FAST 景區公路滑塌式危巖穩定性分析及防治對策

周桂香 楊昌妮 潘網生,2 傅良同,2 姚 興,2

（1、黔南民族師范學院 旅游與資源環境學院，貴州 都勻558000 2、黔南景區溶洞資源開發與生態環境保護工程研究中心，貴州 都勻558000）

危巖（potentially unstable rock mass）是發育在陡坡上的，因巖石結構面斷裂失穩形成的不穩定巖石，在外界條件作用下容易引發墜落從而形成巖體崩塌[1]。陳洪凱等[1-2]根據危巖體失穩的不同方式，將危巖劃分為三種不同的類型，即滑塌式、傾倒式、墜落式三種，并且根據危巖體所受到的荷載組合作用力不同，將其劃分為三種不同的荷載組合類型，分別為天然狀態下危巖體自重+孔隙水壓力、暴雨狀態下危巖體的自重+孔隙水壓力、天然狀態下危巖體的自重+孔隙水壓力+地震力。

對于危巖的穩定性分析，國內學者們對危巖的穩定性研究重點主要集中在危巖的主控結構面斷裂的問題上，并運用多種理論方法來分析其受力問題[3]。陳洪凱等[4]分析了影響危巖穩定的主控結構面強度，運用貫通率法來計算危巖主控結構面的抗剪強度。周云濤[5]運用危巖受到應力斷裂后來分析對強度因子其穩定性的影響，分析了聯合應力在危巖體主控結構面上的分布，總結得到了新的危巖穩定性的計算方法。龔昱文[6]將極限平衡法與斷裂力學理論相結合，選擇采用剪應力以及周向應力的最大準則來計算危巖體的穩定性，最后運用最大剪應力得出的結果與極限平衡法得出的結果大致相同。肖盈[7]選取影響危巖穩定性的巖體自身條件、自然條件、人類活動等七種因素，建立模糊矩陣，運用模糊評價法評價危巖體的穩定性。王林峰等[8]運用危巖主控結構面斷裂時所受到的不同的應力，與時間效應的原理結合，推導出危巖體穩定性計算的方法，結果表明危巖的穩定性系數與時間變化呈線性相關的關系。謝全敏等[9]選取了影響危巖穩定的不同因子構建出灰色模糊矩陣對危巖穩定性進行計算，再運用危巖的可靠程度計算其穩定性，后在時間序列的基礎上建立的數學模型來判斷危巖在不同時間段內的變化，評價結果表明這三種方法計算的結果基本一致。

危巖穩定性分析方法有極限平衡法、斷裂力學法、貫通法、時效分析法等，還有突變理論等。其中，極限平衡法是多數學者在研究危巖穩定性中最常使用的一種二維平面分析方法，也有部分學者突破了傳統的二維平面分析危巖穩定性的方法，采用三維空間結合極限平衡理論以及強度理論進行分析評價[10-11]。本文將在二維平面的基礎上，針對FAST 景區公路危巖體的穩定性開展相關研究工作，擬運用極限平衡法探討滑塌式危巖在不同類荷載組合類型下的穩定性，并根據危巖的穩定性程度提出相應防治措施。

1 研究區域概況以及數據來源

1.1 研究區域概況

FAST 是中國500 m 口徑射電望遠鏡，現已建成一個著名旅游景點，也稱FAST 天眼景區。

1.1.1 區域位置

FAST 景區位于貴州省平塘縣克度鎮大窩凼洼地，處平塘縣與羅甸縣之間，其東北部的平塘縣城距此大約85 km，其西南部的羅甸縣城距此約45 km[12]。

1.1.2 氣候特征

FAST 景區處于亞熱帶，全年平均氣溫在16 ℃左右，氣候比較濕潤，降水形式多樣化，全年的降水天數平均在160 天以上，全年平均降水量超過了1200 mm[12]。這樣的氣候為促進FAST景區的旅游發展提供了非常好的條件，也正因此吸引了較多的國內外游客到此進行科研、觀光。

1.1.3 水文狀況

FAST 景區北部的擺郎河在航龍地區進入地下，在一定條件下形成了地下河，并且這些地下河一直向南流動，最終又從南部的羅甸地區流到地表面[12]。因而景區內沒有出現明顯的地上河流，但地下水比較發育，在一些巖石裂縫或者巖石溝谷中可以見到有水流流出地表。

1.1.4 地質地貌

FAST 景區內出露的巖石多為三疊系灰巖[13]，區域地質構造較為復雜，向斜與斷層發育比較普遍，喀斯特地貌廣布，多峰叢洼地。其中，主要的向斜發育有克度向斜、砂廠向斜、董當向斜，都大致呈SN 走向，FAST 景區主要位于克度向斜的東部；區域內主要的斷層發育有董當斷層、董架斷層、騰子沖斷層，其中董當斷層呈SN 走向縱貫景區內部[14]。

