劉寶臣， 王良玉， 曾榕*， 張研， 吳康麗

(1.廣西巖土力學與工程實驗室, 桂林 541004; 2.桂林理工大學土木與建筑工程學院, 桂林 541004)

危巖崩塌是廣西發(fā)生率最高(占45%)、分布最廣、危害最大的地質(zhì)災害，長期對該地區(qū)的旅游景區(qū)、房屋建筑、公路鐵路、礦山水庫等正常使用構(gòu)成嚴重威脅[1-4]。危巖崩塌災害已成為巖溶區(qū)人民生命財產(chǎn)安全的重要威脅之一，但其穩(wěn)定性評價水平遠未能滿足社會發(fā)展需求[5-6]。

朱大鵬等[7]通過理論分析和離散元模擬法(3DEC)模擬相結(jié)合的方法對邊坡滑移運動進行了分析,從運動學角度，給出楔形體的防治建議；張光福等[8]基于3DEC離散元軟件,完成了對煤層井壁穩(wěn)定的仿真模擬分析，驗證了3DEC離散元法比彈性力學連續(xù)介質(zhì)法更適用于煤巖井壁穩(wěn)定研究；劉其琛等[9]運用3DEC建立關(guān)嶺大寨滑坡三維模型,結(jié)合強度折減法對滑坡進行模擬,得出暴雨發(fā)生前和發(fā)生后的滑坡安全系數(shù)并對滑坡失穩(wěn)過程進行分析；Wu等[10]利用3DEC評估2009年莫拉克臺風引發(fā)的仙都山巖石崩塌破壞，模擬塊體表現(xiàn)出局部巖石的彈性行為，成功地模擬了滑坡起始時的楔體破壞;Wang等[11]采用3DEC對某巖質(zhì)邊坡開挖進行了數(shù)值模擬，通過在不同條件下的對比，得出不同條件下邊坡可能的破壞模式和安全系數(shù)的變化規(guī)律；劉波等[12]采用3DEC程序中離散裂隙網(wǎng)絡(luò)技術(shù),建立了能反映節(jié)理裂隙分布特征的離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，為研究工程巖體的穩(wěn)定性提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；康志強等[13]通過高精度不接觸邊坡掃描儀對邊坡中節(jié)理面信息進行采集，應用持平投影法搜索出邊坡臨空面中存在的關(guān)鍵塊體并使用3DEC模擬出了關(guān)鍵塊體的失穩(wěn)破壞模式；段啟兵[14]采用3DEC數(shù)值模擬軟件,模擬分析了不同工作面推進速度下上覆巖層垂直位移、頂板的運動矢量、推進速度和上覆巖層應力與位移關(guān)系以及不同工作面推進速度下基本頂失穩(wěn)運動情況。

基于此，現(xiàn)以桂林翻山為研究背景，選取翻山Ⅱ區(qū)內(nèi)危巖作為研究對象，對山體北側(cè)進行勘查和統(tǒng)計，共發(fā)現(xiàn)存有危巖21處。采用離散元數(shù)值模擬法，依據(jù)研究區(qū)內(nèi)危巖發(fā)育特征和破壞情況，選取滑移式危巖WY1#和墜落式危巖WY14#為目標巖體，對目標巖體在重力和降雨作用下的破壞過程進行模擬并對模擬結(jié)果進行分析，最后提出合理的治理方案。以期為此類危巖的穩(wěn)定性分析和防治提供理論支持,具有一定的參考價值和實際意義。

1 離散元基本原理

離散元是以牛頓運動定律為基礎(chǔ)的新的數(shù)值分析方法[15-17]。節(jié)理和裂隙將完整的巖石切割成若干小塊體，如圖1(a)所示，取其中一個塊體進行研究，周圍的塊體對該塊體形成約束，每一組力為Fxi、Fyi,如圖1(b)所示。假設(shè)塊體無法達到平衡，那么，塊體B將發(fā)生轉(zhuǎn)動，周圍的塊體定會阻礙該塊體的運動，則物理方程滿足位移和力的作用規(guī)律，每一個塊體都滿足牛頓第二運動定律。

1～5為巖塊編號圖1 塊體集合及作用于個別塊體的力Fig.1 The collection of blocks and the forces actingon individual blocks

1.1 物理方程

通過物理方程可以求出單元之間的作用力，表達式為

FN=KSSN

(1)

