山地旅游景區(qū)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及其防治措施*

高丙麗 張金厚 廖小輝 張海祥 葉潮永

(①西安科技大學(xué)，建筑與土木工程學(xué)院，西安 710054，中國)

(②衢州學(xué)院，建筑工程學(xué)院，衢州 324000，中國)

(③北京工業(yè)大學(xué)，城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124，中國)

(④遂昌金礦礦山公園有限公司，遂昌 323300，中國)

0 引 言

近年來，山地旅游行業(yè)蓬勃發(fā)展，與此同時(shí)，因地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的安全事故頻頻發(fā)生，嚴(yán)重威脅著游客及景區(qū)工作人員的生命安全。山地旅游景區(qū)最常見的是崩塌、落石、滾石等傷人事件，山地旅游景區(qū)中的落塊及滑坡產(chǎn)生的單次傷亡較小，但該類事故發(fā)生的頻率極大(楊志法等，2019)。究其原因是因山地旅游景區(qū)條件限制，修建的游路一般比較狹窄，并且很多位于巖體邊坡坡腳下，極易產(chǎn)生落石傷人事故。加之游客均有獵奇、近觀險(xiǎn)景等心理，規(guī)劃人員為了迎合游客心理以獲取經(jīng)濟(jì)效益，又多將游路修在奇峰險(xiǎn)狀處，因此落石等傷人事件就時(shí)常發(fā)生。但地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生并沒有引起旅游行業(yè)管理者的足夠重視，他們依然將旅游重心放在如何吸引游客、如何增加營收上面。一方面，不斷增加景區(qū)的面積以及景區(qū)的景點(diǎn)設(shè)置；另一方面，建立更多與主題、生態(tài)等相關(guān)特色的公園。不斷地將旅游資源開發(fā)至最大化、最廣化(胡煒霞等，2007；王同文，2007；張錦瑞等，2009；甄莎等，2018)，而忽視該類公園內(nèi)存在的地質(zhì)災(zāi)害問題(譚玉芳等，2017)。與此同時(shí)，研究地質(zhì)災(zāi)害的科研人員對常規(guī)的邊坡、礦山等地質(zhì)災(zāi)害(呂慶，2006；劉傳正等，2012；張家明，2020)研究較多，對山地旅游景區(qū)中具有旅游特點(diǎn)的地質(zhì)災(zāi)害的研究并不多(楊志法等，2014)，并且山地旅游景區(qū)形成地質(zhì)災(zāi)害的成因也有所不同(袁玉華等，2017)。

在山地旅游景區(qū)中發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害最多的是邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致的落石傷人事件，落石災(zāi)害的本質(zhì)是塊體的失穩(wěn)。在塊體穩(wěn)定性的相關(guān)研究中，古德曼單元(Goodman, 1976)以及以此為基礎(chǔ)的有限單元法是研究巖體不連續(xù)性和塊體問題的最著名的數(shù)值方法，Shi et al.(1985)基于巖體介質(zhì)的非連續(xù)性提出的塊體不連續(xù)變形分析法(Discontinuous Deformation Analysis，DDA)。不少學(xué)者對此進(jìn)行了較深入的研究，并在工程應(yīng)用范圍上進(jìn)行了拓展。另外，楊志法等(2009)將赤平極射投影作圖法在角度方面圖解的優(yōu)勢和正投影在長度方面圖解的優(yōu)勢相結(jié)合提出了坐標(biāo)投影法，有效地提高了塊體描述、塊體穩(wěn)定性分析的效率。

