FAST 景區(qū)公路滑塌式危巖穩(wěn)定性分析及防治對策

周桂香 楊昌妮 潘網(wǎng)生,2 傅良同,2 姚 興,2

（1、黔南民族師范學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院，貴州 都勻558000 2、黔南景區(qū)溶洞資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護工程研究中心，貴州 都勻558000）

危巖（potentially unstable rock mass）是發(fā)育在陡坡上的，因巖石結(jié)構(gòu)面斷裂失穩(wěn)形成的不穩(wěn)定巖石，在外界條件作用下容易引發(fā)墜落從而形成巖體崩塌[1]。陳洪凱等[1-2]根據(jù)危巖體失穩(wěn)的不同方式，將危巖劃分為三種不同的類型，即滑塌式、傾倒式、墜落式三種，并且根據(jù)危巖體所受到的荷載組合作用力不同，將其劃分為三種不同的荷載組合類型，分別為天然狀態(tài)下危巖體自重+孔隙水壓力、暴雨狀態(tài)下危巖體的自重+孔隙水壓力、天然狀態(tài)下危巖體的自重+孔隙水壓力+地震力。

對于危巖的穩(wěn)定性分析，國內(nèi)學(xué)者們對危巖的穩(wěn)定性研究重點主要集中在危巖的主控結(jié)構(gòu)面斷裂的問題上，并運用多種理論方法來分析其受力問題[3]。陳洪凱等[4]分析了影響危巖穩(wěn)定的主控結(jié)構(gòu)面強度，運用貫通率法來計算危巖主控結(jié)構(gòu)面的抗剪強度。周云濤[5]運用危巖受到應(yīng)力斷裂后來分析對強度因子其穩(wěn)定性的影響，分析了聯(lián)合應(yīng)力在危巖體主控結(jié)構(gòu)面上的分布，總結(jié)得到了新的危巖穩(wěn)定性的計算方法。龔昱文[6]將極限平衡法與斷裂力學(xué)理論相結(jié)合，選擇采用剪應(yīng)力以及周向應(yīng)力的最大準則來計算危巖體的穩(wěn)定性，最后運用最大剪應(yīng)力得出的結(jié)果與極限平衡法得出的結(jié)果大致相同。肖盈[7]選取影響危巖穩(wěn)定性的巖體自身條件、自然條件、人類活動等七種因素，建立模糊矩陣，運用模糊評價法評價危巖體的穩(wěn)定性。王林峰等[8]運用危巖主控結(jié)構(gòu)面斷裂時所受到的不同的應(yīng)力，與時間效應(yīng)的原理結(jié)合，推導(dǎo)出危巖體穩(wěn)定性計算的方法，結(jié)果表明危巖的穩(wěn)定性系數(shù)與時間變化呈線性相關(guān)的關(guān)系。謝全敏等[9]選取了影響危巖穩(wěn)定的不同因子構(gòu)建出灰色模糊矩陣對危巖穩(wěn)定性進行計算，再運用危巖的可靠程度計算其穩(wěn)定性，后在時間序列的基礎(chǔ)上建立的數(shù)學(xué)模型來判斷危巖在不同時間段內(nèi)的變化，評價結(jié)果表明這三種方法計算的結(jié)果基本一致。

危巖穩(wěn)定性分析方法有極限平衡法、斷裂力學(xué)法、貫通法、時效分析法等，還有突變理論等。其中，極限平衡法是多數(shù)學(xué)者在研究危巖穩(wěn)定性中最常使用的一種二維平面分析方法，也有部分學(xué)者突破了傳統(tǒng)的二維平面分析危巖穩(wěn)定性的方法，采用三維空間結(jié)合極限平衡理論以及強度理論進行分析評價[10-11]。本文將在二維平面的基礎(chǔ)上，針對FAST 景區(qū)公路危巖體的穩(wěn)定性開展相關(guān)研究工作，擬運用極限平衡法探討滑塌式危巖在不同類荷載組合類型下的穩(wěn)定性，并根據(jù)危巖的穩(wěn)定性程度提出相應(yīng)防治措施。

