陳洪凱,秦 鑫
(重慶交通大學 巖土工程研究所,重慶 400074)
危巖(unstable rock block)是指位于陡崖或陡坡上被多組巖體結構面切割且穩定性較差的巖石塊體及其組合,其形成、失穩與運動屬于斜坡動力地貌過程的主要表現形式[1]。危巖崩塌(collapse)是指危巖在外荷載作用下發生突發性失穩破壞的一類地質災害現象[2],它是三峽庫區乃至整個西部地區主要地質災害類型,具有泛生性、突發性、隱蔽性及致災嚴重性等特征[3]。我國地處于亞洲東部,太平洋西岸,大地構造位于歐亞板塊的東南緣,與太平洋板塊、岡底斯—印度板塊相接,地質構造復雜,地勢西高東低,地質災害泛生。據中華人民共和國國土資源部發布的2005—2016年間國內危巖崩塌地質災害統計數據(表1)表明我國危巖崩塌地質災害情況依然嚴峻,表2給出了13次重大危巖崩塌案例。諸如此類地質災害國外同樣存在,如俄羅斯奧塞梯阿爾頓河流域Karivhoh特大型山體崩塌,崩塌體積大約2×109m3,水平沖出距離7 km,覆蓋面積18 km2,沉積物厚度200~300 m[4];1996年2月10日,日本北海道島沿線229號公路發生危巖崩塌,造成20人死亡[5];2012年5月15日瑞士阿爾卑斯山Preonzo村附近發生山體崩塌,體量達2.1×106m3[6];2016年2月14日,新西蘭克萊斯特徹奇發生5.7級地震影響誘發危巖坍塌[7];2016年11月2日,巴西北部一處洞穴突然發生崩塌致使10人遇難,7人受傷[8]。2016年11月27日,土耳其東南部錫爾特siran地區強降雨誘發山體滑坡導致該地區煤礦坍塌致使11人死亡[9]??梢娢r崩塌是一種全球泛生型地質災害,危巖崩塌災害防治具有重大意義。危巖崩塌地質災害防治工作的首先任務是危巖識別與危巖穩定性分析。基于對國內外文獻的檢索和分析從危巖形成機制、穩定性計算、危巖穩定性定性評價、數值分析等4個方面對現有成果進行分析梳理,根據筆者多年從事危巖減災科學研究的理論見解及工程實踐經驗提出了危穩定性分析方法理論研究趨勢及需要解決的相關科技熱點問題,研究成果對我國危巖崩塌減災事業具有積極意義。

表1 2005—2016年全國地質災害及危巖崩塌災害統計Table 1 Statistics of 2005—2016 national geological disasters androck falls

表2 危巖崩塌災害典型案例[3]Table 2 Typical cases for perilous rocks and collapses [3]
明晰危巖形成的力學機制是有效防治危巖崩塌災害的重要基礎理論問題。陳洪凱等[10-11]分析了石質山區崩塌災害形成機制,指出陡崖底部泥巖內腔的形成過程是崩塌災害演繹的源動力,發現四面山紅巖山群發崩塌具有鏈式規律,第1個微觀鏈破壞機制為基座壓裂破壞,針對單一危巖塊,提出了考慮危巖蠕變效應的危巖斷裂應力強度因子計算方法,建立了危巖塊崩落判據。唐紅梅等[12-13]通過試驗發現危巖破壞瞬間對相鄰危巖塊存在激振效應且豎向激振更為強烈,墜落式危巖破壞其主控結構面端部遵循純拉狀態→弱剪強拉狀態→強剪弱拉狀態→純剪狀態的演變規律,從此揭開了危巖激振效應研究的序幕,后繼建立了激振效應下危巖主控結構面復合應力強度因子計算方法。陳維等[14]分析了差異風化型危巖破壞機制,推導了巖腔后壁泥巖壓力隨巖腔深度變化的計算公式,結合危巖體崩塌破壞判別式反演出4類危巖體崩塌邊界方程,探析了巖腔深度、危巖體厚度和高度、主控裂隙深度之間的關系。