許立，胡卸文,2

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汶馬高速克枯大橋危巖發(fā)育特征及破壞模式

許立1，胡卸文1,2

（1. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031；2 西南交通大學(xué)，高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；）

以汶馬高速公路克枯大橋危巖為研究對(duì)象，通過(guò)野外調(diào)查，查明了危巖發(fā)育特征，結(jié)合赤平投影分析了其穩(wěn)定性；利用離散元軟件模擬，再現(xiàn)了區(qū)內(nèi)典型危巖體WYT3-1的變形破壞全過(guò)程，并根據(jù)其變形破壞特征提出了針對(duì)性的治理措施建議。

汶馬高速；危巖；穩(wěn)定性；破壞模式；

汶馬高速克枯特大橋危巖位于在建克枯大橋左線高陡斜坡上，斜坡表面因早期崩落而呈鋸齒狀，除巖體層面外，坡體內(nèi)構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙發(fā)育。危巖區(qū)現(xiàn)狀穩(wěn)定性較差，表層多有危巖體脫離母巖而發(fā)生崩落，嚴(yán)重影響汶馬高速建設(shè)安全及進(jìn)度。

圖1 克枯大橋危巖全景圖

圖2 工程地質(zhì)平面圖

1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

危巖區(qū)位于青藏高原東南緣，為河谷陡斜坡地貌，河谷整體呈V字型。雜谷腦河寬15~20m，無(wú)階地發(fā)育，雜谷腦河自西向東橫穿危巖區(qū)。在建的汶馬高速克枯大橋順河右岸而建，岸邊發(fā)育一陡崖，崖頂高程約為1 540m，垂直高差較大約140m。研究區(qū)年均降水量753mm，具有明顯的干濕兩季，全年降雨量的80%集中在5~9月份。區(qū)內(nèi)出露的地層主要為全新統(tǒng)(Q)、更新統(tǒng)(Qp)及志留系茂縣群第二組(Smx)。根據(jù)現(xiàn)有資料，確定本區(qū)域地震烈度為Ⅷ度

2 危巖發(fā)育特征

克枯大橋危巖所在高陡斜坡，坡度80°~90°。陡崖出露基巖為志留系茂縣群千枚巖，呈薄~中厚層狀，薄層最薄2cm，厚層最厚35cm，巖層產(chǎn)狀326°∠56°，坡體結(jié)構(gòu)為橫向坡。危巖區(qū)主要分布高程1 349~ 1 538m，長(zhǎng)約150m，寬約250m，總面積約為37 000m2，整個(gè)危巖區(qū)根據(jù)不同部位可分為5個(gè)危巖帶，其中在3個(gè)危巖帶內(nèi)發(fā)育有4個(gè)底部呈凹腔的單體危巖(圖1、圖2)。除巖體層面外，危巖帶所在坡體發(fā)育有兩組明顯節(jié)理，產(chǎn)狀分別為J1：137°∠55°，J2：117°∠34°，其中節(jié)理J1較發(fā)育，一般呈張開(kāi)狀，可見(jiàn)延伸長(zhǎng)度長(zhǎng)（大于5m），間距較小（一般小于2m），節(jié)理裂隙J2表現(xiàn)為發(fā)育程度弱。結(jié)構(gòu)面切割危巖塊體尺寸一般0.3~0.5m。

危巖區(qū)各危巖帶基本特征見(jiàn)表。

克枯大橋危巖基本特征表

危巖帶順坡長(zhǎng)度（m）平均寬度（m）立面面積（m2）分布高程（m） WYD1119991527～1538 WYD221204201500～1520 WYD3955038951413～1500 WYD435289801390～1420 WYD5393112091390～1430

3 危巖帶及單體危巖穩(wěn)定性分析

野外調(diào)查顯示，危巖區(qū)邊坡坡向35°，坡度85°；巖層面產(chǎn)狀326°∠56°；區(qū)內(nèi)發(fā)育兩組節(jié)理：J1：137°∠55°，J2：117°∠34°。邊坡結(jié)構(gòu)面的赤平投影見(jiàn)圖3：

從赤平投影上可以看出，兩組結(jié)構(gòu)面J1，J2與巖層面C共同切割邊坡，結(jié)構(gòu)面J1與巖層面C組合交線產(chǎn)狀為52°∠7°，結(jié)構(gòu)面J1與結(jié)構(gòu)面J2組合交線產(chǎn)狀為63°∠22°，結(jié)構(gòu)面J2與巖層面C組合交線產(chǎn)狀為47°∠13°，邊坡臨空面產(chǎn)狀為35°∠85°。根據(jù)野外調(diào)查，節(jié)理面J1延伸較長(zhǎng)，且多松弛張開(kāi)，將薄~中厚層狀巖體切割成條塊狀，因此，節(jié)理面J1與巖層面C的組合是危巖的控制性結(jié)構(gòu)面。其組合交點(diǎn)與邊坡臨空面在同側(cè)，即組合交線與臨空面傾向一致，但傾角小于坡角，交線產(chǎn)狀為52°∠7°，邊坡臨空面產(chǎn)狀為35°∠85°，交線與邊坡臨空面傾角相差達(dá)78°。綜上所述，兩者組合結(jié)構(gòu)面切割形成的塊體穩(wěn)定性一般，且可能形成墜落式破壞，對(duì)下方在建克枯大橋構(gòu)成威脅，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)危巖及其可能崩塌落石的工程治理，以確保高速公路運(yùn)營(yíng)安全。