另外在邊坡整體穩(wěn)定性研究中，目前主要有定量分析、定性分析以及不確定性分析。常用的定性分析法有工程地質(zhì)類比法、巖體結(jié)構(gòu)分析法、模型試驗(yàn)法。定量分析主要是通過確定邊坡巖土體內(nèi)部力學(xué)參數(shù)來精確計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性，分為極限平衡法與數(shù)值分析法。不確定分析法是近幾年新提出的一種邊坡穩(wěn)定性分析方法，主要包括耗散結(jié)構(gòu)理論、灰色系統(tǒng)理論、模糊數(shù)學(xué)法等。例如高馮等(2020)、劉康琦等(2020)從強(qiáng)度折減法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析。呂愛鐘等(2022)基于極限平衡法提出了一種新的邊坡穩(wěn)定分析方法。更有許多學(xué)者從邊坡的影響因素以及防治措施方面進(jìn)行研究，如韓龍等(2003)分析了邊坡災(zāi)害問題防治信息化的重要性；張東明等(2010)采用有限元ANSYS分析了小南海滑坡整體穩(wěn)定性，并提出了生物與工程相結(jié)合的防治措施；李全明等(2007)在研究露天開采邊坡滑坡的破壞機(jī)理基礎(chǔ)之上，探究了滑坡災(zāi)害的防治方案。

因此，本文以浙江某山地旅游景區(qū)進(jìn)出口邊坡為研究對象，對山地旅游景區(qū)中諸如邊坡落石、陡邊坡整體失穩(wěn)等導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害問題進(jìn)行研究，通過三維激光掃描法獲取結(jié)構(gòu)面及邊坡巖體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用Cyclone數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理得到坐標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)而采用CPG巖質(zhì)邊坡工程塊體穩(wěn)定性評價(jià)及可視化軟件(陳立成，2019；高丙麗等，2019)對旅游景區(qū)邊坡塊體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，最后結(jié)合FLAC3D數(shù)值分析軟件對邊坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提出相對應(yīng)的防治對策。本文對景區(qū)中有獨(dú)特特征的工程地質(zhì)災(zāi)害問題的研究，為保障景區(qū)旅游安全及旅游規(guī)劃提供了有力的技術(shù)支持，最大限度地促進(jìn)山地旅游的安全發(fā)展。

1 巖質(zhì)邊坡塊體穩(wěn)定性分析

1.1 工程概況

1.1.1 工程地質(zhì)條件

景區(qū)在地貌上以浙閩山地地形為主，山脈大致為北東傾伏，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，冬冷夏熱，四季交替較為顯著，雨量充沛。區(qū)域內(nèi)地勢陡峻，溝谷眾多，縱橫交錯(cuò)。區(qū)域內(nèi)出露地層主要由下元古界八都群塹頭組和不整合其上的中生界中酸性、酸性火山巖和陸相碎屑巖(浙江省區(qū)域地質(zhì)大隊(duì)，2005)。景區(qū)所在地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造主要為斷裂構(gòu)造，通常形成于中生代及中生代以前，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不明顯。山體主要由黑云斜長片麻巖構(gòu)成，風(fēng)化殘積層的厚度大約在0.5～2m之間，局部山麓坡積層的厚度達(dá)到3～8m，山體上有較多植被發(fā)育，工程地質(zhì)條件總體上良好。

1.1.2 邊坡基本特征

景區(qū)巖質(zhì)陡邊坡工程位于檢票入口候車位置及通往主景區(qū)的盤山公路處。如圖1所示，本文主要分析位于進(jìn)出口邊坡北側(cè)的A區(qū)和拐彎后的B區(qū)兩部分。其中：A區(qū)邊坡坡頂植被茂密，邊坡體由于修建盤山游路已經(jīng)過削坡處理，是本文分析的重點(diǎn)。該區(qū)巖質(zhì)邊坡不僅高聳，而且十分陡峭，高度在20～23.5m之間。巖性主要為黑云斜長片麻巖，表面存在較多因卸荷裂隙產(chǎn)生的松動(dòng)巖塊，部分已發(fā)生掉落。

B區(qū)為泥巖質(zhì)邊坡，坡高較低，一般在10m左右。坡腳下為旅游公路，公路狹窄，最窄處不足6m，旅游車輛會(huì)車?yán)щy。同時(shí)，公路左側(cè)為斜坡懸崖，一旦右側(cè)邊坡發(fā)生落石、滑坡或發(fā)生交通事故，旅游車輛將無躲避的空間。另外，該段盤山公路連續(xù)拐彎(S型)和下坡，存在極大的安全隱患。圖2為景區(qū)邊坡近景特征。

