滑塌式危巖體穩定性分析

諶玉萍

摘要：三峽水庫沿岸存在大量的危巖體，危巖失穩破壞是三峽庫區常見的地質災害。為探究地震降雨聯合作用對危巖體穩定性的影響，以重慶萬州首立山滑塌式危巖體為算例，采用極限平衡理論，對該滑塌式危巖體的穩定性進行了計算分析。結果表明：隨著裂縫角度的增大，該危巖體的穩定性系數減小，其中，最危險裂縫傾角約為68。;隨著水平地震系數或垂直地震系數的增大，該危巖體的穩定性系數減小;當考慮地震和降雨聯合作用時，對危巖體穩定性起決定性作用的因素主要是水平地震力。

關鍵詞：滑塌式危巖穩定性分析;極限平衡法;地質災害;三峽水庫

中圖法分類號：P642

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2019.07.005

1 概述

危巖體是位于陡崖或陡坡上的巖石經多組巖體結構面切割形成的、穩定性較差的巖石塊體組合。危巖體一般儲存了大量的重力勢能，在降雨、地震、自重及其他外界影響因素下發生失穩滑塌或崩塌，會造成巨大的破壞，是山丘地區常見的地質災害類型之一，具有突發性和強致災性的特點[1-3]。

三峽庫區地震和強降雨天氣多發且存在大量的危巖體，崩塌現象分布范圍廣，災害等級高，發生次數多。目前已知的三峽庫區重慶段危巖體就達到了5萬多個，嚴重威脅著庫區人民的生命和財產安全。因此，掌握有效的計算方法，分析和判別危巖的穩定性，能有效防范危巖崩塌造成的災害。

目前對于危巖的穩定性評價方法主要有定性和定量兩種。雖然定性分析簡單迅速，省時省力，但其結果易受主觀因素的影響，比較注重于人的經驗和主觀判斷能力，從而易受人的知識、經驗和能力的束縛和限制，尤其是缺乏對事物發展數量上的精確描述。危巖體穩定性定量計算方法主要有4類：靜力穩定性分析方法、可靠度分析法、比較識別法和極限平衡法[4-6]。其中可靠度分析需要建立合乎實際的功能函數，而目前并沒有一種成熟的方法建立符合現實情況的功能函數。因此使用該方法計算危巖穩定時不確定性最大。使用靜力穩定性分析法計算危巖穩定時，無法將危巖的巖體節理面描述準確，因而與現實情況符合度并不高。比較識別法通過監測資料計算變形區域的空間位移，與各種可能的變形破壞方式的變形特征及位移進行比較，但無法判斷其結果與現實情況的符合度，因此不確定性也較大。極限平衡法在滑坡和危巖的計算中應用得最多。該方法計算簡便易行，結果明確可靠。然而在使用該法計算危巖穩定性時，業界考慮最多的影響是巖體自身的物理力學性質。對危巖體內的裂縫角度、水平和垂直向的地震力等因素對計算結果的影響考慮較少。

本文針對三峽庫區多地震、多降雨的情況，以萬州首立山砂巖區一滑塌式危巖體為例，研究了地震降雨聯合因素對危巖體穩定性的影響。

2 計算原理

本文選取的危巖體類型為滑塌式危巖體。將危巖體視為剛體，主控結構面視為破壞面。建立如圖1所示的簡化力學模型。將圖1中危巖體的自重沿主控結構面的主裂縫方向進行正交分解。

其中，0為裂紋尖端;A為重心;h為平均高度，m;e為垂直裂縫高度，m;β1為平均傾角，°;d和b分別為從重心到裂縫尖端的垂直和水平距離，m;G為

3 算例背景及計算方案

3.1 工程背景

重慶萬州首立山危巖體類型為滑塌式，主要由砂巖組成。砂巖的成分主要為石英和部分云母，計算時將該危巖體的材料視為脆性材料。巖體的天然密度平均為2.6 g/cm3，危巖體積約為800 m3（ 20 mx8 mx5 m），計算出改危巖自重約為2 080 t，單位長度質量為260 t。其巖體的內摩擦角φ1=34.8°，裂縫面的內摩擦角φ：取26°。巖體的粘聚力c1取410 kPa，裂縫面的粘聚力c2取65 kPa。其簡化模型如圖2所示。