式(1)中：FN為塊體的法向作用力；KN為幾面的法相剛度系數(shù)；SN為法向位移。

塊體與塊體之間的剪切力用剪切增量ΔFS來表示，表達式為

ΔFS=KSSS

(2)

式(2)中：KS為界面的切向剛度系數(shù)；SS為塊體之間的相對位移。

1.2 運動方程

由于塊體之間是相互接觸的，因此每個塊體上受到不同角度的力。通過運動方程可以確定單元體之間的相互受力狀態(tài)。依據(jù)公式分別計算出作用在塊體x方向、y方向上的合力Fx、Fy和合力矩M。

(3)

(4)

(5)

式中：x0為質(zhì)點橫坐標；y0為質(zhì)心縱坐標；μ為加速度；F合為合力；m為塊體質(zhì)量。

求解塊體質(zhì)心在j方向上的速度與位移，方程為

(6)

式(6)中：t0為初始時間；Δt為計算時步；t1=t0+Δt。

離散元法采用顯示差分方法求解，實現(xiàn)對物理非穩(wěn)定問題的穩(wěn)定求解，可以追蹤記錄破壞過程和模擬結(jié)構(gòu)的大范圍破壞，包括塊體間的完全脫離。還能模擬巖體靜態(tài)或者動態(tài)荷載下的受力和位移，從而正確的分析巖體的變形、破壞模式以及穩(wěn)定性[18-19]。

2 滑移式危巖體建模及分析

2.1 模型建立

采用Mohr-Coulomb模型，選取WY1#為例進行滑移式危巖模擬分析。危巖體位于山體上部，分布于205～210 m高程，主崩方向260°，危巖高5 m、寬4 m、厚2.5 m，體積50 m3。巖體后緣貫通主控結(jié)構(gòu)面長約4 m，與水平方向傾角為70°，未貫通裂隙長約1 m。WY1#危巖體現(xiàn)場圖片如圖2所示。

2.2 邊界條件的確定

3DEC力學邊界條件分為應力邊界和位移邊界。本例依據(jù)實際情況，采取接近真實的邊界位移約束，用bound命令分別對底面、左側(cè)和后側(cè)進行位移限制。即對左側(cè)和右側(cè)進行x和y方向固定位移，底面x、y、z3個方向均進行位移固定。在進行模擬時，只考慮危巖的重力和降雨作用下的位移和應力變化，忽略山體應力歷史構(gòu)造應力、溫差等外界因素的影響。建立山體模型，尺寸為11 m×4 m×18 m的山體模型，采用genedage命令進行單元劃分，共生成25 676個四面體單元，選擇con2(摩爾-庫爾塑性模型)。Gravity命令施加巖體自重。山體模型圖及邊界固定情況如圖3所示。表1～表3為模型參數(shù)取值。

圖2 WY1#危巖體現(xiàn)場圖Fig.2 Site map of WY1# dangerous rock mass

圖3 山體模型圖Fig.3 Mountain model diagram

表1 巖塊物理力學參數(shù)表

表2 巖石力學參數(shù)值

表3 節(jié)理力學參數(shù)

2.3 參數(shù)強度折減

桂林降水豐富，雨水進入巖體的裂縫中，不僅會對巖體產(chǎn)生裂隙水壓力，還會對裂隙面起到潤滑作用，加快裂隙開裂。因此，在模擬計算中要考慮長期暴露在外界環(huán)境下巖體后緣主控裂隙面在雨水作用下發(fā)生的物理參數(shù)變化。取折減系數(shù)k=1.25為此次降雨模擬的折減系數(shù)，經(jīng)過迭代計算可以得出危巖在考慮降水折減條件下不同時期的整體位移矢量圖和變形情況云圖，如圖4～圖6所示。