陳洪凱等[15-16]分析了月球引潮力和晝夜溫差效應對危巖體穩定性的影響,探討了裂隙巖體植物根劈作用機理。鄭安興等[17]對危巖主控結構面變形破壞數值模擬指出,巖石抗拉強度減低,危巖穩定性降低,主控結構面傾角越小,開裂路徑改變越明顯,危巖穩定性越高;墜落式和傾倒式危巖破壞機制皆為拉剪破壞,同等條件下墜落式危巖穩定性更差。李佳壕等[18]推導了危巖自重荷載作用下應力強度因子解析式,利用ABAQUS對危巖主控結構面應力強度因子分析指出,危巖裂縫角度變化時,I、II型應力強度因子皆變化,且兩者相等時復合應力強度因子最大;臨空面寬度增加,I型應力強度因子迅速增長,成為危巖穩定的主控因素。陳洪凱等[19-20]對危巖結構面損傷模型進行了研究,構建了主控結構面裂端損傷本構方程,推導了暴雨條件下臨界主控結構面疲勞斷裂壽命計算公式。傅鶴林等[21]基于極限平衡理論分析了巖體損傷和地下水滲流對邊坡穩定性的影響;何蕭等[22]從地貌演化的角度分析了長江三峽巫峽岸坡望霞危巖發育機理研究。何曉英等[23]從能量的角度解釋了長江巫峽望霞危巖在崩塌過程中巖塊解體現象。吳永等[24]探析了高寒裂縫冰脹力誘發巖體崩塌的力學機制,得到了高寒危巖裂縫的冰脹力表達式,明晰了不同危巖體裂縫的斷裂模式、啟裂條件和擴展方向與擴展量,并認為特定冰裂縫失穩啟裂的臨界溫升是確定的,裂縫多次擴展過程中失穩條件在下降,崩塌是裂縫擴展間斷積累的結果。D. AMITRANO[25]基于實地監測數據對危巖體斷裂破裂微振進行了分析,探討了高寒地區巖質斜坡穩定與氣候變化的關系,并認為微振監測技術的進一步發展能起到預警和災害評估的作用。ZHANG Jixun等[26]運用突變理論提出了危巖穩定性的判據,克服了當前利用突變理論分析穩定性物理意義不清的缺點,實例表明該判據可以定量描述危巖體失穩過程。?. AYDAN[27]分析了地震影響巖質邊坡失穩的基本特征,研究表明海嘯導致巖石邊坡破壞的主要原因是在巖石斜坡上施加了沖擊波以及拉回導致的有效應力降低。E. D. A. V. JR等[28]對巖石邊坡破壞的熱應力效應進行了研究,結合室內試驗和數值分析發現冷季循環的溫度波動產生的溫度應力可以使巖石裂隙擴展、貫通破壞。S. ALEMDAG等[29]針對土耳其某一大型高速滑坡災害,利用運動力學、極限平衡、數值分析的方法對平面滑動破壞機制進行了研究,認為平面滑動破壞模式由滑動面控制,破壞前的邊坡有臨界條件,開挖和未控制的爆破觸發和加速邊坡失穩。王家臣等[30]提出了邊坡漸進性破壞的三維隨機分析模型,認為三維模型較二維模型更能描述邊坡破壞過程,實用性更強。易志堅、楊錫武等[31-32]基于斷裂力學的線場分析方法得到了平面應力裂紋線場的彈塑性精確解,指出邊坡的變形失穩源于坡體內部的剪切裂紋擴展及貫通。K. S. ALFREDSSON等[33]提出了一種計算臨界裂紋長度的簡化方法。M. FRAYSSINES等[34]分析了灰巖高陡邊坡的破壞機制,提出對巖體穩定性評價時需考慮巖橋的作用。J. P. CARTER等[35]從理論上證明了巖體初始應力的瞬態卸荷會在圍巖中誘發振動荷載。李克森等[36]認為危巖主控結構面的非線性擴展是巖體失穩破壞的根本原因,并運用斷裂力學和水利學理論求解了危巖主控結構面應力強度因子。左建平等[37]從能量角度對巖石破壞進行了研究,基于巖石變形破壞的不同階段輸入的機械能W與可釋放應變能增量Ue以及耗散能增量Ud之間的關系及變化規律提出了脆性巖石的能量跌落系數。WANG Wei等[38]對地震導致危巖崩塌的機理進行了研究,基于等截面梁的彎曲理論,結合最大拉應力準則描述了地震波引起的裂紋擴展過程,發現各形態危巖體均存在臨界裂縫深度,每次裂紋擴展并非常值,它與初始裂紋長度和危巖尺寸有關。LIU Zizhen等[39]結合強度折減理論和流變機制,揭示了邊坡破壞隨時間變化的過程,發現流變參數對邊坡長期穩定性具有重要影響。
