边坡崩塌危岩体稳定性分析与数值模拟研究
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摘要：崩塌危岩体作为六大灾种之一，其对公路、水电站、输电线路等基础设施的威胁十分明显。针对该问题，以边坡崩塌危岩体为工程实例，采用地质分析、数值计算与数值模拟等多种方法对其稳定性进行评价，最终得出崩塌危岩体的稳定性系数，并为其他类似工程提供理论参考。
关键词：边坡，崩塌危岩体，稳定性，评价
中图分类号： U213.1+3 文献标识码： A
0引言
危岩体（potential unstable rock mass）一般指陡峭边坡上被多组结构面切割，在重力、风化营力、地震、渗透压力等作用下与母岩逐渐分离，稳定性较差的岩体[1]。危岩体一旦失稳后将产生崩塌落石，对坡脚下方的公路、水电站、输电线路等构成威胁。由于危岩体的致灾过程通常极短暂，无前兆特征，且运动过程具有随机性，通过常规计算无法厘清其稳定性与运动参数。本文以工程实例为背景，以地质分析、数值模拟为主要手段，对崩塌危岩体进行分析与计算，得出危岩体的稳定性系数与失稳后崩塌落石的运动学参数，为其他的类似工程提供参考。
一、工程概况
该边坡坡向72°-74°，坡度23°-82°，宽度150m，边坡高度5-46m，岩层产状320°∠20°。边坡岩体节理裂隙发育，坡面凹凸不平，危岩险立。边坡目前稳定性差，坡体上存在潜在崩塌危岩体，威胁坡脚下方的输电线路及其附属设施。
该高陡边坡地层岩性主要为中侏罗统西山窑组（J2x）砂、泥岩互层及第四系（Q4）坡积物。
区内地处中低山区，具有大陆性干旱气候条件下的山地气候特点，冬季多雪，夏秋季多雨，昼夜温差大，属山地半湿润气候区。丰富的降雨、降雪，及季节性的冻融循环作用加剧了危岩体稳定性劣化，亟需进行治理。
二、崩塌危岩体特征与稳定性评价
1.崩塌危岩体稳定性定性评价
根据现场地质调查分析，该边坡主要存在本危岩段内包括4个潜在崩塌危岩体。由于构造与岩性特征一致，将4个危岩体划分为1个崩塌危岩带，其主要特征为：坡向72°、坡度80°，为人工开挖形成岩质崩塌危岩隐患，岩性为砂岩夹泥岩；主要发育有3组垂直节理裂隙，裂隙产状为159°∠88°、320°∠20°，另一组平行坡面，产状为80°∠82°，3组裂隙通过空间组合将岩体切割成块状；由于强烈的风化作用，岩体破碎，表层岩体结构破坏；崩塌类型为滑移式，即落石从母岩脱离后顺潜在滑移面运动。危岩体体积为体积1593.24m3，属于小型崩塌。
图1所示为崩塌危岩体的赤平极射投影图，由图可见裂隙3、裂隙4与裂隙5相交切割于坡面同侧，交点倾角大于原始边坡坡角。但经爆破与人工开挖后，裂隙3与裂隙5相交形成交点倾角与开挖边坡坡面几乎相等，构成不稳定结构。考虑到除裂隙切割岩体产生的不稳定块体处，坡面上还存在大量碎石，易在扰动因素作用下发生滑移式崩塌。
图1裂隙极点等密度投影图
该处边坡共发育3组优势结构面。裂隙1与裂隙2相交切割于坡面同侧，倾角（72°）小于坡角（78°），构成不稳定结构，易形成楔形滑移或倾倒破坏；裂隙2与裂隙3相交切割于坡面同侧，倾角（8°）近乎水平，且远小于坡角（78°），构成较不稳定结构，易在扰动条件下产生楔形滑移或倾倒破坏。
综合以上分析，参照表2“崩塌稳定性定性判别方法”，得出危岩体定性分析结果：现状情况下稳定性较差，预测稳定性差。
表2崩塌稳定性定性判别方法
2.崩塌危岩体稳定性定量评价
滑移式危岩计算模型如图2所示，在进行滑移式危岩体稳定性计算时，如后缘存在陡倾裂隙、滑面缓倾，且岩体完整或较完整的岩质边坡按下式计算：
图2滑移式危岩稳定性的计算模型
式中：
W为危岩体自重（kN/m）；