圖4反映的是滑移式危巖WY1#在降雨和重力共同作用下，巖體從前期開始到后期整體散落的全過程。當處于穩(wěn)定狀態(tài)的危巖體轉(zhuǎn)為滑動狀態(tài)時，總位移量值將不再是一個固定值，而是處于不斷變化的狀態(tài)，這是危巖體發(fā)生破壞的一個特征。從圖4(a)和圖5(a)可以看出，山體在初期重力場作用下的位移情況，由于模型底部進行x、y、z三軸方向位移的固定，因此，底部位移值為0，山體上部則均出現(xiàn)不同量值的位移。運行至4 100步時，山體位移基本達到穩(wěn)定狀況，主要的位移出現(xiàn)在為巖體上。由圖5(b)可知，危巖體的矢量箭頭方向與山體坡度滑動面平行且指向斜下方。迭代至8 000步時，通過圖6(a)可以進行危巖體剪切滑動面的確定，同時可以看出巖體出現(xiàn)開裂并產(chǎn)生滑移，滑移方向沿切面向斜下方滑動。運行至40 000步時，可以觀察出危巖在下滑過程中出現(xiàn)巖體裂隙開裂，并發(fā)生巖體散落現(xiàn)象，此現(xiàn)象在后期運動中更加明顯，通過圖5可以觀察出。圖6(b)和圖6(c)中可以得出山體最大主應力值為372.63 kPa,最小主應力值為22.169 kPa，并且由于巖石的各項異性，山體應力呈不均勻分布。

為了凸顯降雨作用對巖體的影響，選取8 000步的降雨強度折減作用下的位移和矢量云圖與只考慮重力作用下的圖進行對比分析，如圖7所示。

圖4 不同步長位移云圖Fig.4 Asynchronous long displacement nephogram

圖5 4 100步位移云圖和矢量圖Fig.5 4 100 step displacement nephogram and vector diagram

對比分析可知，經(jīng)過強度折減的危巖體在運行至同樣迭代8 000步的情況下最大的位移值為1.950 7 cm，只在重力作用下的最大位移值為1.904 4 cm。隨著迭代步數(shù)的增加而運行至巖體破壞后期，位移量差值愈加明顯。由此可見，經(jīng)折減的危巖體整體位移量比未經(jīng)折減的位移量大，強度降低同時使得位移矢量隨之增大，巖體下滑速度加快。所以，降雨會影響危巖的發(fā)育和破壞。

3 墜落式危巖體建模及分析

3.1 模型建立

選取墜落式WY14#危巖體作為研究對象進行墜落式離散元模擬。經(jīng)測量，危巖體高18 m，寬8 m，厚6 m，體積864 m3，屬于體積較大危巖體。依據(jù)實測尺寸進行山體模型建立，整體模型建立，整體模型為45 m×63 m×8 m。巖體后緣貫通主控結(jié)構(gòu)面長約10 m，與水平方向傾角為85°，未貫通裂隙長約8 m。山體圖片與初期建模圖如圖8和圖9所示。

圖6 8 000步節(jié)理剪切位移和大小主應力云圖Fig.6 Nephogram of joint shear displacement and magnitude principal stress in 8 000 steps

圖7 8 000步位移矢量云圖Fig.7 8 000-step displacement vector cloud diagram

圖8 山體勘察圖Fig.8 Mountain survey map

圖9 初期建模圖Fig.9 Initial modeling diagram

3.2 模型計算及結(jié)果分析

圖10為墜落式危巖體的破壞過程云圖，隨著時間的推移，巖體實現(xiàn)了從潛在滑裂面的開裂—滑移墜落全過程。

圖10 位移矢量云圖Fig.10 Displacement vector nephogram

通過圖10可以看出在模型迭代初期，由于山體受自重應力的作用使山體出現(xiàn)正體下移，由于滑裂面的存在，危巖體步位的位移下移，由于滑裂面的存在，危巖體部位的位移相對山體整體位移展現(xiàn)為較大值。運算至9 500步時，山體自身位移達到平衡穩(wěn)定值，而危巖體繼續(xù)保持下降趨勢，出現(xiàn)了較為明顯的錯動，錯動量值為0.4 m，此時危巖體尚處于一個黏結(jié)良好且相對完整的狀態(tài)。當繼續(xù)運行至40 500步時，危巖體上的層理之間則出現(xiàn)了分離和錯位，最下部塊體由于受上步塊體的壓力，相對于上部塊體位移速度稍快。到達90 500步時，最初相對完整的危巖變?yōu)樗樯顟B(tài)并脫離主控結(jié)構(gòu)面，完成了11.8 m的墜落位移，并會沿著山體邊坡滾落至山腳，造成嚴重的危害。在整個墜落過程中，巖體失穩(wěn)方向向下，沿著主控結(jié)構(gòu)面滑移剪切破壞。