綜上可見,現有研究主要著眼于危巖主控結構面破壞問題,認為危巖破壞的本質是主控結構面端部裂紋的非線性擴展,對主控結構面裂紋擴展模式、影響因素、斷裂應力強度因子求解等幾個方面進行了系統研究。但現有研究尚停留在平面斷裂層次,弱化了危巖形態對危巖主控結構面擴展的影響。
危巖穩定性計算是危巖崩塌地質災害防治的關鍵,合理準確的計算方法對危巖崩塌地質災害防災減災預測具有重大意義。陳洪凱等[40-46]將危巖視為完全剛體,假定主控結構面由連續貫通段和未貫通段組成,利用長度加權/貫通率法進行計算參數的等效,基于極限平衡理論獲得了不同荷載組合條件下三類危巖的穩定性計算方法,根據爆破應力波衰減規律,基于動力時程分析法結合極限平衡方法建立了滑塌式危巖動力計算模型,獲得了危巖穩定性系數時程曲線,認為危巖破壞的本質是主控結構面的斷裂破壞,將危巖主控結構面類比于宏觀裂紋通過斷裂力學理論建立了危巖穩定性計算的方法。鄧躍等[47]基于斷裂時程分析構建了危巖動力荷載穩定性計算方法。陳濤[48]用突變理論科學解釋了某些滑塌式危巖根據極限平衡法計算穩定系數小于1但不破壞的現象。戴自航等[49]認為邊坡的失穩機理采用張拉-剪切復合屈服準則來分析巖土體內部的應力和應變更為合理。V. N. CHEKHOV[50]考慮層狀巖體巖石的塑性特征,利用三維非線性理論對其陳述,提出了一種研究規則層狀半無限介質表面不穩定性的精確方法。V. MERRIEN-SOUKATCHOFF等[51]提出了一種裂隙巖體隨機穩定性分析的積分離散斷裂網絡法。劉衛華等[52]針對靜力平衡定量分析方法存在的問題,在充分考慮危巖特征、靜水壓力和地震力的基礎上,對不同類型,不同主控結構面組合危巖穩定性進行研究,得出7類危巖的穩定系數計算方法。王林峰等[53-55]認為在主控結構面中不同位置其斷裂韌度不同,在考慮時間效應的條件下基于斷裂力學理論建立了危巖體時效穩定性計算方法,從能量角度對在地震作用下的水平厚層墜落式危巖的穩定性進行了研究,得到了危巖主控結構面臨界長度及擴展判據,建立了考慮軟巖支撐作用的危巖穩定性系數計算方法。李佳壕等[56]基于室內單軸蠕變試驗對危巖體在自重荷載作用下的蠕變特性進行了研究,推導了危巖的長期穩定系數公式。劉建東等[57]通過采用赤平投影圖解法及極限平衡法計算裂隙巖體邊坡穩定性。李會中等[58]通過Adam三維成像技術結合三維空間塊體穩定性分析方法建立了成套高陡巖質邊坡塊體穩定性分析方法。董捷等[59]針對傾倒式危巖提出一種基于平面坐標系統的穩定性分析模型,并進行了基于該模型計算方法的軟件開發。黃江等[60]在考慮了結構面的填充空隙率和結構面的連續率的條件下,考慮滲透力的作用對危巖穩定性的影響。通過三維激光掃描技術結合室內成熟的后處理技術實現對危巖體穩定性的定量分析。唐紅梅等[61]采用人工神經網絡對危巖穩定性計算力學參數進行綜合選取得到危巖耦合參數的弱化系數。DU Yan等[62]運用振動力學原理建立了危巖固有振動頻率與粘聚力之間的理論關系,通過實驗證明固有振動頻率是巖體損傷識別的良好指標,認為探明危巖固有振動頻率與內聚力之間的內在聯系,有助于穩定分析中參數的選擇和調整。