藏区G317沿线滑移式危岩体稳定性分析.pdf

康家亮，郑以宝，程宪龙（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）摘 要文中根据理论公式法及离散元数值模拟法对藏区G317沿线裕丰岩上部失稳危岩体的稳定性进行研究，通过对危岩体破坏过程模拟分析，得出理论公式法和软件数值模拟，可以更有效地对危岩体进行防护和治理。关键词危岩体；稳定性；地震；藏区G317中图分类号 TU457文献标识码B文章编号 10020624（2023）08005403藏区G317沿线滑移式危岩体稳定性分析0 引 言危岩体是指在边坡上被结构面切割，在重力、地震、降雨和风化应力等作用下与母岩分离而发生失稳崩塌的岩石。危岩体的破坏失稳具有突发性的特点。汶川是地震重灾区，是我国四大崩塌、滑坡、泥石流密集区之一，地震不仅直接造成了巨大的人员和经济损失，同时还会造成大面积的滑坡、泥石流等伴生灾害。不少学者针对危岩体失稳进行了研究，何思明等1对危岩灾害进行分析并提出了合理的治理方案；穆鹏等2对危岩体稳定性进行定量和定性的分析，提出了小规模清危的治理方案；刘锦华等3运用块体理论对工程岩体稳定性进行分析，介绍块体理论的基本概念和基本方法；黄小刚4对危岩体的发育特征和稳定性计算方法进行了系统的研究，得到了危岩体的失稳机理；李萍5运用数值模拟理论分析了链子崖危岩体的稳定性。下文根据理论计算法及离散元的方法进行对比，对汶川地区G317国道沿线裕丰岩边坡存在的危岩体稳定性及失稳机理进行研究，为藏区公路周围高边坡的治理提供依据。1 分析方法近年来，研究区内时有崩塌灾害发生，给下方交通、行人及大桥带来严重威胁。为进一步了解危岩体失稳特征，以便对危岩体进行有效的防护和治理，重点对现场危岩体特征进行逐一勘察，通过离散元模拟分析地震作用下危岩体的失稳机理，该典型案例为滑移式危岩体。1.1 滑移式危岩体计算方法危岩体后缘裂隙与底部软弱结构面贯通，在裂隙水压力及自重力作用下，发生蠕变变形，形成失稳危岩，计算模型见图1。图1 滑移式危岩体力学分解示意图危岩体一旦失稳，将沿着底部软弱结构面发生滑动失稳，其稳定系数K可按下式计算：K=()Wcos-Qsin-Vsin-U tg+clWsin+Qcos+Vcos（1）式中：W危岩体重量，kN/m3；破裂面倾角，（），外倾取正值，内倾为负值；Q水平地震力，kN/m，作用系数为烈度一般取 0.2；丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁 丁丁静水压力V地下水位危岩后缘后缘裂隙危岩体扬压力U危岩前缘WsinWcosW软弱结构面东北水利水电工程建设与管理2023年第8期hwl 54V静水压力，kN/m；U扬压力，kN/m；裂缝内摩擦角标准值，（）；c后缘裂缝的粘聚力标准值，kPa；l滑面长度，m。其中：V=12wh2w（2）式中：hw水头，m；w水的重度，取9.8 kN/m。1.2 分析假定需遵循如下假定：危岩体两侧与稳定岩体之间，以及周围危岩体之间均无摩擦作用；危岩体的稳定分析都将空间问题简化为平面问题，按单位长度的危岩块体进行计算；危岩体脱离母岩之前为整体。2 离散元程序简介离散元法是一种专门用来解决不连续介质的数值模拟方法。该方法把岩体当成是由分散的岩块和岩块间的节理面组成的一种岩体，它适用于岩块平移、变形和转动，而且岩体的节理面可以被压缩、分离和滑动。因此，岩体被看作一种不连续的离散介质。岩体内部存在转动和滑移乃至块体间的分离，此方法可以比较真实地模拟节理岩体中非线性的变形特征。2.1 计算模型危岩体破坏机理为滑移式。滑移式危岩体较好地揭露了边坡岩体结构的工程地质特性，选取滑移式危岩体作为计算剖面，能够较真实地反映整个边坡的实际工程地质特征，对该边坡变形破坏机制及运动全过程进行数值模拟分析，便于更准确地把握此边坡变形破坏的成因机制。2.2 数值模拟思路为揭示边坡崩塌渐进破坏过程和更加深入地认识其形成机理，采用离散元软件进行边坡在地震状态下发生崩塌的数值模拟分析。共划分为1 054个单元网格模型，边界均采用固定边界条件。模型高320 m，底面宽240 m，坡度50，见图2。