太平頂景區(qū)懸崖穩(wěn)定性及防治措施研究

蘭俊　劉杰　燕波　高進　張羅送　高素芳

摘要：本文以某工程為例，結(jié)合現(xiàn)場勘查、理論分析和FLAC 3D數(shù)值模擬在各工況下對懸崖整體穩(wěn)定性進行評估，研究表明在未加固條件下，工況2為最危險工況，崖體有可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)，但各工況下崖體整體穩(wěn)定性較好，懸崖大區(qū)域是穩(wěn)定的；從懸崖局部模型穩(wěn)定性分析可得，在懸崖邊緣1m范圍內(nèi)，不能建造建筑物；在懸崖邊緣15m范圍內(nèi)無需對崖體進行支護，便可建造建筑物；研究最終表明雖然崖體現(xiàn)狀穩(wěn)定，但安全儲備不足，存在局部失穩(wěn)的可能，針對此，給出4種加固防護方案，從而保證懸崖整體具有較高的安全性。

Abstract： Taking a project as an example， this paper evaluates the overall stability of the cliff under various working conditions by combining site investigation， theoretical analysis and FLAC 3D numerical simulation. The research shows that under unreinforced conditions， working condition 2 is the most dangerous working condition， and the cliff body may have local instability， but the overall stability of the cliff body is better under various working conditions， and the large cliff area is stable. From the analysis of the stability of the local cliff model， it can be concluded that within 1m of the cliff edge， buildings can not be built； buildings can be built without the need to support the cliffs within 15m of the edge of the cliffs； the study finally shows that though the cliff is in stable condition， its safety reserve is insufficient， and there is the possibility of local instability. According to this， four kinds of reinforcement protection schemes are given， so as to ensure the overall cliff has higher safety.

關(guān)鍵詞：崖體；穩(wěn)定性分析；數(shù)值模擬；加固防護措施

Key words： cliff body；stability analysis；numerical simulation；strengthening protective measure

中圖分類號：TU45 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0137-05

0 引言

危巖是山丘地區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害之一。它是指位于陡崖或陡坡上被多組巖體結(jié)構(gòu)面切割且穩(wěn)定性較差的巖石塊體及其組合，其形成、失穩(wěn)與運動屬于斜坡動力地貌過程的主要表現(xiàn)形式[1]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展以及工程建設(shè)的不斷增多，危巖體失穩(wěn)破壞對人類生命財產(chǎn)安全造成的威脅越來越嚴重，因此正確分析、判斷、預(yù)測危巖體變形失穩(wěn)模式，對危巖體的穩(wěn)定性分析計算的基礎(chǔ)上提出防治措施，具有較大價值和工程實際意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度對危巖體失穩(wěn)機制展開了研究分析，陳洪凱等[2-3]分別基于斷裂力學(xué)方法和極限平衡法建立了危巖穩(wěn)定性分析方法；王立人[4]等根據(jù)土力學(xué)及巖體力學(xué)理論，針對危巖體的可能破壞類型，給出了穩(wěn)定性系數(shù)計算公式；孫云志[5]等將地震作用考慮進剪切破壞崩塌，并對傾倒巖體提出第一、第二失穩(wěn)判據(jù)；陳志強[6]等對重慶市南川甑子巖危巖形成的演化機制進行了分析研究，并提出了相應(yīng)防治措施；王林峰、陳洪凱等[7]研究了地震作用下墜落式危巖的穩(wěn)定性；楊志等[8]對瀘定縣觀音閣景區(qū)危巖穩(wěn)定性進行分析并提出治理方案；國外學(xué)者如A.M. Ferrero[9]等通過遙感獲得巖體結(jié)構(gòu)特征對意大利北部某地區(qū)的巖質(zhì)陡崖危巖災(zāi)害進行了調(diào)查分析；Ferlisi[10]等對意大利南部某旅游景區(qū)邊坡危巖落石對景區(qū)產(chǎn)生的安全問題評價。

結(jié)合上述研究成果， 本文以遠安縣太平頂景區(qū)懸挑式危巖體為研究對象，著重分析懸崖上建造房屋對懸崖危巖體穩(wěn)定性的影響， 并根據(jù)分析結(jié)果提出了安全建造區(qū)域以及相應(yīng)的防治措施。

