新疆庫爾勒鐵門關崩塌危巖體穩(wěn)定性研究

馬立龍

（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)大隊，新疆 庫爾勒 841000）

崩塌是一種多發(fā)于山區(qū)的地質(zhì)災害，具點多面廣、快速突然和隨機分布特點。在地質(zhì)作用及外界作用綜合影響下，崩塌運動方式包括一塊或多塊巖石離開原來位置，隨后以墜落、滑動、滾動、彈跳等方式中的一種或多種運動形式組合[1-2]。新疆地區(qū)崩塌地質(zhì)災害較普遍，前人進行了大量研究工作，主要集中在崩塌地質(zhì)災害發(fā)育特征及成因機制研究、崩塌穩(wěn)定性分析、崩塌運動學特征研究及崩塌災害危險性評估等方面[3-15]。新疆庫爾勒鐵門關景區(qū)為國家“AAA”級風景旅游區(qū)，在旅游旺季時，景區(qū)道路車流量可達2～4 輛/分鐘，人流量10～20 人/分鐘。景區(qū)道路位于霍拉山低中山孔雀河峽谷中，兩側山坡陡峭，巖體結構面發(fā)育，易發(fā)生崩塌落石地質(zhì)災害，威脅來往車輛和行人生命財產(chǎn)安全。因此，亟需對新疆庫爾勒鐵門關崩塌危巖體進行穩(wěn)定性分析。

1 工程概況

1.1 地理位置

研究區(qū)位于新疆庫爾勒市天山街道雙擁社區(qū)鐵門關生活片區(qū)北側，鐵門關景區(qū)公主墓西側區(qū)域，中心地理坐標東經(jīng)86°11′28.83″，北緯41°49′6.44″。研究區(qū)距庫爾勒市區(qū)約9 km，有柏油道路相連接，交通十分便利。

1.2 氣象水文

研究區(qū)屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，冷熱差異懸殊，溫度的年、月變化大，最熱月與最冷月平均氣溫差約36 ℃，日氣溫變化差平均17 ℃～18 ℃。區(qū)內(nèi)年平均降水量61.26 mm，年平均蒸發(fā)量1674.56 mm。研究區(qū)西部為孔雀河，發(fā)源于博斯騰湖，流經(jīng)焉耆盆地西南，由東向西南經(jīng)鐵門關峽谷，全長785 km，年平均徑流量11.8724×108m3。

1.3 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)地處霍拉山低中山區(qū)，微地貌為孔雀河下切沖蝕霍拉山形成的峽谷地貌，地貌類型分為兩類，分別為構造侵蝕低中山地貌和侵蝕峽谷地貌。區(qū)內(nèi)地層主要為上元古界震旦系和第四系。震旦系巖性主要由鉀長角閃巖、斜長角閃巖、混合花崗巖組成，中厚-厚層狀，巖體破碎，風化強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，產(chǎn)狀210°～280°∠60°～65°；第四系主要為沖洪積物和殘坡積+崩積物。研究區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水和第四系孔隙潛水。據(jù)以往水文資料，研究區(qū)地下水埋深3.4～3.6 m，主要為孔雀河水側向補給。巖體為堅硬塊狀花崗巖為主的中-酸性侵入巖巖組，土體為沖洪積卵礫石單層土體和殘坡積、崩積角礫土。

區(qū)域地質(zhì)構造及新構造運動控制著研究區(qū)地貌形態(tài)，尤其是褶皺擠壓巖層，導致巖體破碎，巖體整體穩(wěn)定差。據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），確定研究區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。據(jù)區(qū)域地殼穩(wěn)定性分區(qū)和判別指標一覽表，將研究區(qū)劃分為區(qū)域地殼次不穩(wěn)定區(qū)。

2 崩塌類型及發(fā)育特征

研究區(qū)發(fā)育崩塌地質(zhì)災害，由北向南依次圈定3處崩塌危巖帶：WYD1、WYD2和WYD3，共有18處危巖體（圖1）。

圖1 研究區(qū)崩塌危巖體分布圖Fig.1 Distribution Map of Dangerous Rock Mass in the Study Area

2.1 地形地貌特征

YB2 崩塌體位于勘查區(qū)北部山脊線一帶，YB1上部，崩塌體海拔1069～1116 m，坡腳社區(qū)道路海拔1003 m，按相對崖底高度劃分為高位-特高位危巖。YB2崩塌體斜坡為自然形成，崩塌體坡度為50°～60°，坡向215°～231°，坡面基巖裸露，無植被發(fā)育。

2.2 危巖體特征

YB2 崩塌體主要為中等變質(zhì)角閃巖、混合花崗巖，巖層產(chǎn)狀215°∠80°，為一順向坡，表層巖體強-中等風化，巖體破碎，裂隙延伸1.2 m。易風化破碎帶被侵蝕剝離，危巖表面形態(tài)呈突出狀、懸空狀，在雨水沖刷、地震和人類工程活動影響下可誘發(fā)基巖淺部碎石崩塌墜落，形成墜落式崩塌。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，從崩塌形成臨空面看，崩塌總面積1265 m2，崩塌源體積約1518 m3，崩塌規(guī)模為中型。YB2崩塌類型為高位-特高位、巖質(zhì)、墜落式、中型崩塌。

