三峽庫區(qū)龍門寨危巖體穩(wěn)定性評價研究

宋 剛，周福川

（1.重慶交通大學(xué)巖土工程研究所，重慶 400074；2.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 400037；3.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400030）

0 引言

我國西南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造運動強烈，多呈現(xiàn)厚層-巨厚層陡崖地貌，三峽庫區(qū)上硬下軟的地質(zhì)結(jié)構(gòu)極其有利于單體塔柱狀危巖的發(fā)育。塔柱狀危巖構(gòu)造上易發(fā)于褶皺核部或近核部，地層產(chǎn)狀趨于平緩，被節(jié)理裂隙切割為相對獨立的層狀塊體結(jié)構(gòu)，其具有較大的高徑比（通常大于3），橫剖面呈圓形、三角形、矩形或不規(guī)則多邊形等眾多形態(tài)，且塔柱狀危巖體崩塌具有突發(fā)性強、隱蔽性高、影響范圍廣以及成因復(fù)雜等特征［1-4］。

三峽庫區(qū)危巖體的穩(wěn)定性研究一直是庫區(qū)災(zāi)害防治的重點任務(wù)。陳洪凱等［5-7］提出了危巖破壞失穩(wěn)的三種類型并基于極限平衡法給出對應(yīng)的穩(wěn)定性計算方法，分析了三峽庫區(qū)典型高位危巖的穩(wěn)定性。丁王飛等［8］修正了三類危巖體危巖穩(wěn)定系數(shù)計算方法，提出了包含主控結(jié)構(gòu)面鎖固段和貫通段的計算模型。合理的危巖穩(wěn)定性評價結(jié)論影響崩塌災(zāi)害的布防。Lei等［9］研究了龍溪河危巖的形成機制和失穩(wěn)模式，并對危巖進行了定性分析和解析分析。Wang等［10］基于對JDRM力學(xué)模型的推廣，分析了箭穿洞危巖體的變形機制和評價危巖體的穩(wěn)定性。唐紅梅等［11］以川東南盆周山地灰?guī)r地區(qū)為研究對象，選取9個危險性評價指標，建立貢獻權(quán)重模型和熵值法耦合的崩塌評價模型。

本文以三峽庫區(qū)龍門寨陡高塔柱狀危巖體為研究對象，提出考慮危巖底部區(qū)域損傷劣化特征的穩(wěn)定性計算方法，并與極限平衡理論獲得的危巖穩(wěn)定性系數(shù)進行對比，以期為塔柱狀危巖體的穩(wěn)定性評價提供新思路。

1 龍門寨危巖基本特征

龍門寨危巖位于重慶市巫山縣大寧河小三峽的右岸，距巫山縣城直線距離不足1km，扼守黃金水道關(guān)鍵位置，一旦危巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞，引起崩塌體入江激起的涌浪將會對過往船只和沿岸建筑物等造成破壞。

龍門寨危巖體主要由三疊系灰?guī)r、泥灰?guī)r和白云巖構(gòu)成，位于龍門峽次級背斜的核部。從圖1中清晰可見3條近縱向平行發(fā)育的裂縫，裂縫的延伸長度不一，使得整個危巖體呈現(xiàn)被結(jié)構(gòu)面完整分割的結(jié)構(gòu)，最長的裂縫長度約170m，上寬下窄，裂縫最寬處約2.3m，不規(guī)則條狀塊石充填于裂縫中。由于危巖體自重荷載的持續(xù)作用和裂縫的不斷發(fā)育，危巖體已經(jīng)出現(xiàn)巖塊剝落或局部小型垮塌。

圖1 龍門寨危巖體實物圖與剖面圖［12］Fig.1 Photography and section view of the Longmenzhai unstable rock mass［12］

龍門寨危巖體呈不規(guī)則多邊形，是典型塔柱狀危巖體。按照塔柱狀危巖體的特征，可將其分為基座劣化區(qū)和非完全劣化區(qū)兩部分［13］，其高寬比為4.75，具有“上硬下軟”的二元易滑結(jié)構(gòu)。危巖體基座主要為泥灰?guī)r，其下部呈碎裂結(jié)構(gòu)（圖2a）。危巖后緣平均高程約350m，基座劣化區(qū)高程165～177m為泥灰?guī)r，危巖體平均高度約190m，平均寬度和厚度均約40m，總體積約30.4×104m3。三峽庫區(qū)水位的周期性漲落，為劣化區(qū)提供了干濕循環(huán)的外界條件，庫區(qū)涉水危巖體的基座在長期自重荷載、干濕循環(huán)作用下，導(dǎo)致劣化區(qū)巖體強度持續(xù)下降。

圖2 龍門寨危巖體底部劣化區(qū)和地質(zhì)模型圖Fig.2 Photography of deterioration area at the bottom of the Longmenzhai unstable rock and the geological model map of the Longmenzhai unstable rock mass

