崩塌危巖體穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)及防治對(duì)策

余會(huì)明，安海堂，張衛(wèi)強(qiáng)

(1.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)，烏魯木齊　830039 ;2.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢　430010;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，徐州　221008)

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崩塌危巖體穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)及防治對(duì)策

余會(huì)明1，安海堂2，張衛(wèi)強(qiáng)3

(1.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)，烏魯木齊830039 ;2.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢430010;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，徐州221008)

對(duì)迪那某橋梁旁的危巖體進(jìn)行勘查，在分析其地質(zhì)環(huán)境條件下查明了該處危巖體的發(fā)育分布特征、裂隙發(fā)育特征和其形成的主導(dǎo)因素和誘發(fā)因素，在現(xiàn)場(chǎng)勘查和室內(nèi)試驗(yàn)取得的巖體物理力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)其在天然狀態(tài)、暴雨?duì)顟B(tài)和地震狀態(tài)下以及不同位置后緣裂隙進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，定量地對(duì)該危巖體進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示：在目前狀態(tài)下距陡崖面35 m范圍內(nèi)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，距陡崖面42 m處為基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況及地震工況下，距陡崖面35 m范圍內(nèi)處于不穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài)，距陡崖面42.0 m處為基本穩(wěn)定-不穩(wěn)定狀態(tài)。并根據(jù)研究結(jié)果對(duì)該危巖體提出了預(yù)應(yīng)力錨索加固和削坡加載、加樁抗滑的防治對(duì)策。

危巖體；穩(wěn)定性；暴雨；地震；防治

1　前言

崩塌危巖體是指高陡斜坡上被多組結(jié)構(gòu)面切割，在風(fēng)化、地震、重力、滲透壓力等作用下與母體逐漸分離，且穩(wěn)定性較差的巖體。高陡坡或陡崖上崩塌危巖體是我們山區(qū)常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型之一，也是對(duì)公路、橋梁、水電站等多種工程建設(shè)有較大危害的地質(zhì)災(zāi)害之一，每年都會(huì)造成人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，特別是西部大開(kāi)發(fā)進(jìn)程的加快，使得山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題日益嚴(yán)重，其中崩塌危巖體也成為了地質(zhì)災(zāi)害研究的一個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

到目前為止，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者也對(duì)危巖體方面開(kāi)展大量的研究工作，特別是較大規(guī)模的危巖體，如樂(lè)琪浪等人采用全站儀、裂縫位移、GPS等方法對(duì)三峽庫(kù)區(qū)望霞危巖體的變形破壞過(guò)程進(jìn)行了綜合監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)危巖體的變形具有漸變和突變兩種類(lèi)型；胡顯明和晏鄂川等人通過(guò)赤平投影法對(duì)巫溪南門(mén)灣危巖體進(jìn)行了穩(wěn)定性分區(qū)研究；石崇等人對(duì)地震作用下陡巖崩塌顆粒進(jìn)行了離散元數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：邊坡是否穩(wěn)定可以通過(guò)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)判斷，地震作用下順坡陡傾角是影響陡崖面穩(wěn)定性的控制性結(jié)構(gòu)面。而對(duì)小危巖體的失穩(wěn)破壞模式、機(jī)制、穩(wěn)定性計(jì)算及防治工作的研究還相對(duì)較薄弱。

本文以迪那某橋梁工程旁的危巖體(BT1)為研究背景，在分析其地質(zhì)環(huán)境的基礎(chǔ)上得到其失穩(wěn)破壞模式，并針對(duì)危巖體在不同位置的裂隙進(jìn)行了穩(wěn)定性定量研究，得到其在天然狀態(tài)、暴雨和地震等工況下的穩(wěn)定性結(jié)果，最后提出了防治對(duì)策，旨在為同類(lèi)工程的設(shè)計(jì)、施工和研究提供參考。

