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        G109國道拉薩—羊八井段喀努納危巖體變形破壞模式及穩(wěn)定性分析*

        2021-06-10 09:48:08孫琪皓馬鳳山段學(xué)良
        工程地質(zhì)學(xué)報 2021年2期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        孫琪皓 馬鳳山 劉 港 郭 捷 段學(xué)良

        (①中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,中國科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點實驗室,北京 100029,中國)

        (②中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院,北京 100029,中國)

        (③中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049,中國)

        0 引 言

        危巖體是指被多組結(jié)構(gòu)面切割,在重力或其他外力的作用下逐漸與母體分離,且穩(wěn)定性較差的陡傾斜坡巖土體(劉衛(wèi)華等, 2007)。其發(fā)育過程具有漸進性,失穩(wěn)過程具有突發(fā)性,常出現(xiàn)突然脫離母體快速墜落,堆于坡腳或溝谷的現(xiàn)象,是山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的主要類型之一。危巖體失穩(wěn)往往具有產(chǎn)生速度快,沒有明顯前兆,豎直位移比水平位移大得多的特點。20世紀80年代至今,眾多學(xué)者對不同類型危巖體的形成機理、穩(wěn)定性及防治措施等進行了系統(tǒng)的研究,并取得了一定的成果。

        G109國道是世界上線路最長、海拔最高的柏油公路,它是進藏公路的主動脈(斯朗擁宗等, 2016)。其中,羊八井至拉薩公路段全線長約85 km,是連接拉薩和羊八井的交通要道。沿G109國道進行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查時發(fā)現(xiàn),羊八井至拉薩段大部分為典型的高山峽谷地貌,兩側(cè)山高坡陡,地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜,斷裂、褶皺構(gòu)造及節(jié)理裂隙十分發(fā)育。由于受到強烈的風(fēng)化、卸荷作用,沿線山體總體穩(wěn)定性較差。

        位于堆龍德慶區(qū)堆龍鄉(xiāng)喀努納村西側(cè)的一處陡立危巖體,緊鄰國道北側(cè),受構(gòu)造運動及強降雨作用影響,存在發(fā)生失穩(wěn)崩落的風(fēng)險。危巖區(qū)內(nèi)人類工程建設(shè)活動日益繁密,危巖體已經(jīng)成為影響工程建設(shè)和人民生命財產(chǎn)安全的重大潛在威脅。因此,本文基于野外詳細調(diào)查,采用無人機攝影測量技術(shù),獲取危巖體的發(fā)育形態(tài)及節(jié)理信息,分析其發(fā)育特征和變形破壞機理,并利用塊體理論和基于連續(xù)介質(zhì)的離散元方法(CDEM)評價危巖體的穩(wěn)定性,為危巖體崩塌災(zāi)害的防治提供地質(zhì)力學(xué)依據(jù)。

        1 環(huán)境地質(zhì)條件

        1.1 自然地理概況

        喀努納危巖體(29°59′55.43″N , 90°39′40.99″E)位于西藏自治區(qū)拉薩市堆龍德慶區(qū)西北部,堆龍河?xùn)|岸(堆龍河年均流速約60 m3·s-1,年徑流量約19×108m3),距拉薩市區(qū)直線距離約60km(圖1)。該處恰好為G109國道、京藏高速公路(G6)與青藏鐵路三線并行的交匯路段,人類工程活動十分密集。兩側(cè)山體平均海拔約4400 m,最大相對高差近400 m。該地區(qū)屬于高原寒溫帶濕潤季風(fēng)性氣候,冬季漫長,夏季短促,日溫差大,年平均氣溫為2~5 ℃,干濕季分明,多年年平均降雨量約420 mm,且多集中于汛期6~9月,約占全年總降水量的90%。

