地震作用下滑移式危巖體穩(wěn)定性分析研究

李鵬飛 LI Peng-fei

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

0 引言

崩塌是指塊狀巖體與巖坡分離向前翻滾而下，在崩塌過程中，巖體無明顯滑移面，同時下落巖塊或未經(jīng)阻擋而直接墜落于坡腳，或于斜坡上滾落、滑移、碰撞最后堆積于坡腳，其規(guī)模相差懸殊，大至山崩，小至塊體墜落均屬于崩塌[1]。地震作用是觸發(fā)危巖體失穩(wěn)的主要因素，地震作用下危巖體響應分析，對于危巖體穩(wěn)定性研究具有重要意義。關(guān)于節(jié)理巖體的數(shù)值計算方法主要為連續(xù)變形分析法和非連續(xù)變形分析法。連續(xù)變形法所建立的模型是連續(xù)介質(zhì)，對于分析均質(zhì)材料的結(jié)果更為準確[2-3]，巖石材料自身具有不均一的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面分布規(guī)律性不強，復雜的結(jié)構(gòu)面恰好是巖體變形破壞的控制性因素，基于塊體理論的非連續(xù)變形分析方法（DDA）彌補了這一不足，DDA 可以實現(xiàn)巖石塊體實際產(chǎn)生的非連續(xù)變形以及相互作用產(chǎn)生的動態(tài)變化過程，塊體之間的運動是不允許有嵌入和受拉的，非連續(xù)變形分析方法（DDA）的最大特點是運動學理論基礎、嚴格的平衡要求、正確的能量守恒和高效的計算效率，該方法理論比較嚴密，計算結(jié)果精度較高[4-5]。

1 危巖體特征

2014 年8 月3 日16 時30 分，云南省昭通市魯?shù)榭h發(fā)生6.5 級地震，地震造成魯?shù)榭h火德紅鎮(zhèn)李家山村紅石巖組牛欄江干流北岸發(fā)生特大崩塌，將牛欄江截斷形成堰塞湖，受地震影響，兩岸高邊坡表面巖體應力損傷嚴重，形成大量危巖體。堰塞湖的治理方案是“變廢為寶”，以堰塞壩為壩體修建紅石巖水電樞紐工程，但在地震和常年風化剝蝕的作用下，庫區(qū)兩岸邊坡高陡，巖體松弛，崩塌災害嚴重，震后一年多時間內(nèi)有數(shù)次崩塌發(fā)生。

擬建水電站庫區(qū)發(fā)育大量危巖體，其中距離堰塞壩2000m 的珍珠巖陡立邊坡上發(fā)育了一塊方量較大的危巖體ZZWY1（圖1），危巖體的方量為7.56 萬m3，后緣發(fā)育長大裂隙，穩(wěn)定性較差，為重點防御對象，若危巖體失穩(wěn)會產(chǎn)生較大規(guī)模的涌浪，對水電設施構(gòu)成較大威脅。

圖1 ZZWT1 現(xiàn)場圖

1.1 地形地貌特征

研究區(qū)屬于高中山區(qū)，山高谷深，地形受構(gòu)造改造和河流切割作用明顯，牛欄江面高程約1100m，屬于侵蝕性較強的高中山峽谷地貌，河谷大都為“V”型谷。ZZWY1 危巖體發(fā)育區(qū)邊坡陡峻，坡度約為70°，與牛欄江高差為280m。

1.2 危巖體結(jié)構(gòu)面特征

危巖體發(fā)育的坡體為陡傾角邊坡，植被覆蓋較少，大部分為裸露基巖，巖性為寒武系中統(tǒng)西王廟組中風化白云巖，主要發(fā)育有三組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面：①后緣卸荷裂隙，產(chǎn)狀NW77°/SW∠76°；②構(gòu)造裂隙，產(chǎn)狀NW10°/NE∠68°；③巖層層面，產(chǎn)狀NE15°/NW∠23°，三組結(jié)構(gòu)面將危巖體整體切割出來，后緣卸荷裂隙為主控結(jié)構(gòu)面，部分張開一定寬度，順坡向發(fā)展，延伸性好，上部90%張開，危巖體兩側(cè)臨空，形成典型的潛在滑移式破壞模式的危巖體，圖2 為危巖體與牛欄江的地質(zhì)剖面圖。水電站蓄水后正常蓄水位高程為1200m，危巖體底部高程為1280m，高差為80m。