2　崩塌危巖體工程地質(zhì)條件

BT1整體長(zhǎng)約32 m，寬約50 m，平均厚度約35 m，整體約5×104m3，與溝谷河床地面高差85 m，坡向65°、坡度88°。巖體呈塊裂狀，被多組裂隙切割，為巖質(zhì)崩塌危巖體，基座基巖裸露，產(chǎn)狀8°∠8°，無(wú)植被。危巖體為道路施工進(jìn)行山體開(kāi)挖穿越形成，整體形態(tài)呈“U”型，中間為開(kāi)挖道路槽臺(tái)，兩側(cè)為人工開(kāi)挖斜坡。南側(cè)斜坡相對(duì)現(xiàn)有道路高差約23 m，坡度在40°～50°之間，坡長(zhǎng)約30 m；北側(cè)斜坡相對(duì)道路高差約14 m，坡長(zhǎng)14 m，坡度在50°～55°之間；兩側(cè)斜坡均順公路向西地勢(shì)降低。谷底未見(jiàn)堆積物，可能被季節(jié)性洪水帶走或被施工人員清理掉。圖1為該崩塌危巖體概貌。

圖1　BT1危巖體概貌

根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0218-2006)中關(guān)于崩塌地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模的劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示，BT1危巖體為中型。

表1　崩塌地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)

3　成因機(jī)制及影響因素分析

現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，危巖體主要受兩組裂隙控制，一組與臨空面斜交，走向?yàn)楸北蔽?南南東向，傾向?yàn)楸睎|東，傾角在65°～70°之間；第二組近似垂直于臨空面，走向?yàn)槟衔魑?北東東向，傾向北北西，傾角在70°～90°之間。在兩組裂隙共同作用下，危巖體被切割成獨(dú)立的塊體、柱狀體，在后緣卸荷條件下，危巖體沿軟弱結(jié)構(gòu)面或破碎帶處滑移失穩(wěn)。因此從崩塌危巖體的破壞方式來(lái)看，BT1危巖體為滑移危巖體，即在自然或人為因素作用下遭到失穩(wěn)或破壞，離開(kāi)母體沿軟弱結(jié)構(gòu)面向下滑移，從陡崖處崩塌滑落于下方斜坡。從圖2可以看出，BT1危巖體屬于后緣裂隙作用下沿危巖體中破碎帶處發(fā)生滑移式破壞。

圖2BT1滑移式崩塌危巖體

該危巖體形成的主導(dǎo)因素主要為：①地形地貌。BT1危巖體主要發(fā)育在某橋梁橋臺(tái)陡崖處及其上部，陡崖地形不僅為BT1提供了基本條件，還促進(jìn)了卸荷裂隙的發(fā)育，而且陡崖的勢(shì)能加大了危巖崩塌的破壞力。②地層巖性。BT1所在位置地層巖性為第三系上新統(tǒng)泥巖夾灰褐色砂巖薄層或透鏡體，泥巖呈泥狀結(jié)構(gòu)，具有水平層理構(gòu)造，中厚層層狀構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀為8°～20°∠10°～15°，巖層傾向坡外，傾角小于坡腳，在外力作用下可發(fā)育成為崩塌危巖體的滑移面；泥巖屬軟巖，風(fēng)化強(qiáng)烈，通過(guò)鉆孔揭露，巖體內(nèi)部存在破碎帶，破碎帶在溝谷陡崖面局部出露，從而導(dǎo)致危巖體將可能自破碎帶出露處剪出破壞。③地質(zhì)構(gòu)造。BT1崩塌危巖體卸荷裂隙發(fā)育較多，如圖3所示?，F(xiàn)場(chǎng)資料顯示從陡崖面向西80 m范圍內(nèi)巖體破碎，裂隙發(fā)育較多。其中0～15 m范圍內(nèi)，裂隙密集，主要受傾向北東東、北北東，傾角小于坡腳或近直立的兩組裂隙控制，裂隙呈“X”型，裂隙寬多在3～10 cm之間，最寬可達(dá)13～30 cm，無(wú)充填物或充填物位于人工開(kāi)挖邊坡形成的泥巖碎屑、碎塊等，15 m處裂隙產(chǎn)狀為68°∠73°；15～22 m范圍內(nèi)，裂隙較為密集，其中裂隙縫寬在10 cm以上的有兩組，分別傾向北東東、南西西，裂隙近直立，22 m處2條裂隙產(chǎn)狀為25°∠76°、75°∠83°；22～42 m范圍內(nèi)，發(fā)育多條明顯裂隙，其中35 m處2條裂隙為產(chǎn)狀80°∠88°、65°∠72°，42 m處裂隙產(chǎn)狀為78°∠65°～66°。裂隙均張開(kāi)，縫寬為15～20 cm，上部充填泥巖碎屑、碎塊；42～80 m范圍內(nèi)據(jù)物探高密度電法測(cè)深結(jié)果，仍有破碎帶發(fā)育，厚度30 m左右。其中危巖體后緣發(fā)育的裂隙主要為卸荷裂隙，卸荷裂隙產(chǎn)狀為傾向34°～78°，傾向陡崖面外，傾角65°～88°，其中主導(dǎo)卸荷裂隙發(fā)育較多，且裂隙發(fā)育規(guī)模較大，均將會(huì)引起B(yǎng)T1危巖體產(chǎn)生滑移式破壞，次級(jí)卸荷裂隙傾向與主導(dǎo)裂隙相同，傾角近乎直立，僅對(duì)危巖體巖體起到破壞作用。BT1崩塌危巖體在條件適宜時(shí)將在距陡崖面35.0 m處發(fā)育的卸荷裂隙和陡崖上兩條近于平行的構(gòu)造裂隙(產(chǎn)狀340°～350°∠60°～75°)共同作用下發(fā)生滑移式破壞。滑移方向?yàn)?0°左右。同時(shí)，風(fēng)化、降雨、地震及人類(lèi)工程活動(dòng)等誘發(fā)因素促進(jìn)了BT1危巖體的發(fā)育。

