李和志LI He-zhi;葛莎GE Sha;姜盛騫JIANG Sheng-qian;尹思航YIN Si-hang
(①湖南城建職業(yè)技術學院,湘潭 411101;②廣西壯族自治區(qū)地質環(huán)境監(jiān)測站,桂林 530029;③長沙理工大學,長沙 410015)
桂林作為典型巖溶區(qū),山峰林立,直立、反傾斜山體甚為常見,山體易發(fā)生危巖崩塌等自然災害。巖溶區(qū)地下水作用對危巖的影響較大,在暴雨等因素作用下,水進入巖體孔隙或裂隙,使巖體沿斥力超過引力最大面產生崩落[1,2]。碧蓮洞位于廣西壯族自治區(qū)桂林市陽朔縣碧蓮巷,屬于西南地區(qū)典型的鐘乳石地貌,巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育,溶蝕作用下巖體相互切割[3]。該危巖帶潛在威脅較大,所處山體危巖形狀不規(guī)則,巖石較破碎,在暴雨等各種不利因素作用下,將引發(fā)較大崩塌,對山體下部過往游客及景區(qū)工作人員生命財產安全將造成無可挽回的損失。
危巖具有隨機性大、突發(fā)性高、沖擊能量強及破壞后果難預測等特點,危巖穩(wěn)定性分析是危巖計算及評價中必不可少的環(huán)節(jié),解決潛在的危巖穩(wěn)定性帶來的地質災害是危巖治理的關鍵[4~6]。許強基于蒙特卡洛法的基本原理,分析了單體危巖的穩(wěn)定性可靠度[7]。謝秀棟在考慮土體材料特性的隨機性的基礎上,根據對比分析探討了極限平衡分析法、可靠度分析法、數值分析法的優(yōu)點及不足,以及其各自的穩(wěn)定性分析中的發(fā)展趨勢[8]。陳洪凱等指出危巖發(fā)育機理是危巖研究的關鍵,而主控結構面的破壞擴展是危巖失穩(wěn)的根本原因,主控結構面的失穩(wěn)擴展源于裂縫端的損傷發(fā)育[9]。羅東生等采用赤平投影法和極限平衡法對巖溶區(qū)脹裂式危巖進行穩(wěn)定性分析[10]。現階段對危巖的研究大多以宏觀穩(wěn)定性分析為主,本文結合桂林巖溶區(qū)危巖成因機制及微觀地貌的特點,對碧蓮洞危巖體進行穩(wěn)定性評價,對桂林地區(qū)鐘乳石洞穴的開發(fā)和管理及西南地區(qū)危巖的防治有著重要的科學與社會意義。
碧蓮洞處于峰林谷地地貌區(qū),群峰拔立,谷地較平坦,山頂標高252.3m,地面標高122m,相對高差約130m,進洞口處山體坡向約為225°,出洞口處山體坡向約為63°,危巖帶所處山體坡度30~80°。山體中上部生長有灌木叢,下部巖石較裸露。危巖區(qū)分布的地層主要有第四系(Q)粘土層和泥盆系中統(tǒng)唐家灣組(D2t)灰?guī)r。第四系(Q)粘土層為黃色粘土呈硬塑~可塑狀,主要分布于山腳處,厚約1.5~5m,山腰較緩處零星分布,厚約0.2~0.5m。泥盆系中統(tǒng)唐家灣組(D2t)灰?guī)r為灰-深灰色,大部分為隱晶質結構,中-微風化,中厚-厚層構造,巖石堅硬,性脆,結構破碎,巖溶較發(fā)育。
該區(qū)域地下水為松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水。前者主要賦存于第四系覆蓋層孔隙中,孔隙細小,多被泥質充填,含水高、透水性較差。后者主要為泥盆系中統(tǒng)唐家灣組(D2t)灰?guī)r。主要賦存于溶洞及溶蝕裂隙中,多以地下河的形式排泄。水質類型為HCO3-Ca2+型,pH 值為6.8,礦化度75.96mg/L,對混凝土微侵蝕性。
