G109國道拉薩—羊八井段喀努納危巖體變形破壞模式及穩定性分析*

孫琪皓 馬鳳山 劉 港 郭 捷 段學良

(①中國科學院地質與地球物理研究所，中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室，北京 100029，中國)

(②中國科學院地球科學研究院，北京 100029，中國)

(③中國科學院大學，北京 100049，中國)

0 引 言

危巖體是指被多組結構面切割，在重力或其他外力的作用下逐漸與母體分離，且穩定性較差的陡傾斜坡巖土體(劉衛華等， 2007)。其發育過程具有漸進性，失穩過程具有突發性，常出現突然脫離母體快速墜落，堆于坡腳或溝谷的現象，是山區地質災害的主要類型之一。危巖體失穩往往具有產生速度快，沒有明顯前兆，豎直位移比水平位移大得多的特點。20世紀80年代至今，眾多學者對不同類型危巖體的形成機理、穩定性及防治措施等進行了系統的研究，并取得了一定的成果。

G109國道是世界上線路最長、海拔最高的柏油公路，它是進藏公路的主動脈(斯朗擁宗等， 2016)。其中，羊八井至拉薩公路段全線長約85 km，是連接拉薩和羊八井的交通要道。沿G109國道進行地質災害調查時發現，羊八井至拉薩段大部分為典型的高山峽谷地貌，兩側山高坡陡，地質構造十分復雜，斷裂、褶皺構造及節理裂隙十分發育。由于受到強烈的風化、卸荷作用，沿線山體總體穩定性較差。

位于堆龍德慶區堆龍鄉喀努納村西側的一處陡立危巖體，緊鄰國道北側，受構造運動及強降雨作用影響，存在發生失穩崩落的風險。危巖區內人類工程建設活動日益繁密，危巖體已經成為影響工程建設和人民生命財產安全的重大潛在威脅。因此，本文基于野外詳細調查，采用無人機攝影測量技術，獲取危巖體的發育形態及節理信息，分析其發育特征和變形破壞機理，并利用塊體理論和基于連續介質的離散元方法(CDEM)評價危巖體的穩定性，為危巖體崩塌災害的防治提供地質力學依據。

1 環境地質條件

1.1 自然地理概況

喀努納危巖體(29°59′55.43″N ， 90°39′40.99″E)位于西藏自治區拉薩市堆龍德慶區西北部，堆龍河東岸(堆龍河年均流速約60 m3·s-1，年徑流量約19×108m3)，距拉薩市區直線距離約60km(圖1)。該處恰好為G109國道、京藏高速公路(G6)與青藏鐵路三線并行的交匯路段，人類工程活動十分密集。兩側山體平均海拔約4400 m，最大相對高差近400 m。該地區屬于高原寒溫帶濕潤季風性氣候，冬季漫長，夏季短促，日溫差大，年平均氣溫為2～5 ℃，干濕季分明，多年年平均降雨量約420 mm，且多集中于汛期6～9月，約占全年總降水量的90%。

圖1 喀努納危巖體位置

1.2 基本地質條件

青藏高原是現今地球表面構造活動性最強的大陸構造單元，至今仍發育有強烈的構造運動和地震活動(王琪等， 2001)。堆龍德慶區位于青藏高原中南部，喜馬拉雅山脈北側，大地構造上處于岡底斯-念青唐古拉山板塊中段，岡底斯陸緣火山-巖漿弧中部，羊八井—當雄活動斷裂東南麓。該區域經歷了多次造弧作用以及歐亞-印度大陸碰撞作用的疊加，形成了各種類型的沉積盆地以及多條構造帶(姚鵬， 2006)。地層上屬于岡底斯-騰沖地層區，主要出露巖性以花崗巖、閃長巖、砂巖、礫巖為主(圖2)。地勢總體上由東向西傾斜，公路沿線山地海拔多在4000 m以上，山勢陡峻，河谷深切，多呈“V”字形分布。受板塊擠壓以及斷層帶分布的影響，區內構造活動較為強烈。喀努納危巖體位于堆龍河上游的峽谷地段，侵蝕性地貌發育強烈，河谷受結構裂隙控制呈折線狀彎曲，兩側斜坡自然坡度較陡(白存倉， 2003)。受工程擾動和卸荷作用影響，卸荷裂隙發育，坡體較為破碎，沿線崩塌、泥石流連續發育。河谷兩側及公路旁分布較多塊石、砂土，河床曲折且時寬時窄，多處被碎石填埋，偶見巨石，推測曾發生過多次崩積物及沖洪積物堵江事件。