        圖1 喀努納危巖體位置

        1.2 基本地質(zhì)條件

        青藏高原是現(xiàn)今地球表面構(gòu)造活動性最強的大陸構(gòu)造單元,至今仍發(fā)育有強烈的構(gòu)造運動和地震活動(王琪等, 2001)。堆龍德慶區(qū)位于青藏高原中南部,喜馬拉雅山脈北側(cè),大地構(gòu)造上處于岡底斯-念青唐古拉山板塊中段,岡底斯陸緣火山-巖漿弧中部,羊八井—當(dāng)雄活動斷裂東南麓。該區(qū)域經(jīng)歷了多次造弧作用以及歐亞-印度大陸碰撞作用的疊加,形成了各種類型的沉積盆地以及多條構(gòu)造帶(姚鵬, 2006)。地層上屬于岡底斯-騰沖地層區(qū),主要出露巖性以花崗巖、閃長巖、砂巖、礫巖為主(圖2)。地勢總體上由東向西傾斜,公路沿線山地海拔多在4000 m以上,山勢陡峻,河谷深切,多呈“V”字形分布。受板塊擠壓以及斷層帶分布的影響,區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動較為強烈??ε{危巖體位于堆龍河上游的峽谷地段,侵蝕性地貌發(fā)育強烈,河谷受結(jié)構(gòu)裂隙控制呈折線狀彎曲,兩側(cè)斜坡自然坡度較陡(白存?zhèn)}, 2003)。受工程擾動和卸荷作用影響,卸荷裂隙發(fā)育,坡體較為破碎,沿線崩塌、泥石流連續(xù)發(fā)育。河谷兩側(cè)及公路旁分布較多塊石、砂土,河床曲折且時寬時窄,多處被碎石填埋,偶見巨石,推測曾發(fā)生過多次崩積物及沖洪積物堵江事件。

        2 危巖體發(fā)育特征

        2.1 危巖體幾何特征

        危巖體的發(fā)育特征與其所處的地形地貌、地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)特征、地質(zhì)構(gòu)造以及工程建設(shè)影響等因素密切相關(guān)(黃達等, 2007)??ε{危巖體整體呈西北—東南展布,巖性主要為灰白色中細粒黑云二長花崗巖和中粒含角閃二長花崗巖,構(gòu)造多呈塊體或厚板狀。由于地形復(fù)雜、邊坡高陡,僅憑目視或經(jīng)驗無法獲取更為準(zhǔn)確的危巖體特征信息。研究過程中借助于無人機攝影測量技術(shù)(王明等, 2019),對危巖體進行高精度攝影測量并利用解譯軟件提取信息,過程及結(jié)果如圖3、圖4所示。

        圖3 無人機攝影測量過程

        圖4 危巖體數(shù)字三維模型

        危巖體分布范圍約長500 m,頂部高程約4150 m,垂直高差約250 m(圖5)。從縱向剖面來看,斜坡整體呈上陡下緩狀,平均坡度約50°,局部陡傾處近70°,具有較好的落石滾落條件(圖6)。調(diào)查發(fā)現(xiàn),邊坡淺表部存在5~10 m深的卸荷裂隙帶,在縱向上可以將危巖體劃分為上部坡頂整體崩塌源、中部基巖裂隙帶、下部塊石堆積區(qū)3個區(qū)域(圖6,圖7),

        圖5 危巖區(qū)等高線圖

        圖6 危巖體工程地質(zhì)剖面圖

        表1 危巖體分區(qū)特征

        圖7 危巖體局部分區(qū)

        分區(qū)基本特征如表1描述。由于卸荷作用強烈,斜坡節(jié)理裂隙十分發(fā)育,且?guī)缀鯚o樹木植被覆蓋。坡面及坡腳處可見數(shù)十塊崩落的塊石,最大塊徑約2.5 m,推測為受工程擾動及車輛震動影響而發(fā)生的巖體崩落。危巖體前緣為京藏高速(G6)格拉段(格爾木—拉薩)在建路基工地,局部切坡高度達1~3 m, G109國道(工地以西約10 m)、青藏鐵路(工地以西約20 m)、堆龍河(工地以西約35 m)在其西側(cè)依次展布。