劉圓圓等[63]利用改進的Newmark方法探討了地震作用下高陡巖質邊坡穩定性。丁王飛等[64]針對危巖體主控結構面模型中“規范法”和“貫通率法”在等效抗剪強度參數取值上的不足,建立了包含主控結構面貫通段和鎖固段的危巖主控結構面計算模型,推導了危巖穩定性計算公式。崔宏環等[65]結合平面坐標系統對危巖體的最不利拉裂面進行研究,以巖體極限抗拉強度作為評判危巖體穩定性的主要依據,建立了一種適用于分析含縱向裂隙的懸挑式危巖穩定性分析模型。WANG Wei等[38]基于等截面梁的彎曲理論,結合最大拉應力準則提出了懸臂式和立柱式危巖的穩定性計算方法。
綜上,目前針對危巖穩定性分析的理論有極限平衡理論、結構理論、斷裂擴展論、能量論、動力時程分析、波動理論、突變理論、幾何學等??偟膩碚f危巖穩定性計算的發展經歷了材料力學法→斷裂力學分析法的過程,具體涉及力學解析法、圖解法、數值分析法,此外部分學者對危巖體力學參數進行了研究。目前危巖穩定性的計算是在假定危巖主控結構面由貫通段和非貫通段組成的條件下,著眼于主控結構面裂紋二維擴展問題,未涉及主控結構面貫通區域和非貫通區域情況下危巖主控結構面裂紋三維擴展問題。
合理評估相關區域危巖的穩定性情況是進行危巖崩塌災害布防的重要環節之一。張雷[66]采用蒙特卡羅方法對格狀與層狀巖體邊坡穩定性進行概率分析;P. BUDETTA等[67]利用風險管理方法對意大利波西塔諾公路沿線危巖崩塌災害進行了評估,該方法考慮了危巖防護設備的影響;T. OPPIKOFER等[68]基于震級頻度關系對斯圖爾峽灣危巖邊坡進行定量危險性評價,此評價等級建立于一系列地貌、結構標準和活動跡象的基礎上。謝全敏等[69]基于灰色系統理論提出了危巖塊體穩定性分析的灰色聚類評價方法,融合可靠性理論與時序分析方法建立了危巖塊體的穩定性綜合評價方法。徐衛亞等[70]探討了節理巖體邊坡幾何物理參數為模糊數情況下邊坡穩定性評價的分析方法;張梅花等[71]根據變形監測數據,建立灰預測GM(1,1)模型,用以評價預測高陡巖質邊坡穩定性;陳帆等[72]認為采用赤平極射投影法和圓弧圖表法可初步評價巖質高陡邊坡穩定性;董好剛等[73]選取地形地貌、地層巖性、巖體結構、危巖體規模、水文地質、風化作用、土地利用類型7個因子作為評價指標,建立危巖穩定性評價指數模型;歐武濤等[74]采用基于層次分析的綜合指數法,對危巖單體逐一進行穩定性綜合評價;胡顯明等[75]通過分析巖體裂隙系統發育狀況,建立了赤平投影法評價危巖體穩定性的判斷標準。秦植海等[76]建立了包含理論分析、文獻統計、工程類比和專家咨詢等幾個因子的高陡巖質邊坡穩定性的評價指標體系及評價等級標準,融合模糊層次法與集對分析方法提出了邊坡穩定性耦合評價模型(FAHP-SPA模型)。袁永才等[77]通過屬性數學理論建立了邊坡穩定性評價的熵權屬性識別模型,陳鵬宇等[78]結合顆粒流數值模擬方法和斷裂力學理論,建立了顆粒流斷裂力學危巖穩定性評價方法。B. ZHAO等[79]基于元素可拓理論建立了高邊坡穩定性評價模型,將可拓學中的物元可拓變換應用于巖體邊坡穩定性評價的多屬性問題中,解決了不相容性問題。SU Huaizhi等[80]針對高邊坡穩定性存在的諸多不確定性,提出了基于模糊優選理論和CBR的高邊坡穩定性初步評價方法。A.GHOSH等[81]將Newmark’s 概念與傳統的極限平衡分析相結合,提出了通過臨界加速度判定地震作用下危巖的穩定性的方法。
