重慶市墊江實(shí)驗(yàn)中學(xué)危巖穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)特征研究

李亨 郭代泉 謝力歡

摘要：重慶市墊江實(shí)驗(yàn)中學(xué)男生宿舍西側(cè)，危巖的穩(wěn)定性直接影響校內(nèi)師生的生命財(cái)產(chǎn)安全，需要對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。文章通過對(duì)地質(zhì)資料的分析，采用有限元法對(duì)危巖所在邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。采用穩(wěn)定性系數(shù)法對(duì)危巖穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明：在天然工況下，危巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在暴雨工況下，危巖處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)。采用基于運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的Rockfall數(shù)值模擬方法對(duì)危巖下落后的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明：危巖失穩(wěn)下落后會(huì)運(yùn)動(dòng)停止在坡腳男生宿舍區(qū)域。建議在對(duì)邊坡及危巖采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

[作者簡(jiǎn)介]李亨（1993—），男，碩士，主要從事巖土工程設(shè)計(jì)工作;郭代泉（1989—），男，本科，工程師，從事巖土工程施工管理工作。

重慶市墊江縣實(shí)驗(yàn)中學(xué)邊男生宿舍西側(cè)坡表面基巖裸露，風(fēng)化嚴(yán)重，裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，松動(dòng)垮塌明顯。目前處于穩(wěn)定—欠穩(wěn)定狀態(tài)，在長(zhǎng)期內(nèi)外因素作用下，可能發(fā)生崩塌，直接威脅到坡腳在校師生6 000余人及坡頂12戶居民的生命財(cái)產(chǎn)及房屋安全，危害嚴(yán)重。因此，按DB 50/5029《地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究是十分有必要的。

本文在對(duì)重慶市墊江實(shí)驗(yàn)中學(xué)邊坡及危巖進(jìn)行工程地質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上，采用有限元法對(duì)危巖所在邊坡的穩(wěn)定性和應(yīng)力分布特征進(jìn)行研究，采用穩(wěn)定性系數(shù)法對(duì)危巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究，采用基于運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的數(shù)值分析方法對(duì)危巖下落后的運(yùn)動(dòng)特征及運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究。

1 邊坡特征

邊坡高度約15.5 m，分布高程425.2～440.3 m，總體坡向250～280°，坡頂為緩坡0～8°，邊坡下部為陡崖。陡崖高約10 m，長(zhǎng)約70 m，傾角約65～85°。邊坡坡面多數(shù)裸露，局部崩塌巖塊仍堆積在坡腳，陡崖中部生長(zhǎng)一棵黃桷樹，根系發(fā)育（圖1）。

2 危巖判別

2.1 模型的建立

結(jié)合地形圖、地勘資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，建立邊坡計(jì)算模型（圖2），邊坡上部及表層為素填土和強(qiáng)風(fēng)化砂巖，重度取20 kN/m3，彈性模量取1 000 kPa，泊松比取0.15，粘聚力取5 kPa，內(nèi)摩擦角取28°，下部基巖為中風(fēng)化砂巖，重度取24.6 kN/m3，彈性模量取2 967 kPa，泊松比取0.23，粘聚力取1 110 kPa，內(nèi)摩擦角取36°。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

利用有限元數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)邊坡進(jìn)行網(wǎng)格劃分見圖3（a），對(duì)模型進(jìn)行邊界約束：側(cè)面X向不變形，地面Y向不變形。邊坡在天然和地震兩種工況下剪應(yīng)力分布特征見圖3（b）、圖3（c），場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值0.05g。

應(yīng)力分析：在自然及地震狀態(tài)下，邊坡坡面中部臨空區(qū)的巖體產(chǎn)生較明顯的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，且相比天然狀態(tài)，地震狀態(tài)下剪應(yīng)力集中區(qū)的巖體剪應(yīng)力增大20 %。剪應(yīng)力集中區(qū)的巖體處于潛在失穩(wěn)破狀態(tài)，存在剪切破壞的可能。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，該剪應(yīng)力集中區(qū)為危巖發(fā)育區(qū)域。

3 危巖穩(wěn)定性分析

3.1 危巖特征

危巖體失穩(wěn)方式受多方面因素的影響，通過對(duì)危巖體形態(tài)、發(fā)育規(guī)模、底界特征、空間分布特征、節(jié)理裂隙發(fā)育特征、水文地質(zhì)條件分布規(guī)律等進(jìn)行調(diào)查和研究，現(xiàn)狀危巖W1、W2（基本特征見表1）尚在傾覆點(diǎn)之內(nèi)，且隨時(shí)間的增長(zhǎng)，危巖重心將向外位移，危巖的失穩(wěn)破壞方式主要為滑移式。

3.2 危巖穩(wěn)定性分析

危巖穩(wěn)定性系數(shù)法的理論計(jì)算模型見圖4，危巖穩(wěn)定性系數(shù)F的計(jì)算見式（1）～式（3）。

式中：U為滑面水壓力（kN/m）;hw為裂隙充水高度（m），天然狀工況下裂隙充水高度取裂隙深度的1/5，暴雨工況下裂隙充水高度取裂隙深度的2/3;γw為取10 kN/m;Q為地震力（kN/m）;K為危巖穩(wěn)定性系數(shù);c為后緣裂隙黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa），當(dāng)裂隙未貫通時(shí)，取貫通段和未貫通段粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值按長(zhǎng)度加權(quán)和加權(quán)平均值，未貫通段粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值取巖石粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值的0.4倍;φ為后緣裂隙內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值（°），當(dāng)裂隙未貫通時(shí)，取貫通段和未貫通段內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值按長(zhǎng)度加權(quán)和加權(quán)平均值，未貫通段內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值取巖石內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值的0.95倍;θ為滑面傾角（°）;W為危巖體自重（kN/m）。