圖11為運行至中期的山體最大主應力圖和最小主應力圖，從圖11中可以看出，此刻的最大主應力為0.4 MPa，最小主應力為0.196 MPa。圖11中應力分布不均勻，多集中在層理較為發(fā)育的部位。在山體與危巖體最底部臨空面連接部位則出現(xiàn)了壓應力集中區(qū)。

綜上，可以分析出WY14#危巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時間的變化和外界荷載等因素的影響會促使此危巖發(fā)生墜落現(xiàn)象。

圖11 21 500步主應力云圖Fig.11 21 500 step principal stress nephogram

4 治理措施

危巖的主動防治措施主要包括：支撐、錨固、清除、嵌補等，被動防治措施包括攔石墻、柔性防護網(wǎng)和森林防護等。翻山Ⅱ區(qū)內(nèi)共21處危巖體，6處墜落式，15處滑移式，如表4所示。

危巖的治理方法有3種：危巖加固、危巖避讓和危巖清除。對于WY1#-WY13#、WY15#-WY21#危巖體，通過分析工程量的大小和成本等因素的影響，選擇主動支護中的清除法，清除法選擇靜態(tài)爆破。靜態(tài)爆破震動小，對周圍的巖體影響小，治理效果好，由于施工場地范圍內(nèi)現(xiàn)為擬建公園園區(qū)，附近居民及行人較少，山體下方為大片空地，施工對周圍環(huán)境影響較小，因此采用靜態(tài)爆破清除最為適宜。對實施靜態(tài)爆破厚的周邊巖體采用灌漿法進行加固，減少雨水進入裂隙而對危巖產(chǎn)生孔隙水壓力，防止危巖裂隙開裂速度加劇，從而形成新的危巖。

靜態(tài)爆破主要施工工序：設(shè)置防護措施→搭設(shè)施工平臺→危巖體鉆孔→安裝靜態(tài)爆破劑→爆破→處理小塊危巖→現(xiàn)場破碎巖體運出→驗收→清理場地、退場。

由于危巖體體積較大，被動支護方式防護能力有限，因此采用主動支護方式。根據(jù)實際工程地質(zhì)情況和支護環(huán)境，對WY14#設(shè)計最終方案時采用錨固設(shè)計。

表4 翻山危巖體分布詳情統(tǒng)計表

經(jīng)計算，選用10根錨固分5排、2列進行支護，排間距3 m，列間距4 m。每根錨固桿由3根直徑32 mm的HRB400鋼筋焊接組成，采用全場黏結(jié)支護方式進行錨固，錨桿長15 m。3DEC中設(shè)有鋼索(CABLE)結(jié)構(gòu)單元用于實現(xiàn)巖體的錨固單元施加。經(jīng)計算和查取相關(guān)資料進行錨固工程相關(guān)參數(shù)的取值，如表5所示。

為了更好地監(jiān)測和之后的支護對比，在此模型中設(shè)置12個監(jiān)測點進行位移監(jiān)測，監(jiān)測點及模型初期如圖12和圖13所示。

通過模擬計算，可以分別得出危巖在支護前和采取支護后的位移變化折線圖，折線圖可明顯地將各監(jiān)測點的位移前后變化信息直觀地展現(xiàn)出來，結(jié)果如圖14所示。

采用記錄數(shù)據(jù)(Hist)命令對危巖后緣裂隙面及潛在裂隙面設(shè)置1～10號監(jiān)測點，同時又在巖體最外測邊緣處最上端和最底端設(shè)置11號監(jiān)測點和12號監(jiān)測點，對危巖體墜落過程中產(chǎn)生的位移進行記錄。1～10號監(jiān)測點分別對應圖14中的Histn=62～72，11～12對應Histn=72～73。其中1、2號監(jiān)測點位于裂隙頂端，由于在計算過程中1、2號監(jiān)測點受裂隙左側(cè)的山體位移限制，位移值為0，故將其舍棄不進行分析。因此，在圖中只顯示記錄Histn=64～73變化趨勢。

表5 錨固參數(shù)表

圖12 模型計算圖Fig.12 Model calculation diagram

圖13 錨桿支護分布圖Fig.13 Distribution diagram of bolt support

圖14 支護前后監(jiān)測點位移Fig.14 Displacement of monitoring points before and after support