        2.2 危巖體結(jié)構(gòu)面特征

        巖體中常發(fā)育有各種不同地質(zhì)成因的斷層、巖脈、節(jié)理裂隙、層面、層理以及破碎帶等不連續(xù)面,它們相互穿切交叉,往往可以組合成特定的巖體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)面常作為危巖體失穩(wěn)的邊界條件,對邊坡巖體的穩(wěn)定性具有控制性作用。確定危巖體結(jié)構(gòu)面特征并分析其優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組合是危巖體穩(wěn)定性分析中的重要環(huán)節(jié)(趙憲民, 2013)。

        利用Coltop3D軟件對喀努納危巖體三維點云數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)分析(圖8),通過提取特征點并進行處理,從而可以得到危巖體不同位置處的節(jié)理產(chǎn)狀信息,共提取出節(jié)理數(shù)據(jù)27145條(王瑞琪等, 2019)。通過統(tǒng)計數(shù)量和產(chǎn)狀優(yōu)勢指標(biāo)對節(jié)理裂隙分組統(tǒng)計,分別繪制了節(jié)理裂隙的等密度圖(圖9)和統(tǒng)計玫瑰花圖(圖10),并結(jié)合野外實地調(diào)查,得到喀努納危巖體統(tǒng)計優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面及其特征參數(shù)(表2)。

        表2 優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面特征

        圖8 Coltop3D渲染視圖

        圖9 節(jié)理裂隙等密度圖

        圖10 節(jié)理裂隙玫瑰花圖

        3 危巖體變形破壞機理

        3.1 危巖體穩(wěn)定性影響因素

        3.1.1 結(jié)構(gòu)面的影響

        邊坡變形破壞的首要條件,往往取決于坡體中存在的各種形式的結(jié)構(gòu)面(朱維偉, 2008)??ε{危巖體位于堆龍河北側(cè)的高邊坡,邊坡卸荷效應(yīng)強烈,形成了高差近70 m的卸荷裂隙帶(圖11a)。主要發(fā)育有4組節(jié)理,其中的高角度節(jié)理對邊坡巖體的穩(wěn)定性極為不利,不同的節(jié)理組合形式可產(chǎn)生多種潛在破壞模式,已有部分塊體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生微量滑移,數(shù)十塊墜落塊石滯留坡面或滾落至坡腳處(圖11b)。

        圖11 邊坡卸荷裂隙帶及掉落塊石

        3.1.2 斜坡形狀變化的影響

        河流的沖刷及掏刷,常使岸坡外型變得更加陡峭。人工切坡也常會使坡體失去底部支撐,從而誘發(fā)斜坡的變形與破壞(李向華, 2003)??ε{危巖體受河流長年沖蝕,坡腳處工地局部已被開挖,邊坡逐漸加陡,必然增加坡頂、坡腳的應(yīng)力集中程度。如若后期施工程序不當(dāng),下部開挖速度過快,則將使斜坡更為陡峭或形成倒坡,坡頂及坡面張力帶范圍進一步擴大,坡腳應(yīng)力集中帶的最大剪應(yīng)力也隨之增大,最終可能導(dǎo)致危巖體的變形與破壞。

        3.1.3 巖土體力學(xué)性質(zhì)的影響

        雨季或雨后是危巖體變形失穩(wěn)的多發(fā)季節(jié),可見水對斜坡穩(wěn)定性的影響十分顯著。喀努納危巖區(qū)雨水豐沛,且多集中于汛期。危巖體發(fā)育有大量黏土質(zhì)親水性礦物充填的張開結(jié)構(gòu)面,浸水后極易軟化、泥化或崩解,結(jié)構(gòu)面強度急劇惡化。另一方面,巖石礦物在雨水的長期侵蝕作用下,整體力學(xué)參數(shù)也將逐漸劣化。因此,降雨既增加了危巖體沿結(jié)構(gòu)面破壞的風(fēng)險,同時也削弱了危巖體的整體穩(wěn)定性程度。

        3.1.4 動力的作用

        區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的變化、地震、爆破、地下靜水壓力和動水壓力,以及施工荷載等,都會直接作用于斜坡體,對危巖體穩(wěn)定性的影響直接而迅速。