在对模型进行地震动力分析时，其底部采取粘滞场边界，两侧采取自由场边界，这样能够合理地避免地震波的反射和能量的发散。开始计算前，先进行试算，使模型本身达到平衡状态，然后再施加边界条件进行计算。试算期间，在模型底部施加竖向约束，两侧施加水平方向约束，采用模拟地震波，持续时间120 s，加速度为0.20g。模型主要选用强、弱风化层岩体作为计算参数，选择的结构面一组与坡体反向缓倾，一组近似垂直，岩体被结构面切割成不同大小的岩块。3 算 例3.1 工程简介G317 沿线新建高速公路桩号 ZK5+350 段左侧边坡，边坡中部形成直立陡坎，发育 1 处危岩体。该隧道出口外接裕丰岩大桥，位于危岩体正下方，上部边坡崩塌产生的滚石可直接威胁下方过往车辆。根据室内研究资料，危岩体计算参数取值见表1。表1 计算参数取值3.2 危岩体稳定性计算结果分析采用3种不利工况进行计算分析：工况一，天然状态自重；工况二，暴雨状态饱和自重+裂隙水压力；工况三，地震状态自重+裂隙水压力+地震力。稳定性评价标准见表2，将试验所得计算数据代入公式（1）进行计算，结果见表3。表2 稳定性评价标准图2 数值模拟概化图岩石名称千枚岩结构面密度/（gcm-3）2.30抗压强度/MPa25.00承载力/MPa0.80抗剪强度强度值/MPa0.170.05内摩擦角/（）2820变形模量/GPa1.80泊松比0.40危岩体类型滑移式坠落式倾倒式危岩体稳定状态不稳定K1.0K1.0K1.0欠稳定1.0K1.21.0K1.51.0K1.3基本稳定1.2K1.31.5K1.81.3K1.5稳定K1.3K1.8K1.52023年第8期工程建设与管理东北水利水电 55基金项目 四川省科技创新团队项目(2011JTD012)，交通运输部建设科技项目“四川藏区高海拔高烈度条件下公路建设减灾关键技术研究”（编号：2013 318 800 020）收稿日期 2022-11-17表3 稳定性系数及稳定性评价由表3可以看出，天然状态和暴雨状态下危岩体处于稳定状态，在地震工况下，危岩体处于欠稳定状态，因此，在隧道施工过程中，由于经常的爆破施工产生的振动对危岩体的稳定性有影响，为保证施工过程中的安全，应对危岩体采取治理措施。地震是引起危岩体崩塌的直接因素，在地震作用下，危岩体发生开裂变形，在蠕变情况下，慢慢地发生变形，当岩体间粘聚力小于重力时，最终可以造成瞬间破坏，发生事故。3.3 离散元数值模拟法根据现场测量得到边坡及危岩体的尺寸、位置及规格，按照等比例将实际模型在UDEC中呈现出来，见表4、表5。表4 岩体计算参数边坡的变形破坏过程见图3。根据实际模拟出的情况分析可知，地震工况下，危岩体发生了失稳。边坡受两组节理切割，形成危岩体，岩体呈块状。在节理切割及地震作用下，危岩体发生应力集中，随着时间推移，岩体受到的力越来越大，底部及后缘裂隙越来越宽，使得危岩体逐步和母岩发生脱离，最终发生失稳破坏。4 结论和建议1）危岩体的形成与各种外力因素密切相关，地震作用、降雨作用和风化作用都是极大的诱因，工程中应注意加强防护措施。2）危岩体的防治可以采用主动防护网覆盖在危岩体上或者直接采取清除措施。3）对隧洞出口处的危岩体可采取搭设管棚，或者采取消能措施进行处理。参 考 文 献1何思明，张晓刚，沈韵，等.乐山大佛景区景云亭危岩灾害分析及防治研究 J.灾害学，2009，24（3）：433-435.2穆鹏，吴玮江.汶川地震重灾区陇南寨子崖危岩体稳定性分析与防治对策 J.灾害学，2011，26（4）：64-67.3刘锦华，吕祖珩.块体理论在工程岩体稳定分析中的应用 M.北京：水利电力出版社，1988.4黄小刚.危岩体发展机理与防治措施的可靠性研究 D.重庆：重庆交通大学出版社，2011.5李萍.长江三峡库区链子崖危岩体稳定性分析 D.天津：天津大学出版社，2003.失稳模式滑移式工况一二三稳定系数1.361.321.10稳定性评价稳定稳定欠稳定岩土体地层强风化层弱风化层密度/（kgcm-3）2 3003 000体积模量/GPa1222剪切模量/GPa78摩擦角/（）2528粘聚力/kPa130170法向刚度/（GPam-1）0.5切向刚度/（GPam-1）0.6摩擦角/（）20粘聚力/kPa50表5 模型计算参数图 3 危岩体失稳运动过程东北水利水电工程建设与管理2023年第8期 56