1 研究區(qū)域概況以及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

FAST 是中國500 m 口徑射電望遠鏡，現(xiàn)已建成一個著名旅游景點，也稱FAST 天眼景區(qū)。

1.1.1 區(qū)域位置

FAST 景區(qū)位于貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼洼地，處平塘縣與羅甸縣之間，其東北部的平塘縣城距此大約85 km，其西南部的羅甸縣城距此約45 km[12]。

1.1.2 氣候特征

FAST 景區(qū)處于亞熱帶，全年平均氣溫在16 ℃左右，氣候比較濕潤，降水形式多樣化，全年的降水天數(shù)平均在160 天以上，全年平均降水量超過了1200 mm[12]。這樣的氣候為促進FAST景區(qū)的旅游發(fā)展提供了非常好的條件，也正因此吸引了較多的國內(nèi)外游客到此進行科研、觀光。

1.1.3 水文狀況

FAST 景區(qū)北部的擺郎河在航龍地區(qū)進入地下，在一定條件下形成了地下河，并且這些地下河一直向南流動，最終又從南部的羅甸地區(qū)流到地表面[12]。因而景區(qū)內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的地上河流，但地下水比較發(fā)育，在一些巖石裂縫或者巖石溝谷中可以見到有水流流出地表。

1.1.4 地質(zhì)地貌

FAST 景區(qū)內(nèi)出露的巖石多為三疊系灰?guī)r[13]，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，向斜與斷層發(fā)育比較普遍，喀斯特地貌廣布，多峰叢洼地。其中，主要的向斜發(fā)育有克度向斜、砂廠向斜、董當向斜，都大致呈SN 走向，F(xiàn)AST 景區(qū)主要位于克度向斜的東部；區(qū)域內(nèi)主要的斷層發(fā)育有董當斷層、董架斷層、騰子沖斷層，其中董當斷層呈SN 走向縱貫景區(qū)內(nèi)部[14]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文涉及危巖體的物理力學(xué)參數(shù)均采用高云河[14]實驗數(shù)據(jù)，具體數(shù)值如表3 所示。危巖體A、B 的形態(tài)特征由實地調(diào)研測量所得，具體數(shù)據(jù)見表2。

2 研究方法

根據(jù)研究區(qū)的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)繪制出研究區(qū)的公路線路圖（圖1），選取了FAST 景區(qū)公路的兩處危巖體進行穩(wěn)定性研究，并將危巖體編號為危巖體A 和危巖體B。根據(jù)陳洪凱等[1]研究，危巖體的穩(wěn)定性會受到三種不同荷載組合作用的影響，分別是天然狀態(tài)下危巖體自重與其所承受的孔隙水壓力作用下的荷載組合、暴雨狀態(tài)下危巖體的自重與其所承受的孔隙水壓力作用下的荷載組合、天然狀態(tài)下危巖體的自重與其所承受的孔隙水壓力以及地震力相互作用下的荷載組合。本文按上述三種工況分別對危巖體A 和危巖體B 進行穩(wěn)定性分析。

圖1 FAST 景區(qū)公路路線

2.1 危巖體概化模型構(gòu)建

由于實際情況過于復(fù)雜，為便于將問題簡單化，本文借助于CAD 軟件對危巖體A 及危巖體B 進行抽象概化，形成概化模型，用以清晰描述危巖體結(jié)構(gòu)面的斷裂方向及其破裂面傾角，并根據(jù)危巖體定義及其破壞模式[1]，將危巖體A、B 定義為滑塌式類型。

2.2 危巖穩(wěn)定性系數(shù)計算

由于需要考慮危巖體在不同荷載組合情況下的穩(wěn)定差異性，本文擬運用極限平衡法分別探討天然狀態(tài)下危巖體自重附加孔隙水壓力，暴雨狀態(tài)下危巖體自重附加孔隙水壓力，天然狀態(tài)下危巖體自重附加孔隙水壓力、附加水平地震力的危巖體穩(wěn)定性。

其中：e 為傾斜巖層貫通段的垂直高度（m），γw 為水的容重，下同。

對于第二種荷載組合，孔隙水壓力Q 與穩(wěn)定性系數(shù)K 分別為：

對于第三種荷載組合，孔隙水壓力Q 與穩(wěn)定性系數(shù)K 分別為：

危巖體的地震力由地震力系數(shù)ζ 與其單位長度重力W 的乘積求出，可將其表示為：

2.3 危巖穩(wěn)定性評價

危巖體的破壞模式主要有滑塌式、傾倒式、墜落式等三種類型，其穩(wěn)定性評價標準見表1。

表1 危巖穩(wěn)定性評價標準[1]

