張玉廣 楊遠(yuǎn)翔 彭小勇 張國發(fā) 吁 燃

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

危巖體是指斜坡上受多組結(jié)構(gòu)面切割,臨空條件好,在重力、振動(dòng)等作用下與母巖逐漸脫離,發(fā)生傾倒式、滑移式和錯(cuò)斷式崩塌的巖體。危巖崩塌已然成為我國山區(qū)三大地質(zhì)災(zāi)害之一[1]。危巖體具有突發(fā)性強(qiáng)、預(yù)測(cè)難度大,以及沖擊破壞性大等特點(diǎn),對(duì)居民、過往人員及車輛、建筑物等生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅[2-3]。

現(xiàn)階段危巖體的研究主要集中在4個(gè)方面:危巖形成機(jī)制、危巖穩(wěn)定性計(jì)算方法與評(píng)價(jià)體系、危巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè),以及危巖治理設(shè)計(jì)[4]。周俊等[5]應(yīng)用激光掃描技術(shù),構(gòu)建基于現(xiàn)場(chǎng)地形地質(zhì)條件的三維崩塌模型,通過RocPro3D軟件實(shí)現(xiàn)崩塌落石運(yùn)動(dòng)過程的數(shù)值模擬研究,得出危巖分布及崩落軌跡。Radtke等[6]使用Rockyfor3D研究了森林對(duì)崩塌運(yùn)動(dòng)的阻礙作用,提出管理森林的方式,以便于對(duì)崩塌進(jìn)行防護(hù)。王頌等[7]以青藏鐵路設(shè)興村段崩塌為例,采用Rockyfor3D研究了青藏鐵路設(shè)興村段崩塌塊石分布及危巖區(qū)特征,為青藏鐵路該段的防護(hù)提供了理論依據(jù)。馬明等[8]運(yùn)用無人機(jī)攝影技術(shù)對(duì)公路隧道洞口仰坡危巖體進(jìn)行勘測(cè),分析了高坡隧道洞口仰坡危巖體分布與穩(wěn)定特征。

崩塌的突然產(chǎn)生是巖體長(zhǎng)期蠕變和不穩(wěn)定因素不斷積累的結(jié)果,按危巖體脫離母巖的破壞機(jī)理可分為傾倒式、滑移式和錯(cuò)斷式[9]。四平隧道地處貴州黔北高原地帶,位于桐梓縣婁山關(guān)鎮(zhèn),隧道下穿婁山山脈,危巖體位于隧道出口上方陡崖,陡崖與隧道口間為斜坡地形,自然坡度為20°～40°,坡長(zhǎng)80～130 m,分布不同類型的3個(gè)危巖帶,隧道洞口頂部有一鄉(xiāng)村路,若危巖體失穩(wěn)破壞對(duì)下部高速公路和鄉(xiāng)村路車輛、行人及隧道洞門威脅較大。為此,擬通過對(duì)危巖體分布特征和危巖形態(tài)分析,運(yùn)用Rocpro3D軟件模擬研究區(qū)危巖體失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,模擬預(yù)測(cè)危巖體掉落后的運(yùn)動(dòng)軌跡,為危巖體的分析評(píng)價(jià)和治理設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 危巖體地質(zhì)條件及特征

1.1 工程地質(zhì)條件

危巖體地處貴州黔北高原地帶桐梓縣大婁山關(guān)鎮(zhèn),場(chǎng)區(qū)屬溶蝕-侵蝕地貌單元,場(chǎng)區(qū)無斷層通過,巖層單斜,地震基本烈度為VI度。危巖體分布區(qū)以斜坡-陡崖-斜坡地形為主,地形地質(zhì)條件及危巖分布見圖1。

圖1 地形地質(zhì)條件及危巖分布

危巖體陡崖區(qū)坡度為70°～85°,局部呈直立狀,基巖裸露,地層主要為奧陶系上統(tǒng)五峰組(O3w)灰色泥質(zhì)灰?guī)r,沉積高程1 227.7～1 302.4 m;下部斜坡地形坡度20°～40°,出露地層主要為奧陶系下統(tǒng)湄潭組(O1m)粉砂質(zhì)泥巖夾灰?guī)r,沉積高程為1 227.7 m以下。公路內(nèi)側(cè)陡崖多處發(fā)生過掉塊及剝墜落現(xiàn)象,在陡崖下方斜坡段零星分布堆積。受結(jié)構(gòu)面和節(jié)理裂隙影響,巖體被多方向切割,形成塔柱狀、凹腔、懸掛狀危巖,巖層產(chǎn)狀為23°～45°∠7°～10°。

