堆積體邊坡及危巖體穩(wěn)定性分析

江文才,巫錫勇,2,孫春衛(wèi),肖星光,馮 亮

(1.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756；2.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

在我國西南地區(qū)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的進(jìn)程中，高速鐵路、公路等主干交通線路將大規(guī)模擴(kuò)建或新建。西南地區(qū)的地形地貌主要為高山峽谷，受河流深切、風(fēng)化、構(gòu)造等因素的影響，在河谷兩側(cè)存在著大量的堆積體邊坡和危巖體。往往一個(gè)邊坡上同時(shí)存在欠穩(wěn)定的危巖體以及危巖體失穩(wěn)后形成的堆積體。為了避免受危巖落石及滑坡的影響，鐵路或公路往往采用隧道或橋隧組合形式通過，但受線路走向及場(chǎng)地限制，許多隧道進(jìn)出口的邊仰坡高陡，地質(zhì)條件惡劣，在雨水、地震等因素作用下會(huì)形成落石、崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)隧道及相鄰的橋梁等結(jié)構(gòu)及線路造成危害，影響運(yùn)營[1-3]。而堆積體邊坡其不同于常見的巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡，它是一種具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性、各向異性等復(fù)雜特性的力學(xué)介質(zhì)。這些特性決定了堆積體性質(zhì)研究的復(fù)雜性[4-5]。因此，開展堆積體邊坡穩(wěn)定性、變形特征分析和應(yīng)力變化分析至關(guān)重要。同時(shí)，在堆積體邊坡上部往往存在裸露欠穩(wěn)定的危巖體，而這些危巖體又是堆積體的主要物源，所以有必要在對(duì)堆積體邊坡穩(wěn)定性分析之前，先對(duì)危巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，并對(duì)危巖體失穩(wěn)后形成的落石進(jìn)行模擬分析，最終確定其是否對(duì)工程線路或隧道等造成影響，這樣可為危巖落石和邊坡防護(hù)工程提供決策依據(jù)，也可為今后類似坡體的變形破壞特征、穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)與支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

在危巖落石研究方面，國內(nèi)外主要是對(duì)危巖落石災(zāi)害的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)和分區(qū)[6-10]。美國和加拿大則分別建立了2套危巖落石評(píng)價(jià)分級(jí)系統(tǒng)，分別是加拿大國家鐵路公司的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)系統(tǒng)和美國聯(lián)邦公路管理局的落石災(zāi)害危險(xiǎn)性分級(jí)系統(tǒng)[11-14]。目前，在堆積體邊坡研究方面，國內(nèi)對(duì)于堆積體邊坡的研究日漸增多。趙建軍等[15]研究了堆積體變形特征；國外研究了堆積體邊坡形成機(jī)理、水力效應(yīng)、動(dòng)力分析等并取得了一定的成果，促進(jìn)了邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的新發(fā)展。

本文以小三峽隧道中硐河兩岸岸坡為例，通過野外調(diào)查，分析危巖體失穩(wěn)后可能的影響范圍。運(yùn)用Rockfall軟件對(duì)欠穩(wěn)定的危巖體進(jìn)行數(shù)值模擬，通過落石最終停止運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置及其運(yùn)動(dòng)過程中的能量來判定危巖體失穩(wěn)后是否對(duì)小三峽隧道產(chǎn)生影響。對(duì)危巖落石形成的堆積體邊坡運(yùn)用FLAC 3D軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。

1 工程概況

在建的鄭州—萬州高速鐵路小三峽隧道初步設(shè)計(jì)方案是以明洞方式通過中硐河河谷，后改為以隧道的方式從中硐河谷以下通過。

小三峽隧道位于重慶市奉節(jié)縣和巫山縣交界位置，擬建線路位于長江以北，長江支流大寧河以西，距滬渝高速公路摩天嶺隧道以北約3～6 km，隧道線路全長 18 965 m，最大埋深890 m，線路整體呈弧形延展。小三峽隧道中硐河兩岸山體為河流深切峽谷地貌，而且形成2～3級(jí)陡崖和平臺(tái)，及坡積膏溶角礫巖堆積體地貌。其中，河流下方附近為膏溶角礫巖陡崖及其坡殘積堆積體，山體上方陡崖為含石膏白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等。此外，中硐河處于隧道進(jìn)口北西方向約4.8 km處深切河谷位置。

2 危巖落石數(shù)值模擬

通過野外調(diào)查及查閱相關(guān)資料，確定了小三峽隧道中硐河兩岸的落石發(fā)育機(jī)理及影響范圍，運(yùn)用Rockfall軟件對(duì)危巖落石進(jìn)行數(shù)值模擬，通過落石回彈高度、總能量及落石最終停止運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置來確定落石是否對(duì)小三峽隧道產(chǎn)生影響。另外，由于萬州岸坡度較為陡峭，危巖體節(jié)理裂隙更為發(fā)育，堆積體更為龐大，故本文只對(duì)萬州岸危巖落石及堆積體進(jìn)行數(shù)值模擬，鄭州岸可用相同的方法進(jìn)行模擬分析。