4　穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)

根據(jù)野外與室內(nèi)試驗(yàn)取得的巖體物理力學(xué)指標(biāo)選取物理力學(xué)參數(shù)(表2)，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)不同工況條件下(天然狀態(tài)、降雨和地震)的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，定量預(yù)測(cè)危巖體的穩(wěn)定性(表3,圖4)。

從表3可知，根據(jù)BT1危巖體在不同位置發(fā)育的4條后緣裂隙進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可以看出，在距陡崖面35.0 m以?xún)?nèi)的危巖體均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下均呈欠穩(wěn)定，在地震作用下則轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，距陡崖面42.0 m處，天然狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，暴雨條件下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，地震條件下則為不穩(wěn)定狀態(tài)。

表2　巖石物理力學(xué)參數(shù)的選取

圖3　BT1剖面圖

5　防治建議

通過(guò)BT1危巖體所處的地質(zhì)環(huán)境條件和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果，針對(duì)BT1危巖體的防治工作提出兩點(diǎn)建議，即預(yù)應(yīng)力錨索加固和削坡加載、加樁抗滑。

由于危巖體旁邊有橋梁工程施工，需考慮該工程的安全性，因此要適當(dāng)降低橋臺(tái)高度，橋臺(tái)基樁深度增大，如基樁孔底有破碎層須進(jìn)行壓力混凝土灌漿封閉和加固處理，適當(dāng)延長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力錨索的長(zhǎng)度。對(duì)陡崖面采用預(yù)應(yīng)力錨索加固，以保證邊坡的穩(wěn)定性，坡頂進(jìn)行清方處理，強(qiáng)風(fēng)化層采取預(yù)應(yīng)力錨索框架加以固定，錨孔向下傾斜15°，與破壞面正交。錨索內(nèi)錨固段須深入穩(wěn)定巖體，陡立斜坡面和新開(kāi)挖形成的斜坡采用錨網(wǎng)噴護(hù)措施護(hù)坡。對(duì)削方后新形成的邊坡逐級(jí)降低，將橋梁的橋臺(tái)改為橋墩，并增加新的基樁作為抗滑樁，以下方較穩(wěn)定的巖體作為持力層，可以起到抗滑和加固基底破碎巖體的作用。

