基于RocPro3D的特高位危岩体灾变特征及运动规律分析

张玉广 杨远翔 彭小勇 张国发 吁 燃

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

危岩体是指斜坡上受多组结构面切割,临空条件好,在重力、振动等作用下与母岩逐渐脱离,发生倾倒式、滑移式和错断式崩塌的岩体。危岩崩塌已然成为我国山区三大地质灾害之一[1]。危岩体具有突发性强、预测难度大,以及冲击破坏性大等特点,对居民、过往人员及车辆、建筑物等生命财产安全造成严重威胁[2-3]。

现阶段危岩体的研究主要集中在4个方面:危岩形成机制、危岩稳定性计算方法与评价体系、危岩稳定性监测,以及危岩治理设计[4]。周俊等[5]应用激光扫描技术,构建基于现场地形地质条件的三维崩塌模型,通过RocPro3D软件实现崩塌落石运动过程的数值模拟研究,得出危岩分布及崩落轨迹。Radtke等[6]使用Rockyfor3D研究了森林对崩塌运动的阻碍作用,提出管理森林的方式,以便于对崩塌进行防护。王颂等[7]以青藏铁路设兴村段崩塌为例,采用Rockyfor3D研究了青藏铁路设兴村段崩塌块石分布及危岩区特征,为青藏铁路该段的防护提供了理论依据。马明等[8]运用无人机摄影技术对公路隧道洞口仰坡危岩体进行勘测,分析了高坡隧道洞口仰坡危岩体分布与稳定特征。

崩塌的突然产生是岩体长期蠕变和不稳定因素不断积累的结果,按危岩体脱离母岩的破坏机理可分为倾倒式、滑移式和错断式[9]。四平隧道地处贵州黔北高原地带,位于桐梓县娄山关镇,隧道下穿娄山山脉,危岩体位于隧道出口上方陡崖,陡崖与隧道口间为斜坡地形,自然坡度为20°～40°,坡长80～130 m,分布不同类型的3个危岩带,隧道洞口顶部有一乡村路,若危岩体失稳破坏对下部高速公路和乡村路车辆、行人及隧道洞门威胁较大。为此,拟通过对危岩体分布特征和危岩形态分析,运用Rocpro3D软件模拟研究区危岩体失稳运动规律,模拟预测危岩体掉落后的运动轨迹,为危岩体的分析评价和治理设计提供基础数据和理论支撑。

1 危岩体地质条件及特征

1.1 工程地质条件

危岩体地处贵州黔北高原地带桐梓县大娄山关镇,场区属溶蚀-侵蚀地貌单元,场区无断层通过,岩层单斜,地震基本烈度为VI度。危岩体分布区以斜坡-陡崖-斜坡地形为主,地形地质条件及危岩分布见图1。

图1 地形地质条件及危岩分布

危岩体陡崖区坡度为70°～85°,局部呈直立状,基岩裸露,地层主要为奥陶系上统五峰组(O3w)灰色泥质灰岩,沉积高程1 227.7～1 302.4 m;下部斜坡地形坡度20°～40°,出露地层主要为奥陶系下统湄潭组(O1m)粉砂质泥岩夹灰岩,沉积高程为1 227.7 m以下。公路内侧陡崖多处发生过掉块及剥坠落现象,在陡崖下方斜坡段零星分布堆积。受结构面和节理裂隙影响,岩体被多方向切割,形成塔柱状、凹腔、悬挂状危岩,岩层产状为23°～45°∠7°～10°。

