巖溶區(qū)軟巖基底巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)數(shù)值模擬研究

劉林潔

(鄭州工業(yè)安全職業(yè)學(xué)院，鄭州 450000)

1 工程概況

研究區(qū)邊坡位于貴州省畢節(jié)地區(qū)威寧縣新發(fā)鄉(xiāng)。測區(qū)最高點海拔高程2 879.6 m，位于南西部岔河鄉(xiāng)平臀梁子處；測區(qū)最低點海拔高程1 185 m，位于北東部洛澤河出境處；大部地區(qū)為2 000～2 400 m之間的海拔高程，平均海拔高程2 237 m；區(qū)內(nèi)相對高差一般200～500 m之間，最大相差1 694.6 m?？h境內(nèi)的平均坡度14.7°，坡度在6°～25°之間的占77.81%。

研究區(qū)邊坡出露地層為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)，高程1 860～2 010 m之間陡崖處巖性主要有灰?guī)r，斜坡中下部即在高程1 530～1 860 m之間發(fā)育為粉砂巖，中～細(xì)粒結(jié)構(gòu)，局部為粗粒結(jié)構(gòu)，薄層狀。見圖1-圖2。

圖1 灰?guī)r

圖2 粉砂巖

研究區(qū)軟巖基底巖質(zhì)邊坡無區(qū)域性斷裂通過。研究區(qū)邊坡陡崖范圍內(nèi)灰?guī)r巖層產(chǎn)狀為200°∠6°。邊坡主要巖性以灰?guī)r和砂巖為主，構(gòu)成軟巖基底巖質(zhì)邊坡。根據(jù)野外調(diào)查統(tǒng)計，主要發(fā)育有兩組優(yōu)勢節(jié)理裂隙(表1)，裂隙玫瑰花圖見圖3，裂隙均以陡傾為主，裂縫中見有少量碎石及泥質(zhì)填充。

圖3 裂隙走向玫瑰花圖

表1 研究區(qū)裂隙匯總統(tǒng)計表

、

2 危巖體邊坡基本特征

巖體作為地質(zhì)體的一部分，具有非均質(zhì)和各向異性等特點。巖體中物質(zhì)力學(xué)性能相對軟弱的夾層或者是力學(xué)強(qiáng)度相對較低的部位，稱為結(jié)構(gòu)面[1]。巖體結(jié)構(gòu)能夠反映結(jié)構(gòu)面發(fā)育的程度、塊體的大小和巖體完整性及力學(xué)性質(zhì)。研究區(qū)邊坡屬于層狀結(jié)構(gòu)。危巖體所處邊坡整體上坡度較陡。危巖體規(guī)模大小不等，形態(tài)各異，位于高程1 860～1 970 m之間，相對高差110 m，坡體上部巖石裸露，坡度較陡，約75°～80°；中部、下部坡度相對較緩，約30°～50°；坡體中下部巖體巖性為砂巖，此范圍內(nèi)有植被覆蓋。見圖4。

圖4 軟巖基底巖質(zhì)邊坡全景及剖面圖

該邊坡區(qū)在高程1 530～1 820 m之間發(fā)育為粉砂巖(圖5)，中～細(xì)粒結(jié)構(gòu)，局部為粗粒結(jié)構(gòu)，薄層狀，礦物成分主要為長石、石英等，此區(qū)域粉砂巖表部風(fēng)化嚴(yán)重，發(fā)育有侵蝕作用下的深溝。在高程1 820～2 010 m之間發(fā)育為灰?guī)r，危巖體正處于此高程的中上部區(qū)域，坡體為緩內(nèi)傾邊坡。斜坡危巖體主要結(jié)構(gòu)面類型：節(jié)理裂隙、卸荷裂隙和巖層層面。陡崖處水平裂隙發(fā)育較多，水平裂隙發(fā)育密度大約為3～4條/m，豎向裂隙發(fā)育長且深，結(jié)構(gòu)面起伏粗糙，至下逐漸消失。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，巖層產(chǎn)狀為200°∠6°，上部陡傾邊坡處發(fā)育有兩組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀為J1：235°∠88°和J2：286°∠84°。