1.2 塊體穩(wěn)定性分析

本文采用Leica blk360型三維激光掃描儀進(jìn)行地面數(shù)據(jù)采集。經(jīng)掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，需要利用Cyclone Register360點(diǎn)云拼接軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在此基礎(chǔ)上結(jié)合自主研發(fā)的CPG巖質(zhì)邊坡工程塊體穩(wěn)定性評價(jià)及可視化軟件進(jìn)行塊體穩(wěn)定性分析，以及建立三維邊坡模型進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析。

如圖3所示，將在Cyclone獲得的結(jié)構(gòu)面信息以坐標(biāo)的形式導(dǎo)入CPG巖質(zhì)邊坡工程塊體穩(wěn)定性評價(jià)及可視化軟件(簡稱CPG軟件)，從而計(jì)算塊體的穩(wěn)定性系數(shù)。該軟件具有結(jié)構(gòu)面自動(dòng)識(shí)別擬合、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀計(jì)算、計(jì)算塊體面積、體積和塊體穩(wěn)定性分析的功能，大幅度加快坐標(biāo)投影圖解法的速度。根據(jù)空間位置關(guān)系，對于不易識(shí)別的結(jié)構(gòu)面，可手動(dòng)選取結(jié)構(gòu)面上的點(diǎn)，建立結(jié)構(gòu)面方程并將其擬合。

對景區(qū)A區(qū)中的13處典型塊體進(jìn)行分析(圖4)，得其穩(wěn)定性系數(shù)列于表1中。

表1 各塊體的穩(wěn)定系數(shù)Table 1 Stability coefficient of each block

根據(jù)《滑坡防治工程勘察規(guī)范》(DZ/T0218-2006)(中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組，2006)中危巖體穩(wěn)定程度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為滑塌式危巖塊體穩(wěn)定系數(shù)η<1.0，不穩(wěn)定塊體；1.0≤η<1.2，欠穩(wěn)定塊體；1.2≤η<1.3，基本穩(wěn)定塊體；1.3≤η，穩(wěn)定塊體。按此標(biāo)準(zhǔn)，表1中的K1、K8、K9、K12、K13塊體為不穩(wěn)定塊體和欠穩(wěn)定塊體，需要治理。

2 巖質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定性分析

本文采用FLAC3D分析巖質(zhì)邊坡的整體穩(wěn)定性。它采用了三維連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分法，將顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)結(jié)合，是一款能夠?qū)ν临|(zhì)、巖石等材料的受力特性和塑性流動(dòng)進(jìn)行分析的三維數(shù)值仿真軟件，并且能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)。

2.1 邊界條件

本文固定模型邊界位移為0，分別包括固定水平方向的位移，固定邊坡底部的4個(gè)側(cè)面，邊坡體斜坡面為自由變形方向，固定模型底部水平位移和豎向位移，上部邊界為自由邊界。

2.2 計(jì)算模型及單元?jiǎng)澐?/h3>

通過上文點(diǎn)云數(shù)據(jù)稀釋、點(diǎn)云數(shù)據(jù)補(bǔ)充可形成完整的邊坡點(diǎn)云。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)過多，需對其進(jìn)行處理后方可獲得邊坡模型。首先對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，通過Cyclone中將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為等高線，導(dǎo)入至Rhino中，對等高線進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)處理生成坡面模型，以確定最終數(shù)值計(jì)算模型的坐標(biāo)系，方便計(jì)算和分析。最后將該邊坡坡面模型導(dǎo)入到FLAC3D中，對曲面模型與建立的長方體模型進(jìn)行擠壓得到用于數(shù)值計(jì)算的三維實(shí)體模型(圖5)。該模型長66m，寬36m，高在27～47m之間。由3個(gè)分組構(gòu)成，上層為黑云斜長片麻巖和泥質(zhì)夾層，下層為斜長片麻巖。計(jì)算模型共有節(jié)點(diǎn)157911個(gè)，單元148500個(gè)，為進(jìn)行邊坡的計(jì)算提供了足夠的節(jié)點(diǎn)和單元，保證了局部地形點(diǎn)的特征，使計(jì)算變得更加準(zhǔn)確。