危巖區(qū)巖土體結構主要有第四系松散土體和中-薄層狀巖溶中等發(fā)育堅硬灰?guī)r。前者力學強度較低,多分布于山腳(厚約1.5~5m)或山體上部較緩坡體(厚度多為約0.2~0.5m)。后者為泥盆系中統(tǒng)唐家灣組灰?guī)r,呈灰~灰黑色,隱中-微風化,中厚~厚層構造,堅硬灰?guī)r性脆、結構破碎,巖溶中等發(fā)育,山體頂部為甚。山體表面產生溶蝕裂隙及溶蝕溝槽,溝槽寬0.2~0.5m,深1~3m。溶蝕深度0.1~5m,溶蝕裂隙寬5~13cm,局部達30cm,結構面將巖體分割成塊體,部分懸空,部分已松動或產生位移,形成危巖[3]。
碧蓮洞進洞口處危巖帶WYD1 分布于穿山西峰山體西面的陡壁上,分布高程為140~154m,主崩方向210°~225°。危巖帶最大寬度26m,最大順坡長約14m,危巖帶面積364m2,平均厚0.5m,危巖帶所在斜坡坡度約為65°~90°?;鶐r中主要發(fā)育有兩組節(jié)理裂隙,與巖層將巖體切割成大小不等塊體,巖體破碎,為危巖帶的形成創(chuàng)造了條件。①裂隙:52°∠65°,寬度2~8cm,可見長度為3~12m,裂隙率2 條/m;②裂隙:127°∠60°,寬度為3~9cm,可見長度為1~9m,裂隙率3 條/m。
危巖帶中有2 處體積較大危巖體,共16.3m3,為典型危巖W1,W2,如圖1。W1 危巖位于進洞口上方山體坡面,坡度約75°。危巖體呈不規(guī)則狀,表面破碎,危巖體切割裂隙發(fā)育,巖體部分內嵌,重心外傾,底部有局部支撐,后緣被裂隙切割,僅部分與母巖連接,裂隙張開明顯,巖體表面發(fā)育一組近垂直于巖面的節(jié)理裂隙。危巖體前緣部分懸空向前剪出,受后緣裂隙與底部裂隙的交叉切割,僅靠內嵌部分巖體支撐保持平衡,穩(wěn)定性差,如遇較大振動、暴雨等作用,可能發(fā)生滑移式崩塌。
圖1 典型危巖基本特征
W2 危巖位于進洞口上方山體坡面,坡度約79°。危巖體由多塊巖體組成,呈不規(guī)則狀,巖體破碎,后緣被裂隙切割,僅部分與母巖連接,裂隙張開明顯,巖體表面發(fā)育一組近垂直于巖面的節(jié)理裂隙。危巖體前緣為陡壁,下部懸空,僅靠內嵌部分巖體支撐保持平衡,被分割的巖石塊體,在重力作用下存在沿裂隙向臨空面傾倒和滾落的趨勢。如遇較大外部作用,危巖可能發(fā)生墜落式崩塌。W1、W2 基本情況如表1 所示。
表1 危巖基本情況一覽表
采用S4800 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察危巖體風化程度,采用5k 倍放大電鏡對處理后的危巖表層小塊體進行微觀結構觀察和分析。未破壞巖體表面致密,巖體顆粒規(guī)則排布。圖2(a)危巖風化表層較破碎,表面可見土顆粒及巖石碎屑顆粒;風化巖體表面如圖2(b)風化較嚴重,表面出現架空結構,空隙較大、較深。
圖2 危巖電鏡掃描5k 實驗圖
可觀察到部分巖體表面凹陷明顯,可見危巖表層巖體碎屑較多,巖體破碎程度大,巖體表面由于風化剝蝕、地表水溶蝕及植被根劈作用等,巖體表層定向性十分差,紊亂無序,易產生不穩(wěn)定破壞。