崩塌體為層狀結構，中等風化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，走向以NW 向為主，北向次之。巖體較破碎，發(fā)育較多朝向坡外的楔形體。據(jù)裂隙發(fā)育密度和現(xiàn)場調(diào)查，單塊崩塌體體積一般0.1～1.0 m3。

2.3 受威脅對象

受威脅對象主要為坡腳處社區(qū)道路（柏油路）50 m，路邊引水渠50 m，鐵絲圍欄50 m，路邊林帶樹木10棵，跨河人行小橋一座（圖2）。

圖2 研究區(qū)崩塌危巖體現(xiàn)場調(diào)查照片F(xiàn)ig.2 Site Investigation Photos of Dangerous Rock Mass in the Study Area

3 崩塌危巖體穩(wěn)定性分析

3.1 崩塌危巖體穩(wěn)定性定性分析

據(jù)崩塌危巖體節(jié)理裂隙發(fā)育情況，采用極射赤平投影按結構面和臨空面進行三維空間組合定性分析危巖體穩(wěn)定性。YB2崩塌危巖體典型結構面組合極射赤平投影圖及不穩(wěn)定結構面組合見表1。YB2崩塌危巖體存在1 組結構面形成的不穩(wěn)定楔形體，判定為不穩(wěn)定。

表1 Y B 2崩塌危巖體典型結構面極射赤平投影及不穩(wěn)定結構面組合評價表T able1 EvaluationT ableforT ypicalStructuralPlane StereographicProjectionandU nstableStructuralPlane C ombinationofY B 2D angerousR ockB ody

3.2 崩塌危巖體二維極限平衡穩(wěn)定性分析

研究區(qū)崩塌危巖體按自重、自重+暴雨及自重+暴雨+地震3種工況進行穩(wěn)定性定量評價：①工況Ⅰ：自重工況，僅考慮危巖體自重，裂隙水作用。巖體參數(shù)全部取天然狀態(tài)時參數(shù)；②工況Ⅱ：自重+暴雨工況，考慮危巖體處于全飽水狀態(tài)，后緣裂隙充水。巖體參數(shù)全部取飽和狀態(tài)時參數(shù)；③工況Ⅲ：自重+暴雨+地震工況，考慮危巖體處于全飽水狀況，受地震外荷載影響。其他巖體參數(shù)選取原則與工況Ⅱ完全相同。

按上述工況，對不同崩塌類型進行危巖體穩(wěn)定性計算。據(jù)《崩塌防治工程勘查規(guī)范》（試行）（T/CAGHP011-2018）中危巖體穩(wěn)定程度等級劃分標準，YB2 崩塌危巖體工況下穩(wěn)定性定量計算結果見表2。

表2 Y B 2崩塌危巖體穩(wěn)定性定量計算結果表T able2 Q uantitativeC alculationStabilityC oefficient ofY B 2D angerousR ockB ody

3.3 崩塌危巖體三維整體穩(wěn)定性分析

在GIS 平臺中進行二次開發(fā)，嵌入無限邊坡分析模塊，假定滑動面深度為5 m，在自重、暴雨及地震工況下，對崩塌危巖區(qū)整體穩(wěn)定性進行評價。圖3～6為崩塌危巖區(qū)在自重、自重+暴雨、自重+地震及自重+暴雨+地震工況下整體穩(wěn)定系數(shù)分布圖。計算結果顯示，自重工況下，區(qū)域穩(wěn)定系數(shù)大于1，處于基本穩(wěn)定與欠穩(wěn)定狀態(tài)。在自重+暴雨工況下，區(qū)域穩(wěn)定系數(shù)顯著下降，部分坡度較陡區(qū)域穩(wěn)定系數(shù)小于1，不穩(wěn)定崩塌危巖體范圍明顯增大，與崩塌危巖體二維極限平衡穩(wěn)定性計算結果基本一致。在自重+地震工況下，區(qū)域穩(wěn)定系數(shù)下降，部分坡度較陡區(qū)域穩(wěn)定系數(shù)小于1；自重+地震工況總體穩(wěn)定系數(shù)介于自重工況和自重+暴雨工況之間；自重+暴雨+地震工況下整體穩(wěn)定性最小。

圖3 崩塌危巖區(qū)整體穩(wěn)定系數(shù)分布圖（自重工況）Fig.3 Distribution Diagram of Overall Stability Coefficient in Dangerous Rock Area(Under Dead Weight Condition)

圖4 整體穩(wěn)定系數(shù)分布圖（自重+暴雨工況）Fig.4 Distribution Diagram of Overall Stability Coefficient in Dangerous Rock Area(Under Dead Weight+rainstorm Condition)