2 危巖體發育特征

2.1 危巖體幾何特征

危巖體的發育特征與其所處的地形地貌、地層巖性、巖體結構特征、地質構造以及工程建設影響等因素密切相關(黃達等， 2007)。喀努納危巖體整體呈西北—東南展布，巖性主要為灰白色中細粒黑云二長花崗巖和中粒含角閃二長花崗巖，構造多呈塊體或厚板狀。由于地形復雜、邊坡高陡，僅憑目視或經驗無法獲取更為準確的危巖體特征信息。研究過程中借助于無人機攝影測量技術(王明等， 2019)，對危巖體進行高精度攝影測量并利用解譯軟件提取信息，過程及結果如圖3、圖4所示。

圖3 無人機攝影測量過程

圖4 危巖體數字三維模型

危巖體分布范圍約長500 m，頂部高程約4150 m，垂直高差約250 m(圖5)。從縱向剖面來看，斜坡整體呈上陡下緩狀，平均坡度約50°，局部陡傾處近70°，具有較好的落石滾落條件(圖6)。調查發現，邊坡淺表部存在5～10 m深的卸荷裂隙帶，在縱向上可以將危巖體劃分為上部坡頂整體崩塌源、中部基巖裂隙帶、下部塊石堆積區3個區域(圖6，圖7)，

圖5 危巖區等高線圖

圖6 危巖體工程地質剖面圖

表1 危巖體分區特征

圖7 危巖體局部分區

分區基本特征如表1描述。由于卸荷作用強烈，斜坡節理裂隙十分發育，且幾乎無樹木植被覆蓋。坡面及坡腳處可見數十塊崩落的塊石，最大塊徑約2.5 m，推測為受工程擾動及車輛震動影響而發生的巖體崩落。危巖體前緣為京藏高速(G6)格拉段(格爾木—拉薩)在建路基工地，局部切坡高度達1～3 m， G109國道(工地以西約10 m)、青藏鐵路(工地以西約20 m)、堆龍河(工地以西約35 m)在其西側依次展布。

2.2 危巖體結構面特征

巖體中常發育有各種不同地質成因的斷層、巖脈、節理裂隙、層面、層理以及破碎帶等不連續面，它們相互穿切交叉，往往可以組合成特定的巖體結構。結構面常作為危巖體失穩的邊界條件，對邊坡巖體的穩定性具有控制性作用。確定危巖體結構面特征并分析其優勢結構面組合是危巖體穩定性分析中的重要環節(趙憲民， 2013)。

利用Coltop3D軟件對喀努納危巖體三維點云數據進行結構分析(圖8)，通過提取特征點并進行處理，從而可以得到危巖體不同位置處的節理產狀信息，共提取出節理數據27145條(王瑞琪等， 2019)。通過統計數量和產狀優勢指標對節理裂隙分組統計，分別繪制了節理裂隙的等密度圖(圖9)和統計玫瑰花圖(圖10)，并結合野外實地調查，得到喀努納危巖體統計優勢結構面及其特征參數(表2)。