通過圖14(a)可知，未經(jīng)過支護處理的危巖，經(jīng)過迭代計算，各點位移量值變化呈遞增趨勢。前期由于重力作用下，潛在破裂面被剪斷出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，監(jiān)測點的位移變化趨勢較為平緩；隨著滑移墜落位置的改變，巖體重心位置不斷發(fā)生變化，同時山體層理面也在力的作用下發(fā)生開裂，對監(jiān)測點監(jiān)測的量值產(chǎn)生影響，出現(xiàn)波動現(xiàn)象。

通過圖14(b)可知，在采取支護措施后，山體只在前期出現(xiàn)0.4 m的位移量，運行至9 000步時，錨桿錨固作用被觸發(fā)。由圖中曲線可知，后期的Histn=64～69和n=72的位移值增長幅度較小，變化基本趨于直線。由此說明，錨桿對危巖體的錨固起到很好的作用，如7號監(jiān)測點(Histn=68)在step 15 000未進行支護時位移量約為1.2 m，在進行支護后位移量被控制在0.4 m左右，位移量降低了66.7%；在25 000步未進行支護時位移量為1.35 m，支護后的位移值仍為0.4 m，位移量降低70.3%，支護效果愈加明顯。

圖15 錨桿圖Fig.15 Anchor bolt diagram

由于n=71、73記錄的是10、12號監(jiān)測點的位移，而在進行錨桿支護時，最底部體積較小的巖塊11 697塊體未能進行錨桿支護，因此在自身重力作用下仍處于墜落狀態(tài)。因此，對于這種情況下的巖體，除了進行錨桿支護外，還應對該碎石進行人工清除或在下部設(shè)置防護網(wǎng)，對碎石進行防護。

錨桿受力示意圖如圖 15(a)所示，圖15(b)可以看出錨桿的最大位移出現(xiàn)在危巖體內(nèi)，中間節(jié)理部位處的錨桿出現(xiàn)了明顯的方位變化，這是由于錨桿起作用時，因主控結(jié)構(gòu)面右側(cè)的危巖體與 山體形成錯動，使得在主控結(jié)構(gòu)面部位處的錨桿承受較大的剪應力，從而在主控結(jié)構(gòu)面 附近產(chǎn)生較大的幾何錯位和錨桿的徑縮現(xiàn)象。危巖的位移值除了鋼筋受拉彈性階段產(chǎn)生的位移值外，還包括灌漿體與巖石和鋼筋之間的相對滑移。當荷載逐漸增大到錨桿一定承載力，灌漿體與周圍介質(zhì)間的滑移將停止，否則錨固 桿體就會發(fā)生破壞。因此，經(jīng)過支護的位移圖后期變化較為平緩。

錨桿使得山體與危巖重新組合成為一個整體并對正在滑移墜落的巖體提供一定的抗滑力(支護力)，抗滑力將下滑力抵消且阻止了巖體持續(xù)破壞的趨勢，提高了巖體的安全系數(shù)，使得危巖體穩(wěn)定性增強。綜合圖15(a)和圖15(c)可以看出，錨桿所受軸向拉力范圍和產(chǎn)生位移部位集中分布在主控結(jié)構(gòu)面處和結(jié)構(gòu)面兩側(cè)1倍的錨桿直徑范圍內(nèi)。而錨桿產(chǎn)生的力會作為附加應力作用在結(jié)構(gòu)面上，提高結(jié)構(gòu)面的剛度。危巖完成加錨支護施工后，沿主控結(jié)構(gòu)面布設(shè)的監(jiān)測點的位移值都比無錨支護時小。錨桿的支護起到了很好的控制巖體發(fā)生破壞的作用，限制了巖體的變 形。因此，采用此支護方式是可行的。

5 結(jié)論

對翻山Ⅱ區(qū)危巖體進行了實地勘察，并依據(jù)危巖破壞模式進行穩(wěn)定性分析，綜合判定危巖的穩(wěn)定狀態(tài)。在3DEC離散元模擬軟件中建立翻山WY1#和WY14#危巖體的三維計算模型，模擬降雨對危巖穩(wěn)定性的影響。通過模擬結(jié)果可以得出，巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，對危巖穩(wěn)定性做出評價后，對巖塊體積小的危巖采用靜態(tài)爆破的方法進行清理，對于體積較大的危巖選用錨桿支護的方法進行加固。危巖治理不是一勞永逸的工程，還需要長期的監(jiān)測，做到早發(fā)現(xiàn)早治里，保障周邊環(huán)境的安全。