1.2 危巖體分布及形態(tài)特征

危巖體分布于隧道出口端ZK6+200-ZK7+364左389 m-右298 m陡崖一帶,卸荷裂隙發(fā)育,巖性為泥質(zhì)灰?guī)r,巖體受卸荷裂隙切割,危巖大小不一,單塊較大危巖寬3～5 m,高3～22 m,較小危巖尺寸0.1～1 m。根據(jù)危巖受裂隙切割程度、母巖嵌接方式,將危巖體分為3個(gè)危巖帶(見圖1),危巖帶延伸方向?yàn)镾-N～SW-NE～S-N。I號(hào)危巖帶距隧道出口142.3～180.6 m,相對(duì)高差114.5 m,屬特高位危巖,以隧道口中線為坐標(biāo)原點(diǎn)的輻射方向254°～291°,分布長(zhǎng)度143.7 m。W1-1危巖體形態(tài)以底部懸空板狀為主,W1-2危巖體則為相對(duì)獨(dú)立的塔柱狀塊體,后緣與母巖間已完全脫離形成U形槽,W1-3危巖體為分散的臨空塊體;II號(hào)危巖帶距隧道左洞出口67～106.9 m,相對(duì)高差111.4 m,屬特高位危巖,輻射角度294°～365°,危巖分布長(zhǎng)度208.5 m,W2-1危巖體為直立陡崖,危巖體形態(tài)以塔柱狀塊體為主,豎向節(jié)理裂隙從巖體頂部豎向發(fā)育延伸,未完全貫通;III號(hào)危巖帶位于隧道出口左側(cè),距隧道出口距離112～241.6 m,相對(duì)高差116.6 m,屬特高位危巖,陡崖走向S-N,下緣為高速填方路基填平區(qū),受水平結(jié)構(gòu)面影響,W3-1危巖體形態(tài)多以板塊狀帽檐懸掛為主,底部懸空。

場(chǎng)區(qū)巖層呈現(xiàn)典型軟～硬～軟巖的層狀結(jié)構(gòu),呈水平產(chǎn)狀40°～45°∠7°～10°,縱向節(jié)理發(fā)育,局部巖體較為破碎。受長(zhǎng)期風(fēng)化、雨水侵蝕、地震及地下水作用下,硬巖層受兩典型節(jié)理切割,L1:133°～165°∠70～81°,L2:221°∠81°～86°,節(jié)理面較平直光滑,豎向延伸發(fā)育,與水平層面共同作用將巖體切割為破碎板塊狀,單層板塊狀巖體厚0.15～0.56 m。泥質(zhì)灰?guī)r層底部基巖為粉砂質(zhì)泥巖,頂部山體分布多條集雨沖溝,地下水滲流至其底部的粉砂質(zhì)泥巖隔水層,調(diào)查發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期存在細(xì)股狀水流流出,其水文地質(zhì)情況示意見圖2。

圖2 巖溶裂隙水

2 危巖體失穩(wěn)模式及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 懸臂拉裂傾倒式

“上硬下軟”或“軟硬相間”的水平層狀巖層在差異風(fēng)化及地下水作用下,巖腔向內(nèi)和兩側(cè)擴(kuò)展,I號(hào)危巖帶W1-3危巖及II號(hào)危巖帶分布的塔柱狀危巖體重心逐漸相對(duì)外移,巖體底部臨空側(cè)成為力矩轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn),重力傾覆力矩Gb增大到一定程度后,柱狀危巖體出現(xiàn)以底部轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)為支點(diǎn)發(fā)生整體傾倒式破壞,其計(jì)算模型見圖3,隧道的爆破振動(dòng)或地震作用可能對(duì)危巖體產(chǎn)生水平向推力W;塔柱狀危巖體豎向裂隙中充填裂隙水,形成水壓力V的傾覆力矩。