表2 優勢結構面特征

圖8 Coltop3D渲染視圖

圖9 節理裂隙等密度圖

圖10 節理裂隙玫瑰花圖

3 危巖體變形破壞機理

3.1 危巖體穩定性影響因素

3.1.1 結構面的影響

邊坡變形破壞的首要條件，往往取決于坡體中存在的各種形式的結構面(朱維偉， 2008)。喀努納危巖體位于堆龍河北側的高邊坡，邊坡卸荷效應強烈，形成了高差近70 m的卸荷裂隙帶(圖11a)。主要發育有4組節理，其中的高角度節理對邊坡巖體的穩定性極為不利，不同的節理組合形式可產生多種潛在破壞模式，已有部分塊體沿結構面發生微量滑移，數十塊墜落塊石滯留坡面或滾落至坡腳處(圖11b)。

圖11 邊坡卸荷裂隙帶及掉落塊石

3.1.2 斜坡形狀變化的影響

河流的沖刷及掏刷，常使岸坡外型變得更加陡峭。人工切坡也常會使坡體失去底部支撐，從而誘發斜坡的變形與破壞(李向華， 2003)。喀努納危巖體受河流長年沖蝕，坡腳處工地局部已被開挖，邊坡逐漸加陡，必然增加坡頂、坡腳的應力集中程度。如若后期施工程序不當，下部開挖速度過快，則將使斜坡更為陡峭或形成倒坡，坡頂及坡面張力帶范圍進一步擴大，坡腳應力集中帶的最大剪應力也隨之增大，最終可能導致危巖體的變形與破壞。

3.1.3 巖土體力學性質的影響

雨季或雨后是危巖體變形失穩的多發季節，可見水對斜坡穩定性的影響十分顯著。喀努納危巖區雨水豐沛，且多集中于汛期。危巖體發育有大量黏土質親水性礦物充填的張開結構面，浸水后極易軟化、泥化或崩解，結構面強度急劇惡化。另一方面，巖石礦物在雨水的長期侵蝕作用下，整體力學參數也將逐漸劣化。因此，降雨既增加了危巖體沿結構面破壞的風險，同時也削弱了危巖體的整體穩定性程度。

3.1.4 動力的作用

區域構造應力的變化、地震、爆破、地下靜水壓力和動水壓力，以及施工荷載等，都會直接作用于斜坡體，對危巖體穩定性的影響直接而迅速。

喀努納危巖區新構造運動強烈，地震加速度約為0.3，存在較大的水平構造殘余應力。雨水滲入、河水水位上漲等使危巖體地下水位被抬高，降低了抗滑阻力，增加了沿滲流方向的下滑力。另一方面，人類工程活動對于危巖體穩定性的影響也不可忽視。

3.2 危巖體變形破壞模式

危巖體失穩破壞是一個漸進演化的過程，分析其變形破壞模式及其演化過程，對于研究災害的形成機理以及進行針對性的工程防治，具有重要意義。根據喀努納危巖體的發育特點及結構特征，可將其變形破壞模式主要歸納為：剪切滑動、傾倒破壞、斷裂墜落3種類型(李鐵峰等， 2002； 胡顯明等， 2011； 劉賀軍等， 2018)。

3.2.1 剪切滑動

簡單凸塊體或復合塊體沿著單組軟弱結構面或兩個結構面的交線可以發生剪切滑動，關鍵塊體的滑動會導致危巖體發生連鎖破壞(圖12)。喀努納危巖體淺表部卸荷裂隙發育，坡面中上部存在較多平直結構面(圖13)，且較多傾向于臨空面，雨水等對結構面具有劈裂、擠脹作用，使得結構面進一步延伸發展，抗剪強度降低，因此，塊體(圖13中塊體1、2)在自重作用下即存在沿結構面發生滑移的可能性。

圖12 剪切滑動模式示意圖

圖13 喀努納危巖體中上部塊體

3.2.2 傾倒破壞

巖石塊體受到相對于其基底的傾覆力矩的作用，發生轉動并導致破壞，還可以細分為彎曲傾倒和塊狀傾倒等形式(圖14)。喀努納危巖體坡頂高陡，坡體中上部存在較多近直立結構面。后緣裂縫在重力及水頭作用下，不斷向深部及兩側擴展延伸，巖體不斷向臨空面方向傾斜，因此，在降雨或地震作用下，危巖體發生傾倒破壞(圖13塊體3、4、5)。