1 工程概況

1.1 工程簡介

擬建湖北省宜昌市遠安縣太平頂旅游區(qū)項目場地，屬荊山山脈東南的延伸帶。 懸崖航拍俯視圖如圖1所示，擬建懸崖木屋位于北西側(cè)山頂懸崖邊緣區(qū)域，該處工程建設(shè)依山而建，基本不改變現(xiàn)狀地形地貌，可能引發(fā)或加劇的地質(zhì)災(zāi)害主要為建設(shè)活動攪動及荷載導(dǎo)致的懸崖臨空側(cè)巖體局部崩塌、剝落掉塊。據(jù)地災(zāi)評估報告，預(yù)測引發(fā)或加劇地質(zhì)災(zāi)害的可能性中等，危險性中等，危害性中等。

1.2 地質(zhì)條件

該處巖性為泥盆系云臺觀組石英砂巖（D2-3y），巖層產(chǎn)狀78-93°∠10-15°，坡向大多在265°～289°之間，坡度84-90°。受兩組裂隙控制，1組產(chǎn)狀332°∠75°，發(fā)育密度1條/m，呈微張狀；2組產(chǎn)狀86°∠67°，發(fā)育密度1條/m，局部張開。該懸崖中部白皮松位置為一典型危巖體，有多組節(jié)理切割形成石柱，與整段懸崖完全隔離，現(xiàn)狀基本穩(wěn)定，但預(yù)測穩(wěn)定性差，應(yīng)完全避免人類工程影響。北側(cè)懸崖如圖2所示。

2 計算參數(shù)、模型及工況

2.1 計算參數(shù)

危巖體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，參數(shù)選取時說明是根據(jù)工程類比法選取，模型建立參數(shù)選取如表1所示。

2.2 計算模型

采用FLAC3D進行數(shù)值分析[11-13]，根據(jù)表1建立長度為2km的整體懸崖三維模型，研究懸崖巖土體在各工況下的整體穩(wěn)定性，該懸崖整體模型如圖3所示。

2.3 計算工況條件說明

①針對建房考慮了施工對周圍巖體的擾動破壞，巖體參數(shù)降低20%[14-15]；考慮長期性水軟化及巖體工程運行五十年后的巖體風(fēng)化，巖體性質(zhì)降低40%[18-20]。

②根據(jù)《GB 50011-2010（2016年版）建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[16]建筑所在地區(qū)遭受的地震影響，應(yīng)采用宜昌市項目所在地的抗震設(shè)防烈度和設(shè)計基本地震加速度等地震動參數(shù)來表征，如表2所示。

③根據(jù)《GB 50011-2010（2016年版）建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中考慮局部突出地形（主要是指山包、山梁和懸崖、陡坎等）對地震動參數(shù)的放大作用，以突出地形的高差H，坡降角度的正切H/L以及場址距突出地形邊緣的相對距離L1/H為參數(shù)，歸納出各種地形的地震力放大作用如下：

結(jié)合本工程可知：懸崖突出地形的高度H≥60m，且局部突出臺地邊緣的側(cè)向平均坡降（H/L）≥1.0，故局部突出地形地震影響系數(shù)的增大幅度為0.6；且L1/H<2.5，？孜取1.0；即局部突出地形頂部的地震影響系數(shù)的放大系數(shù)

3 懸崖整體模型計算成果分析

3.1 計算工況

根據(jù)建立計算模型，施加以下荷載工況進行具體分析：①工況1：考慮巖體自重+房屋荷載；②工況2：考慮地震情況；③工況3：最危險工況+加固處理（考慮被加固區(qū)域巖體參數(shù)提高10%）。

3.2 三種工況下懸崖整體位移、應(yīng)力計算結(jié)果

上述三種工況下懸崖整體位移、應(yīng)力計算結(jié)果如表4所示。

3.3 三種工況下懸崖整體穩(wěn)定性結(jié)果分析

3.3.1 工況1崖體穩(wěn)定性分析

由表4和圖4從位移、應(yīng)力和塑性區(qū)分析工況1：考慮巖體自重+房屋荷載可知；崖體整體除在邊緣懸挑區(qū)有小部分塑性貫通區(qū)外，其余基本無塑性貫通區(qū)；施加房屋荷載后，主要考慮懸崖巖體受拉狀態(tài)即Y方向位移、應(yīng)力，Y方向（垂直于巖壁長邊方向）的最大位移主要集中于崖體邊緣，最大值為22.5cm；最大拉應(yīng)力位于崖體懸挑部位，最大值為0.03MPa；可知工況1作用下崖體整體穩(wěn)定性較好。