圖5 研究區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀

3 危巖體控制影響因素分析

研究區(qū)斜坡巖體內(nèi)裂隙發(fā)育，貫通性良好，裂隙水壓力擴(kuò)大裂隙的張開程度，水的溶蝕作用將降低結(jié)構(gòu)面上的抗剪強(qiáng)度，促進(jìn)危巖的形成。

研究區(qū)邊坡屬于上硬下軟的巖性組合，上部較硬的灰?guī)r在自重應(yīng)力作用下擠壓下部較軟的粉砂巖，進(jìn)而導(dǎo)致上部灰?guī)r和下部軟巖交界面上產(chǎn)生拉裂縫，且交界面上軟巖的壓縮變形也將會導(dǎo)致上部灰?guī)r重心移動，使坡體上部的卸荷裂隙沿著原有的陡傾結(jié)構(gòu)面繼續(xù)產(chǎn)生變形[2]。

危巖體巖性為灰?guī)r，灰?guī)r屬于硬質(zhì)碳酸鹽巖。當(dāng)邊坡坡角大于70°時，在巖層界面上產(chǎn)生的差異性風(fēng)化卸荷作用使斜坡表面局部形成眾多深淺不一的凹巖腔(圖6)。地表水沿灰?guī)r內(nèi)的節(jié)理面或裂隙面等發(fā)生溶蝕，破壞巖體穩(wěn)定性，促進(jìn)危巖形成。

圖6 危巖體下方凹巖腔

4 危巖體失穩(wěn)機(jī)理分析

軟巖基底巖質(zhì)邊坡危巖體為傾倒式破壞：危巖體失穩(wěn)方式受坡面、巖層層面、優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面及上硬下軟的巖性組合多方面的影響，巖體結(jié)構(gòu)特征及主要控制性結(jié)構(gòu)面傾角對危巖穩(wěn)定有很大影響。危巖失穩(wěn)的側(cè)邊界為傾向近直立的卸荷結(jié)構(gòu)面，底部控制面為巖層層面，后緣邊界為順坡向的陡傾結(jié)構(gòu)面構(gòu)成，危巖體位于坡體臨空面陡崖處。由于上硬下軟的巖性組合，上部較硬的灰?guī)r在自重應(yīng)力作用下擠壓下部較軟的粉砂巖，加之地下水對軟弱基座的軟化或侵蝕作用，使得粉砂巖產(chǎn)生一定的壓縮變形，使得軟硬巖層交界面處產(chǎn)生大量裂隙且裂隙的發(fā)展是自下而上的；受粉砂巖壓縮變形的影響，上部灰?guī)r重心發(fā)生位移，坡體后緣卸荷裂隙將沿著原有的陡傾結(jié)構(gòu)面繼續(xù)發(fā)生變形[3]。

危巖體巖性為灰?guī)r，灰?guī)r屬于硬質(zhì)碳酸鹽巖，當(dāng)邊坡坡角大于70°時，在巖層界面上產(chǎn)生的差異性風(fēng)化卸荷作用使斜坡表面局部形成眾多凹巖腔，導(dǎo)致上部危巖體的底部支撐穩(wěn)定性變差，重力逐漸外傾，在危巖體自重及其它外力作用下危巖體繞下部基座支點向坡外發(fā)生轉(zhuǎn)動，發(fā)生傾倒崩落[4]。

5 危巖體演變過程模擬

研究區(qū)邊坡主要位于海拔高程1 850～2 100 m的山盆期一期夷平面范圍內(nèi)，斜坡危巖體的形成過程實際上伴隨著危巖體內(nèi)部的各種應(yīng)力和位移變化過程，危巖體的演變過程主要考慮河流下切和溶蝕作用的影響。

