地震作用下滑移式危岩体稳定性分析研究

2023-10-14李鹏飞LIPengfei

价值工程 2023年27期

李鹏飞 LI Peng-fei

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

0 引言

崩塌是指块状岩体与岩坡分离向前翻滚而下，在崩塌过程中，岩体无明显滑移面，同时下落岩块或未经阻挡而直接坠落于坡脚，或于斜坡上滚落、滑移、碰撞最后堆积于坡脚，其规模相差悬殊，大至山崩，小至块体坠落均属于崩塌[1]。地震作用是触发危岩体失稳的主要因素，地震作用下危岩体响应分析，对于危岩体稳定性研究具有重要意义。关于节理岩体的数值计算方法主要为连续变形分析法和非连续变形分析法。连续变形法所建立的模型是连续介质，对于分析均质材料的结果更为准确[2-3]，岩石材料自身具有不均一的结构面，结构面分布规律性不强，复杂的结构面恰好是岩体变形破坏的控制性因素，基于块体理论的非连续变形分析方法（DDA）弥补了这一不足，DDA 可以实现岩石块体实际产生的非连续变形以及相互作用产生的动态变化过程，块体之间的运动是不允许有嵌入和受拉的，非连续变形分析方法（DDA）的最大特点是运动学理论基础、严格的平衡要求、正确的能量守恒和高效的计算效率，该方法理论比较严密，计算结果精度较高[4-5]。

1 危岩体特征

2014 年8 月3 日16 时30 分，云南省昭通市鲁甸县发生6.5 级地震，地震造成鲁甸县火德红镇李家山村红石岩组牛栏江干流北岸发生特大崩塌，将牛栏江截断形成堰塞湖，受地震影响，两岸高边坡表面岩体应力损伤严重，形成大量危岩体。堰塞湖的治理方案是“变废为宝”，以堰塞坝为坝体修建红石岩水电枢纽工程，但在地震和常年风化剥蚀的作用下，库区两岸边坡高陡，岩体松弛，崩塌灾害严重，震后一年多时间内有数次崩塌发生。

拟建水电站库区发育大量危岩体，其中距离堰塞坝2000m 的珍珠岩陡立边坡上发育了一块方量较大的危岩体ZZWY1（图1），危岩体的方量为7.56 万m3，后缘发育长大裂隙，稳定性较差，为重点防御对象，若危岩体失稳会产生较大规模的涌浪，对水电设施构成较大威胁。

图1 ZZWT1 现场图

1.1 地形地貌特征

研究区属于高中山区，山高谷深，地形受构造改造和河流切割作用明显，牛栏江面高程约1100m，属于侵蚀性较强的高中山峡谷地貌，河谷大都为“V”型谷。ZZWY1 危岩体发育区边坡陡峻，坡度约为70°，与牛栏江高差为280m。

1.2 危岩体结构面特征

危岩体发育的坡体为陡倾角边坡，植被覆盖较少，大部分为裸露基岩，岩性为寒武系中统西王庙组中风化白云岩，主要发育有三组优势结构面：①后缘卸荷裂隙，产状NW77°/SW∠76°；②构造裂隙，产状NW10°/NE∠68°；③岩层层面，产状NE15°/NW∠23°，三组结构面将危岩体整体切割出来，后缘卸荷裂隙为主控结构面，部分张开一定宽度，顺坡向发展，延伸性好，上部90%张开，危岩体两侧临空，形成典型的潜在滑移式破坏模式的危岩体，图2 为危岩体与牛栏江的地质剖面图。水电站蓄水后正常蓄水位高程为1200m，危岩体底部高程为1280m，高差为80m。

图2 ZZWY1 地质剖面图

1.3 危岩体尺寸

根据现场调查及三维激光扫描数据，形成危岩体概化模型（见图3），其中几何尺寸分别为：CB=120m，AD=92m，AB=11m，CD=24m，H=113m，DE=9m，α=22°，β=71°，γ=56°。