危巖W1、W2外傾裂隙少量黏土充填，為軟弱結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面天然黏聚力取30 kPa，天然內(nèi)摩擦角取17°;飽和黏聚力取25 kPa，飽和內(nèi)摩擦角取15°;砂巖巖體天然重度取24.6 kN/m3，砂巖巖體飽和重度取24.8 kN/m3。

對(duì)于滑移式危巖，當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)F <1.0時(shí)危巖處于不穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)1.0≤F<1.15時(shí)危巖處于不穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)1.15≤F<1.4時(shí)危巖處于不穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)F≥1.4時(shí)危巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)。危巖W1、W2的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)見表2。

計(jì)算結(jié)果表明：在天然工況下，W1處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，不穩(wěn)定W2處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在暴雨工況下，W1處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，W2處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 危巖運(yùn)動(dòng)特征分析

邊坡坡面法相恢復(fù)系數(shù)取0.3，切向恢復(fù)系數(shù)取0.6，摩擦角取30°，危巖W1、W2失穩(wěn)下落后的運(yùn)動(dòng)軌跡見圖5（a），危巖下落后在邊坡上運(yùn)動(dòng)時(shí)的彈跳高度分布曲線見圖5（b）、運(yùn)動(dòng)能量分布曲線見圖5（c）。

Rockfall模擬結(jié)果表明：危巖失穩(wěn)下落后的運(yùn)動(dòng)方式主要是滑動(dòng)和彈跳，危巖運(yùn)動(dòng)停止在坡腳的概率為86%，且集中在距離坡腳1.2～2 m位置處，危巖下落運(yùn)動(dòng)過程中的彈跳高度最大值為2.97 m，最大動(dòng)能為15 054.51 kJ。坡腳為男生宿舍，危巖下落后將會(huì)威脅到學(xué)校師生的生命安全。

5 結(jié)論

（1）邊坡坡面臨空區(qū)的巖體發(fā)生剪應(yīng)力集中，巖體處于潛在失穩(wěn)破狀態(tài)，存在剪切破壞的可能，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，剪應(yīng)力集中區(qū)為危巖發(fā)育區(qū)域。

（2）在天然工況下，危巖W1、W2處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在暴雨工況下，W1處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，W2處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在暴雨工況下，隨著遇水的下滲和坡面流水的沖刷作用，使得危巖與母巖的摩擦力降低，從而導(dǎo)致危巖的穩(wěn)定性降低而發(fā)生失穩(wěn)下落。

（3）危巖失穩(wěn)下落后在邊坡的運(yùn)動(dòng)方式為滑動(dòng)和彈跳，且能夠運(yùn)動(dòng)達(dá)到坡腳，運(yùn)動(dòng)過程中的彈跳高度最大值為2.97 m，最大動(dòng)能為15 054.51 kJ。

（4）巖體受裂隙切割，坡面巖體較破碎，建議清除松動(dòng)危巖體，同時(shí)對(duì)邊坡采用肋柱錨桿和主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的治理措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡厚田. 崩塌與落石[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，1989： 78-105.

[2] 何建平， 于遠(yuǎn)忠. 川中危巖崩塌穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)[J]. 四川建筑科學(xué)研究.2007，33（5）： 69-72.

[3] Yoichi Okura， Hikaru Kitahara， Toshiaki Sammori， etc. The effeets of rockfall volume on runout distance [J]. Engineering Geology.2000（58）：109-24.

[4] Joachim Schweigl， Carlo Ferretti， Ludwig Nosing. Geotechnical characterization and rockfall simulation of a slope： a practical case study from South Tyrol （Ttaly）[J]. Engineering Geology.2003（67）：281-29.

[5] 楊智翔， 裴向軍， 袁進(jìn)科. 高陡邊坡危巖體孤石的穩(wěn)定性分析[J]. 路基工程.2017，23（9）： 25-29.

[6] 重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì). 地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范： DB50/5029[S]. 2004.

[7] 唐紅梅， 易朋瑩. 危巖落石運(yùn)動(dòng)路徑研究[J]. 重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào).2003（1）： 17-23.

[8] 蔡凍， 陳東， 吳松山， 蔣楠. 變電站邊坡穩(wěn)定性分析及治理技術(shù)[J]. 四川建筑科學(xué)研究.2015，41（3）： 70-72.

[9] 亞南， 王蘭生， 趙其華， 徐進(jìn). 崩塌落石運(yùn)動(dòng)學(xué)的模擬研究[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù).1996. （2）：25-32.

[10] 韋啟珍與雷秀麗， 崩塌落石運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)值模擬[J].中國(guó)水運(yùn).2008，8（3）： 165-166.

[11] 周文超， 肖財(cái)和. 基于ROCKFALL軟件計(jì)算落石軌跡的分析[J]. 建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì).2016（3）： 1985-1986.