圖3 懸臂拉裂傾倒式危巖體計(jì)算模型

危巖底部多為破碎泥質(zhì)灰?guī)r或風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖,微水平結(jié)構(gòu)面間l0范圍的抗傾覆力較小可忽略,該失穩(wěn)模式下穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算方法見式(1)。

(1)

式中:[σt]為危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,kPa;G為單位長(zhǎng)度危巖體重力,kN;W為單位長(zhǎng)度危巖體承受的水平地震力,kN;H為危巖體高度,m;h0為裂隙深度,m;h1為裂隙充水高度,m;β為破裂面傾角,(°);b為重力作用點(diǎn)距轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)O的水平距離,m;h2為地震力距傾覆點(diǎn)的垂直距離,m;U為孔隙中水壓力,kN。

2.2 錯(cuò)斷墜落式

I號(hào)危巖帶W1-1危巖為“壁掛式危巖體”,III號(hào)以懸壁巖板形式凸出,隨著巖板自身重力力矩加大,加之巖體內(nèi)部損傷面張拉-剪切復(fù)合作用,裂縫不斷下切,巖橋部位應(yīng)力集中加劇,當(dāng)作用力大于巖體抗拉強(qiáng)度,巖體沿主控?cái)嗔衙嫱蝗焕舯缆鋄10],這與現(xiàn)場(chǎng)危巖的形態(tài)較為一致。錯(cuò)斷墜落式危巖體受力模型示意圖見圖4。

圖4 錯(cuò)斷墜落式危巖體計(jì)算模型

由于孔隙水壓力對(duì)危巖的錯(cuò)斷墜落失穩(wěn)影響甚小可忽略,穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算見式(2)。

(2)

式中:d為地震力距錯(cuò)斷點(diǎn)的垂直距離,m;其余符號(hào)意義同式(1)。

2.3 壓裂傾倒式

I號(hào)危巖帶W1-2為獨(dú)立塔柱狀危巖體,獨(dú)立塔柱狀危巖體一般存在底部滑移、傾倒失穩(wěn)或壓裂潰屈3種破壞模式,該危巖中-上部巖體較完整,由緩傾結(jié)構(gòu)面將柱體切割為“餅狀”,塊徑呈上小下大,下部餅狀巖體分布?jí)褐铝严?危巖底部為粉砂質(zhì)泥巖層。危巖在方位角225°～60°方向?yàn)榭可絺?cè),與母巖間有U形槽口;在方位角60°～115°方向?yàn)榫徯逼缕脚_(tái),無凹腔懸空;在方位角115°～225°方向底部巖體受風(fēng)化作用,內(nèi)側(cè)呈微凹曲形狀。上部巖體自重荷載全部作用在塔柱狀巖體底部,導(dǎo)致下部巖體壓張裂縫增多且有由下至上延展趨勢(shì),底部板狀巖塊被壓裂后塊徑較小,弱化后抗壓強(qiáng)度降低,最有可能發(fā)生壓裂后沿方位角115°～225°方向的傾倒破壞。壓裂傾倒式危巖體受力模型與懸臂拉裂傾倒式一致,穩(wěn)定性計(jì)算參照式(1)。

2.4 綜合穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

2.4.1I號(hào)危巖帶

W1-1危巖體高度約2.8 m、寬度2.4 m、厚度1～1.8 m,受2組節(jié)理裂隙和層面切割,底部懸空無巖體支撐,板狀層疊形式內(nèi)嵌,上部部分巖體受L1豎向裂隙深切,已基本脫離母體,天然工況下危巖體整體基本穩(wěn)定,在地震工況時(shí),危巖體處于欠穩(wěn)定狀態(tài),隨著底部凹腔深入,W1-1危巖體將發(fā)生局部?jī)A倒崩塌或塊石墜落。W1-2獨(dú)立塔柱式危巖體寬1.5～3 m、高14 m、厚3.76 m,體積約121 m3,目前天然工況或地震工況下危巖體整體基本穩(wěn)定,隨著危巖底部巖體壓裂風(fēng)化,若方位角115°～225°方向底部巖體內(nèi)側(cè)微凹腔繼續(xù)發(fā)展,將發(fā)生整體傾倒破壞,傾倒過程中危巖沿層面分塊墜落、滾動(dòng)、彈跳,碎裂成不同大小塊石,壓裂傾倒式危巖體示意見圖5。如圖5所示,W1-3危巖高2.2 m、寬2.5 m、厚0.5～1.2 m,呈三角形板狀,受2組裂隙和層面切割,巖體呈層狀碎裂結(jié)構(gòu),臨空面為陡崖,底部懸空,內(nèi)壁懸掛于母巖上,天然工況下該危巖體整體基本穩(wěn)定,但在暴雨或地震工況下,危巖體處于欠穩(wěn)定狀態(tài),易形成局部塊石墜落。