圖2 ZZWY1 地質(zhì)剖面圖

1.3 危巖體尺寸

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及三維激光掃描數(shù)據(jù)，形成危巖體概化模型（見圖3），其中幾何尺寸分別為：CB=120m，AD=92m，AB=11m，CD=24m，H=113m，DE=9m，α=22°，β=71°，γ=56°。

圖3 ZZWY1 穩(wěn)定性計算概化模型

2 危巖體穩(wěn)定性分析

采用定性分析與定量分析相結(jié)合的方法對危巖體穩(wěn)定性進行分析，定性分析采用赤平投影分析法，定量分析采用極限平衡法和數(shù)值計算法。

2.1 赤平投影法分析危巖體穩(wěn)定性

根據(jù)危巖體結(jié)構(gòu)面特征，危巖體發(fā)育三組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面1 為后緣卸荷裂隙，結(jié)構(gòu)面2 為構(gòu)造裂隙，結(jié)構(gòu)面3 為巖層產(chǎn)狀，坡面產(chǎn)狀NW77°/SW∠82°，三組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面及坡面的上半球赤平投影圖如圖4。由圖4 可知，巖層層面傾向與坡面傾向近直交且傾向坡內(nèi)，所以層面切割形成的巖石塊體所受抗滑力優(yōu)于下滑力；后緣卸荷裂隙與坡面傾向相同，傾角略小于坡角，所以后緣裂隙切割形成的巖石塊體所受下滑力優(yōu)于抗滑力，判定為不利結(jié)構(gòu)面；構(gòu)造裂隙傾向與坡向以大角度斜交且方向相反，該組結(jié)構(gòu)面形成了危巖體的側(cè)邊界，前期風化掉塊就是沿著該組結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生，構(gòu)造裂隙的主要作用是把危巖體切割成更加破碎的巖體，同樣判定為不利結(jié)構(gòu)面。

圖4 ZZWY1 上半球赤平投影圖

三個結(jié)構(gòu)面兩兩相交，交線構(gòu)成危巖體邊界棱線，通過對比棱線與坡面的產(chǎn)狀關(guān)系，判斷結(jié)構(gòu)面組合后對危巖體穩(wěn)定性的影響，判定結(jié)果見表1。由表1 可知，結(jié)構(gòu)面1與2、1 與3 的交線4 斜交，傾角小于坡角，為外傾結(jié)構(gòu)面，在相關(guān)誘發(fā)因素作用下巖體會沿著不利結(jié)構(gòu)面組合失穩(wěn)破壞?？梢钥闯?，與結(jié)構(gòu)面1 相交均構(gòu)成不利結(jié)構(gòu)面，所以結(jié)構(gòu)面1 為主控結(jié)構(gòu)面。

表1 ZZWY1 潛在崩塌體各結(jié)構(gòu)面組合對其穩(wěn)定性影響

通過赤平投影法分析可見，危巖體具有兩組不利結(jié)構(gòu)面，穩(wěn)定性差，在外界誘因作用下失穩(wěn)的可能性大。

2.2 極限平衡法計算危巖體穩(wěn)定性

利用極限平衡分析法進行穩(wěn)定性計算，穩(wěn)定性計算最關(guān)鍵問題是破壞滑面的確定。根據(jù)已經(jīng)發(fā)生的滑移式危巖體案例及工程經(jīng)驗，危巖體以滑移為主的失穩(wěn)幾乎都是沿著主控結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的，因此，這類危巖體的穩(wěn)定性可以將主控結(jié)構(gòu)面作為滑面，利用極限平衡法進行分析，穩(wěn)定性系數(shù)K 的計算式為：

式中，F(xiàn)抗滑為阻止危巖體下滑的抗滑力（kN），算式如下：F抗滑=（Gcosα-Q-Psinα）f+c1H/sinα。

F下滑為危巖體下滑的下滑力（kN），算式如下：

F下滑=Gsinα+Pcosα

這類研究工作通過大量實測數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)包的出錯模式，揭示出錯的規(guī)律.不僅有助于深入理解無線網(wǎng)絡傳輸?shù)奶攸c，還能推斷數(shù)據(jù)包出錯的類型、出錯位置等信息.在此基礎上設計MAC層編碼、速率調(diào)整等算法能有效提升性能.