圖3 赤平投影圖（上半球）

4 危巖變形破壞的離散元模擬

為了進(jìn)一步分析克枯大橋危巖的變形破壞過(guò)程，采用離散元數(shù)值模擬，分析研究區(qū)危巖變形破壞的全過(guò)程。以危巖體WYT3-1（照片及剖面圖見(jiàn)圖4）為典型建立模型，模型高159m，寬100 m，固定模型左、下邊界，其他為自由邊界（模型見(jiàn)圖5）。并根據(jù)研究區(qū)針對(duì)變質(zhì)巖的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合選取計(jì)算參數(shù)。

圖4 WYT3-1危巖體剖面圖

圖5 離散化模型圖

通過(guò)將模型分別迭代5×104次，10×104次，20×104次及25×104次，并觀察記錄每個(gè)計(jì)算時(shí)步下，危巖變形特征，可再現(xiàn)克枯大橋危巖變形破壞的全過(guò)程。

第一階段：由于凹巖腔的存在，在重力作用下，斜坡內(nèi)應(yīng)力調(diào)整并在斜坡上表現(xiàn)出一定的變形特征。模型迭代到5×104次、實(shí)際計(jì)算持續(xù)0.64s時(shí)，斜坡上的變形主要集中在危巖體頂部，巖體被拉裂松動(dòng)，并沿陡傾坡外的主控結(jié)構(gòu)面形成拉裂縫，裂縫深度約為0.5m（圖6）。

圖6 迭代5×104 次

圖7 迭代10×104 次

第二階段：模型迭代10×104次，實(shí)際計(jì)算持續(xù)時(shí)間為1.37s。危巖體后緣邊界上拉裂面繼續(xù)發(fā)展，同時(shí)下部由于重力荷載作用發(fā)生剪切變形；開(kāi)始有小塊巖體沿著陡傾坡外主控結(jié)構(gòu)面滑移變形，進(jìn)而發(fā)生墜落運(yùn)動(dòng)（圖7）。

第三階段：危巖體后緣拉裂面開(kāi)裂貫通的過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，所以此變形總過(guò)程較緩慢。但是當(dāng)危巖體后緣結(jié)構(gòu)面貫通之后，危巖體的向下墜落的過(guò)程是迅速的，具有突發(fā)性。當(dāng)模型迭代到20×104次、實(shí)際計(jì)算持續(xù)2.34s時(shí)，拉裂面即將貫通，并且危巖體下部發(fā)生了明顯的剪切破碎現(xiàn)象，WYT3-1危巖體整體有脫離母巖的趨勢(shì)（圖8）。

圖8 迭代20×104 次

圖9 迭代25×104 次

第四階段：模型迭代到25×104次，實(shí)際計(jì)算持續(xù)時(shí)間為3.12s。拉裂面貫通，危巖體沿著陡傾坡外的結(jié)構(gòu)面迅速墜落，由于危巖體內(nèi)部被結(jié)構(gòu)面切割較為破碎，巖體在向下墜落過(guò)程中，接觸坡面后沿結(jié)構(gòu)面分解，形成小塊石（圖9）。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

1）克枯大橋危巖區(qū)所在地形高陡，坡體結(jié)構(gòu)為橫向坡，在整個(gè)危巖區(qū)呈階梯狀發(fā)育有5個(gè)危巖帶及4個(gè)較大規(guī)模危巖單體。

2）通過(guò)危巖區(qū)不同結(jié)構(gòu)面組合的赤平投影圖分析，顯示節(jié)理面J1與巖層面C構(gòu)成了危巖的主控結(jié)構(gòu)面，主控結(jié)構(gòu)面的交線與臨空面傾向一致，傾角小于坡角，傾角相差達(dá)78°，易發(fā)生墜落式破壞。

3）利用離散元程序?qū)ξrWYT3-1進(jìn)行了變形破壞過(guò)程分析，結(jié)果表明，危巖體因底部臨空（凹巖腔），巖體頂部逐漸受拉，當(dāng)拉裂縫擴(kuò)展至一定程度時(shí)，巖體再沿著陡傾坡外主控結(jié)構(gòu)面迅速滑移墜落，為典型的墜落式危巖。

5.2 建議

1）對(duì)危巖區(qū)4個(gè)重點(diǎn)單體危巖進(jìn)行清除，對(duì)高位殘余危巖進(jìn)行主動(dòng)網(wǎng)防護(hù)；

2）加強(qiáng)危巖治理前、中、后的變形監(jiān)測(cè)巡視與監(jiān)測(cè)預(yù)警工作。

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Development Characteristics and Failure Patterns of Unstable Rock Mass at the Kuke Bridge of the Wenchuan-Markam Motorway

XU Li1HU Xie-wen1,2

（1-Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031; 2-State-Province Joint Engineering Laboratory of Spatial Information Technology for High-Speed Railway Safety, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031）

This study finds out developmental characteristics of unstable rock mass at the Keku bridge of the Wenchuan-Markam Motorway and analyzes its stability with stereographic projection. The whole process of the deformation and failure of the typical dangerous rock WYT3-1 in the region is reproduced by use of the discrete element software, and some control measures are put forward according to its deformation and destruction characteristics.

Wenchuan-Markam Mortorway; unstable rock amss; stability;failure pattern

2018-05-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助（No.41731285，41672283）；四川省國(guó)土資源廳科學(xué)研究計(jì)劃(KJ-2014-10，KJ-2015-18，KJ-2016-8)；

許立（1993-），男，碩士研究生，主要從事工程地質(zhì)方面的研究

胡卸文(1963–)，男，博士，現(xiàn)任教授、博士生導(dǎo)師，主要從事工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)方面的教學(xué)與研究工作，E-mail：huxiewen@163.com

P642.2

A

1006-0995（2019）01-0109-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.026