3.3.2 工況2崖體穩(wěn)定性分析

由表4和圖5從位移、應(yīng)力和塑性區(qū)分析工況2：考慮地震情況可知；房屋荷載加載后崖體邊緣大面積塑性區(qū)成貫通狀態(tài)，表明崖體整體穩(wěn)定性較差；Y方向的最大位移值為30cm，最大拉應(yīng)力位于崖體裂隙、懸挑區(qū)域，拉應(yīng)力最大值為0.125MPa。三者相互印證，表明崖體在該工況下處于危險狀態(tài)，崖體有可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)，應(yīng)對崖體局部進行支護處理。

3.3.3 工況3崖體穩(wěn)定性分析

由表4和圖6從位移、應(yīng)力和塑性區(qū)分析工況3：最危險工況+加固處理可知；懸崖危巖加固后崖體邊緣基本不出現(xiàn)塑性區(qū)貫通狀態(tài)，表明加固后崖體呈基本穩(wěn)定狀態(tài)；加固后，位移和應(yīng)力都是在崖體邊緣，但對崖體穩(wěn)定基本無影響，Y方向位移和拉應(yīng)力最大值分別為2.5cm和0.01MPa。此結(jié)果與崖體邊緣基本不出現(xiàn)塑性區(qū)相互印證，表明在該工況下崖體加固后整體穩(wěn)定性較好，具有較高的安全系數(shù)。

綜上三種工況分析可知；懸崖在未加固條件下，工況2為最危險工況，崖體有可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)。各工況下距崖體邊緣5～10m范圍內(nèi)施加房屋荷載產(chǎn)生的塑性區(qū)與崖壁邊緣有小部分貫通；10m范圍外施加房屋荷載產(chǎn)生的塑性區(qū)與崖壁邊緣無貫通，總體來說，崖體整體穩(wěn)定性較好，懸崖大區(qū)域是穩(wěn)定的。

4 局部模型穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場勘測結(jié)果和上述結(jié)論，選取懸崖塑性區(qū)發(fā)育較大和懸崖地質(zhì)巖體破損程度嚴重的區(qū)域1、2、3如圖7所示，建立局部三維模型，如圖8所示，并根據(jù)房屋荷載到懸崖邊緣的距離劃分兩種工況，進行崖體局部穩(wěn)定性分析，通過分析局部模型，進一步驗證懸崖的整體穩(wěn)定性。

4.1 工況說明

本文針對施加房屋荷載到懸崖邊緣的距離劃分兩種工況，①工況4：房屋荷載施加在懸崖懸挑1m處；②工況5：房屋荷載施加在離懸崖懸挑15m處；如圖9、10所示。

4.2 各工況下懸崖局部區(qū)域穩(wěn)定性分析

4.2.1 懸崖局部區(qū)域位移、應(yīng)力計算結(jié)果

上述兩種工況下懸崖局部模型位移、應(yīng)力計算結(jié)果如表5所示。

4.2.2 工況4懸崖局部區(qū)域穩(wěn)定性分析

房屋荷載施加在距懸崖懸挑1m處的塑性區(qū)圖如圖11所示。

結(jié)合表5圖11從塑性區(qū)、位移和應(yīng)力三個方面進行穩(wěn)定性分析可知：

①崖體懸挑區(qū)域出現(xiàn)較大面積的塑性區(qū)貫通，其主要分布于懸挑位置周圍。

②Y方向的最大位移主要集中于崖體懸挑與垂直面過渡區(qū)，位移最大值為20cm，與崖體懸挑區(qū)出現(xiàn)較大面積塑性區(qū)相互印證。

③從應(yīng)力云圖綜合分析，最大拉應(yīng)力位于崖體懸挑部位，拉應(yīng)力最大值0.25MPa。

表明在此工況下懸崖懸挑區(qū)出現(xiàn)崖體失穩(wěn)可能性較大，存在較大安全風(fēng)險，故此工況下不建議直接布置建筑物。

4.2.3 工況5懸崖局部區(qū)域穩(wěn)定性分析

房屋荷載施加在距懸崖懸挑15m處的塑性區(qū)圖如圖12所示。

結(jié)合表5圖12從塑性區(qū)、位移和應(yīng)力三個方面進行穩(wěn)定性分析可知：

①施加房屋荷載后，崖體懸挑區(qū)域無塑性區(qū)，此種工況對懸崖穩(wěn)定性影響較小。

②施加房屋荷載后，Y方向位移基本不發(fā)生變化，表明在臨近崖體15m處施加房屋荷載對懸崖崖體的位移影響很小，此結(jié)果與上述崖體懸挑區(qū)出現(xiàn)較小塑性區(qū)相互印證。