3 算例分析

本文選取FAST 景區(qū)公路上的兩處危巖體A 和B，均屬于滑塌式類型。危巖體A 位于東經(jīng)106 °53 ′27''，北緯25°38′13''，其巖層傾角為18 °；危巖體B 位于東經(jīng)106 °53 ′42''，北緯25 °38 ′20''，其傾角為15 °[15]。危巖體A 及危巖體B的實景圖及其不同側(cè)面如圖2 所示。

圖2 巖層傾斜特征

圖3 危巖體A 模型

圖4 危巖體B 模型

極限平衡法計算結(jié)果表明，危巖體A 在第一種荷載組合作用下的穩(wěn)定性系數(shù)為1.829，在第二種荷載組合作用下的危巖穩(wěn)定性系數(shù)為1.827，在第三種荷載組合作用下的危巖穩(wěn)定性系數(shù)為1.806。危巖體B 在第一種荷載組合的作用下的危巖穩(wěn)定性系數(shù)為2.031，在第二種荷載組合的作用下的危巖穩(wěn)定性系數(shù)為2.025，在第三種荷載組合的作用下的危巖穩(wěn)定性系數(shù)為2.001。危巖體A、B 在任一荷載組合作用下的穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.3，據(jù)此可以判斷危巖體A、B 始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在暴雨和水平地震力模擬狀態(tài)下的穩(wěn)定性均較天然狀態(tài)下稍差，說明暴雨和地震力對喀斯特危巖體的穩(wěn)定性影響不容忽視。

4 防治措施

一般而言，針對體積較小的危巖體，可以直接清除處理，針對體積較大的危巖體，可以通過設(shè)置防滑樁或在危巖體裂縫處灌注混凝土處理，當然，有時可以將上述方法綜合應(yīng)用[2][12][16][17]。

經(jīng)極限平衡法計算，危巖體A 和危巖體B 在三種荷載組合的作用下均處于穩(wěn)定狀態(tài)，那么對于危巖體A 和危巖體B 的治理措施只需要圍繞預(yù)防措施開展即可，如：定期掃除周圍的碎石塊，防止危巖體風化后脫落下墜；用防護網(wǎng)遮蓋危巖體，防止落石下墜；在公路擺放落石下墜路段的警示，以提醒過往車輛及行人注意安全。另外，可采用生物措施進行防治，即在危巖體下部用土袋堆砌成土墻后，在這些土墻上種植一些藤蔓類的植物，除起到一定的防風化和落石緩沖作用，也可以美化公路環(huán)境。由于貴州地殼板塊相對穩(wěn)定，發(fā)生地震的概率較低，因此應(yīng)重點關(guān)注暴雨狀態(tài)下的危巖體A、B 的災(zāi)害防治，應(yīng)建設(shè)好應(yīng)急通道，如突遇暴雨天氣，要及時疏散景區(qū)滯留游客；同時加強天氣監(jiān)測預(yù)報，禁止游客在強暴雨天氣進入景區(qū)。配套的工程措施有：在危巖體下部開挖排水溝，導(dǎo)出其巖層裂隙內(nèi)部積水，或?qū)r層裂隙上部開口進行灌漿填封處理。

5 結(jié)論

5.1 基于極限平衡法的危巖體穩(wěn)定性計算結(jié)果表明，危巖體A、B 在三種荷載組合作用下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。該方法簡單、可操作性強、計算結(jié)果可靠，對FAST 景區(qū)公路危巖災(zāi)害防治具有指導(dǎo)意義。

5.2 根據(jù)危巖體A、B 當前的穩(wěn)定狀態(tài)，除采取適當預(yù)防措施外，建議重點關(guān)注暴雨狀態(tài)下的危巖體穩(wěn)定性，制定好應(yīng)急處置方案、加強景區(qū)應(yīng)急安全管理工作。另外可采取適當?shù)墓こ檀胧?，?dǎo)出巖層裂隙積水或封堵裂隙上端開口等措施。

表2 危巖體相關(guān)參數(shù)

表3 危巖體穩(wěn)定性計算