图3 ZZWY1 稳定性计算概化模型

2 危岩体稳定性分析

采用定性分析与定量分析相结合的方法对危岩体稳定性进行分析，定性分析采用赤平投影分析法，定量分析采用极限平衡法和数值计算法。

2.1 赤平投影法分析危岩体稳定性

根据危岩体结构面特征，危岩体发育三组优势结构面，结构面1 为后缘卸荷裂隙，结构面2 为构造裂隙，结构面3 为岩层产状，坡面产状NW77°/SW∠82°，三组优势结构面及坡面的上半球赤平投影图如图4。由图4 可知，岩层层面倾向与坡面倾向近直交且倾向坡内，所以层面切割形成的岩石块体所受抗滑力优于下滑力；后缘卸荷裂隙与坡面倾向相同，倾角略小于坡角，所以后缘裂隙切割形成的岩石块体所受下滑力优于抗滑力，判定为不利结构面；构造裂隙倾向与坡向以大角度斜交且方向相反，该组结构面形成了危岩体的侧边界，前期风化掉块就是沿着该组结构面产生，构造裂隙的主要作用是把危岩体切割成更加破碎的岩体，同样判定为不利结构面。

图4 ZZWY1 上半球赤平投影图

三个结构面两两相交，交线构成危岩体边界棱线，通过对比棱线与坡面的产状关系，判断结构面组合后对危岩体稳定性的影响，判定结果见表1。由表1 可知，结构面1与2、1 与3 的交线4 斜交，倾角小于坡角，为外倾结构面，在相关诱发因素作用下岩体会沿着不利结构面组合失稳破坏。可以看出，与结构面1 相交均构成不利结构面，所以结构面1 为主控结构面。

表1 ZZWY1 潜在崩塌体各结构面组合对其稳定性影响

通过赤平投影法分析可见，危岩体具有两组不利结构面，稳定性差，在外界诱因作用下失稳的可能性大。

2.2 极限平衡法计算危岩体稳定性

利用极限平衡分析法进行稳定性计算，稳定性计算最关键问题是破坏滑面的确定。根据已经发生的滑移式危岩体案例及工程经验，危岩体以滑移为主的失稳几乎都是沿着主控结构面产生的，因此，这类危岩体的稳定性可以将主控结构面作为滑面，利用极限平衡法进行分析，稳定性系数K 的计算式为：

式中，F抗滑为阻止危岩体下滑的抗滑力（kN），算式如下：F抗滑=（Gcosα-Q-Psinα）f+c1H/sinα。

F下滑为危岩体下滑的下滑力（kN），算式如下：

F下滑=Gsinα+Pcosα

这类研究工作通过大量实测数据分析数据包的出错模式，揭示出错的规律.不仅有助于深入理解无线网络传输的特点，还能推断数据包出错的类型、出错位置等信息.在此基础上设计MAC层编码、速率调整等算法能有效提升性能.

上式中，P 为危岩体承受的水平地震力（kN），则地震力为P=ηAgm，其中η 为水平地震作用修正系数，取值0.25，Ag为地震动峰值加速度，m 为危岩体质量；H 为危岩体的高度（m）；G 为危岩体的重量（kN）；e 为滑面充水深度（m）；α 为滑面的倾角（°）；Q 为滑面内静水压力（kN），γω为水的重度（kN/m3）有：

c 为主控结构面的粘聚力（kPa）；f 为主控结构面的摩擦系数（c、f 分别取岩桥和卸荷裂隙的耦合强度参）：

式中：f0、c0和f1、c1分别为卸荷裂隙抗剪强度参数与岩桥抗剪强度参数；p 为卸荷裂隙的连通率。

根据工程初步设计报告、《水力发电工程地质勘察规范》、《工程地质手册》结合岩体实际情况情况，计算参数取值见表2。

鲁甸地震的发震断裂（包谷垴-小河断裂）穿过研究区域，研究区在鲁甸地震过程中坡体动力响应强烈，地震烈度达到了Ⅷ度，属于高烈度区，建设部（1992）规定了烈度为Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ时，设计时取对应的峰值加速度平均值分别为：0.1g、0.2g、0.4g、0.8g。

对危岩体在不同地震工况下采用极限平衡法进行稳定性计算，计算结果如表3 所示。根据计算结果可知，当地震烈度达到Ⅷ及以上时，危岩体将失稳破坏。

2.3 DDA 数值模拟分析危岩体稳定性

2.3.1 数值分析模型建立

利用非连续变形法（DDA）数值模拟软件可以分析危岩体的变形破坏特征，运动特征，危岩体散落范围等。非连续变形方法数值计算的块体划分非常重要，岩体的失稳破坏以及相互之间的作用力都是通过接触面产生的[6]。根据危岩体实际结构面的发育情况和潜在的失稳模式，合理划分块体间结构面，以得到更好的数值分析效果。根据现场三维机光扫描数据获得穿过牛栏江的长剖面，模型的力学边界条件采用两侧及底面固定约束。计算时步取40000 时步，本次模拟的总时间为77.89s，每一时步的时间由程序根据危岩体变形过程自动取值，一般为0.0015s～0.0025s。计算参数根据工程初步设计报告和《工程地质手册》进行取值，取值如表4 所示。基于以上条件所建立的数值模型及数值分析过程设置的监测点P1、P2 位置如图5 所示。

