晋济高速K1071+250—450段高边坡危岩稳定性评价

张丽娜

（山西省公路局 晋中分局，山西 晋中 030600）

0 引言

陡崖或边坡上的岩体受到多组结构面的切割，在重力作用下沿临空方向会逐渐与母岩脱离，处于不稳定状态的岩体称为危岩体。危岩常常会在经历剥落、回弹、跳跃、滚动、碰撞后产生崩塌落石危害，最终掉落石块会在坡脚堆积。李必良等以“5.12”汶川地震诱发滚石为研究对象，以实验为主的经验方法系统研究了滚石运动轨迹[1]；沈均等通过建立滚石动力学模型，得出了滚动冲击力等动力学参数[2]；毕钰璋对滚石防护棚洞等滚石防护措施进行了系统研究[3]。但是这些研究只是基于理论模型研究，对工程中要求的滚石力学参数、运动轨迹及落石能量等没有涉及，工程设计实践指导性不强。

晋济高速公路两侧高陡边坡主要岩性为较坚硬的灰岩，设计边坡较陡，存在较多的危岩和崩塌落石路段，具有带状面积大、清理难度大、难于全面进行处治、成为危害公路安全运营的重大隐患。在查明晋济高速公路K1071+250—K1071+450段高边坡危岩体发育特征的基础上，采用RocFall软件对典型断面的危岩体进行了稳定性分析，通过计算得到边坡潜在的落石坠落轨迹、落石的弹跳高度、落石的能量，对危岩的崩塌落石运动学特征进行了研究，为治理设计提供依据。

1 基本概况

晋济高速公路K1071+250—K1071+450段高边坡沿坡体走向长约180.0 m，高11.0～69.0 m，面积5 600 m2，岩壁倾向79°，平均坡角73°，局部坡面陡立，节理裂隙发育，风化较严重。高边坡坡脚为一斜坡，平均坡度约45°，植被覆盖率达90%以上，主要为草灌木。斜坡之下为路堑边坡，路基开挖放坡形成，坡面已采取素喷混凝土+主动防护网进行治理，坡体稳定性较好。高陡岩坡全貌见图1。

图1 高陡岩坡全貌图

经调查，该高陡岩坡2016年7月已发生过落石灾害，砸损排水边沟，行车道、超车道路面砸出坑槽。落石尺寸较小，直径小于30 cm，主要来自于上部高陡坡面。现状：上部陡壁岩体裸露，节理裂隙发育，岩体风化破碎较为严重，局部风化为碎块状，若岩体进一步风化，或在有强风、降雨及地震等不利因素影响时，有可能再次发生落石灾害，对晋济高速公路的正常安全运行形成威胁。由于坡面全面风化破碎，成片存在，所以把这一区域整体划分为一个危岩带（编号为WYD1），危岩方量总计约5 360 m3。

2 坡体结构分析

该段高边坡危岩带坡体物质组成主要为奥陶系上马家沟组二段灰岩（O2S2），灰白色、浅褐红色，微晶结构，中厚-厚层状，属坚硬岩，风化裂隙、卸荷裂隙较发育，中等风化-微风化，中等风化带厚度约2.0～3.0 m。灰岩产状水平状，3组结构面在岩体中发育，分别是①岩层面：280°∠3°，中厚-厚层状，倾向坡内；②节理组1：81°∠86°，节理面陡倾，与坡面近垂直；③节理组2：345°∠51°，方向倾向于坡内。这3组结构面组合将岩体切割成块状，局部已风化成碎块状，岩体呈块（石）碎（石）状镶嵌结构，地形陡峻，呈悬崖峭壁。各组结构面特征见表1。

表1 边坡岩体结构面特征一览表

3 崩塌稳定性分析及评价

3.1 坡体宏观变形特征

该段高陡岩质边坡岩壁陡立且裸露，出露灰岩为坚硬岩，呈块状结构。据调查，边坡整体稳定性较好，但岩壁表面危岩大面积分布，岩壁坡顶一定高度范围内卸荷裂隙极为发育，坡顶卸荷拉张裂缝宽度最宽达0.2 m，见图2，在降雨、地震动、植物根劈等作用下易发生危岩块体的崩塌落石现象。自2015年以来，高陡岩坡均多次发生危岩崩落掉块灾害，砸坏路面、路基边沟等设施，并且有逐年加重的趋势。

图2 岩体卸荷裂隙图

3.2 崩塌形成机制分析

该边坡坡度在73°～88°，部分坡面直立甚至内凹，临空面开阔，从山顶到山脚高差为46.9～223.0 m，山高坡陡、悬崖峭壁，这为坡体崩塌灾害的发生提供了良好的地形条件和动力条件。山体基岩主要以奥陶系灰岩为主，岩体受3组结构面切割，呈块裂状结构，总体为反向坡，发育外倾节理裂隙面。由于经受风化、卸荷作用，裂隙发育，岩体较破碎，这为崩塌落石的形成提供了主要物质来源。

受长期风化、卸荷及植物根劈作用影响，坡体表层较破碎的危岩块体不断被松动，裂隙面扩大，逐渐由稳定状态向极限平衡状态转变，并沿坡体中优势结构面或结构组合面发生变形，出现崩塌、落石现象；同时受卸荷作用，坡体中原处于三向应力状态的岩土体变为双向应力、单向应力状态，应力平衡破坏后，在坡顶一定距离形成卸荷裂缝和岩土体松动带。危岩块体脱离母体后或发生自由落体运动，或沿岩坡面滚动、跳跃，有的被坡脚斜坡植被挡住，能量大大减少并慢慢停止下来，有的则跃过斜坡直冲坡脚，砸入坡脚公路路面及景观走廊，严重影响公路的正常安全运行。