1.2 危岩体分布及形态特征

危岩体分布于隧道出口端ZK6+200-ZK7+364左389 m-右298 m陡崖一带,卸荷裂隙发育,岩性为泥质灰岩,岩体受卸荷裂隙切割,危岩大小不一,单块较大危岩宽3～5 m,高3～22 m,较小危岩尺寸0.1～1 m。根据危岩受裂隙切割程度、母岩嵌接方式,将危岩体分为3个危岩带(见图1),危岩带延伸方向为S-N～SW-NE～S-N。I号危岩带距隧道出口142.3～180.6 m,相对高差114.5 m,属特高位危岩,以隧道口中线为坐标原点的辐射方向254°～291°,分布长度143.7 m。W1-1危岩体形态以底部悬空板状为主,W1-2危岩体则为相对独立的塔柱状块体,后缘与母岩间已完全脱离形成U形槽,W1-3危岩体为分散的临空块体;II号危岩带距隧道左洞出口67～106.9 m,相对高差111.4 m,属特高位危岩,辐射角度294°～365°,危岩分布长度208.5 m,W2-1危岩体为直立陡崖,危岩体形态以塔柱状块体为主,竖向节理裂隙从岩体顶部竖向发育延伸,未完全贯通;III号危岩带位于隧道出口左侧,距隧道出口距离112～241.6 m,相对高差116.6 m,属特高位危岩,陡崖走向S-N,下缘为高速填方路基填平区,受水平结构面影响,W3-1危岩体形态多以板块状帽檐悬挂为主,底部悬空。

场区岩层呈现典型软～硬～软岩的层状结构,呈水平产状40°～45°∠7°～10°,纵向节理发育,局部岩体较为破碎。受长期风化、雨水侵蚀、地震及地下水作用下,硬岩层受两典型节理切割,L1:133°～165°∠70～81°,L2:221°∠81°～86°,节理面较平直光滑,竖向延伸发育,与水平层面共同作用将岩体切割为破碎板块状,单层板块状岩体厚0.15～0.56 m。泥质灰岩层底部基岩为粉砂质泥岩,顶部山体分布多条集雨冲沟,地下水渗流至其底部的粉砂质泥岩隔水层,调查发现长期存在细股状水流流出,其水文地质情况示意见图2。

图2 岩溶裂隙水

2 危岩体失稳模式及稳定性评价

2.1 悬臂拉裂倾倒式

“上硬下软”或“软硬相间”的水平层状岩层在差异风化及地下水作用下,岩腔向内和两侧扩展,I号危岩带W1-3危岩及II号危岩带分布的塔柱状危岩体重心逐渐相对外移,岩体底部临空侧成为力矩转动点,重力倾覆力矩Gb增大到一定程度后,柱状危岩体出现以底部转动点为支点发生整体倾倒式破坏,其计算模型见图3,隧道的爆破振动或地震作用可能对危岩体产生水平向推力W;塔柱状危岩体竖向裂隙中充填裂隙水,形成水压力V的倾覆力矩。

图3 悬臂拉裂倾倒式危岩体计算模型

危岩底部多为破碎泥质灰岩或风化粉砂质泥岩,微水平结构面间l0范围的抗倾覆力较小可忽略,该失稳模式下稳定性系数计算方法见式(1)。

(1)

式中:[σt]为危岩体抗拉强度标准值,kPa;G为单位长度危岩体重力,kN;W为单位长度危岩体承受的水平地震力,kN;H为危岩体高度,m;h0为裂隙深度,m;h1为裂隙充水高度,m;β为破裂面倾角,(°);b为重力作用点距转动点O的水平距离,m;h2为地震力距倾覆点的垂直距离,m;U为孔隙中水压力,kN。

2.2 错断坠落式

I号危岩带W1-1危岩为“壁挂式危岩体”,III号以悬壁岩板形式凸出,随着岩板自身重力力矩加大,加之岩体内部损伤面张拉-剪切复合作用,裂缝不断下切,岩桥部位应力集中加剧,当作用力大于岩体抗拉强度,岩体沿主控断裂面突然拉剪崩落[10],这与现场危岩的形态较为一致。错断坠落式危岩体受力模型示意图见图4。

图4 错断坠落式危岩体计算模型

由于孔隙水压力对危岩的错断坠落失稳影响甚小可忽略,稳定性系数计算见式(2)。

(2)