③施加房屋荷載后，主要考慮巖體受拉狀態(tài)，從應(yīng)力云圖綜合分析，此工況下崖體基本無拉應(yīng)力。

表明房屋荷載施加在離懸崖邊緣15m處時，崖體塑性區(qū)、位移及應(yīng)力均很小，對崖體穩(wěn)定性基本無影響，故在懸崖邊緣15m范圍內(nèi)無需對崖體進行支護，即可建造建筑物。

綜上，對崖體局部區(qū)域穩(wěn)定性分析可知，房屋荷載施加在懸崖懸挑1m處，崖體失穩(wěn)風(fēng)險較大，不能建造建筑物；在距崖體邊緣15m處施加房屋荷載，對崖體穩(wěn)定性基本無影響，無需對崖體進行支護，便可建造建筑物。

4.3 房屋布置及加固措施建議

針對上述結(jié)論和結(jié)合太平頂懸崖現(xiàn)場詳細調(diào)查結(jié)果，對現(xiàn)場房屋布置給出如下建議及加固措施。

4.3.1 現(xiàn)場木屋布置建議

結(jié)合現(xiàn)場勘測及計算分析結(jié)果情況可知，懸崖總體穩(wěn)定性北側(cè)較好，南側(cè)懸崖出露多處卸荷裂隙，雖然崖體現(xiàn)狀穩(wěn)定，但安全儲備不足。另外懸崖巖體主要組成成分為石英砂巖，抗風(fēng)化能力中等，靠近懸崖邊界處風(fēng)化程度遠大于內(nèi)側(cè)，基于以上調(diào)查結(jié)論，木屋現(xiàn)場布置調(diào)整建議如下：

①太平頂懸崖白皮松以北區(qū)域基本穩(wěn)定，可以布置木屋，木屋間距應(yīng)保持大于10m，木屋外側(cè)基礎(chǔ)持力端應(yīng)保持距離懸崖邊界5m以上。

②太平頂懸崖轉(zhuǎn)折端至西側(cè)金頂范圍現(xiàn)狀基本穩(wěn)定，但安全儲備不足，特別是圖9中紅圈內(nèi)區(qū)域，不能保證景區(qū)運行期長時間的穩(wěn)定性，建議減少木屋建設(shè)，必須建設(shè)的木屋外側(cè)基礎(chǔ)持力端應(yīng)保持距離懸崖邊界10m以上（10m以內(nèi)建設(shè)必須實施人工加固處理）。

③基礎(chǔ)入巖施工過程必須盡量減少對懸崖的擾動，由于懸崖外側(cè)臨空，且?guī)r性偏脆，基礎(chǔ)入巖施工過程不可采用沖積和擠土形式，應(yīng)采用回轉(zhuǎn)的方式進入基巖。

4.3.2 懸崖防治建議

針對懸崖巖土體安全儲備不足，存在局部失穩(wěn)的可能提出以下加固防護方案，下述方案施工過程中要盡量減少對崖體邊緣5m范圍內(nèi)的擾動。

①危巖清除：對懸崖局部位置破損或松動危巖體宜采用清除措施，在危巖實施清除處理前充分論證清除后對母巖的損傷程度。

②裂縫灌漿封閉：太平頂山體中節(jié)理面較多、巖體較破碎，特別是靠近懸崖邊緣處，為了確保山體的整體性，可進行有壓灌漿處理（特別是設(shè)計中部分木屋接近懸崖邊緣的情況），灌漿孔應(yīng)盡可能穿越較多的巖體裂隙面尤其是主控裂隙面，灌漿材料應(yīng)盡量充填封閉，使得懸崖巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面、節(jié)理裂隙面的強度等參數(shù)得以提高，并提高其防水止?jié)B性能，從而保證巖體的完整性，減弱房屋荷載對順坡向陡傾角節(jié)理面和卸荷裂隙的影響。