圖5 壓裂傾倒式危巖體示意圖

2.4.2II號(hào)危巖帶

危巖體臨空面為陡崖,以高8～21 m、厚3～6.6 m、長(zhǎng)2.5～3.5 m的塔柱狀塊體為主,受2組豎向節(jié)理裂隙影響,裂隙從巖體頂部豎向發(fā)育延伸,但未完全貫通,節(jié)理L1:225°∠83°,L2:165°∠81°。受風(fēng)化作用、地下水侵蝕和巖層結(jié)構(gòu)面影響,場(chǎng)區(qū)柱狀巖體底部多為塊、板狀墜落,形成深0.5～1.5m凹腔,局部柱狀巖體底板懸空,在暴雨和天然工況下該危巖體整體基本穩(wěn)定,地震工況下,危巖體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)而形成繞底部?jī)A覆點(diǎn)的傾倒破壞。

2.4.3III號(hào)危巖帶

危巖體高0.5 m、長(zhǎng)2.2 m、厚3 m,豎向節(jié)理裂隙不發(fā)育,受風(fēng)化作用、地下水侵蝕和緩傾巖層結(jié)構(gòu)面影響,底部凹腔往內(nèi)側(cè)和兩側(cè)延伸,底部懸空的板狀巖體下墜力矩加大,在自然工況下該危巖體呈基本穩(wěn)定,在地震工況下,危巖體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

3 危巖運(yùn)動(dòng)分析及攔擋設(shè)計(jì)

3.1 模型構(gòu)建

通過精準(zhǔn)航測(cè)1∶2000地形圖,獲取區(qū)域初始地形點(diǎn)位、坐標(biāo)、高程數(shù)據(jù),采用RocPro3D建立三維地質(zhì)模型立體圖見圖6。

圖6 三維地質(zhì)模型立體圖

RocPro3D是一款模擬危巖崩塌運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律及進(jìn)行攔擋工程設(shè)計(jì)效用研究的三維巖崩模擬軟件,使用概率統(tǒng)計(jì)方法反映塊體形狀、巖土體特效和不同地形等對(duì)塊體運(yùn)動(dòng)軌跡的影響,得出巖塊運(yùn)動(dòng)過程中的能量、速度和彈跳高度等。

3.2 計(jì)算參數(shù)確定

巖土體表面參數(shù)可分為4個(gè)區(qū)域取值,運(yùn)用RocPro3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,危巖體特征參數(shù)包括危巖體形狀,危巖體直徑及危巖體密度,見表1,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)堆積的巖崩塊體特征,確定危巖體形狀為球形,直徑約為1.5 m。巖土體表面特征參數(shù)包括回彈參數(shù)、滾動(dòng)參數(shù)和轉(zhuǎn)換參數(shù),參照T/CAGHP 011-2018 《崩塌防治工程勘察規(guī)范》對(duì)坡面模型賦參,主要參數(shù)見表2。

表1 危巖體特征參數(shù)

表2 巖土體表面特征參數(shù)

3.3 危巖崩塌運(yùn)動(dòng)分析

通過對(duì)I、II、III號(hào)危巖帶可能崩塌的落石進(jìn)行模擬,設(shè)置每個(gè)危巖帶掉落的塊石數(shù)量為1 000塊,得到各危巖體崩塌后落石堆積空間分布位置,落石軌跡空間分布見圖7。