V为后缘裂隙水压力，按规范选取有V =0.5γwhw2，其中γw为水的重度，γw = 10kN/m3；
U为第i条块滑面水压力（kN/m），根据条块滑面两端压力水头按梯形分布计算，有U=0.5γw l hw；
Q为地震力（kN/m），Q = ηrkWi，其中Wi为第i条滑体分块的重力，ηr为综合影响系数，取0.25，k为水平地震系数，Ⅷ度时取0.2，因此Q= 0.05Wi；
c为后缘裂隙粘聚力标准值（kPa）；当裂隙未贯通时，取贯通段和未贯通段粘聚力标准值按长度加权的加权平均值，未贯通段粘聚力标准值取岩石粘聚力标准值的0.4倍；
φ后缘裂隙内摩擦角标准值（°）；当裂隙未贯通时，取贯通段和未贯通段内摩擦角标准值按长度加权的加权平均值，未贯通段内摩擦角标准值取岩石内摩擦角标准值的0.95倍；
α为滑面倾角（°）。
l为滑面长度（m）。
通过室内物理力学试验与现场地质调查，各崩塌危岩体参数取值如表3所示。
计算的工况状态分为三类，即天然状态、天然状态+降雨（融雪）、天然状态+降雨（融雪）+地震。具体如下：
①工况一（天然状态）：危岩体在自重作用下的稳定性，力学参数采用试验值参数基础上进行一定的折减。
②工况二（天然状态+降雨、融雪）：考虑气候条件，假定崩塌危岩体的后缘裂隙被水充满，其余力学参数采用试验值参数基础上进行一定的折减。
③工况三（天然状态+降雨、融雪＋地震）：危岩体除受自重作用、后缘裂隙被水充满外，增加地震力作用。
经代入参数计算，得出工况一条件下稳定性系数为1.299，判定为基本稳定；工况二条件下稳定性系数为0.951，判定为不稳定；工况三条件下稳定性系数为0.869，判定为不稳定。
将定量评价结果与定性评价结果对比可知，二者的结论吻合程度较好，可以判定三处崩塌危岩体在现状下稳定性较差，受降雨、冻融、风化营力、人工作用等外界扰动持续作用下趋于不稳定，极有可能产生崩塌地质灾害。
表3滑移式危岩体计算参数表
三、危岩体运动学特征
采用Rocfall崩塌落石模拟软件对边坡典型地质剖面进行崩塌运动学模拟计算。依据地质剖面建立的边坡模型如图3所示，在（191，37）处设置崩塌运动起始点，落石质量设置为150千克，模拟情形为共50块落石同时产生滑移式崩塌；模型各段物理力学参数选取如表4所示，共分为三个不同参数段，即基岩出露段、坚硬基岩段与公路路基段。模拟计算结果如图4-图6所示。
图3典型地质剖面模型
图4落石弹跳高度随运动距离变化曲线
图5落石水平运动速度随运动距离变化曲线
图6总动能随运动距离变化曲线
图4至图6所示分别为崩塌落石弹跳高度随运动距离变化曲线、水平运动速度随运动距离变化曲线、总动能随运动距离变化曲线。由模拟结果可以看出，落石在坠落时最大弹跳高度约0.55 m，最大水平运动速度约17 m/s，总动能约23 kJ。
表4崩塌边坡物理力学参数赋值表
结论
通过定性与定量相结合的分析方法对公路边坡崩塌危岩体进行稳定性评价，得出相应结论。通过二者的对比分析最终确定崩塌危岩体的稳定性系数。本文的分析与计算思路可供其他相似的工程项目参考。
参 考 文 献
[1] 刘卫华. 高陡边坡危岩体稳定性、运动特征及防治对策研究[D]. 成都：成都理工大学，2008.
[2] 陈智强，李渝生. 重庆市南川甑子岩危岩形成演化机制分析及防治措施探讨[J]. 中国地质灾害与防治学报，2004，15(2)：78-81.
[3] 胡厚田. 崩塌落石研究[J]. 铁道工程学报，2005，增刊1：387-391.
[4] 《工程地质手册》编委会. 工程地质手册（第四版）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2006.
[5] DB50/143-2003. 地质灾害防治工程勘察规范[S]. 重庆，2003.