        喀努納危巖區(qū)新構(gòu)造運動強烈,地震加速度約為0.3,存在較大的水平構(gòu)造殘余應(yīng)力。雨水滲入、河水水位上漲等使危巖體地下水位被抬高,降低了抗滑阻力,增加了沿滲流方向的下滑力。另一方面,人類工程活動對于危巖體穩(wěn)定性的影響也不可忽視。

        3.2 危巖體變形破壞模式

        危巖體失穩(wěn)破壞是一個漸進演化的過程,分析其變形破壞模式及其演化過程,對于研究災(zāi)害的形成機理以及進行針對性的工程防治,具有重要意義。根據(jù)喀努納危巖體的發(fā)育特點及結(jié)構(gòu)特征,可將其變形破壞模式主要歸納為:剪切滑動、傾倒破壞、斷裂墜落3種類型(李鐵峰等, 2002; 胡顯明等, 2011; 劉賀軍等, 2018)。

        3.2.1 剪切滑動

        簡單凸塊體或復(fù)合塊體沿著單組軟弱結(jié)構(gòu)面或兩個結(jié)構(gòu)面的交線可以發(fā)生剪切滑動,關(guān)鍵塊體的滑動會導(dǎo)致危巖體發(fā)生連鎖破壞(圖12)??ε{危巖體淺表部卸荷裂隙發(fā)育,坡面中上部存在較多平直結(jié)構(gòu)面(圖13),且較多傾向于臨空面,雨水等對結(jié)構(gòu)面具有劈裂、擠脹作用,使得結(jié)構(gòu)面進一步延伸發(fā)展,抗剪強度降低,因此,塊體(圖13中塊體1、2)在自重作用下即存在沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移的可能性。

        圖12 剪切滑動模式示意圖

        圖13 喀努納危巖體中上部塊體

        3.2.2 傾倒破壞

        巖石塊體受到相對于其基底的傾覆力矩的作用,發(fā)生轉(zhuǎn)動并導(dǎo)致破壞,還可以細分為彎曲傾倒和塊狀傾倒等形式(圖14)。喀努納危巖體坡頂高陡,坡體中上部存在較多近直立結(jié)構(gòu)面。后緣裂縫在重力及水頭作用下,不斷向深部及兩側(cè)擴展延伸,巖體不斷向臨空面方向傾斜,因此,在降雨或地震作用下,危巖體發(fā)生傾倒破壞(圖13塊體3、4、5)。

        圖14 傾倒破壞模式示意圖

        3.2.3 斷裂墜落

        喀努納危巖體淺表部完整性相對較差,局部呈板狀,節(jié)理裂隙切割下巖體較為破碎(圖15)。處于高陡坡體的碎裂塊體在風(fēng)化作用、水的劈裂、擠脹作用下常常形成突出的危巖塊體。在風(fēng)化作用下,塊體底部支撐力逐漸減弱,重心外移。在重力作用下危巖塊體與母體之間突然發(fā)生斷裂,脫離的塊體隨之崩落。

        圖15 斷裂墜落模式示意圖

        4 危巖體穩(wěn)定性分析

        危巖體穩(wěn)定性分析方法主要包括定性方法、定量方法、物理模擬法、數(shù)值模擬法、不確定性分析方法等(李作兵等, 2012)。由于研究條件所限,未能獲得研究區(qū)巖土強度參數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。因此,結(jié)合喀努納危巖體現(xiàn)場實測資料,決定采用塊體理論初步判別自重作用下危巖體的穩(wěn)定性,基本方法如下:利用幾何分析,首先找出邊坡中由結(jié)構(gòu)面和臨空面形成的潛在可動塊體,再通過運動學(xué)分析確定自重力作用下的可動塊體; 進而根據(jù)結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)性質(zhì),確定所有“關(guān)鍵塊體”,并計算出其穩(wěn)定性(王在泉, 1999)。采用該種方法分析和計算的對象為邊坡優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面與臨空面組合形成的所有潛在塊體。