5.1 模擬構(gòu)建的原則和尺寸單元

模擬時，假設(shè)河谷形成前兩岸原始地形線均為水平狀態(tài)且符合夷平面高程范圍，且假設(shè)初始原始地形線為2 100 m。

現(xiàn)將軟巖基底巖質(zhì)邊坡的發(fā)育演化過程分為以下幾個階段，見圖7。

圖7 軟巖基底巖質(zhì)邊坡危巖體演變過程模型

5.2 模擬結(jié)果分析

1) 位移特征。河流切割坡體之前，斜坡的變形主要受重力作用的影響，變形主要集中在坡體內(nèi)部且位移較小。隨著河流下切，坡體向臨空面方向產(chǎn)生的水平位移逐漸變大，坡腳處水平位移最為明顯，最大達(dá)0.14 m；豎向位移也隨之增大，主要變形區(qū)位于危巖體前緣高高程區(qū)域，最大值達(dá)到1.4 m。見圖8。

圖8 水平、豎向位移分析

2) 應(yīng)力特征。模擬結(jié)果顯示，在初始階段最大主應(yīng)力方向為鉛直向，隨著河流下切斜坡變形不斷發(fā)展，最大主應(yīng)力越接近于臨空面，就越平行于臨空面；而最小主應(yīng)力則與之相反，越接近于臨空面，就越正交于臨空面。河流下切過程中，在坡體臨空面出現(xiàn)應(yīng)力集中，且灰?guī)r和粉砂巖交界處附近出現(xiàn)大范圍的拉應(yīng)力集中區(qū)。河流繼續(xù)下切，軟硬巖層界面處的拉應(yīng)力范圍在逐漸增大，軟硬巖層界面處的拉應(yīng)力的存在將使坡體內(nèi)部出現(xiàn)大量的拉裂縫且裂縫發(fā)展方向是自下而上的。在高高程區(qū)域危巖體處最大主應(yīng)力增高，最小主應(yīng)力降低，危巖體附近應(yīng)力差增大，且高高程危巖體處出現(xiàn)了拉應(yīng)力，斜坡陡崖處剪應(yīng)力也逐漸增大。斜坡內(nèi)壓應(yīng)力存在于斜坡陡崖小凹巖腔附近，因此危巖體陡傾結(jié)構(gòu)面的端部是斜坡最容易發(fā)生變形和破壞的部位[5]。見圖9-圖10。

圖9 最大、最小主應(yīng)力

圖10 剪應(yīng)力

模擬結(jié)果顯示，明顯的變形主要發(fā)生在斜坡臨空面陡崖的端部和軟硬巖層交界面附近。卸荷范圍在風(fēng)化卸荷作用下，終將覆蓋整個坡表。在自重、風(fēng)化、暴雨和地震等因素作用下，隨著危巖體后緣裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)大，陡傾結(jié)構(gòu)面的端部逐漸被破壞，危巖體將以下部巖體某處為轉(zhuǎn)點逐漸傾斜，因此危巖體發(fā)生傾倒的可能性較大。

6 結(jié) 論

1) 軟巖基底巖質(zhì)邊坡主要在重力作用、河流下切及溶蝕作用下形成危巖體，斜坡巖體內(nèi)裂隙發(fā)育，貫通性良好，水的溶蝕作用將降低結(jié)構(gòu)面上的抗剪強(qiáng)度，促進(jìn)危巖的形成。

2) 危巖主要受上硬下軟的巖性組合、溶蝕作用及風(fēng)化作用等因素控制。斜坡受灰?guī)r巖溶發(fā)育的影響較大，灰?guī)r的力學(xué)強(qiáng)度有所降低，是崩塌的易發(fā)巖組。綜合各內(nèi)在及外在因素，采用工程地質(zhì)過程機(jī)制分析法，得出該邊坡危巖體破壞模式為傾倒式破壞。

3) 危巖演化過程中，斜坡明顯的變形主要發(fā)生在斜坡臨空面陡崖的端部和軟硬巖層交界面附近，在上部硬質(zhì)巖體重力作用下，下部砂巖變形繼續(xù)發(fā)展，導(dǎo)致軟硬巖交界面處裂隙自下而上大量發(fā)展。

4) 對該類邊坡危巖體穩(wěn)定性評價得出，暴雨工況下危巖體的穩(wěn)定性明顯降低。最后根據(jù)此類邊坡危巖體特定的工程地質(zhì)條件，建議采取局部清除+支撐+錨固的治理措施。