圖14 傾倒破壞模式示意圖

3.2.3 斷裂墜落

喀努納危巖體淺表部完整性相對較差，局部呈板狀，節理裂隙切割下巖體較為破碎(圖15)。處于高陡坡體的碎裂塊體在風化作用、水的劈裂、擠脹作用下常常形成突出的危巖塊體。在風化作用下，塊體底部支撐力逐漸減弱，重心外移。在重力作用下危巖塊體與母體之間突然發生斷裂，脫離的塊體隨之崩落。

圖15 斷裂墜落模式示意圖

4 危巖體穩定性分析

危巖體穩定性分析方法主要包括定性方法、定量方法、物理模擬法、數值模擬法、不確定性分析方法等(李作兵等， 2012)。由于研究條件所限，未能獲得研究區巖土強度參數的準確數據。因此，結合喀努納危巖體現場實測資料，決定采用塊體理論初步判別自重作用下危巖體的穩定性，基本方法如下：利用幾何分析，首先找出邊坡中由結構面和臨空面形成的潛在可動塊體，再通過運動學分析確定自重力作用下的可動塊體； 進而根據結構面物理力學性質，確定所有“關鍵塊體”，并計算出其穩定性(王在泉， 1999)。采用該種方法分析和計算的對象為邊坡優勢結構面與臨空面組合形成的所有潛在塊體。

4.1 赤平極射投影分析

運用赤平極射投影方法可以直觀地搜索出邊坡內的所有可動塊體(高正， 2005)。根據已知的優勢節理面產狀信息，采用直角坐標法，以參照圓圓心為原點，設平面P的投影圓半徑為r，圓心坐標為(Cx，Cy)，正東為x向軸，正北為y向軸，則投影圓半徑和圓心的計算公式如下(田卿燕， 2008)：

r=R/cosα

Cx=Rtanαsinβ

Cy=Rtanαcosβ

(1)

式中：Cx為在赤道平面投影圓上優勢節理面的橫坐標；Cy為在赤道平面投影圓上優勢節理面的縱坐標；r為在赤道平面投影圓上優勢節理面的半徑；α為優勢節理面的傾向；β為優勢節理面傾角；R為參考圓的半徑，文中取20。由已知的臨空面及優勢結構面產狀信息，確定各節理面的投影圓心及半徑如表3所示。

表3 赤平極射投影圓的半徑和圓心坐標

根據上述投影圓圓心與半徑，在CAD中繪制出4組優勢結構面相互組合關系的赤平極射投影圖(圖16a)，以及優勢結構面與臨空面組合關系的赤平極射投影圖(圖16b)。

圖16 優勢結構面與臨空面的赤平極射投影

各投影大圓將赤平投影平面劃分為許多小區域，各區域分別對應一個非空裂隙錐JP，采用如下規則對JP進行編號：P1圓內各區域第1個數字標上“0”，圓外各區域第1個數字標上“1”。以此類推，Pi圓內各區域第i個數字標上“0”，圓外各區域第i個數字標上“1”，直至各區域標完為止(高正， 2005)。上述各區域即可表示各界面互不平行的非空裂隙錐JP。本文中各裂隙錐的編號如圖13所示，據結果可知裂隙錐0010、0011、0001為潛在的可動塊體。

4.2 自重作用下穩定性分析

表5 (0， 0，-1)時各運動方向矢量坐標

表6 相應各運動形式的JP編號

(2)

(3)

根據塊體不同運動形式的判別條件，分別求出相應各運動形式的JP編號。

對危巖體進行受力分析，建立喀努納危巖體作用于可動塊體上的力的平衡方程：

(4)