        4.1 赤平極射投影分析

        運用赤平極射投影方法可以直觀地搜索出邊坡內(nèi)的所有可動塊體(高正, 2005)。根據(jù)已知的優(yōu)勢節(jié)理面產(chǎn)狀信息,采用直角坐標(biāo)法,以參照圓圓心為原點,設(shè)平面P的投影圓半徑為r,圓心坐標(biāo)為(Cx,Cy),正東為x向軸,正北為y向軸,則投影圓半徑和圓心的計算公式如下(田卿燕, 2008):

        r=R/cosα

        Cx=Rtanαsinβ

        Cy=Rtanαcosβ

        (1)

        式中:Cx為在赤道平面投影圓上優(yōu)勢節(jié)理面的橫坐標(biāo);Cy為在赤道平面投影圓上優(yōu)勢節(jié)理面的縱坐標(biāo);r為在赤道平面投影圓上優(yōu)勢節(jié)理面的半徑;α為優(yōu)勢節(jié)理面的傾向;β為優(yōu)勢節(jié)理面傾角;R為參考圓的半徑,文中取20。由已知的臨空面及優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息,確定各節(jié)理面的投影圓心及半徑如表3所示。

        表3 赤平極射投影圓的半徑和圓心坐標(biāo)

        根據(jù)上述投影圓圓心與半徑,在CAD中繪制出4組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面相互組合關(guān)系的赤平極射投影圖(圖16a),以及優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面與臨空面組合關(guān)系的赤平極射投影圖(圖16b)。

        圖16 優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面與臨空面的赤平極射投影

        各投影大圓將赤平投影平面劃分為許多小區(qū)域,各區(qū)域分別對應(yīng)一個非空裂隙錐JP,采用如下規(guī)則對JP進行編號:P1圓內(nèi)各區(qū)域第1個數(shù)字標(biāo)上“0”,圓外各區(qū)域第1個數(shù)字標(biāo)上“1”。以此類推,Pi圓內(nèi)各區(qū)域第i個數(shù)字標(biāo)上“0”,圓外各區(qū)域第i個數(shù)字標(biāo)上“1”,直至各區(qū)域標(biāo)完為止(高正, 2005)。上述各區(qū)域即可表示各界面互不平行的非空裂隙錐JP。本文中各裂隙錐的編號如圖13所示,據(jù)結(jié)果可知裂隙錐0010、0011、0001為潛在的可動塊體。

        4.2 自重作用下穩(wěn)定性分析

        表5 (0, 0,-1)時各運動方向矢量坐標(biāo)

        表6 相應(yīng)各運動形式的JP編號

        (2)

        (3)

        根據(jù)塊體不同運動形式的判別條件,分別求出相應(yīng)各運動形式的JP編號。

        對危巖體進行受力分析,建立喀努納危巖體作用于可動塊體上的力的平衡方程:

        (4)

        通過式(4)求出剩余下滑力F值。若F>0,則該塊體為關(guān)鍵塊體,即危巖體會沿相應(yīng)的節(jié)理面發(fā)生滑移失穩(wěn)破壞,必須施加工程措施才能增加其穩(wěn)定性,若F<0,則該塊體保持受力平衡,處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。以上計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

        表7 關(guān)鍵塊體分析結(jié)果匯總

        據(jù)結(jié)果可知,在自然工況下(自重作用),危巖塊體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

        5 危巖體地震動力響應(yīng)分析

        喀努納危巖體位于新構(gòu)造運動活躍區(qū),周邊地區(qū)地震多發(fā)。與其鄰近的當(dāng)雄縣,地震災(zāi)害頻發(fā), 1951年曾發(fā)生8級地震, 2008年發(fā)生了6.6級地震, 2010年發(fā)生了4.7級地震??ε{危巖體距當(dāng)雄縣直線距離不足70 km。因此,地震對于喀努納危巖體的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的影響(周禮等, 2019)。利用基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的離散元數(shù)值模擬軟件GDEM,建立危巖體的數(shù)值模型,研究地震荷載作用下危巖體的失穩(wěn)過程和變形破壞機理,為工程防治提供依據(jù)。