2.3 本構(gòu)模型

本文采用莫爾庫侖準(zhǔn)則。巖石物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 景區(qū)進(jìn)出口邊坡巖石的物理力學(xué)性質(zhì)Table 2 Physical and mechanical properties of rocks in import and export slopes of scenic area

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

2.4.1 位移分析

2.4.2 應(yīng)力分析

3 景區(qū)邊坡治理措施

3.1 不穩(wěn)定塊體的防治措施

由《滑坡防治工程勘察規(guī)范》(DZ/T0218-2006)(中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組，2006)規(guī)定，危巖體穩(wěn)定狀態(tài)根據(jù)穩(wěn)定性系數(shù)可劃分為不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定、基本穩(wěn)定和穩(wěn)定4種。對于不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定的塊體進(jìn)行清除處理；對于基本穩(wěn)定的塊體，不單獨(dú)對塊體進(jìn)行治理，在對邊坡整體治理時(shí)作噴漿處理；對穩(wěn)定的塊體不作處理。

3.1.1 不穩(wěn)定和欠穩(wěn)定塊體的處理

通過計(jì)算，K1、K8、K9、K12、K13等塊體的穩(wěn)定系數(shù)均小于1.2，為不穩(wěn)定和欠穩(wěn)定的塊體，該類塊體的結(jié)構(gòu)面和臨空面暴露比較完全。因此，對該類塊體應(yīng)進(jìn)行人工清除，以消除塊體掉落對行人、車輛的威脅，對直接清除可能導(dǎo)致相鄰較大體積塊體失穩(wěn)的采用錨固方式將其錨固于穩(wěn)定巖體中。對坡頂?shù)膹?qiáng)風(fēng)化層、邊坡表面的諸多浮石、危巖石及對邊坡巖體和結(jié)構(gòu)面造成嚴(yán)重生物風(fēng)化的樹、草等進(jìn)行清理。清理過程應(yīng)自上而下分塊分區(qū)逐次進(jìn)行，定期檢查邊坡軟弱巖層及破碎帶等不穩(wěn)定巖體的處理質(zhì)量，在確保安全條件下進(jìn)行清理。

3.1.2 對基本穩(wěn)定塊體的處理

基本穩(wěn)定的塊體，其穩(wěn)定系數(shù)大于1.2，如K7塊體，該類塊體在一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，但穩(wěn)定安全儲(chǔ)備較少，長期作用下繼續(xù)變形存在滑落的可能。對該類塊體，不宜對其清除，防止清除過后影響其他巖體的應(yīng)力分布，產(chǎn)生巖體松動(dòng)，對邊坡體的穩(wěn)定造成影響。因此，對該類塊體不單獨(dú)處理，在進(jìn)行邊坡的整體穩(wěn)定治理后，再對坡面塊體進(jìn)行整體的防護(hù)。

3.2 邊坡的整體防治措施

由上述對橫向位移的分析可知，在邊坡左側(cè)泥質(zhì)夾層處的位移較大，夾層外邊坡的應(yīng)力與邊坡體整體應(yīng)力符號(hào)相反，產(chǎn)生應(yīng)力差，同時(shí)該處的位移也較大，可能會(huì)產(chǎn)生滑落，因此需對該處進(jìn)行錨固處理。根據(jù)J1結(jié)構(gòu)面的影響范圍，擬采用直徑為25mm，長度為5m，間距分別為1.5m×1.5m、2.0m×2.0m、2.5m×2.5m的錨桿對其進(jìn)行加固。

由于對邊坡影響最大的為Y向位移，圖8為施加不同錨桿間距時(shí)邊坡Y向位移的大小，可以看出，采用2.0m2.0m間距的錨桿進(jìn)行加固是最經(jīng)濟(jì)合理的。施加錨桿后，邊坡的橫向位移減小，可防止邊坡的滑移。

根據(jù)以上分析，采用直徑為25mm，間距為2m，長為5m的錨桿進(jìn)行錨固，錨桿端頭采用混凝土進(jìn)行保護(hù)。將排水管與錨索同時(shí)作用，以保持夾層的干燥與穩(wěn)定，其錨固方式如圖10所示。

