劉榜余，覃乙根

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025)

0 引 言

危巖體孤石是指在坡面上零星分布、具有一定體積的孤立巖石塊體，常以單體形式呈現(xiàn)[1]。主要分布于工程地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體中裂隙、軟弱夾層及斷層發(fā)育的山區(qū)邊坡。隨著公路、礦山等工程建設(shè)項(xiàng)目所修建的高陡邊坡增多，危巖體崩塌已成為工程建設(shè)中最常見的地質(zhì)災(zāi)害之一。由于崩塌地質(zhì)災(zāi)害具有破壞性強(qiáng)、高隱蔽性、易形成鏈狀成災(zāi)的特點(diǎn)[2]，常對(duì)公路、鐵路工程造成較大破壞，對(duì)行駛車輛和乘客生命帶來極大的威脅，因此對(duì)公路危巖體孤石的穩(wěn)定性及破壞模式研究具有重要的意義。

目前，國內(nèi)已有許多學(xué)者開展了關(guān)于危巖體孤石穩(wěn)定性的研究，并取得了一定的成果。如亞南等[3]以鏈子崖東側(cè)猴子嶺為例對(duì)崩塌落石的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征開展了地質(zhì)力學(xué)與數(shù)值模擬研究，并對(duì)防治方案提出了建議。黃潤秋等[4]對(duì)滾石的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并利用正交試驗(yàn)理論分析了影響巖塊在邊坡運(yùn)動(dòng)各因素的敏感性。喻興等[5]對(duì)貴州巖溶區(qū)反傾邊坡危巖體采用赤平投影和極限平衡法計(jì)算其穩(wěn)定性, 并用二維有限元分析方法進(jìn)行了驗(yàn)證。楊智翔等[6]對(duì)汶川地區(qū)裕豐巖上部失穩(wěn)危巖體孤石穩(wěn)定性采用理論公式和Rockfall程序數(shù)值模擬進(jìn)行了研究，得出影響危巖體孤石失穩(wěn)的主要因素。

目前，對(duì)危巖體孤石穩(wěn)定性分析主要采用工程地質(zhì)法、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。根據(jù)研究區(qū)特殊地況結(jié)合前人研究成果，本文通過理論計(jì)算法和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)蓉遵高速K337+000處危巖體孤石的穩(wěn)定性和破壞模式進(jìn)行了分析，并對(duì)孤石破壞后最大影響范圍進(jìn)行了計(jì)算，為公路邊坡危巖體孤石的治理提供參考。

1 工程概況

危巖體位于蓉遵高速K337+000處，研究區(qū)地勢(shì)呈東南高，西北低，區(qū)內(nèi)大小溪河縱橫交錯(cuò)發(fā)育，河谷深切，地貌被侵蝕切割成峽谷山地、坪狀低山和丘陵等地形。地貌的侵蝕切割使背斜和向斜發(fā)生地形倒置，形成向斜成山、背斜成谷的逆向構(gòu)造地形。區(qū)內(nèi)無大型斷裂發(fā)育，巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育，以陡傾裂隙為主。區(qū)內(nèi)天然植被發(fā)育，地形陡峭，人口稀少。危巖體出露地層為白堊系嘉定群組紫色、磚紅、灰紫色、厚層中細(xì)粒長石石英砂巖，夾多層紫紅色泥巖，底部為厚2～3.5 m礫巖。

圖1 危巖體平面圖

圖2 危巖體剖面示意圖

2 危巖體特征

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是以無人機(jī)為飛行平臺(tái)搭載傳感器設(shè)備，來獲取地面信息的遙感方式[7]。在保證重疊率和分辨率的情況下，無人機(jī)可獲取航測(cè)區(qū)多角度帶經(jīng)緯度信息的照片，通過三維實(shí)景建模技術(shù)可快速構(gòu)建實(shí)景模型。

通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，獲取危巖體多角度的數(shù)碼照片，通過ContextCapture軟件建立三維實(shí)景模型。具體步驟包括生成點(diǎn)云模型、模型著色、三角網(wǎng)構(gòu)建、生成紋理紋理等(圖3)。

基于三維實(shí)景模型，可以得到危巖體的準(zhǔn)確幾何特征、空間特征和地質(zhì)特征。通過對(duì)該危巖體體積進(jìn)行量測(cè)，該危巖體長約10 m，寬約6 m，高約8 m，后方嵌于土層中，前方突出懸空，風(fēng)化剝蝕較輕，有崩落的危險(xiǎn)。