2 龍門寨危巖穩(wěn)定性分析

2.1 危巖體穩(wěn)定性分析計算

傾倒破壞和滑移破壞是三峽庫區(qū)陡高塔柱狀危巖體常見的失穩(wěn)模式，依據(jù)陳洪凱［5］對三峽庫區(qū)危巖體穩(wěn)定性計算方法，龍門寨危巖體穩(wěn)定性計算時選擇自重＋孔隙水壓力（地下水流出通道堵塞工況）的荷載組合，對兩種危巖體破壞模式進行穩(wěn)定性計算（圖3）。

圖3 陡高危巖穩(wěn)定性計算模式示意圖Fig.3 Schematic diagram of calculation model for the stability of steep-high unstable rock mass

（1）傾倒式（危巖體重心在傾覆點內(nèi)側(cè)）：

（2）滑移式：

式中，flk為巖體抗拉強度標準值（MPa）；b為后緣裂隙到傾覆點的位置（m）；W 為危巖體自重（kN／m）；a為危巖重心到傾覆點的水平距離（m）；hw為裂隙充水高度（m），天然狀態(tài)下取主控結(jié)構(gòu)面的1／3長度，約60m；Q為裂隙后緣水壓力（kN／m）；β為后緣裂隙傾角（°）；α為滑面傾角（°）；U為揚壓力（k N／m）；φ為滑面內(nèi)摩擦角標準值（°）；c為滑面黏聚力標準值（MPa）；l為滑動面長度（m）；Fs-t為危巖傾倒式穩(wěn)定性系數(shù)；Fs-s為危巖滑移式穩(wěn)定性系數(shù)。

極限平衡法穩(wěn)定性計算方法幾何參數(shù)取值見表1。根據(jù)文獻［14］的研究，可得本文危巖體部分相關(guān)參數(shù)的取值（表2），采用上述方法對龍門寨危巖體開展穩(wěn)定性計算，為方便計算，假定危巖體后緣主控結(jié)構(gòu)面垂直于危巖體基座。

表1 計算模型幾何參數(shù)取值Tab.1 Values of geometric parameters of the calculation model

表2 龍門寨危巖體相關(guān)參數(shù)取值Tab.2 Values of related parameters of the Longmenzhai unstable rock mass

根據(jù)危巖體穩(wěn)定系數(shù)大小，可將危巖體劃分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定和不穩(wěn)定三種狀態(tài)。穩(wěn)定的危巖體可不采取措施，基本穩(wěn)定的危巖體需加強危巖體的監(jiān)測，不穩(wěn)定的危巖體需及時進行防治處理。

通過對龍門寨危巖體可能發(fā)生的兩種破壞模式的計算，按危巖體傾倒破壞失穩(wěn)模式計算時穩(wěn)定系數(shù)Fs-t：7.25；按危巖體滑移失穩(wěn)模式計算時穩(wěn)定系數(shù)Fs-s：2.75。根據(jù)危巖穩(wěn)定性評價標準［5］，兩個模式的穩(wěn)定性系數(shù)均大于安全系數(shù)，危巖體不采取工程治理措施，但需加強監(jiān)測。

2.2 考慮巖體損傷的穩(wěn)定性分析

庫區(qū)陡高巖體在長期的自重荷載和庫水周期性作用下，導(dǎo)致底部區(qū)域巖體劣化日益明顯。底部劣化區(qū)巖體的承載能力減弱，使得底部巖體的有效承載面積減少。因此作用在底部劣化巖體上的有效荷載隨著巖體的損傷加速而增大。有效承載面積的變化會影響底部巖體承載力的計算結(jié)果，將損傷變量加入巖體承載力與荷載的計算中，進而獲得底部基座巖體破碎時的受力情況，再對陡高危巖破壞模式進行分析。為了計算方便，本文將龍門寨危巖體的力學(xué)模型概化為上部非完全劣化區(qū)與基座劣化區(qū)進行受力分析（圖4）。

圖4 陡高巖體底部壓裂失穩(wěn)概化力學(xué)模型［13］Fig.4 Generalized mechanical model of fracturing instability at the bottom of steep-high unstable rock mass［13］

對龍門寨危巖體進行力學(xué)分析可得，基座劣化區(qū)壓裂潰屈的主要原因是受到非完全劣化區(qū)施加的持續(xù)性荷載，類似單軸加載。因此，基座巖體的持續(xù)的損傷演化是底部區(qū)域塊體失穩(wěn)破壞的主要因素。本文引入塔柱狀巖體崩塌理論對龍門寨危巖的底部巖體劣化損傷規(guī)律與破壞模式進行分析。根據(jù)賀凱［14］對塔柱狀危巖體損傷劣化引起的崩塌研究得到的結(jié)論，引入公式：