式中:d为地震力距错断点的垂直距离,m;其余符号意义同式(1)。

2.3 压裂倾倒式

I号危岩带W1-2为独立塔柱状危岩体,独立塔柱状危岩体一般存在底部滑移、倾倒失稳或压裂溃屈3种破坏模式,该危岩中-上部岩体较完整,由缓倾结构面将柱体切割为“饼状”,块径呈上小下大,下部饼状岩体分布压致裂隙,危岩底部为粉砂质泥岩层。危岩在方位角225°～60°方向为靠山侧,与母岩间有U形槽口;在方位角60°～115°方向为缓斜坡平台,无凹腔悬空;在方位角115°～225°方向底部岩体受风化作用,内侧呈微凹曲形状。上部岩体自重荷载全部作用在塔柱状岩体底部,导致下部岩体压张裂缝增多且有由下至上延展趋势,底部板状岩块被压裂后块径较小,弱化后抗压强度降低,最有可能发生压裂后沿方位角115°～225°方向的倾倒破坏。压裂倾倒式危岩体受力模型与悬臂拉裂倾倒式一致,稳定性计算参照式(1)。

2.4 综合稳定性分析评价

2.4.1I号危岩带

W1-1危岩体高度约2.8 m、宽度2.4 m、厚度1～1.8 m,受2组节理裂隙和层面切割,底部悬空无岩体支撑,板状层叠形式内嵌,上部部分岩体受L1竖向裂隙深切,已基本脱离母体,天然工况下危岩体整体基本稳定,在地震工况时,危岩体处于欠稳定状态,随着底部凹腔深入,W1-1危岩体将发生局部倾倒崩塌或块石坠落。W1-2独立塔柱式危岩体宽1.5～3 m、高14 m、厚3.76 m,体积约121 m3,目前天然工况或地震工况下危岩体整体基本稳定,随着危岩底部岩体压裂风化,若方位角115°～225°方向底部岩体内侧微凹腔继续发展,将发生整体倾倒破坏,倾倒过程中危岩沿层面分块坠落、滚动、弹跳,碎裂成不同大小块石,压裂倾倒式危岩体示意见图5。如图5所示,W1-3危岩高2.2 m、宽2.5 m、厚0.5～1.2 m,呈三角形板状,受2组裂隙和层面切割,岩体呈层状碎裂结构,临空面为陡崖,底部悬空,内壁悬挂于母岩上,天然工况下该危岩体整体基本稳定,但在暴雨或地震工况下,危岩体处于欠稳定状态,易形成局部块石坠落。

图5 压裂倾倒式危岩体示意图

2.4.2II号危岩带

危岩体临空面为陡崖,以高8～21 m、厚3～6.6 m、长2.5～3.5 m的塔柱状块体为主,受2组竖向节理裂隙影响,裂隙从岩体顶部竖向发育延伸,但未完全贯通,节理L1:225°∠83°,L2:165°∠81°。受风化作用、地下水侵蚀和岩层结构面影响,场区柱状岩体底部多为块、板状坠落,形成深0.5～1.5m凹腔,局部柱状岩体底板悬空,在暴雨和天然工况下该危岩体整体基本稳定,地震工况下,危岩体处于欠稳定状态进而形成绕底部倾覆点的倾倒破坏。

2.4.3III号危岩带

危岩体高0.5 m、长2.2 m、厚3 m,竖向节理裂隙不发育,受风化作用、地下水侵蚀和缓倾岩层结构面影响,底部凹腔往内侧和两侧延伸,底部悬空的板状岩体下坠力矩加大,在自然工况下该危岩体呈基本稳定,在地震工况下,危岩体处于欠稳定状态。

3 危岩运动分析及拦挡设计

3.1 模型构建

通过精准航测1∶2000地形图,获取区域初始地形点位、坐标、高程数据,采用RocPro3D建立三维地质模型立体图见图6。

图6 三维地质模型立体图

RocPro3D是一款模拟危岩崩塌运动学规律及进行拦挡工程设计效用研究的三维岩崩模拟软件,使用概率统计方法反映块体形状、岩土体特效和不同地形等对块体运动轨迹的影响,得出岩块运动过程中的能量、速度和弹跳高度等。