表4 模型各元素参数取值表

图5 数值模型及监测点P1、P2 位置

2.3.2 数值计算结果分析

①天然工况。经计算，天然状态下危岩体未失稳破坏，在运行到3214 时步时（图6），危岩体凹岩腔部位有一个小块岩块掉落，这一结果与实际情况符合，经过长时间的地质风化作用，底部慢慢掉块，已经形成了比较明显的凹岩腔。就目前来看，凹岩腔已经非常明显，面积比较大，但是危岩体依然处于稳定状态，说明凹岩腔的作用还不足以使得危岩体整体失稳，后缘卸荷裂隙才是危岩体整体稳定性的控制因素。

图6 天然状态下凹岩腔部位局部掉块

②地震工况。数值计算地震波加速度值采用2014 年8月3 日在龙头山镇监测点监测到的地震加速度时呈曲线（见图7，图中EW，NS 分别为水平东西和南北分量，UD 为垂直分量）。由于龙头山镇强震台站距离震中近，为震区62个强震台站记录的峰值加速度中最大的一个，地震动更剧烈，因此可以用来验证该危岩体在地震工况下的稳定性。

图7 地震加速度时程曲线

图8 数值计算成果图（25203 时步）

“8·03”地震加剧了危岩体内部的应力损伤，扩展了危岩体后缘裂隙和内部结构面，使得危岩体整体稳定性急剧下降。地震发生时，ZZWY1 上部左侧发生了较大面积的局部掉块，形成了危岩体左侧的临空面，并且后缘裂隙明显暴露出来。

数值模拟结果表明，经受“8·03”破坏后，在龙头山镇监测点监测到的地震波作用下危岩体将会失稳破坏。根据危岩体的破坏及运动特征，危岩体的失稳过程可以分为3个时段。

第一时段：危岩体底部震裂松动，结构面被剪断，整体沿后缘结构面启动。在重力作用下，危岩体下部岩桥应力集中，剪出口承受巨大作用力，地震波到达后，作用在岩桥上的作用力急剧增加，在最脆弱的主控结构面上，危岩体岩桥在短时间内瞬间断裂，导致危岩体整体失稳下滑。

第二时段：危岩体整体溃滑、散裂，沿坡面向坡下滚动。根据地质结构特征，危岩体发育了三组优势结构面，将其分割成不同大小的块体，危岩体以滑动、滚动、跳跃的方式沿着坡面向下运动。

第三时段：危岩碎块经过一段时间运动后，大部分停积在河床，形成崩塌堆积体。由于危岩体下部边坡较陡，并且坡面仅有低矮的灌木，孤石较少，阻挡作用小，大部分石块滚入河床，少部分停积在坡面上。因此，水库蓄水前，危岩体失稳可能会形成堵江，水库蓄水后，正常蓄水位为1200m，危岩方量高达7.56 万方，危岩体失稳很可能会形成大规模涌浪，威胁水电设施。

通过分析地震工况下监测点P1、P2 的时间位移曲线可以看出（图9、图10），位于危岩体顶部的监测点P1 运动的水平距离和垂直距离都要大于P2，启动时间较P2 稍微晚。原因是P1 点的位置要高于P2 点，能量比较大，运动的距离就会大于P2。通过时间位移曲线和地震波加速度曲线可以看出，两个曲线的波峰都出现在20s-30s 之间，说明危岩体破坏就是产生在地震波峰值阶段，验证了数值模拟的正确性。

图9 监测点水平向位移图

图10 监测点竖直向位移图

2.4 危岩体稳定性评价

通过定性分析得出，危岩体在相关诱因作用下，易沿主控结构面发生失稳破坏。通过定量计算得出，危岩体天然工况下稳定性系数为1.03，地震烈度达到Ⅷ及以上将失稳破坏，随着地震烈度增加，稳定系数逐渐减小至0.987以下。利用非连续变形数值分析方法（DDA）进行分析，天然工况下危岩体可能出现局部掉块现象，在地震工况下进行数值分析，地震烈度达到鲁甸“8·03”地震峰值加速度时，危岩体出现失稳破坏。