        5.1 GDEM

        GDEM是一種利用有限元算法和離散元算法耦合計算的數(shù)值模擬軟件,它實現(xiàn)了力學(xué)連續(xù)與非連續(xù)的統(tǒng)一計算。與傳統(tǒng)的有限元、有限差分和離散元商業(yè)軟件不同,該軟件以基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的離散元方法(CDEM)為理論基礎(chǔ),采用高性能圖形處理器(GPU)實現(xiàn)大規(guī)模并行計算。利用該軟件可以實現(xiàn)巖土材料從連續(xù)變形到破裂運動的全過程模擬,從而對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性進行評價。

        5.2 危巖體數(shù)值模型的建立

        利用無人機測量數(shù)據(jù)生成危巖區(qū)高精度數(shù)字高程模型(DEM),根據(jù)危巖體的發(fā)育特征,選取具有代表性的一條剖面,通過有限元網(wǎng)格生成軟件Gmsh建立危巖體數(shù)值模型,并將優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面導(dǎo)入到模型中(圖17)。模型共劃分單元7653個,淺部采用密集網(wǎng)格剖分,深部采用較稀疏網(wǎng)格剖分。

        圖17 喀努納危巖體數(shù)值模型

        5.3 計算過程及參數(shù)選取

        利用GDEM軟件模擬地震條件下危巖體的動力響應(yīng),按如下步驟進行:首先僅考慮自重應(yīng)力場,在模型四周及底面采用固定約束,模擬危巖體在自重條件下的變形情況。然后在模型底部施加20 s地震波,模擬危巖體的地震動力響應(yīng)。地震波施加結(jié)束后,使其再次處于自重應(yīng)力場下,研究地震后危巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞的過程。為減小邊界對地震波的反射,提高模擬的準(zhǔn)確性,在模型底部施加無反射邊界,兩側(cè)設(shè)置自由邊界。

        本次動力計算采用西藏某地6級地震主震斷裂附近的某強震動態(tài)站所記錄到的地震波形作為動力荷載,包括豎直方向和水平方向的波形數(shù)據(jù)(圖18)。

        圖18 加速度時程曲線

        根據(jù)對危巖體的野外調(diào)查,將其巖體材料大致分為兩組:表層卸荷裂隙組和深層完整巖石組。兩組材料賦予相同的材料參數(shù),表層卸荷裂隙組的單元采用彈簧連接的方式,深層完整巖石組則采用連續(xù)的單元連接。依據(jù)實際巖體物理力學(xué)性質(zhì),參考相關(guān)文獻(劉云鵬等, 2008; 楊春峰等, 2018)選取花崗巖及結(jié)構(gòu)面的計算參數(shù)(表8、表9)。

        表8 巖體力學(xué)參數(shù)

        表9 結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

        5.4 危巖體失穩(wěn)過程模擬

        由模擬結(jié)果可知:在該地震荷載的作用下,喀努納危巖體坡面卸荷裂隙首先產(chǎn)生朝向臨空面方向的位移(圖19a),傾角與坡面夾角較小的裂隙響應(yīng)尤為劇烈。隨著時間的增加,X軸負向(臨空方向)的位移蔓延至整個卸荷裂隙帶(圖19b),表現(xiàn)為卸荷裂隙的張開、擴展與貫通。這種作用體現(xiàn)了地震波在結(jié)構(gòu)面處產(chǎn)生強烈的能量聚集,優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面對于地震具有明顯的放大作用。地震荷載作用結(jié)束后,坡體變得松散,坡面卸荷裂隙多呈張開狀,極易發(fā)生失穩(wěn)破壞。在自重應(yīng)力的長期作用下,裂隙逐漸趨于貫通,局部巖體呈塊狀或散體狀結(jié)構(gòu)(圖19c)。坡面附近產(chǎn)生一系列切割巖體的新裂隙,并有少量塊石從坡面崩落或拋射(圖19d)。經(jīng)過長期重力作用,最終巖體完全解體呈碎塊狀從坡體崩落(圖19e、圖19f)。可見,地震作用下,危巖體失穩(wěn)主要以剪切滑動和斷裂墜落為主。