1.2 數據來源

本文涉及危巖體的物理力學參數均采用高云河[14]實驗數據，具體數值如表3 所示。危巖體A、B 的形態特征由實地調研測量所得，具體數據見表2。

2 研究方法

根據研究區的衛星遙感影像數據繪制出研究區的公路線路圖（圖1），選取了FAST 景區公路的兩處危巖體進行穩定性研究，并將危巖體編號為危巖體A 和危巖體B。根據陳洪凱等[1]研究，危巖體的穩定性會受到三種不同荷載組合作用的影響，分別是天然狀態下危巖體自重與其所承受的孔隙水壓力作用下的荷載組合、暴雨狀態下危巖體的自重與其所承受的孔隙水壓力作用下的荷載組合、天然狀態下危巖體的自重與其所承受的孔隙水壓力以及地震力相互作用下的荷載組合。本文按上述三種工況分別對危巖體A 和危巖體B 進行穩定性分析。

圖1 FAST 景區公路路線

2.1 危巖體概化模型構建

由于實際情況過于復雜，為便于將問題簡單化，本文借助于CAD 軟件對危巖體A 及危巖體B 進行抽象概化，形成概化模型，用以清晰描述危巖體結構面的斷裂方向及其破裂面傾角，并根據危巖體定義及其破壞模式[1]，將危巖體A、B 定義為滑塌式類型。

2.2 危巖穩定性系數計算

由于需要考慮危巖體在不同荷載組合情況下的穩定差異性，本文擬運用極限平衡法分別探討天然狀態下危巖體自重附加孔隙水壓力，暴雨狀態下危巖體自重附加孔隙水壓力，天然狀態下危巖體自重附加孔隙水壓力、附加水平地震力的危巖體穩定性。

其中：e 為傾斜巖層貫通段的垂直高度（m），γw 為水的容重，下同。

對于第二種荷載組合，孔隙水壓力Q 與穩定性系數K 分別為：

對于第三種荷載組合，孔隙水壓力Q 與穩定性系數K 分別為：

危巖體的地震力由地震力系數ζ 與其單位長度重力W 的乘積求出，可將其表示為：

2.3 危巖穩定性評價

危巖體的破壞模式主要有滑塌式、傾倒式、墜落式等三種類型，其穩定性評價標準見表1。

表1 危巖穩定性評價標準[1]

3 算例分析

本文選取FAST 景區公路上的兩處危巖體A 和B，均屬于滑塌式類型。危巖體A 位于東經106 °53 ′27''，北緯25°38′13''，其巖層傾角為18 °；危巖體B 位于東經106 °53 ′42''，北緯25 °38 ′20''，其傾角為15 °[15]。危巖體A 及危巖體B的實景圖及其不同側面如圖2 所示。

圖2 巖層傾斜特征

圖3 危巖體A 模型

圖4 危巖體B 模型

極限平衡法計算結果表明，危巖體A 在第一種荷載組合作用下的穩定性系數為1.829，在第二種荷載組合作用下的危巖穩定性系數為1.827，在第三種荷載組合作用下的危巖穩定性系數為1.806。危巖體B 在第一種荷載組合的作用下的危巖穩定性系數為2.031，在第二種荷載組合的作用下的危巖穩定性系數為2.025，在第三種荷載組合的作用下的危巖穩定性系數為2.001。危巖體A、B 在任一荷載組合作用下的穩定性系數均大于1.3，據此可以判斷危巖體A、B 始終處于穩定狀態，但在暴雨和水平地震力模擬狀態下的穩定性均較天然狀態下稍差，說明暴雨和地震力對喀斯特危巖體的穩定性影響不容忽視。

4 防治措施

一般而言，針對體積較小的危巖體，可以直接清除處理，針對體積較大的危巖體，可以通過設置防滑樁或在危巖體裂縫處灌注混凝土處理，當然，有時可以將上述方法綜合應用[2][12][16][17]。

經極限平衡法計算，危巖體A 和危巖體B 在三種荷載組合的作用下均處于穩定狀態，那么對于危巖體A 和危巖體B 的治理措施只需要圍繞預防措施開展即可，如：定期掃除周圍的碎石塊，防止危巖體風化后脫落下墜；用防護網遮蓋危巖體，防止落石下墜；在公路擺放落石下墜路段的警示，以提醒過往車輛及行人注意安全。另外，可采用生物措施進行防治，即在危巖體下部用土袋堆砌成土墻后，在這些土墻上種植一些藤蔓類的植物，除起到一定的防風化和落石緩沖作用，也可以美化公路環境。由于貴州地殼板塊相對穩定，發生地震的概率較低，因此應重點關注暴雨狀態下的危巖體A、B 的災害防治，應建設好應急通道，如突遇暴雨天氣，要及時疏散景區滯留游客；同時加強天氣監測預報，禁止游客在強暴雨天氣進入景區。配套的工程措施有：在危巖體下部開挖排水溝，導出其巖層裂隙內部積水，或將巖層裂隙上部開口進行灌漿填封處理。

5 結論

5.1 基于極限平衡法的危巖體穩定性計算結果表明，危巖體A、B 在三種荷載組合作用下均處于穩定狀態。該方法簡單、可操作性強、計算結果可靠，對FAST 景區公路危巖災害防治具有指導意義。

5.2 根據危巖體A、B 當前的穩定狀態，除采取適當預防措施外，建議重點關注暴雨狀態下的危巖體穩定性，制定好應急處置方案、加強景區應急安全管理工作。另外可采取適當的工程措施，導出巖層裂隙積水或封堵裂隙上端開口等措施。

表2 危巖體相關參數

表3 危巖體穩定性計算