上式中，P 為危巖體承受的水平地震力（kN），則地震力為P=ηAgm，其中η 為水平地震作用修正系數(shù)，取值0.25，Ag為地震動峰值加速度，m 為危巖體質(zhì)量；H 為危巖體的高度（m）；G 為危巖體的重量（kN）；e 為滑面充水深度（m）；α 為滑面的傾角（°）；Q 為滑面內(nèi)靜水壓力（kN），γω為水的重度（kN/m3）有：

c 為主控結(jié)構(gòu)面的粘聚力（kPa）；f 為主控結(jié)構(gòu)面的摩擦系數(shù)（c、f 分別取巖橋和卸荷裂隙的耦合強度參）：

式中：f0、c0和f1、c1分別為卸荷裂隙抗剪強度參數(shù)與巖橋抗剪強度參數(shù)；p 為卸荷裂隙的連通率。

根據(jù)工程初步設計報告、《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》、《工程地質(zhì)手冊》結(jié)合巖體實際情況情況，計算參數(shù)取值見表2。

魯?shù)榈卣鸬陌l(fā)震斷裂（包谷垴-小河斷裂）穿過研究區(qū)域，研究區(qū)在魯?shù)榈卣疬^程中坡體動力響應強烈，地震烈度達到了Ⅷ度，屬于高烈度區(qū)，建設部（1992）規(guī)定了烈度為Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ時，設計時取對應的峰值加速度平均值分別為：0.1g、0.2g、0.4g、0.8g。

對危巖體在不同地震工況下采用極限平衡法進行穩(wěn)定性計算，計算結(jié)果如表3 所示。根據(jù)計算結(jié)果可知，當?shù)卣鹆叶冗_到Ⅷ及以上時，危巖體將失穩(wěn)破壞。

2.3 DDA 數(shù)值模擬分析危巖體穩(wěn)定性

2.3.1 數(shù)值分析模型建立

利用非連續(xù)變形法（DDA）數(shù)值模擬軟件可以分析危巖體的變形破壞特征，運動特征，危巖體散落范圍等。非連續(xù)變形方法數(shù)值計算的塊體劃分非常重要，巖體的失穩(wěn)破壞以及相互之間的作用力都是通過接觸面產(chǎn)生的[6]。根據(jù)危巖體實際結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況和潛在的失穩(wěn)模式，合理劃分塊體間結(jié)構(gòu)面，以得到更好的數(shù)值分析效果。根據(jù)現(xiàn)場三維機光掃描數(shù)據(jù)獲得穿過牛欄江的長剖面，模型的力學邊界條件采用兩側(cè)及底面固定約束。計算時步取40000 時步，本次模擬的總時間為77.89s，每一時步的時間由程序根據(jù)危巖體變形過程自動取值，一般為0.0015s～0.0025s。計算參數(shù)根據(jù)工程初步設計報告和《工程地質(zhì)手冊》進行取值，取值如表4 所示?；谝陨蠗l件所建立的數(shù)值模型及數(shù)值分析過程設置的監(jiān)測點P1、P2 位置如圖5 所示。

表4 模型各元素參數(shù)取值表

圖5 數(shù)值模型及監(jiān)測點P1、P2 位置

2.3.2 數(shù)值計算結(jié)果分析

①天然工況。經(jīng)計算，天然狀態(tài)下危巖體未失穩(wěn)破壞，在運行到3214 時步時（圖6），危巖體凹巖腔部位有一個小塊巖塊掉落，這一結(jié)果與實際情況符合，經(jīng)過長時間的地質(zhì)風化作用，底部慢慢掉塊，已經(jīng)形成了比較明顯的凹巖腔。就目前來看，凹巖腔已經(jīng)非常明顯，面積比較大，但是危巖體依然處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明凹巖腔的作用還不足以使得危巖體整體失穩(wěn)，后緣卸荷裂隙才是危巖體整體穩(wěn)定性的控制因素。

圖6 天然狀態(tài)下凹巖腔部位局部掉塊

②地震工況。數(shù)值計算地震波加速度值采用2014 年8月3 日在龍頭山鎮(zhèn)監(jiān)測點監(jiān)測到的地震加速度時呈曲線（見圖7，圖中EW，NS 分別為水平東西和南北分量，UD 為垂直分量）。由于龍頭山鎮(zhèn)強震臺站距離震中近，為震區(qū)62個強震臺站記錄的峰值加速度中最大的一個，地震動更劇烈，因此可以用來驗證該危巖體在地震工況下的穩(wěn)定性。