通過式(4)求出剩余下滑力F值。若F>0，則該塊體為關鍵塊體，即危巖體會沿相應的節理面發生滑移失穩破壞，必須施加工程措施才能增加其穩定性，若F<0，則該塊體保持受力平衡，處于較為穩定的狀態。以上計算結果匯總如表7所示。

表7 關鍵塊體分析結果匯總

據結果可知，在自然工況下(自重作用)，危巖塊體處于較為穩定的狀態。

5 危巖體地震動力響應分析

喀努納危巖體位于新構造運動活躍區，周邊地區地震多發。與其鄰近的當雄縣，地震災害頻發， 1951年曾發生8級地震， 2008年發生了6.6級地震， 2010年發生了4.7級地震。喀努納危巖體距當雄縣直線距離不足70 km。因此，地震對于喀努納危巖體的穩定性具有至關重要的影響(周禮等， 2019)。利用基于連續介質力學的離散元數值模擬軟件GDEM，建立危巖體的數值模型，研究地震荷載作用下危巖體的失穩過程和變形破壞機理，為工程防治提供依據。

5.1 GDEM

GDEM是一種利用有限元算法和離散元算法耦合計算的數值模擬軟件，它實現了力學連續與非連續的統一計算。與傳統的有限元、有限差分和離散元商業軟件不同，該軟件以基于連續介質力學的離散元方法(CDEM)為理論基礎，采用高性能圖形處理器(GPU)實現大規模并行計算。利用該軟件可以實現巖土材料從連續變形到破裂運動的全過程模擬，從而對結構的整體穩定性進行評價。

5.2 危巖體數值模型的建立

利用無人機測量數據生成危巖區高精度數字高程模型(DEM)，根據危巖體的發育特征，選取具有代表性的一條剖面，通過有限元網格生成軟件Gmsh建立危巖體數值模型，并將優勢結構面導入到模型中(圖17)。模型共劃分單元7653個，淺部采用密集網格剖分，深部采用較稀疏網格剖分。

圖17 喀努納危巖體數值模型

5.3 計算過程及參數選取

利用GDEM軟件模擬地震條件下危巖體的動力響應，按如下步驟進行：首先僅考慮自重應力場，在模型四周及底面采用固定約束，模擬危巖體在自重條件下的變形情況。然后在模型底部施加20 s地震波，模擬危巖體的地震動力響應。地震波施加結束后，使其再次處于自重應力場下，研究地震后危巖體發生失穩破壞的過程。為減小邊界對地震波的反射，提高模擬的準確性，在模型底部施加無反射邊界，兩側設置自由邊界。

本次動力計算采用西藏某地6級地震主震斷裂附近的某強震動態站所記錄到的地震波形作為動力荷載，包括豎直方向和水平方向的波形數據(圖18)。

圖18 加速度時程曲線

根據對危巖體的野外調查，將其巖體材料大致分為兩組：表層卸荷裂隙組和深層完整巖石組。兩組材料賦予相同的材料參數，表層卸荷裂隙組的單元采用彈簧連接的方式，深層完整巖石組則采用連續的單元連接。依據實際巖體物理力學性質，參考相關文獻(劉云鵬等， 2008； 楊春峰等， 2018)選取花崗巖及結構面的計算參數(表8、表9)。

表8 巖體力學參數

表9 結構面力學參數

5.4 危巖體失穩過程模擬

由模擬結果可知：在該地震荷載的作用下，喀努納危巖體坡面卸荷裂隙首先產生朝向臨空面方向的位移(圖19a)，傾角與坡面夾角較小的裂隙響應尤為劇烈。隨著時間的增加，X軸負向(臨空方向)的位移蔓延至整個卸荷裂隙帶(圖19b)，表現為卸荷裂隙的張開、擴展與貫通。這種作用體現了地震波在結構面處產生強烈的能量聚集，優勢結構面對于地震具有明顯的放大作用。地震荷載作用結束后，坡體變得松散，坡面卸荷裂隙多呈張開狀，極易發生失穩破壞。在自重應力的長期作用下，裂隙逐漸趨于貫通，局部巖體呈塊狀或散體狀結構(圖19c)。坡面附近產生一系列切割巖體的新裂隙，并有少量塊石從坡面崩落或拋射(圖19d)。經過長期重力作用，最終巖體完全解體呈碎塊狀從坡體崩落(圖19e、圖19f)。可見，地震作用下，危巖體失穩主要以剪切滑動和斷裂墜落為主。