3.2 計算工況

根據危巖體上作用的荷載情況考慮以下4種工況：①普通狀態下的工況。考慮危巖自重和天然裂隙水壓力。②暴雨天氣下的工況。考慮危巖自重和暴雨狀態下的裂隙水壓力。③地震作用下的工況。考慮危巖自重和天然狀態下的裂隙水壓力以及地震力。④極端情況下的工況。考慮危巖自重和暴雨狀態下的裂隙水壓力以及地震力。普通狀況下主裂隙結構面的浸水高度取//3，暴雨天氣則取2U3，其中L為裂縫長度[8]。

3.3 計算過程

為探究主控結構面裂縫角度和地震力對其計算結果的影響，使用公式（7）計算危巖的安全系數。計算方案如表1-3所示。

4 計算結果

4.1 裂縫傾斜角對安全系數的影響

控制變量為主裂縫的傾角時，得到的計算結果如圖3所示。

圖3是危巖體在不同工況下計算出的安全系數曲線圖，從圖中可以明顯看出，危巖的安全系數與主裂縫的傾角呈負相關，即主裂縫的傾角越大，危巖越不穩定。主要原因是危巖體的自重分解到沿主裂縫方向的力隨著主裂縫傾角的增大而增大，而分解到垂直主裂縫面的應力盯卻隨著傾角的增加而減小。這會導致兩個結果：①危巖體的滑移力增加;②根據摩爾庫倫強度準則，當主裂縫面的正應力減小，裂縫面的巖體抗剪強度會降低。另外，隨著主裂縫傾角的增加，曲線斜率逐漸減小，即主裂縫的傾角對危巖的影響會降低。安全系數在傾角角度為58°之前，減小的速度非常迅速，曲線走勢較陡;在傾角為58°之后，安全系數減小的速度明顯降低，曲線走勢較為平緩。主要原因是危巖自重分解出來的沿主裂縫方向的滑移力等于危巖自重乘以主裂縫傾角函數的余弦值，正弦函數在O-，π/2范圍內的斜率逐漸減小，滑移力隨主裂縫傾角增加而增加的速度也會降低。

計算結果顯示，危巖在正常狀態和暴雨狀態下的安全系數差別不大，而危巖處于地震狀態時，安全系數相比正常狀態時明顯降低。根據譚繼文等[9]的研究結果，當危巖的安全系數小于1.15時，就可以認為該危巖已經失穩。圖3中顯示在正常狀態下，危巖的主裂縫角度要高于78°才會失穩，而處于暴雨和地震作用下的危巖在主裂縫角度高于68°時就已失穩。這是因為地震和暴雨均為危巖保持穩定的不利因素，是最不利荷載組合。綜上分析認為，危巖主裂縫的危險傾角為68°。

4.2 地震降雨聯合因素對安全系數的影響

為研究地震降雨聯合因素對危巖安全系數的影響，控制計算時危巖體裂縫角度為75。。考慮水平地震力時控制垂直地震系數為0.15，反之亦然。分別計算不同地震力對應的巖體安全系數，得到安全系數一水平地震系數關系曲線（見圖4-5）。

由圖4-5可知，在地震和暴雨兩種不利條件下，危巖體安全系數均隨地震系數的增大而減小，即地震力越大危巖越不穩定，且危巖的穩定性隨著地震震力的增加呈線性減小趨勢。在降雨地震聯合作用下，危巖的穩定性明顯低于只有地震作用時。地震降雨聯合作用下的危巖安全系數較只有地震作用時降低22.3%，較正常狀態下降低20.4%。這表明暴雨聯合地震對危巖的穩定性影響中起決定性的是地震強度。

將圖4和圖5對比后可知：雖然安全系數均隨著垂直地震力或水平地震力的增大而減小，但水平地震力影響下的危巖體安全系數小于同等大小垂直地震力作用下的危巖體安全系數，即水平地震力對危巖體的危害程度高于同一地震系數下的垂直地震力，水平地震力是造成危巖邊坡破壞的主要因素，這一結論和門玉明等[10]的研究結果相吻合。

5 結論

采用極限平衡法，分別在裂縫角度、地震力和降雨等不同影響因素下，對中國重慶萬州太白巖南部邊坡一滑塌式危巖體的安全系數進行計算，結論如下：

（1）本算例中的危巖體安全系數隨著裂縫角度的增大而減小，在裂縫角度小于60°時，危巖體安全系數減小速度較快;裂縫角度大于60°時，安全系數減小速度較為緩慢，最危險裂縫傾角約為68°。

（2）本算例中的危巖體安全系數隨水平地震系數或垂直地震系數的增大而減小，且為線性減小趨勢。

（3）降雨地震聯合作用時，對本算例中的危巖體的危害起決定作用的是地震力，且水平地震力是造成危巖邊坡破壞的主要因素。

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