圖7 地震加速度時程曲線

圖8 數(shù)值計算成果圖（25203 時步）

“8·03”地震加劇了危巖體內(nèi)部的應力損傷，擴展了危巖體后緣裂隙和內(nèi)部結(jié)構(gòu)面，使得危巖體整體穩(wěn)定性急劇下降。地震發(fā)生時，ZZWY1 上部左側(cè)發(fā)生了較大面積的局部掉塊，形成了危巖體左側(cè)的臨空面，并且后緣裂隙明顯暴露出來。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，經(jīng)受“8·03”破壞后，在龍頭山鎮(zhèn)監(jiān)測點監(jiān)測到的地震波作用下危巖體將會失穩(wěn)破壞。根據(jù)危巖體的破壞及運動特征，危巖體的失穩(wěn)過程可以分為3個時段。

第一時段：危巖體底部震裂松動，結(jié)構(gòu)面被剪斷，整體沿后緣結(jié)構(gòu)面啟動。在重力作用下，危巖體下部巖橋應力集中，剪出口承受巨大作用力，地震波到達后，作用在巖橋上的作用力急劇增加，在最脆弱的主控結(jié)構(gòu)面上，危巖體巖橋在短時間內(nèi)瞬間斷裂，導致危巖體整體失穩(wěn)下滑。

第二時段：危巖體整體潰滑、散裂，沿坡面向坡下滾動。根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，危巖體發(fā)育了三組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面，將其分割成不同大小的塊體，危巖體以滑動、滾動、跳躍的方式沿著坡面向下運動。

第三時段：危巖碎塊經(jīng)過一段時間運動后，大部分停積在河床，形成崩塌堆積體。由于危巖體下部邊坡較陡，并且坡面僅有低矮的灌木，孤石較少，阻擋作用小，大部分石塊滾入河床，少部分停積在坡面上。因此，水庫蓄水前，危巖體失穩(wěn)可能會形成堵江，水庫蓄水后，正常蓄水位為1200m，危巖方量高達7.56 萬方，危巖體失穩(wěn)很可能會形成大規(guī)模涌浪，威脅水電設施。

通過分析地震工況下監(jiān)測點P1、P2 的時間位移曲線可以看出（圖9、圖10），位于危巖體頂部的監(jiān)測點P1 運動的水平距離和垂直距離都要大于P2，啟動時間較P2 稍微晚。原因是P1 點的位置要高于P2 點，能量比較大，運動的距離就會大于P2。通過時間位移曲線和地震波加速度曲線可以看出，兩個曲線的波峰都出現(xiàn)在20s-30s 之間，說明危巖體破壞就是產(chǎn)生在地震波峰值階段，驗證了數(shù)值模擬的正確性。

圖9 監(jiān)測點水平向位移圖

圖10 監(jiān)測點豎直向位移圖

2.4 危巖體穩(wěn)定性評價

通過定性分析得出，危巖體在相關(guān)誘因作用下，易沿主控結(jié)構(gòu)面發(fā)生失穩(wěn)破壞。通過定量計算得出，危巖體天然工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.03，地震烈度達到Ⅷ及以上將失穩(wěn)破壞，隨著地震烈度增加，穩(wěn)定系數(shù)逐漸減小至0.987以下。利用非連續(xù)變形數(shù)值分析方法（DDA）進行分析，天然工況下危巖體可能出現(xiàn)局部掉塊現(xiàn)象，在地震工況下進行數(shù)值分析，地震烈度達到魯?shù)椤?·03”地震峰值加速度時，危巖體出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

3 結(jié)論

①魯?shù)榈卣鹱饔孟?，紅石巖堰塞湖兩岸邊坡上形成大量危巖體，通過對典型危巖體ZZWY1 定性、（半）定量及數(shù)值分析，評價其穩(wěn)定性及破壞過程。

②利用赤平投影分析法，得出危巖體在相關(guān)誘因作用下失穩(wěn)的可能性大，且后緣卸荷裂隙為主控結(jié)構(gòu)面。

③利用極限平衡法計算，得到危巖體天然和不同地震烈度工況下的穩(wěn)定系數(shù)，并繪制出穩(wěn)定系數(shù)與不同地震工況的關(guān)系曲線。

④極限平衡法計算與非連續(xù)變形數(shù)值分析法（DDA）數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，相互驗證了計算的合理性。

⑤非連續(xù)變形數(shù)值分析法（DDA）得到了塊體運動的真實軌跡，塊體終止的停積位置和堆積體的堆積高度，為防治危巖體失穩(wěn)后產(chǎn)生堵江或涌浪提供依據(jù)。

由臨空面及貫通結(jié)構(gòu)面共同構(gòu)成的危巖體，天然條件下現(xiàn)狀穩(wěn)定，在地震作用下危巖體穩(wěn)定性不足，其破壞形式為沿后緣卸荷裂隙剪切破壞。