圖5 整體穩(wěn)定系數(shù)分布圖（自重+地震工況）Fig.5 Distribution Diagram of Overall Stability Coefficient in Dangerous Rock Area(Under Dead Weight+earthquake Condition)

降雨對該區(qū)崩塌有很大影響，雨水充填于巖體節(jié)理裂隙中，降低了結構面粘結強度。巖體在重力作用下，沿結構面發(fā)生拉裂、剪斷、錯斷滑動或傾倒，危巖體脫離母巖后形成崩塌災害。地震是誘發(fā)崩塌發(fā)生的最重要因素，可導致構造裂隙發(fā)育、巖體破碎、應力急劇變化等。地震活動提供的地震力，將激發(fā)危巖體進一步活動，降低危巖體結構面強度，同時使基巖產(chǎn)生水平地震力，使陡崖面穩(wěn)定性降低，誘發(fā)較大規(guī)模崩塌。穩(wěn)定系數(shù)較小區(qū)域需作為防治措施重點區(qū)域，為后續(xù)防護與治理措施提供依據(jù)。

4 崩塌危巖體落石軌跡分析

采用現(xiàn)場落石試驗法和Rockfall 模擬法確定崩塌落石運動范圍，圈定崩塌地質(zhì)災害影響范圍。在斜坡危巖體WYD1、WYD2、WYD3頂部進行6組落石試驗，分別為LS1～LS6（表3）。由試驗可知，WYD2上崩塌落石大多從社區(qū)道路上彈跳至孔雀河河道；WYD1 上落石受下方殘坡積層影響，落石多滾動至社區(qū)道路；WYD3 下方殘坡積層相對WYD1 下方殘坡積層較緩且長，WYD3 上崩塌落石受下方殘坡積層減速影響更大，試驗中大部分落石滾落至殘坡積層坡腳，少量滾落至社區(qū)道路。

表3 現(xiàn)場落石試驗數(shù)據(jù)和計算成果一覽表T able3 Listofon-siterockfalltestdataandcalculationresults

對6處崩塌危巖體進行Rockfall 落石數(shù)值模擬，崩塌落石滾落途經(jīng)地層有基巖層（以角閃巖、花崗巖為主的硬質(zhì)巖石）、殘坡積層（角礫）和坡腳處社區(qū)道路（柏油），模擬計算時，取落石質(zhì)量為1000 kg（±500 kg），初始水平速度為2 m/s（±1 m/s），初始向下垂直速度2 m/s（±1 m/s），初始角速度為6 rad/s（±3 m/s）。為滿足模擬過程中隨機概率分布計算，落石數(shù)量設定為50塊，模擬分析時未考慮落石可能摔碎、破裂情況。崩塌落石模擬結果見表4，YB2 崩塌危巖體落石能量及運動軌跡模擬結果見圖6。

表4 R ockfall模擬崩塌落石分析結果一覽表T able4 SummaryofR ockfallSimulationR esults

圖6 整體穩(wěn)定系數(shù)分布圖（自重+暴雨+地震工況）Fig.6 Distribution Diagram of Overall Stability Coefficient in Dangerous Rock Area(Under Dead Weight+rainstorm+earthquake Condition)

由表4、圖7 可知，崩塌落石均滾落或彈跳至社區(qū)道路上，最終停止于孔雀河河道內(nèi)。在WYD1 和WYD3 擬設的被動防治工程處，落石彈跳高度0.9～2.0 m，落石能量55～173 kJ，具被動防治條件。相比WYD1和WYD3，WYD2擬設防治工程處的落石彈跳高度10～14.2 m，落石動能930～1060 kJ，其能量大，彈跳高度高，不具被動防護條件?？紤]到不利狀況，在落石數(shù)值模擬過程中，落石質(zhì)量比落石現(xiàn)場試驗大一個數(shù)量級，初始速度設置也相應較大。因此，落石數(shù)值模擬結果較落石現(xiàn)場試驗結果偏危險。

圖7 RockFall模擬YB2崩塌落石能量及運動軌跡Fig.7 Rockfall energy and motion trajectory of YB2 with RockFall simulationa——崩塌落石擬防治工程軸線處落石能量分布幾率統(tǒng)計圖；b——崩塌落石運動軌跡圖

5 結論

（1）采用野外判別、極射赤平投影分析法和三維建模定量分析方法對崩塌穩(wěn)定性進行綜合評價。在自重工況下崩塌危巖體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；在自重+暴雨工況下為欠穩(wěn)定-不穩(wěn)定狀態(tài)；在自重+暴雨+地震工況下為不穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）通過現(xiàn)場試驗和Rockfall 模擬，落石大多崩落至社區(qū)道路，社區(qū)道路是人類主要活動區(qū)。因此，將社區(qū)道路和危巖體所在斜坡劃分為崩塌災害危險性大區(qū)，為防治工程方案提供理論依據(jù)。