3.3 危岩带的稳定性定性分析评价

采用赤平投影法（上半球投影）结合现场地质测绘成果对危岩带的稳定性进行定性分析。该高边坡划分为一个危岩带（编号为WYD1），边坡面产状79°∠73°，坡体岩体主要发育3组结构面，分别为：①岩层面（J1）：产状为280°∠3°，呈现中厚-厚层状，倾向边坡内；②节理组1（J2）：81°∠86°，节理面陡倾，与坡面近垂直；③节理组3（J3）：345°∠51°，方向倾向于坡面。危岩带赤平投影分析如图3。

图3 赤平投影分析结果图

从图3中可以看出，该边坡属于斜向坡，边坡岩体产状近似水平，但是岩层面的走向与边坡面呈现大角度的相交，3组结构面发育于边坡中，除岩层面近水平外，其他2组均为高角度节理面。根据绘制的赤平投影图，对结构面进行两两组合分析，分析结果如下：

a）结构面J1与J2组合 J1与J2结构面的交点位于边坡面投影弧的同一侧，说明其组合交棱线倾向（351°）与边坡倾向（79°）相对一致，其倾角（1°）远小于边坡角（73°），即交棱线在坡顶面斜坡上没有出露点，不会切穿边坡岩体，切割体属于较稳定结构。

b）结构面J1与J3组合 J1与J3结构面的交点位于边坡面投影弧相对的一面，说明其组合交棱线倾向（257°）与边坡倾向（79°）相反，且倾角（3°）远小于边坡角（73°），结构面组合切割体为缓倾向坡内的稳定结构。

c）结构面J2与J3组合 J2与J3结构面的交点位于边坡面投影弧的同一侧，说明其组合交棱线倾向（356°）与边坡倾向（79°）相对一致，倾角（50°）小于边坡角（73°），结构面组合切割体属于不稳定结构，易发生滑塌式破坏。交棱线位于结构面J2与J3倾向线之间，则J2与J3均为滑移面，交棱线为主滑线，其倾向（356°）为滑移方向。

综上分析，可以看出由于2组结构面组合形成的切割体存在不稳定的结构，所以可以判断该边坡目前处于不稳定的状态。根据野外对边坡岩体结构的调查测绘成果，边坡岩体由于4组结构面组合切割，岩体完整性较差，呈松散块体结构，危岩块体在降雨、冰雪冻胀、植物根劈、地震动等营力作用下，裂隙扩张，节理面结合情况变差，抗剪强度降低，会发生落石掉块灾害，其变形破坏模式为滑移式崩塌破坏类型。

3.4 危岩失稳破坏后的运动计算

该边坡危岩失稳运动计算采用加拿大Rocscience公司开发的RocFall软件模拟危岩失稳产生的滚石灾害的危害范围和危害强度等特征[4-6]。计算时危岩体位置位于坡顶部位，其直径依据调查成果取1.0～1.3 m，坡面岩体的法向回弹系数取0.4，切向回弹系数取0.86。其计算结果见表2，计算成果图见图4～图7。

表2 危岩失稳破坏运动计算成果表

图4 落石运动轨迹图

图5 落石最大弹跳高度包络图

图6 落石最大冲击能量包络图

图7 落石最大平移速度包络图

通过对危岩体的稳定性定性分析与定量计算结果来看，危岩体的稳定系数小于防治工程安全系数，危岩带稳定性欠佳，安全储备不足。在风化侵蚀作用下，加之降水形成的裂隙水压力和植物根劈的作用，岩体结构面的抗剪强度会下降，边坡危岩体的稳定性将持续地降低，最终容易形成不同规模的危岩变形、坠落失稳等破坏。从各危岩体（带）的变形破坏模式来看，大部分危岩块体将发生坠落式、倾倒式破坏。岩体一旦失稳破坏，将会危及坡脚处晋济高速公路的正常安全运行。

4 结论

晋济高速公路沿线的地形高差大，边坡高而且坡率较陡，加之地质条件复杂，构造较发育，因而危岩落石频发，如何控制地质灾害的发生是制约高速公路安全运营的关键难题。通过对晋济高速K1071+250—K1071+450段高边坡危岩的坡体结构分析、危岩稳定性评级及RocFall模拟计算，结果表明：

a）在对现场详细调查的基础上，该边坡主要由风化裂隙、节理裂隙、卸荷裂隙较发育等形成危岩体；经稳定性分析，各危岩体的稳定系数小于防治工程安全系数，危岩带的稳定性较差，随着降雨、冻胀、地震和植物根劈作用，危岩块体稳定性将下降而导致安全储备不足，易发生失稳破坏。破坏模式主要表现为滑移式崩塌。

b）通过采用RocFall软件对该段的危岩体进行稳定性数值计算，获得本边坡危岩体潜在的落石弹跳高度4.1 m，落石总能量1 198 kJ，最大平移速度达37.8 m/s，破坏性极大，为下部边坡的防治设计提供数值依据。

c）建议加强危岩体治理前、中、后的变形监测巡视与监测预警工作。