滑塌式危巖體穩(wěn)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(wěn)破壞是三峽庫區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害。為探究地震降雨聯(lián)合作用對危巖體穩(wěn)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(wěn)定性進(jìn)行了計算分析。結(jié)果表明：隨著裂縫角度的增大，該危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)減小，其中，最危險裂縫傾角約為68。;隨著水平地震系數(shù)或垂直地震系數(shù)的增大，該危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)減小;當(dāng)考慮地震和降雨聯(lián)合作用時，對危巖體穩(wěn)定性起決定性作用的因素主要是水平地震力。

關(guān)鍵詞：滑塌式危巖穩(wěn)定性分析;極限平衡法;地質(zhì)災(zāi)害;三峽水庫

中圖法分類號：P642

文獻(xiàn)標(biāo)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(jīng)多組巖體結(jié)構(gòu)面切割形成的、穩(wěn)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(fā)生失穩(wěn)滑塌或崩塌，會造成巨大的破壞，是山丘地區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害類型之一，具有突發(fā)性和強(qiáng)致災(zāi)性的特點(diǎn)[1-3]。

三峽庫區(qū)地震和強(qiáng)降雨天氣多發(fā)且存在大量的危巖體，崩塌現(xiàn)象分布范圍廣，災(zāi)害等級高，發(fā)生次數(shù)多。目前已知的三峽庫區(qū)重慶段危巖體就達(dá)到了5萬多個，嚴(yán)重威脅著庫區(qū)人民的生命和財產(chǎn)安全。因此，掌握有效的計算方法，分析和判別危巖的穩(wěn)定性，能有效防范危巖崩塌造成的災(zāi)害。

目前對于危巖的穩(wěn)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(jié)果易受主觀因素的影響，比較注重于人的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷能力，從而易受人的知識、經(jīng)驗(yàn)和能力的束縛和限制，尤其是缺乏對事物發(fā)展數(shù)量上的精確描述。危巖體穩(wěn)定性定量計算方法主要有4類：靜力穩(wěn)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(shí)際的功能函數(shù)，而目前并沒有一種成熟的方法建立符合現(xiàn)實(shí)情況的功能函數(shù)。因此使用該方法計算危巖穩(wěn)定時不確定性最大。使用靜力穩(wěn)定性分析法計算危巖穩(wěn)定時，無法將危巖的巖體節(jié)理面描述準(zhǔn)確，因而與現(xiàn)實(shí)情況符合度并不高。比較識別法通過監(jiān)測資料計算變形區(qū)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(jìn)行比較，但無法判斷其結(jié)果與現(xiàn)實(shí)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(yīng)用得最多。該方法計算簡便易行，結(jié)果明確可靠。然而在使用該法計算危巖穩(wěn)定性時，業(yè)界考慮最多的影響是巖體自身的物理力學(xué)性質(zhì)。對危巖體內(nèi)的裂縫角度、水平和垂直向的地震力等因素對計算結(jié)果的影響考慮較少。

本文針對三峽庫區(qū)多地震、多降雨的情況，以萬州首立山砂巖區(qū)一滑塌式危巖體為例，研究了地震降雨聯(lián)合因素對危巖體穩(wěn)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(jié)構(gòu)面視為破壞面。建立如圖1所示的簡化力學(xué)模型。將圖1中危巖體的自重沿主控結(jié)構(gòu)面的主裂縫方向進(jìn)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(zhì)量為260 t。其巖體的內(nèi)摩擦角φ1=34.8°，裂縫面的內(nèi)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(jù)危巖體上作用的荷載情況考慮以下4種工況：①普通狀態(tài)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(tài)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(tài)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(tài)下的裂隙水壓力以及地震力。普通狀況下主裂隙結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面裂縫角度和地震力對其計算結(jié)果的影響，使用公式（7）計算危巖的安全系數(shù)。計算方案如表1-3所示。

4 計算結(jié)果

4.1 裂縫傾斜角對安全系數(shù)的影響

控制變量為主裂縫的傾角時，得到的計算結(jié)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(shù)曲線圖，從圖中可以明顯看出，危巖的安全系數(shù)與主裂縫的傾角呈負(fù)相關(guān)，即主裂縫的傾角越大，危巖越不穩(wěn)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(yīng)力盯卻隨著傾角的增加而減小。這會導(dǎo)致兩個結(jié)果：①危巖體的滑移力增加;②根據(jù)摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，當(dāng)主裂縫面的正應(yīng)力減小，裂縫面的巖體抗剪強(qiáng)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(shù)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(shù)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(shù)的余弦值，正弦函數(shù)在O-，π/2范圍內(nèi)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(jié)果顯示，危巖在正常狀態(tài)和暴雨狀態(tài)下的安全系數(shù)差別不大，而危巖處于地震狀態(tài)時，安全系數(shù)相比正常狀態(tài)時明顯降低。根據(jù)譚繼文等[9]的研究結(jié)果，當(dāng)危巖的安全系數(shù)小于1.15時，就可以認(rèn)為該危巖已經(jīng)失穩(wěn)。圖3中顯示在正常狀態(tài)下，危巖的主裂縫角度要高于78°才會失穩(wěn)，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(wěn)。這是因?yàn)榈卣鸷捅┯昃鶠槲r保持穩(wěn)定的不利因素，是最不利荷載組合。綜上分析認(rèn)為，危巖主裂縫的危險傾角為68°。

4.2 地震降雨聯(lián)合因素對安全系數(shù)的影響

為研究地震降雨聯(lián)合因素對危巖安全系數(shù)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(shù)為0.15，反之亦然。分別計算不同地震力對應(yīng)的巖體安全系數(shù)，得到安全系數(shù)一水平地震系數(shù)關(guān)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(shù)均隨地震系數(shù)的增大而減小，即地震力越大危巖越不穩(wěn)定，且危巖的穩(wěn)定性隨著地震震力的增加呈線性減小趨勢。在降雨地震聯(lián)合作用下，危巖的穩(wěn)定性明顯低于只有地震作用時。地震降雨聯(lián)合作用下的危巖安全系數(shù)較只有地震作用時降低22.3%，較正常狀態(tài)下降低20.4%。這表明暴雨聯(lián)合地震對危巖的穩(wěn)定性影響中起決定性的是地震強(qiáng)度。

將圖4和圖5對比后可知：雖然安全系數(shù)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(shù)小于同等大小垂直地震力作用下的危巖體安全系數(shù)，即水平地震力對危巖體的危害程度高于同一地震系數(shù)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(jié)論和門玉明等[10]的研究結(jié)果相吻合。

5 結(jié)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(shù)進(jìn)行計算，結(jié)論如下：

（1）本算例中的危巖體安全系數(shù)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(shù)減小速度較快;裂縫角度大于60°時，安全系數(shù)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(shù)隨水平地震系數(shù)或垂直地震系數(shù)的增大而減小，且為線性減小趨勢。

（3）降雨地震聯(lián)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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