圖7 落石軌跡空間分布

以塊石直徑1.5 m計(jì)算,結(jié)合各危巖帶典型落石軌跡與彈跳高度、運(yùn)動(dòng)速度、沖擊能量關(guān)系曲線分析,1號(hào)危巖帶典型塊石在崩塌后,經(jīng)初期碰撞后彈跳高度達(dá)11.3 m,能量在下一次碰撞前達(dá)到峰值的2 056 kJ,速度為29.1 m/s,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地物條件及軌跡運(yùn)動(dòng)分析,可在距危巖落石點(diǎn)約100 m位置設(shè)置攔擋,落石在該位置左側(cè)碰撞后,彈跳高度僅1.3 m,剩余能量約1 580 kJ,速度約20.4 m/s,其落石軌跡與彈跳高度、運(yùn)動(dòng)速度、沖擊能量關(guān)系曲線見圖8a)。

2號(hào)危巖帶典型塊石崩塌后,在沿坡面直接下落過程中塊石沖擊能量激增,在陡坡段以豎向力和垂向沖擊能為主,落石在該段坡面最大彈跳高度較低,約為3.9 m,接近陡坡坡腳位置能量和速度達(dá)到最大值,沖擊能2 490 kJ,速度32.4 m/s,可在距危巖落石點(diǎn)約45 m位置設(shè)置攔擋,落石在該位置左側(cè)碰撞后,彈跳高0.9 m,剩余沖擊能量1 180 kJ,速度14.8 m/s,其落石軌跡與彈跳高度、運(yùn)動(dòng)速度、沖擊能量關(guān)系曲線見圖8b)。

3號(hào)危巖塊石直接下落過程中沖擊能量陡增,在陡坡坡面多次碰撞彈跳后,在距塊石崩塌點(diǎn)110 m位置沖擊能達(dá)到峰值2 710 kJ,速度32 m/s,最大彈跳高度位于81 m,高度9 m,可在距危巖落石點(diǎn)66 m位置設(shè)置攔擋,落石在該位置左側(cè)碰撞后,彈跳高度1.3 m,剩余沖擊能1 280 kJ,速度20.2 m/s,其落石軌跡與彈跳高度、運(yùn)動(dòng)速度、沖擊能量關(guān)系曲線見圖8c)。

圖8 各危巖帶典型落石軌跡與彈跳高度、運(yùn)動(dòng)速度、沖擊能量關(guān)系曲線

4 結(jié)論

根據(jù)山區(qū)陡崖危巖分布及形態(tài)特征差異,針對(duì)某高速隧道上緣不同危巖體建立力學(xué)模型,并利用RocPro3D模擬該處危巖崩塌運(yùn)動(dòng)規(guī)律,得出以下結(jié)論。

1) 隧道上緣共分布3個(gè)危巖帶,發(fā)育危巖體主要以懸臂拉裂傾倒式、錯(cuò)斷墜落式及壓裂傾倒式3種失穩(wěn)模式發(fā)生崩塌破壞。

2) I號(hào)危巖帶發(fā)育3處典型危巖體,其中W1-2為獨(dú)立塔柱狀危巖,隨著危巖底部巖體壓裂風(fēng)化,W1-2號(hào)危巖將以特有的壓裂傾倒失穩(wěn)模式發(fā)生沿方位角115°～225°方向整體傾倒破壞;II號(hào)危巖帶主要發(fā)育柱狀危巖,隨著巖腔向內(nèi)和兩側(cè)擴(kuò)展,柱狀危巖體將以底部轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)為支點(diǎn)發(fā)生整體傾倒式破壞;III號(hào)危巖帶豎向節(jié)理裂隙不發(fā)育,主要以懸壁巖板形式凸出形成欠穩(wěn)定危巖體,以錯(cuò)斷墜落失穩(wěn)模式崩塌破壞。

3) 結(jié)合RocPro3D模擬中各危巖帶典型落石軌跡與彈跳高度、運(yùn)動(dòng)速度、沖擊能量關(guān)系曲線分析,統(tǒng)計(jì)得出各危巖帶下緣合理的攔擋措施位置及攔擋高度,對(duì)于設(shè)計(jì)、施工具有很好的參考價(jià)值。根據(jù)多條曲線分析,該處危巖攔擋設(shè)置尤為復(fù)雜,建議在I號(hào)危巖帶落石點(diǎn)下緣約100 m、II號(hào)危巖帶落石點(diǎn)下緣約45 m及III號(hào)危巖帶落石點(diǎn)下緣約66 m處設(shè)置攔擋。