圖3 孤石無人機(jī)三維實(shí)景模型的構(gòu)建

3 破壞模式分析

危巖體體積約480 m3，規(guī)模等級(jí)為小型，影響小危巖體失穩(wěn)破壞的主要因素為邊坡地形條件、地層巖性和巖體結(jié)構(gòu)，誘發(fā)因素有暴雨、地震和人工開挖等[8]。在野外實(shí)地調(diào)查影響危巖體失穩(wěn)破壞因素基礎(chǔ)上，結(jié)合其在工程地質(zhì)剖面上的形態(tài)特征及結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征與變形破壞特征，判定危巖體形成及破壞過程：由于坡面出露地層為白堊系嘉定群組厚層砂巖夾多層泥巖，巖性呈軟硬夾層狀產(chǎn)出，軟弱夾層較多，坡面巖體在構(gòu)造節(jié)理和風(fēng)化卸荷切割作用下，使坡面發(fā)育以礫巖為底層面的突出孤石；孤石基座為厚礫巖，礫巖在風(fēng)化作用下持續(xù)剝蝕形成風(fēng)化層，經(jīng)過雨水的沖刷使巖層面風(fēng)化層逐漸被沖蝕，加上溫度和地下水等作用，巖層面逐漸軟化形成軟弱結(jié)構(gòu)面。由于危巖體朝坡向面臨空，在外力作用下，巖體從最開始較穩(wěn)定的緩傾內(nèi)結(jié)構(gòu)逐漸變成不穩(wěn)定的緩傾外結(jié)構(gòu)，最終沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑移崩落，即產(chǎn)生傾倒-崩落破壞，其破壞機(jī)理為傾覆力矩大于抗傾覆力矩而產(chǎn)生破壞。

4 危巖體穩(wěn)定性分析

4.1 計(jì)算模型及計(jì)算公式

本次對(duì)危巖體的計(jì)算主要依據(jù)《崩塌防治工程勘查規(guī)范》(T 00/CAGHP 011-2017)所提供的方法來確定。對(duì)于傾倒式破壞，其計(jì)算公式如下：

1) 對(duì)危巖重心在基座頂面前緣內(nèi)側(cè)情形，傾倒式危巖后部拉斷傾倒穩(wěn)定性可按下式計(jì)算(圖4)：

圖4 傾倒式危巖拉斷傾倒穩(wěn)定性計(jì)算

(1)

2) 對(duì)危巖重心在基座頂面前緣外側(cè)情形，傾倒式危巖后部拉斷傾倒穩(wěn)定性可按下式計(jì)算：

(2)

式中：a為危巖體重心到基座頂面前緣的水平距離，m；β為后緣陡傾結(jié)構(gòu)面傾角，(°)；h0為水平地震力作用線到基座頂面前緣的垂直距離，m；α為塊體與基座接觸面傾角，(°)；b為后緣裂隙的延伸段下端到基座頂面前緣的水平距離(即塊體與基座接觸面長度的水平投影)，m；H為后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距離(即危巖懸臂高度)，m；h為后緣裂隙深度，m；σt為巖體抗拉強(qiáng)度，kPa；V為后緣陡傾裂隙水壓力，kN/m；hw為后緣陡傾裂隙充水高度，m，對(duì)現(xiàn)狀工況根據(jù)調(diào)查資料確定；對(duì)暴雨工況根據(jù)匯水面積、裂隙蓄水能力和降雨情況確定，當(dāng)匯水面積和裂隙蓄水能力較大時(shí)不應(yīng)小于裂隙高度的1/3；Qh、Qv為水平地震荷載和垂直地震荷載；G為危巖的重量(含地面荷載)，kN/m。

孤石可能發(fā)生傾倒式崩塌的危巖，按式(1)計(jì)算，傾倒式危巖計(jì)算模型按單位寬度考慮。

4.2 危巖穩(wěn)定安全系數(shù)

穩(wěn)定性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)防安全系數(shù)的確定，按照《崩塌防治工程勘查規(guī)范》(T 00/CAGHP 011-2017)中表8的規(guī)定，考慮危巖體位于赤水市風(fēng)景區(qū)主干道，地質(zhì)環(huán)境、人文環(huán)境也較簡(jiǎn)單，危巖體綜合影響因素主要為自然因素。因此，在判定危巖體穩(wěn)定性時(shí)，危巖體防治工程等級(jí)按Ⅱ級(jí)，其穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)見表1。

危巖穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)根據(jù)崩塌防治工程等級(jí)和破壞模式確定(表2)。

4.3 巖土參數(shù)

危巖為泥質(zhì)粉砂巖，取其經(jīng)驗(yàn)值作為穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)，見表3。

表1 危巖穩(wěn)定狀態(tài)劃分

表2 危巖穩(wěn)定安全系數(shù)

表3 穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)取值表

4.4 危巖體穩(wěn)定性計(jì)算

4.4.1 計(jì)算簡(jiǎn)圖及工況

工況1：基本荷載(危巖自重+工程荷載)

工況2：基本荷載+暴雨(融雪)引起的裂隙水壓力

計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖5。

4.4.2 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述穩(wěn)定性計(jì)算公式及穩(wěn)定狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)危巖體進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，計(jì)算結(jié)果見表4。