式中，σDL為等效荷載應(yīng)力（MPa）；H為巖體高度（m）；h為底部損傷區(qū)域高度（m）；γ為上部非劣化區(qū)巖體重度（kN·m-3）；D為巖體損傷變量；σc為巖石單軸抗壓強度（MPa）；φ為巖內(nèi)摩擦角（°）；c為巖體黏聚力（k Pa），根據(jù)周邊危巖體研究數(shù)據(jù)取值1000kPa；σ3為巖體實際圍壓（MPa），根據(jù)巖體高度與重度計算取4.3MPa；μ為巖體破裂時的泊松比；σDt為巖體壓張破壞應(yīng)力閾值（MPa）；σDτ為巖體壓剪破壞應(yīng)力閾值（MPa）。

根據(jù)三峽庫區(qū)巫峽段周邊已進行防治加固的工程經(jīng)驗值和相關(guān)文獻研究［14-16］，可得到上述式（3）～（6）中參數(shù)的取值，見表3。

表3 巖體損傷劣化的計算參數(shù)取值Tab.3 Values of calculation parameters of rock mass damage and deterioration

根據(jù)賀凱［14］巖體損傷理論的經(jīng)驗以及龍門寨危巖體現(xiàn)階段的損傷情況，假定當(dāng)損傷變量達到0.45時可能發(fā)生壓裂潰屈破壞。根據(jù)式（3）～（8）得到考慮底部區(qū)域巖體損傷劣化的穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果，見表4。

表4 穩(wěn)定性計算結(jié)果Tab.4 Stability coefficients calculated by the method of considering the deterioration in the bottom region of unstable rock mass

根據(jù)上述計算結(jié)果和危巖穩(wěn)定性評價標準［5］，可判斷危巖體目前處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)，且危巖體極有可能發(fā)生壓剪破壞失穩(wěn)，黃波林［17］計算得到龍門寨危巖體穩(wěn)定性系數(shù)K為1.27，本文考慮損傷的穩(wěn)定性計算方法獲得危巖壓剪破壞的穩(wěn)定性系數(shù)與之接近，表明極限平衡法計算得到的結(jié)果過于安全且與現(xiàn)實情況不符合，也驗證了考慮劣化區(qū)損傷的穩(wěn)定性計算方法的適用性。

3 危巖體的防治措施

三峽庫區(qū)陡高塔柱狀危巖體的防治需要根據(jù)危巖所處的地質(zhì)環(huán)境，對危巖體裂隙的發(fā)育情況、結(jié)構(gòu)面和軟弱夾層的分布等調(diào)查清楚，全面分析危巖體的失穩(wěn)機制與失穩(wěn)模式，再結(jié)合施工條件，才能對具體的危巖體采取針對性的防治措施。根據(jù)龍門寨危巖體的形態(tài)特征、地理環(huán)境和底部區(qū)域巖體的劣化損傷等，建議采取以下措施：

（1）底部劣化區(qū)域。這部分巖體由于持續(xù)自重荷載的作用，加之庫水漲落對基座提供的干濕循環(huán)的水環(huán)境，導(dǎo)致巖體損傷度高，宜對基座軟弱巖體采取注漿填充裂隙補強加固和預(yù)應(yīng)力錨桿加固。

（2）中上部巖體。這部分巖體表面風(fēng)化程度高且卸荷裂隙較發(fā)育，全部清理工程量較大，故采用預(yù)應(yīng)力錨索加掛網(wǎng)噴漿錨固崩塌危巖體，阻止上部巖體的掉落以及卸荷裂隙發(fā)育，以達到治理效果。

4 結(jié)論

三峽庫區(qū)涉水區(qū)域陡高單體危巖的穩(wěn)定性影響著黃金水道的安全運行和沿岸居民的生命財產(chǎn)安全，恰當(dāng)?shù)奈r體穩(wěn)定性計算方法和經(jīng)濟的防護加固措施，為維持三峽庫區(qū)的安全運行提供了極大便利。

（1）三峽庫區(qū)大型陡高危巖受自身形態(tài)與地質(zhì)環(huán)境影響較大，自重荷載以及人類活動因素耦合作用下，底部區(qū)域巖體劣化演變速度更快，致使底部區(qū)域成為危巖潰屈失穩(wěn)的關(guān)鍵性區(qū)域。

（2）使用極限平衡理論的穩(wěn)定性計算方法獲得的計算結(jié)果，由于未考慮陡高危巖體各部分的損傷劣化差異而導(dǎo)致計算結(jié)果可能失真。基于考慮巖體損傷劣化的穩(wěn)定性計算方法，從力學(xué)角度更加貼合的分析了危巖體的失穩(wěn)模式與破壞模式，結(jié)果顯示龍門寨危巖體目前處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）根據(jù)不同危巖體的失穩(wěn)破壞機理，圍繞關(guān)鍵區(qū)域開展監(jiān)測或治理工作，采取有針對性的防治工程措施，根據(jù)巖體具體情況制定相應(yīng)的治理措施，以保證危巖防護治理的安全可靠性，供相關(guān)決策部門參考。