采用赤平投影分析法對典型危巖的穩(wěn)定性進行分析,根據現場調查,山體總體坡向約為6°,山體坡度30~75°,山體基巖裸露,巖層節(jié)理發(fā)育,分布浮石、被節(jié)理裂隙面切割成的危巖體,這些危巖處于基本穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài)。調查區(qū)山體巖層產狀288°∠5°,W1 號、W2 號危巖主要發(fā)育三組節(jié)理裂隙:J1:152°∠46°、J2:127°∠60°、J3:220°∠65°。根據危巖區(qū)的地形地貌、地層巖性、構造、巖土體工程地質特征。
根據廣西地方標準(DB45T1696-2018)計算危巖穩(wěn)定性。根據規(guī)范要求及本區(qū)大量工程實例,穩(wěn)定性評價選擇兩種工況:①工況Ⅰ-現狀工況:自重+裂隙水壓力,②工況Ⅱ-暴雨工況:自重+暴雨時裂隙水壓力+地下水。工況Ⅰ中墜落式和雙結構面控制危巖穩(wěn)定的滑移式危巖,不考慮裂隙水壓力。危巖區(qū)防治工程安全等級為II 級,區(qū)內滑移式和墜落式危巖體穩(wěn)定安全系數在工況Ⅰ、工況Ⅱ情況下取1.3、1.5(DB45T1696-2018)。綜合選取折減后巖體計算力學參數見表2。
表2 巖體計算力學參數一覽表
對各特征危巖體穩(wěn)定性計算,穩(wěn)定性系數取兩種計算結果中的較小值。
危巖體后緣存在貫通的陡傾裂隙、滑面緩傾。危巖穩(wěn)定性按巖體破碎的巖質滑坡穩(wěn)定性計算,計算簡圖見圖3(a),計算公式如下:
計算模型見圖3(b),計算公式如下:
圖3 危巖體穩(wěn)定性計算模式圖
方向沿滑移面斜向下,其中:
K—傳遞系數;
c—黏聚力;
Q—地震力,不考慮;
F—危巖穩(wěn)定系數;
φ—危巖體后緣裂隙內摩擦角標準值(°);
flk—危巖體抗拉強度標準值(kPa);
ξ—危巖抗彎力矩計算系數。
根據危巖體形態(tài)、規(guī)模、結構特征及物理力學參數,按照公式進行計算,得各危巖體穩(wěn)定性系數計算結果見表3、表4。危巖剩余下滑力計算公式為:剩余下滑(傾)力=下滑(傾)力×安全系數-抗滑(傾覆)力。
表3 滑移式危巖穩(wěn)定性、剩余下滑(傾)力計算成果表
表4 墜落式危巖穩(wěn)定性、剩余下滑(傾)力計算成果表
根據計算結果,在天然狀況(工況Ⅰ)下,危巖體處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在暴雨狀況(工況II)下,危巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。
危巖體位于陡崖及陡坡處,各危巖體突出矗立,受構造影響巖體較破碎,堅硬性脆,節(jié)理裂隙發(fā)育,且受裂隙水徑流影響。溫差、暴雨、風化溶蝕、剝蝕等作用產生的溶蝕裂隙和風化裂隙,使山體受裂隙切割。通過電鏡掃描試驗觀察危巖表層巖體碎屑較多,凹陷明顯,破碎程度大。巖體表面由于風化剝蝕、地表水溶蝕作用等,表層定向性差,紊亂無序,具備危巖表面特征。
進行定性與定量穩(wěn)定性分析,采用赤平投影定性分析危巖體在各組優(yōu)勢節(jié)理切割形成三維切割體,穩(wěn)定性差,處于穩(wěn)定~不穩(wěn)定狀態(tài)。對危巖體進行穩(wěn)定性評價,在天然狀況(工況Ⅰ)下,W1 危巖、W2 危巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在暴雨狀況(工況II)下,均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。