根據(jù)小三峽隧道中硐河萬州岸山體危巖落石發(fā)育機(jī)制、分布狀態(tài)及其影響范圍，選擇對(duì)線路影響最大的2個(gè)危巖區(qū)1-1、2-2剖面進(jìn)行Rockfall模擬分析。根據(jù)鉆孔及野外勘探資料，確定地質(zhì)界線、邊坡坡面性質(zhì)、危巖落石范圍和落石特征。

2.1 剖面選取及參數(shù)選擇

根據(jù)勘察資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，剖面1-1邊坡巖土體性狀依次表現(xiàn)為灰?guī)r夾白云巖—白云巖夾泥灰?guī)r—膏溶角礫巖。剖面2-2邊坡巖土體性狀依次表現(xiàn)為白云巖夾泥灰?guī)r—白云巖夾灰質(zhì)白云巖—灰?guī)r夾泥灰?guī)r。

由于剖面1-1和剖面2-2都位于萬州岸，且坡面巖石風(fēng)化程度相似，故二者采用相同的坡面參數(shù)，坡面參數(shù)見表1。

表1 萬州岸邊坡基本參數(shù)

注：表中Rn為切向恢復(fù)系數(shù)、Rt為法向恢復(fù)系數(shù)、SD為標(biāo)準(zhǔn)偏差。

選取大體積塊石作為危巖體的等效對(duì)象，在邊坡頂部700～780 m高程范圍內(nèi)分布有危巖體，設(shè)置危巖基本參數(shù)為：落石數(shù)量為50個(gè)，質(zhì)量均為 3 000 kg,初始角速度均為0。

圖1 落石運(yùn)動(dòng)軌跡

2.2 Rockfall模擬結(jié)果及分析

利用Rockfall軟件對(duì)2個(gè)危巖區(qū)的危巖體進(jìn)行模擬，得到落石運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示?？芍何r失穩(wěn)后，落石會(huì)沿著坡面往中硐河谷方向滾落，且落石最終停留在小三峽隧道中硐河河谷位置。

利用Rockfall軟件對(duì)2個(gè)危巖區(qū)的危巖體進(jìn)行模擬，得到?jīng)_擊能量和回彈高度見圖2?？芍郝涫Х€(wěn)后攜帶巨大能量，會(huì)對(duì)沿線的工程造成嚴(yán)重的影響。

圖2 危巖體模擬結(jié)果

綜上所述，若小三峽隧道采用明洞的方式通過中硐河，則落石將會(huì)通過隧道口對(duì)隧道造成影響，從而影響隧道運(yùn)營，必須采取措施對(duì)隧道洞口危巖落石進(jìn)行防治。

3 堆積體邊坡穩(wěn)定性分析

小三峽隧道中硐河萬州岸上可見由落石形成的堆積體邊坡，這些堆積體邊坡對(duì)線路工程有著潛在的威脅，邊坡一旦失穩(wěn)將對(duì)工程帶來不可估量的損失。所以運(yùn)用FLAC 3D軟件對(duì)萬州岸某典型的堆積體邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，分析結(jié)果可對(duì)線路方案的選擇或改進(jìn)有指導(dǎo)意義。

3.1 三維模型建立

堆積體的巖土類型為膏溶角礫堆積體，泥質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)，局部還出現(xiàn)溶蝕洞，性質(zhì)較差，故對(duì)堆積體和邊坡基巖體進(jìn)行了單獨(dú)建模。根據(jù)萬州岸實(shí)際地形地貌及工程地質(zhì)特征建立相應(yīng)的三維模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并選取其中的3個(gè)典型剖面進(jìn)行分析研究。1-1′剖面為縱向切過堆積體可能滑動(dòng)方向剖面，主要用于觀察堆積體變形過程中內(nèi)部縱向物理力學(xué)性質(zhì)變化；2-2′剖面為縱向切過堆積體的對(duì)比剖面；3-3′剖面為橫向切過堆積體的剖面，主要用于觀察堆積體變形過程中堆積體橫向力學(xué)性質(zhì)變化。

3.2 參數(shù)選擇

萬州岸基巖主要為三疊系中統(tǒng)的灰?guī)r，邊坡堆積體主要為膏溶角礫巖堆積體。模型選取的參數(shù)見表2。

表2 研究區(qū)域巖體物理力學(xué)指標(biāo)

