地震后危岩体发生失稳破坏的过程。为减小边界对地震波的反射，提高模拟的准确性，在模型底部施加无反射边界，两侧设置自由边界。

本次动力计算采用西藏某地6级地震主震断裂附近的某强震动态站所记录到的地震波形作为动力荷载，包括竖直方向和水平方向的波形数据(图18)。

图18 加速度时程曲线

根据对危岩体的野外调查，将其岩体材料大致分为两组：表层卸荷裂隙组和深层完整岩石组。两组材料赋予相同的材料参数，表层卸荷裂隙组的单元采用弹簧连接的方式，深层完整岩石组则采用连续的单元连接。依据实际岩体物理力学性质，参考相关文献(刘云鹏等， 2008； 杨春峰等， 2018)选取花岗岩及结构面的计算参数(表8、表9)。

表8 岩体力学参数

表9 结构面力学参数

5.4 危岩体失稳过程模拟

由模拟结果可知：在该地震荷载的作用下，喀努纳危岩体坡面卸荷裂隙首先产生朝向临空面方向的位移(图19a)，倾角与坡面夹角较小的裂隙响应尤为剧烈。随着时间的增加，X轴负向(临空方向)的位移蔓延至整个卸荷裂隙带(图19b)，表现为卸荷裂隙的张开、扩展与贯通。这种作用体现了地震波在结构面处产生强烈的能量聚集，优势结构面对于地震具有明显的放大作用。地震荷载作用结束后，坡体变得松散，坡面卸荷裂隙多呈张开状，极易发生失稳破坏。在自重应力的长期作用下，裂隙逐渐趋于贯通，局部岩体呈块状或散体状结构(图19c)。坡面附近产生一系列切割岩体的新裂隙，并有少量块石从坡面崩落或抛射(图19d)。经过长期重力作用，最终岩体完全解体呈碎块状从坡体崩落(图19e、图19f)。可见，地震作用下，危岩体失稳主要以剪切滑动和断裂坠落为主。

图19 危岩体位移云图

结构面应力云图(图20)反映了喀努纳危岩体结构面受力状态的变化过程。事实上，对于研究区所在区域，由史料记载可知其本身作为震源的概率较小。因而，该区域往往是中低烈度区。在分析地震作用下危岩体的失稳过程可知，喀努纳危岩体处于受力平衡状态，在6级地震的短时间作用下，地震的损伤累积作用效果往往要大于其触发作用效果。地震作用发生时，危岩体虽然只有少量的块体崩落，但是却使边坡岩体的性质发生了不可逆转地变化，坡体变得松散、易碎，为崩塌灾害的发生创造了松散物源。

图20 危岩体结构面应力云图

6 危岩体防治建议

喀努纳危岩体对于人类工程活动构成了重要潜在威胁。根据危岩区保护对象(京藏高速公路、G109国道、青藏铁路)的位置特点，结合危岩体的发育特征，遵从合理、经济和可操作性的原则，综合且有针对性地考虑防治措施。

危岩体的不同区域应采取不同的防治措施。首先，对于较为深长的卸荷裂隙，应采用注浆或灌浆方法来使其封闭； 浅表层稳定性相对较差，利用锚杆或锚索将大体积不稳定块体与稳定的母体连接固定成统一整体； 坡面及坡脚碎石应及时清理，全部扫除。坡体中上部节理裂隙发育，岩体较为破碎，应采用SNS柔性防护网措施，加强其稳定程度。坡脚距公路极近，建议采用拦石墙或拦石网，以及及时的坡面清危，以防止落石危害公路安全，同时公路也应采取防护措施，防止路基遭受毁坏。此外，鉴于该路段道路密集，交通地理位置十分重要，且危岩体总体方量较大，应加强治理前、中、后危岩体的变形监测巡视和监测预警工作。

7 结 论

基于对拉萨市堆龙德庆区喀努纳危岩体的野外实地考察，分析了危岩体的发育特征及其变形破坏机理，利用块体理论和GDEM数值模拟软件分析了危岩体的稳定性和地震动力响应过程。主要结论如下：

(1)喀努纳危岩体表面卸荷裂隙发育，受河谷地形影响强烈，整体可以大致划分为上部坡顶整体崩塌源、中部基岩裂隙带、下部块石堆积区3个区域。

(2)通过对危岩体结构面进行统计分析，得出4组优势结构面，产状分别为： 48°∠240°、45°∠106°、73°∠296°、47°∠67°。

(3)喀努纳危岩体的变形破坏主要受卸荷裂隙的发展贯通、河流冲刷及人工开挖引起的坡形变化、风化作用引起的岩体性质弱化以及地震动力作用的影响，其可能出现的破坏形式为：剪切滑动、倾倒破坏、断裂坠落。

(4)基于块体理论，识别了喀努纳危岩体内的可动块体，并最终得出：自重作用下危岩块体处于稳定状态。

(5)采用数值模拟方法分析了地震荷载作用下危岩体的失稳破坏过程，结果表明：优势结构面，尤其是近平行于坡面的结构面对地震有明显的放大作用，卸荷裂隙的张开度加大。危岩体失稳主要以剪切滑动和断裂坠落为主。喀努纳危岩体数值模型在6级地震作用下，主要表现为损伤的不断累积，岩体更加松散破碎，这对该边坡的长期稳定性尤为不利。本文对于该危岩体的防治工作提出了针对性的建议。