3.2 计算参数确定

岩土体表面参数可分为4个区域取值,运用RocPro3D软件进行数值模拟,危岩体特征参数包括危岩体形状,危岩体直径及危岩体密度,见表1,根据现场堆积的岩崩块体特征,确定危岩体形状为球形,直径约为1.5 m。岩土体表面特征参数包括回弹参数、滚动参数和转换参数,参照T/CAGHP 011-2018 《崩塌防治工程勘察规范》对坡面模型赋参,主要参数见表2。

表1 危岩体特征参数

表2 岩土体表面特征参数

3.3 危岩崩塌运动分析

通过对I、II、III号危岩带可能崩塌的落石进行模拟,设置每个危岩带掉落的块石数量为1 000块,得到各危岩体崩塌后落石堆积空间分布位置,落石轨迹空间分布见图7。

图7 落石轨迹空间分布

以块石直径1.5 m计算,结合各危岩带典型落石轨迹与弹跳高度、运动速度、冲击能量关系曲线分析,1号危岩带典型块石在崩塌后,经初期碰撞后弹跳高度达11.3 m,能量在下一次碰撞前达到峰值的2 056 kJ,速度为29.1 m/s,根据现场地形地物条件及轨迹运动分析,可在距危岩落石点约100 m位置设置拦挡,落石在该位置左侧碰撞后,弹跳高度仅1.3 m,剩余能量约1 580 kJ,速度约20.4 m/s,其落石轨迹与弹跳高度、运动速度、冲击能量关系曲线见图8a)。

2号危岩带典型块石崩塌后,在沿坡面直接下落过程中块石冲击能量激增,在陡坡段以竖向力和垂向冲击能为主,落石在该段坡面最大弹跳高度较低,约为3.9 m,接近陡坡坡脚位置能量和速度达到最大值,冲击能2 490 kJ,速度32.4 m/s,可在距危岩落石点约45 m位置设置拦挡,落石在该位置左侧碰撞后,弹跳高0.9 m,剩余冲击能量1 180 kJ,速度14.8 m/s,其落石轨迹与弹跳高度、运动速度、冲击能量关系曲线见图8b)。

3号危岩块石直接下落过程中冲击能量陡增,在陡坡坡面多次碰撞弹跳后,在距块石崩塌点110 m位置冲击能达到峰值2 710 kJ,速度32 m/s,最大弹跳高度位于81 m,高度9 m,可在距危岩落石点66 m位置设置拦挡,落石在该位置左侧碰撞后,弹跳高度1.3 m,剩余冲击能1 280 kJ,速度20.2 m/s,其落石轨迹与弹跳高度、运动速度、冲击能量关系曲线见图8c)。

图8 各危岩带典型落石轨迹与弹跳高度、运动速度、冲击能量关系曲线

4 结论

根据山区陡崖危岩分布及形态特征差异,针对某高速隧道上缘不同危岩体建立力学模型,并利用RocPro3D模拟该处危岩崩塌运动规律,得出以下结论。

1) 隧道上缘共分布3个危岩带,发育危岩体主要以悬臂拉裂倾倒式、错断坠落式及压裂倾倒式3种失稳模式发生崩塌破坏。

2) I号危岩带发育3处典型危岩体,其中W1-2为独立塔柱状危岩,随着危岩底部岩体压裂风化,W1-2号危岩将以特有的压裂倾倒失稳模式发生沿方位角115°～225°方向整体倾倒破坏;II号危岩带主要发育柱状危岩,随着岩腔向内和两侧扩展,柱状危岩体将以底部转动点为支点发生整体倾倒式破坏;III号危岩带竖向节理裂隙不发育,主要以悬壁岩板形式凸出形成欠稳定危岩体,以错断坠落失稳模式崩塌破坏。

3) 结合RocPro3D模拟中各危岩带典型落石轨迹与弹跳高度、运动速度、冲击能量关系曲线分析,统计得出各危岩带下缘合理的拦挡措施位置及拦挡高度,对于设计、施工具有很好的参考价值。根据多条曲线分析,该处危岩拦挡设置尤为复杂,建议在I号危岩带落石点下缘约100 m、II号危岩带落石点下缘约45 m及III号危岩带落石点下缘约66 m处设置拦挡。