數值模擬的本質是讓計算機來做實驗,形象地再現流動情景,與做實驗沒有什么區別。將數值模擬技術應用于危巖穩定性的分析,是危巖崩塌領域的薄弱環節。吳兆營等[82]提出一種適合于巖體邊坡動安全系數非線性分析的方法;倪俊[83]將極限平衡法和有限元數值法相結合用于高陡巖質邊坡穩定性分析;谷拴成等[84]利用ANSYS在考慮裂隙、孔隙水等因素對巖體整體穩定性影響的條件下對危巖進行了穩定性分析;唐紅梅等[85]通過重慶市萬州區太白巖南坡W25號危巖主控結構面斷裂韌度富余系數的數值模擬表明斷裂韌度富余系數和危巖穩定性系數具有良好的一致性;張曉科等[86]針對某一具體工程實例利用剛體極限平衡和快速拉格朗日(FLAC3D)方法對危巖體在4種不同工況條件下的穩定性進行評價和預測;莊曉瑩等[87]基于無網格伽遼金法,發展了無網格—圖論方法的巖體邊坡穩定性分析方法;白永健等[88]采用3DEC離散元軟件對高陡巖質邊坡三維穩定性進行了分析,認為邊坡淺層塊體及控制性塊體穩定性差,是導致邊坡整體失穩的可能因素;張利國等[89]利用ANSYS對橋基荷載作用下高陡巖質邊坡的力學特性和三維穩定性進行了分析;蔡永昌等[90]用無網格MSLS方法分析了裂紋及其擴展對邊坡穩定性和安全系數的影響;張強等[91]通過有限單元法分析了滲流場和應力場的兩者耦合對巖體邊坡穩定性的影響;徐飛飛[92]采用赤平投影圖解法,實體比例投影空間矢量解析法及塊體離散單元法對大渡河黃金坪水電站后山高陡巖質邊坡進了穩定性研究;劉遠亮等[93]利用Midas GTS三維建模技術對高陡復雜巖質邊坡的穩定性進行了研究;韓佳泳[94]根據結構面的結構程度選取巖體分析單元的方法對邊坡穩定性進行分析;鄭安興等[17]將主控結構面視為宏觀裂紋,利用擴展有限元對其斷裂擴展進行研究并探討了巖石的抗拉強度、主控結構面的幾何位置與傾角對危巖的變形破壞模式與穩定性的影響;楊天鴻等[95]基于等效連續介質模型,建立各向異性巖體滲流應力耦合模型,并以COMSOL有限元軟件分析邊坡巖體穩定性;陳鵬宇等[96]基于顆粒流理論對某礦山巖質高邊坡危巖體的穩定性進行了研究。李佳壕等[18]采用ABAQUS有限元軟件計算了危巖裂端應力強度因子,并分析了危巖裂縫角度以及臨空面寬度變化對危巖應力強度因子的影響。HE Xiaohei等[97]基于極限平衡法和flac數值模擬計算分析了地震影響下邊坡安全系數和相關參數的關系。鄭穎人等[98]基于有限元強度折減法對土坡與巖坡穩定性進行了分析,得到了不同工況下的破壞模式和安全系數。郭朝旭等[99]基于鏈子崖危巖歷年變形監測數據,采用MATLAB軟件對其進行了二維、三維的數值仿真分析。常曉林等[100]在變形體離散元法的基礎上引入基于彈塑性斷裂力學的黏聚力模型,模擬了巖體裂紋起裂、擴展和失效的全過程。LIU Yaoru等[101]采用隱式步進積分有限元方法,提出了基于三維多重網格法的滑塊穩定分析的動態極限平衡解。
綜上可見,目前危巖穩定性分析著眼于主控結構面破壞問題,在危巖形成機制、穩定性定量計算、定性評價、數值分析等幾個方面進行了深入系統的研究,但以上研究以主控結構面二維斷裂問題為出發點,未考慮危巖空間形態的影響,缺乏對主控結構面四周貫通中部區域為貫通情形下的三維斷裂穩定的研究。危巖巖體自身是一個三維實體,絕大部分不滿足平面問題條件,目前急需從平面問題轉向三維問題以期獲得更為精確的解答。為有效防治危巖崩塌災害,合理進行國土規劃,應加強對危巖形成機制、危巖穩定性預測等科學問題的研究,研發危巖崩塌地質災害穩定性監測預警技術。