圖19 危巖體位移云圖

結構面應力云圖(圖20)反映了喀努納危巖體結構面受力狀態的變化過程。事實上，對于研究區所在區域，由史料記載可知其本身作為震源的概率較小。因而，該區域往往是中低烈度區。在分析地震作用下危巖體的失穩過程可知，喀努納危巖體處于受力平衡狀態，在6級地震的短時間作用下，地震的損傷累積作用效果往往要大于其觸發作用效果。地震作用發生時，危巖體雖然只有少量的塊體崩落，但是卻使邊坡巖體的性質發生了不可逆轉地變化，坡體變得松散、易碎，為崩塌災害的發生創造了松散物源。

圖20 危巖體結構面應力云圖

6 危巖體防治建議

喀努納危巖體對于人類工程活動構成了重要潛在威脅。根據危巖區保護對象(京藏高速公路、G109國道、青藏鐵路)的位置特點，結合危巖體的發育特征，遵從合理、經濟和可操作性的原則，綜合且有針對性地考慮防治措施。

危巖體的不同區域應采取不同的防治措施。首先，對于較為深長的卸荷裂隙，應采用注漿或灌漿方法來使其封閉； 淺表層穩定性相對較差，利用錨桿或錨索將大體積不穩定塊體與穩定的母體連接固定成統一整體； 坡面及坡腳碎石應及時清理，全部掃除。坡體中上部節理裂隙發育，巖體較為破碎，應采用SNS柔性防護網措施，加強其穩定程度。坡腳距公路極近，建議采用攔石墻或攔石網，以及及時的坡面清危，以防止落石危害公路安全，同時公路也應采取防護措施，防止路基遭受毀壞。此外，鑒于該路段道路密集，交通地理位置十分重要，且危巖體總體方量較大，應加強治理前、中、后危巖體的變形監測巡視和監測預警工作。

7 結 論

基于對拉薩市堆龍德慶區喀努納危巖體的野外實地考察，分析了危巖體的發育特征及其變形破壞機理，利用塊體理論和GDEM數值模擬軟件分析了危巖體的穩定性和地震動力響應過程。主要結論如下：

(1)喀努納危巖體表面卸荷裂隙發育，受河谷地形影響強烈，整體可以大致劃分為上部坡頂整體崩塌源、中部基巖裂隙帶、下部塊石堆積區3個區域。

(2)通過對危巖體結構面進行統計分析，得出4組優勢結構面，產狀分別為： 48°∠240°、45°∠106°、73°∠296°、47°∠67°。

(3)喀努納危巖體的變形破壞主要受卸荷裂隙的發展貫通、河流沖刷及人工開挖引起的坡形變化、風化作用引起的巖體性質弱化以及地震動力作用的影響，其可能出現的破壞形式為：剪切滑動、傾倒破壞、斷裂墜落。

(4)基于塊體理論，識別了喀努納危巖體內的可動塊體，并最終得出：自重作用下危巖塊體處于穩定狀態。

(5)采用數值模擬方法分析了地震荷載作用下危巖體的失穩破壞過程，結果表明：優勢結構面，尤其是近平行于坡面的結構面對地震有明顯的放大作用，卸荷裂隙的張開度加大。危巖體失穩主要以剪切滑動和斷裂墜落為主。喀努納危巖體數值模型在6級地震作用下，主要表現為損傷的不斷累積，巖體更加松散破碎，這對該邊坡的長期穩定性尤為不利。本文對于該危巖體的防治工作提出了針對性的建議。