危巖編號(hào)工況容重/kN·m-3巖體粘聚力/kPa巖體內(nèi)摩擦角/°滑面傾角/°穩(wěn)定系數(shù)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)距陡崖面15m現(xiàn)狀工況19.50.0432.5428.51.18欠穩(wěn)定地震工況19.50.0432.5428.50.77不穩(wěn)定暴雨工況22.30.00231.8128.51.14欠穩(wěn)定距陡崖面22m現(xiàn)狀工況19.50.0432.5428.51.18欠穩(wěn)定地震工況19.50.0432.5428.50.77不穩(wěn)定暴雨工況22.30.00231.8128.51.14欠穩(wěn)定距陡崖面30m現(xiàn)狀工況19.50.0432.5428.51.18欠穩(wěn)定地震工況19.50.0432.5428.50.77不穩(wěn)定暴雨工況22.30.00231.8128.51.14欠穩(wěn)定距陡崖面35m現(xiàn)狀工況19.50.0432.5428.51.18欠穩(wěn)定地震工況19.50.0432.5428.50.77不穩(wěn)定暴雨工況22.30.00231.8128.51.14欠穩(wěn)定距陡崖面42m現(xiàn)狀工況19.50.0438381.18基本穩(wěn)定地震工況19.50.0438380.77不穩(wěn)定暴雨工況22.30.00238381.14基本穩(wěn)定

為防止雨水沿頂部裂隙滲入裂隙強(qiáng)發(fā)育帶而加劇其發(fā)展，對(duì)頂部裂隙及削方開(kāi)挖平臺(tái)須進(jìn)行封閉處理，同時(shí)在周?chē)贾门潘疁?，以確保排水通暢。

6　結(jié)論

(1) 根據(jù)BT1危巖體的地質(zhì)環(huán)境和形態(tài)特征，分析了其成因機(jī)制和主要影響因素，得到其主要成因?yàn)楹缶壭逗闪严?，?zāi)害誘導(dǎo)因素主要為地形地貌、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造，而降雨、地震、人類(lèi)工程活動(dòng)為主要誘發(fā)因素，其破壞模式則為滑移式崩塌。

(2) 通過(guò)對(duì)BT1危巖體在不同工況下、不同位置裂隙發(fā)育情況的定量數(shù)值模擬計(jì)算，得到在目前狀態(tài)下距陡崖面35 m范圍內(nèi)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，距陡崖面42 m處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨工況及地震工況下，距陡崖面35 m范圍內(nèi)處于不穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài)，距陡崖面42.0 m處處于基本穩(wěn)定-不穩(wěn)定狀態(tài)。

(3) 針對(duì)調(diào)查結(jié)果對(duì)該危巖體進(jìn)行削坡加載，強(qiáng)風(fēng)化區(qū)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索加固，削方部位進(jìn)行加抗滑樁的方法進(jìn)行防治。

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THE QUANTITATIVE EVALUATION AND COUNTERMEASURES OF THE STABILITY OF ROCKFALL

YU Hui-ming1, AN Hai-tang2, ZHANG Wei-qiang3

(1.The First Hydrological Brigade of Xinjiang Mine Bureau, Xinjiang , Urumchi830039,China; 2.Central and Southern China Municipal Engineering Design Research Institute Co.,Ltd,. Hubei, Wuhan430010,China; 3.China University of Mining and Technology, School of Resources and Geoscience,Jiangsu,Xuzhou221008,China)

An investigation which found out the development and distribution characteristics, the characteristics of fracture development and the leading factors and inducing factors of the dangerous rock mass based on the analysis of geological conditions was conducted on dangerous rock body near the bridge in Dina. Based on the physical and mechanical parameters of rock mass obtained in the field investigation and laboratory test, an numerical simulation was completed under natural conditions, storm conditions and earthquake status, fracture of posterior border in different positions, and we evaluate the stability of the dangerous rock mass. The results show that: the dangerous rock mass is nearly stable state in the range of 35 m under current state, and basically stable state in the range of 42 m; the dangerous rock mass is unstable-nearly stable state in the range of 35 m under current state under storm conditions and earthquake state, and basically-unstable stable state in the range of 42m. According to the results of the study, the prevention and control measures of prestressed anchor reinforcement, cutting load and adding pile anti slide were put forward.

dangerous rock mass; stability; storm; earthquake; prevention

1006-4362(2016)03-0035-06

2016-04-12改回日期：2016-05-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41102201)資助

P642.21;TU457

A

余會(huì)明(1982-)，男，工程師，2007年畢業(yè)于石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院巖土工程專(zhuān)業(yè)，目前主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)相關(guān)研究工作。E-mail：yuhm1192@126.com