針對危巖形成機制的研究,學者們利用理論推導、試驗研究、數值分析等手段得到了豐富的科研成果。通過分析梳理發現,以上科研成果大多著眼平面斷裂問題的解答,處于靜力學和宏觀力學范疇,對危巖體主控結構面端部裂紋三維微觀特性解讀不夠。如王家臣等[30]建立了邊坡漸進性破壞的三維隨機分析模型,比較發現三維模型更能描述邊坡破壞過程,實用性更強,因此在危巖形成機制的進一步研究中應立足三維空間,考慮巖體形態特征,采用先進科學技術全面把握主控結構面裂紋分布情況,以斷裂力學為主,多學科融合,科學揭示危巖形成機制。
危巖體的穩定性是一個非線性發展的過程,危巖體失穩往往具有群發性、概率性,建立合適的危巖穩定性預測模型對穩定時長、穩定區域等進行預測,是進行危巖崩塌災害防治工作的基礎環節。T. YOSHIMURA等[102]基于γ射線和磁化率測量,提出了一種預測斷層邊坡崩塌位置的方法。SU Huaizhi等[80]針對高邊坡穩定性存在的諸多不確定性,提出基于模糊優選理論和CBR的高邊坡穩定性初步評價方法;張梅花等[71]根據變形監測數據,建立灰預測GM(1,1)模型,用以評價預測高陡巖質邊坡穩定性。在實際工程中我們發現這樣一種怪象,計算認為是穩定的危巖體發生了失穩,計算不穩定的危巖體反而屹立不倒,換言之,通過理論計算的結果來判斷危巖體穩定性在很多情況下是不精確的。危巖穩定性的預測判定不應該僅由一種方法蓋棺定論,而應在較高勘察水平的基礎上融合理論解、數值解、圖解等方法,結合可靠性分析對危巖體的穩定性做出一個綜合性評價。
危巖崩塌監測預警技術是危巖崩塌地質災害防治的薄弱環節,尤其是大型及特大型危巖崩塌具有突發性、毀滅性,針對該類地質災害監測預警技術是減小損失的唯一途徑。陳洪凱等[103-105]基于危巖破壞過程中主控結構面端部應力變化的敏感性,研發了采集危巖主控結構面端部應力的傳感設備,后繼根據應力采集數據研發了崩塌災害應急安全警報儀,該技術在實驗室條件下得以實現,但其現場實用性仍待檢驗。D. AMITRANO等[25]基于實地監測數據對危巖體斷裂破裂微振進行了分析,認為微振監測技術的進一步發展能起到預警和災害評估的作用。SHENG Li等[106]基于光纖光柵傳感特性研發了一種危巖崩塌智能報警被動防護網。A. GHOSH等[81]將Newmark’s 概念與傳統的極限平衡分析相結合,提出了通過臨界加速度判定地震作用下危巖的穩定性的方法。危巖體破壞屬于脆性破壞,通過變形監測不能有效預表征危巖體的穩定性,危巖體破壞是主控結構面裂紋端部擴展貫通的結果,貫通過程中會釋放能量產生振動波,端部應力變化顯著,故可從微振技術、加速度監測、應力采集等幾個方面對危巖體穩定性監測預警技術進行進一步研究并研制報警設備。
通過對危巖穩定性研究現狀及趨勢進行整理和分析可以得到以下幾個結論:
1)針對危巖形成機制,國內外學者著眼于危巖體主控結構面,對危巖體的形成機制及影響因素進行了系統研究,認為危巖體的形成與主控結構面尖端裂紋擴展息息相關。
2)將危巖體主控結構面端部裂紋擴展貫通問題簡化為宏觀裂紋平面擴展問題,從理論推導、定性描述、數值分析、試驗研究等幾個方面對危巖體的穩定性進行了研究獲得了豐富的科研成果。
3)根據分析梳理結果及筆者多年從事危巖減災科學研究的理論見解及工程實踐經驗指出危巖穩定性分析進一步研究中應高度重視的3個研究方向:危巖體破壞的三維斷裂表達、危巖體穩定性預測、危巖體穩定性監測預警技術。