③修建完備的排水系統(tǒng)：一方面在懸崖頂部卸荷裂隙發(fā)育的附近，進行防水處理，防止雨水滲入，集聚到裂隙發(fā)育的地方，避免巖體裂隙進一步擴大；另一方面在景區(qū)建設(shè)過程中完成系統(tǒng)排水工程，減少生活污水及降雨對懸崖裂隙的進一步影響。

④建成完備的監(jiān)測體系：進去運行后，懸崖的穩(wěn)定性尤為重要，建議業(yè)主建成完備的監(jiān)測系統(tǒng)，有人員巡視和位移監(jiān)測組成，及時獲取懸崖的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，確保景區(qū)安全運營。

5 結(jié)論

①懸崖整體穩(wěn)定性分析可知，在未加固條件下，工況2兩種工況為最危險工況，崖體有可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)；各工況下崖體整體穩(wěn)定性較好，懸崖大區(qū)域是穩(wěn)定的；

②懸崖局部模型穩(wěn)定性分析可知，在懸崖邊緣1m范圍內(nèi)，不能建造建筑物；在懸崖邊緣15m范圍內(nèi)無需對崖體進行支護，便可建造建筑物；

③結(jié)合現(xiàn)場勘查及計算結(jié)果分析可知，雖然崖體現(xiàn)狀穩(wěn)定，但安全儲備不足，存在局部失穩(wěn)的可能。針對此，給出4種加固防護方案，從而保證懸崖整體具有較高的安全性。

參考文獻：

[1]陳洪凱，唐紅梅，葉四橋，等.危巖防治原理，2006.

[2]陳洪凱，唐紅梅，王林峰，等.緩傾角巖質(zhì)陡坡后退演化的力學(xué)機制[J].巖土工程學(xué)報，2010，32（3）：468-473.

[3]Chen Hongkai，Tang Hongmei.Method to calculate fatigue fracture life of control fissure in perilous rock[J]. Applied Mathematics and Mechanics，2007， 28（5）：643-649.

[4]王立人，宋克強.崩塌的形成及危巖體的穩(wěn)定分析[J].陜西水力發(fā)電，1990（03）：16-22.

[5]孫云志，任自民，王立，等.奉節(jié)李子埡危巖體穩(wěn)定性研究[J].人民長江，1994（09）：48-53.

[6]陳智強，李渝生.重慶市南川甑子巖危巖形成演化機制分析及防治措施探討[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2004（01）：81-84.

[7]王林峰，陳洪凱，唐紅梅，等.地震作用下墜落式危巖穩(wěn)定性分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2013，9（05）：1191-1196.

[8]楊志，楊志雙，劉鑫，等.瀘定縣觀音閣危巖穩(wěn)定性分析與治理方案設(shè)計[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2016，43（10）：76-82.

[9]A.M. Ferrero，M. Migliazza，R. Roncella，A. Segalini. Rock cliffs hazard analysis based on remote geostructural surveys： The Campione del Garda case study （Lake Garda， Northern Italy）[J]. Geomorphology，2010，125（4）.

[10]Ferlisi，Rockfall risk assessment to persons travelling in vehicles along a road： the case study of the Amalfi coastal road （southern Italy）.

[11]黎晨.基于Flac3D和3DEC數(shù)值模擬技術(shù)的巖體穩(wěn)定性評價[A].2017年山區(qū)第四紀環(huán)境與城鎮(zhèn)建設(shè)學(xué)術(shù)研討會論文集[C].2017：10.

[12]劉宏磊，劉玉娟，劉占敏，等.矸石山邊坡穩(wěn)定特征的FLAC3D數(shù)值模擬分析[J].西部資源，2013（04）：92-94，96.

[13]張如林，樓夢麟.基于FLAC3D的斜入射地震波作用的數(shù)值模擬方法研究[J].土木工程學(xué)報，2010，43（S1）：22-27.

[14]杜時貴，雍睿，陳咭扦，等.大型露天礦山邊坡巖體穩(wěn)定性分級分析方法[J/OL]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1-11（2017-10-17）.

[15]廖少波.強震作用下塊狀巖體邊坡穩(wěn)定性研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)，2013.

[16]GB 50011-2010（2016年版）建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].GB.