圖5 計(jì)算簡(jiǎn)圖

表4 危巖體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

由表4穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果可知，危巖體處于工況1或工況2時(shí)皆處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.5 影響范圍預(yù)測(cè)

4.5.1 計(jì)算剖面和參數(shù)選取

本文運(yùn)用Rockfall模擬危巖體孤石運(yùn)動(dòng)軌跡。Rockfall程序是通過輸入一些與斜坡和落石相關(guān)的基本參數(shù)，模擬孤石在斜坡上的運(yùn)動(dòng)路徑、能量分布和彈跳高度變化，從而為防護(hù)治理設(shè)計(jì)提供直觀有效的依據(jù)[9]。

斜坡根據(jù)坡面植被發(fā)育程度分為2個(gè)坡段，上坡段為基巖裸露段，下坡段為公路坡段。各坡段計(jì)算參數(shù)取值見表5。

表5 各坡段計(jì)算參數(shù)

4.5.2 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)地形地貌特征和可能崩塌的主方向，選取圖2剖面圖為滑動(dòng)方向示意圖，運(yùn)用Rockfall模擬計(jì)算孤石滾落可能影響的范圍。其中，巖塊起崩點(diǎn)速度根據(jù)其滑移距離計(jì)算，坡面的切向、法向恢復(fù)系數(shù)和摩擦系數(shù)根據(jù)坡面植被覆蓋和坡面巖土結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合前人學(xué)者研究成果綜合確定。模擬可以得到運(yùn)動(dòng)速度、彈跳高度、運(yùn)動(dòng)軌跡等結(jié)果，按照落石的能量、跳躍位置，可以確定防護(hù)措施設(shè)置的能級(jí)和高度。

經(jīng)Rockfall模擬危巖體孤石運(yùn)動(dòng)軌跡，研究區(qū)危巖體孤石的下落軌跡及破壞后的影響范圍見圖6。

圖6 孤石破壞后的影響范圍

落石運(yùn)動(dòng)速度、動(dòng)能及彈跳高度分布曲線見圖7。

圖7 運(yùn)動(dòng)速度、動(dòng)能及彈跳高度分布曲線圖

由圖7分布曲線圖可以看出，運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)能分布曲線變化趨勢(shì)大致相同。這是因?yàn)殡S著運(yùn)動(dòng)速度的增大，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，導(dǎo)致動(dòng)能增大，反之亦然；運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)能在距落點(diǎn)距離約25和42 m處達(dá)到峰值，在距落點(diǎn)距離約32 m處為兩峰值間谷值。這是因?yàn)榫嗦潼c(diǎn)約25和42 m處落石與斜坡臺(tái)階、路面發(fā)生強(qiáng)烈碰撞彈跳，在碰撞前運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)能達(dá)到最大值，碰撞時(shí)能量發(fā)生損耗，碰撞后由于落石運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)能開始降低，在距落點(diǎn)距離約32 m處落石彈跳高度達(dá)到峰值，其運(yùn)動(dòng)速度和動(dòng)能減至谷值。落石在距落點(diǎn)42 m處與路面發(fā)生碰撞彈跳后運(yùn)動(dòng)速度、動(dòng)能和彈跳高度總體變化趨勢(shì)明顯降低。

由Rockfall模擬危巖體孤石運(yùn)動(dòng)軌跡可知，孤石破壞后最大影響范圍是距落點(diǎn)約58 m，影響路面寬度約20 m。所以在危巖落石防護(hù)時(shí)，要結(jié)合實(shí)際地況，在路面合適位置設(shè)置被動(dòng)攔石網(wǎng)，有效攔阻危巖及滾石，消除崩塌區(qū)危巖體及崩塌堆積體滾石的威脅。

5 結(jié) 論

1) 基于ContextCapture軟件建立三維實(shí)景模型，得到危巖體的準(zhǔn)確幾何特征、空間特征和地質(zhì)特征。該危巖體長約10 m，寬約6 m，高約8 m，后方嵌于土層中，前方突出懸空，風(fēng)化剝蝕較輕，有崩落的危險(xiǎn)。

2) 在野外實(shí)地調(diào)查影響危巖體失穩(wěn)破壞因素基礎(chǔ)上，結(jié)合其在工程地質(zhì)剖面上的形態(tài)特征及結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征與變形破壞特征，判定危巖體潛在破壞模式為傾倒-崩落，其破壞機(jī)理為傾覆力矩大于抗傾覆力矩。

3) 采用理論計(jì)算法考慮不同工況下危巖體穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，危巖體皆處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4) 運(yùn)用Rockfall模擬危巖體孤石運(yùn)動(dòng)軌跡，得到孤石破壞后最大影響范圍是距落點(diǎn)約58 m，影響路面寬度約20 m。