3.3 B區(qū)狹窄路面的避讓措施

如圖2b所示，該處邊坡坡腳的旅游公路較窄，且同時(shí)存在連續(xù)轉(zhuǎn)彎和下坡，在公路的邊沿一方，又存在陡坡。行車不慎易跌入山崖下，對旅游車輛造成嚴(yán)重威脅。因此，采用鋼棧橋?qū)β糜喂愤M(jìn)行加寬處理(圖11)。鋼棧橋棧道主要由一條由若干縱梁、八字形橫梁和立柱組成的并按照景區(qū)的景觀特點(diǎn)設(shè)計(jì)的游路棧道。該棧道是用于山區(qū)旅游防治陡崖落石，以防造成下方游路潛在落石地質(zhì)災(zāi)害的仿古棧道技術(shù)。

結(jié)合現(xiàn)場公路寬度不足6m，本文所設(shè)計(jì)的鋼棧橋?qū)?m，按照圖11a所示的有限元計(jì)算簡圖進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。采用MIDAS進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，對模型先建立5跨進(jìn)行計(jì)算，如圖12所示。

根據(jù)圖12簡化后的結(jié)構(gòu)有限元分析模型，計(jì)算可知桿件中拉應(yīng)力最大值為3.7MPa，但構(gòu)件中最大拉應(yīng)力區(qū)域較小，且大多數(shù)拉應(yīng)力值在1MPa左右。位移均在10mm以下。內(nèi)力和變形均滿足要求，可以用于實(shí)際工程中。

3.4 預(yù)防監(jiān)測措施

根據(jù)實(shí)際情況，遵循邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測原則，經(jīng)研究和設(shè)計(jì)，對一些不穩(wěn)定塊體等需要監(jiān)測之處，布置必要的監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測表層塊體位移變化，建立一個(gè)實(shí)時(shí)可靠的監(jiān)測系統(tǒng)，在監(jiān)測值變化較大時(shí)能夠發(fā)出警報(bào)，以便及時(shí)進(jìn)行治理。并組織景區(qū)相關(guān)安全人員加強(qiáng)對邊坡進(jìn)行日常巡檢，對可能發(fā)生邊坡失穩(wěn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)巡檢。同時(shí)建議景區(qū)制定災(zāi)害緊急處置預(yù)案，建立完整救援保障體系，以確保景區(qū)旅游安全。

4 結(jié) 論

本文以浙江某山地旅游景區(qū)進(jìn)出口邊坡為研究對象，對山地景區(qū)的邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行了分析，具體結(jié)論如下：

(1)利用三維激光掃描儀掃描邊坡巖體，結(jié)合作者已開發(fā)的巖質(zhì)邊坡工程塊體穩(wěn)定性評價(jià)及可視化軟件CPG對巖質(zhì)邊坡塊體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，K1、K8、K9、K12、K13塊體的穩(wěn)定系數(shù)小于安全系數(shù)1.2，為不穩(wěn)定塊體，需進(jìn)行防護(hù)治理。

(2)采用FLAC3D數(shù)值軟件分析了邊坡的整體穩(wěn)定性。在邊坡的左側(cè)，即軟弱夾層所在位置處產(chǎn)生了較大的位移，應(yīng)力釋放，在該處易產(chǎn)生滑移。在邊坡最右側(cè)坡面及坡腳產(chǎn)生了較大的橫向應(yīng)力和最大剪應(yīng)力，應(yīng)采取措施防止坡體破壞。

(3)采用FLAC3D分析邊坡整體加固后的穩(wěn)定性，利用有限元分析鋼棧橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形，結(jié)果表明防治措施處理效果良好，均滿足實(shí)際工程要求。

(4)采用清除巖塊、排水、錨噴、避讓、監(jiān)測等相結(jié)合的方法對景區(qū)進(jìn)出口邊坡進(jìn)行治理，提高了邊坡的整體穩(wěn)定性。將減少改變景區(qū)原貌的思想引入山地旅游景區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理措施中，采用避讓的方法符合降低破壞景區(qū)原貌的原則，多項(xiàng)措施綜合使用，形成具有山地旅游景區(qū)特色的邊坡治理方法。