        圖19 危巖體位移云圖

        結(jié)構(gòu)面應(yīng)力云圖(圖20)反映了喀努納危巖體結(jié)構(gòu)面受力狀態(tài)的變化過程。事實上,對于研究區(qū)所在區(qū)域,由史料記載可知其本身作為震源的概率較小。因而,該區(qū)域往往是中低烈度區(qū)。在分析地震作用下危巖體的失穩(wěn)過程可知,喀努納危巖體處于受力平衡狀態(tài),在6級地震的短時間作用下,地震的損傷累積作用效果往往要大于其觸發(fā)作用效果。地震作用發(fā)生時,危巖體雖然只有少量的塊體崩落,但是卻使邊坡巖體的性質(zhì)發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)地變化,坡體變得松散、易碎,為崩塌災(zāi)害的發(fā)生創(chuàng)造了松散物源。

        圖20 危巖體結(jié)構(gòu)面應(yīng)力云圖

        6 危巖體防治建議

        喀努納危巖體對于人類工程活動構(gòu)成了重要潛在威脅。根據(jù)危巖區(qū)保護對象(京藏高速公路、G109國道、青藏鐵路)的位置特點,結(jié)合危巖體的發(fā)育特征,遵從合理、經(jīng)濟和可操作性的原則,綜合且有針對性地考慮防治措施。

        危巖體的不同區(qū)域應(yīng)采取不同的防治措施。首先,對于較為深長的卸荷裂隙,應(yīng)采用注漿或灌漿方法來使其封閉; 淺表層穩(wěn)定性相對較差,利用錨桿或錨索將大體積不穩(wěn)定塊體與穩(wěn)定的母體連接固定成統(tǒng)一整體; 坡面及坡腳碎石應(yīng)及時清理,全部掃除。坡體中上部節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較為破碎,應(yīng)采用SNS柔性防護網(wǎng)措施,加強其穩(wěn)定程度。坡腳距公路極近,建議采用攔石墻或攔石網(wǎng),以及及時的坡面清危,以防止落石危害公路安全,同時公路也應(yīng)采取防護措施,防止路基遭受毀壞。此外,鑒于該路段道路密集,交通地理位置十分重要,且危巖體總體方量較大,應(yīng)加強治理前、中、后危巖體的變形監(jiān)測巡視和監(jiān)測預(yù)警工作。

        7 結(jié) 論

        基于對拉薩市堆龍德慶區(qū)喀努納危巖體的野外實地考察,分析了危巖體的發(fā)育特征及其變形破壞機理,利用塊體理論和GDEM數(shù)值模擬軟件分析了危巖體的穩(wěn)定性和地震動力響應(yīng)過程。主要結(jié)論如下:

        (1)喀努納危巖體表面卸荷裂隙發(fā)育,受河谷地形影響強烈,整體可以大致劃分為上部坡頂整體崩塌源、中部基巖裂隙帶、下部塊石堆積區(qū)3個區(qū)域。

        (2)通過對危巖體結(jié)構(gòu)面進行統(tǒng)計分析,得出4組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面,產(chǎn)狀分別為: 48°∠240°、45°∠106°、73°∠296°、47°∠67°。

        (3)喀努納危巖體的變形破壞主要受卸荷裂隙的發(fā)展貫通、河流沖刷及人工開挖引起的坡形變化、風(fēng)化作用引起的巖體性質(zhì)弱化以及地震動力作用的影響,其可能出現(xiàn)的破壞形式為:剪切滑動、傾倒破壞、斷裂墜落。

        (4)基于塊體理論,識別了喀努納危巖體內(nèi)的可動塊體,并最終得出:自重作用下危巖塊體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        (5)采用數(shù)值模擬方法分析了地震荷載作用下危巖體的失穩(wěn)破壞過程,結(jié)果表明:優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面,尤其是近平行于坡面的結(jié)構(gòu)面對地震有明顯的放大作用,卸荷裂隙的張開度加大。危巖體失穩(wěn)主要以剪切滑動和斷裂墜落為主??ε{危巖體數(shù)值模型在6級地震作用下,主要表現(xiàn)為損傷的不斷累積,巖體更加松散破碎,這對該邊坡的長期穩(wěn)定性尤為不利。本文對于該危巖體的防治工作提出了針對性的建議。

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