3.3 模擬結(jié)果及分析

對(duì)天然狀況下的堆積體邊坡分別進(jìn)行極限平衡法穩(wěn)定性分析和強(qiáng)度折減法運(yùn)算分析。在邊坡穩(wěn)定性分析中，研究表明邊坡剪切破壞帶抗剪強(qiáng)度不是同時(shí)發(fā)揮最大，而是逐步非均勻發(fā)展的，因此巖土體滑動(dòng)失穩(wěn)基本都是沿最大剪應(yīng)變的部位發(fā)生。最大剪應(yīng)變分布帶往往是邊坡滑動(dòng)剪切帶，所以剪應(yīng)變?cè)隽糠植继卣魇窃u(píng)判邊坡破壞的一項(xiàng)重要的準(zhǔn)則。通過數(shù)值模擬得到堆積體邊坡的剪應(yīng)變?cè)隽糠植几怕詧D如圖3所示。

圖3 堆積體邊坡剪應(yīng)變?cè)隽糠植几怕詧D

由圖3(a)可知：天然無降雨?duì)顩r下剪應(yīng)變?cè)隽炕緸?，只有堆積體頂部局部有少量的應(yīng)變?cè)隽?，并且?yīng)變?cè)隽恐递^小，堆積體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。由圖3(b)可知：在強(qiáng)度折減法的臨界狀態(tài)下堆積體與邊坡基巖交界處有明顯的剪應(yīng)變?cè)隽繋?，也就是可能的滑?dòng)破壞帶。

在強(qiáng)度折減法分析的臨界狀態(tài)下，堆積體邊坡不同剖面的剪應(yīng)變?cè)隽恳妶D4?？芍憾逊e體在交界面處形成明顯的滑動(dòng)帶。

圖4 堆積體邊坡不同剖面的剪應(yīng)變?cè)隽?

綜上所述，天然無降雨工況下堆積體邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但這是理想條件下，若碰到暴雨和地震等極端天氣，堆積體邊坡將會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，從而對(duì)隧道造成影響，所以小三峽隧道不宜采用明洞方式通過中硐河。

4 結(jié)論

1)危巖失穩(wěn)后，落石會(huì)沖擊隧道口，從而影響隧道運(yùn)營，小三峽隧道不宜采用明洞方式通過中硐河。

2)天然無降雨工況下堆積體邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在強(qiáng)度折減法的臨界狀態(tài)下堆積體與邊坡基巖交界處有明顯的剪應(yīng)變?cè)隽繋?，也就是可能的滑?dòng)破壞帶，所以小三峽隧道不宜采用明洞方式通過中硐河。

[1]葉四橋.隧道洞口段落石災(zāi)害研究與防治[D].成都:西南交通大學(xué),2008.

[2]文登國,秦陽,肖清華,等.高陡邊坡下高橋墩受落石沖擊動(dòng)力響應(yīng)分析[J].鐵道建筑，2015,55(6):31-33.

[3]葉四橋,陳洪凱.隧道洞口坡段落石災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)價(jià)方法[J].中國鐵道科學(xué),2010,31(5):59-65.

[4]陳紅旗,黃潤秋,林峰.大型堆積體邊坡的空間工程效應(yīng)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2005,27(3):323-328.

[5]馮剛.復(fù)雜堆積體邊坡變形失穩(wěn)分析及其穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)[D].天津:天津大學(xué)，2011.

[6]胡厚田.崩塌落石綜合預(yù)測(cè)方法的研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),1996,23(2):182-190.

[7]胡厚田.成昆線共和—尼日巖質(zhì)邊坡崩塌落石強(qiáng)度等級(jí)預(yù)測(cè)的研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),1989,24(1):52-59.

[8]張路青,許兵,尚彥軍,等.川藏公路南線八宿——林芝段滾石災(zāi)害的工程地質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(9):1551-1557.

[9]鄭黎明.寶成線略廣段崩塌落石災(zāi)害發(fā)展速度的預(yù)測(cè)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1994,21(1):13-15.

[10]王林峰,姚昌銀,鄒政,等.基于離散元方法的落石沖擊力變化規(guī)律研究[J].鐵道建筑,2017,57(6):101-105.

[11]HANTZ D,VENGEON J M,DUSSAUGEPEISSER C.An Historical,Geomechanical and Probabilistic Approach to Rock-fall Hazard Assessment[J].Natural Hazards & Earth System Sciences,2003,3(6):693-701.

[12]BAILLIFARD F,JABOYEDOFF M,SARTORI M.Rockfall Hazard Mapping Along a Mountainous Road in Switzerland Using a GIS-based Parameter Rating Approach[J].Natural Hazards & Earth System Sciences,2003,3(5):199-210.

[13]Federal Highway Administration of USA.Rockfall Hazard Rating System:Participantcs Manual [M].US:FH-WA,1993:12-15.

[14]GUZZETTI F,REICHENBACH P,GHIGI S.Rockfall Hazard and Risk Assessment Along a Transportation Corridor in the Nera Valley,Central Italy.[J].Environmental Management,2004,34(2):191-208.

[15]趙建軍，巨能攀，涂國祥.松散堆積體工程邊坡變形機(jī)理分析及支護(hù)對(duì)策研究[J].地質(zhì)工程學(xué)報(bào)，2008，16(5)：611-615.