環(huán)境邊坡危巖體穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)研究

劉沖平，王吉亮，黃孝泉，白 偉

(長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司(武漢)，湖北 武漢 430074)

0 引 言

西南地區(qū)河谷深切狹窄、自然邊坡高陡、卸荷作用強(qiáng)烈、地質(zhì)條件復(fù)雜，可能存在環(huán)境邊坡危巖體高位失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，危害工程與人員安全。在危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，因高陡邊坡存在“靠不近、看不清”的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)難以確定，定量評(píng)價(jià)較為困難，更難以快速定性評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性。陳愛(ài)云等[1]基于三維激光掃描技術(shù)，研究了危巖體特征快速識(shí)別方法及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；廖斌等[2]基于無(wú)人機(jī)技術(shù)，研究了高陡邊坡危巖體參數(shù)獲取及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；高相波等[3]基于逆向工程建模方法，對(duì)危巖體穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；諶玉萍[4]以重慶萬(wàn)州首立山滑塌式危巖體為例，對(duì)該滑塌式危巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；黃道剛等[5]分析了高陡巖質(zhì)邊坡局部危巖體穩(wěn)定性；楊智翔等[6]分析了高陡邊坡危巖體孤石的穩(wěn)定性。雖然滑移型危巖體穩(wěn)定性定量計(jì)算方法較成熟，但是傾倒型、墜落型危巖體穩(wěn)定性定量計(jì)算方法尚不成熟，仍需進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。

本文對(duì)金沙江烏東德水電站、旭龍水電站等[7-8]高山峽谷壩址區(qū)環(huán)境邊坡大量危巖體穩(wěn)定性的定性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)比了定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)結(jié)果，提出了環(huán)境邊坡危巖體穩(wěn)定性的定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可供同類(lèi)工程借鑒。

1 危巖體分類(lèi)

危巖體是指環(huán)境邊坡上結(jié)構(gòu)面切割組合形成的可能失穩(wěn)的巖體[9]。根據(jù)力學(xué)機(jī)制與失穩(wěn)模式，環(huán)境邊坡危巖體按破壞模式分為滑移型、傾倒型、墜落型3種類(lèi)型，如圖1～3所示?；菩臀r體沿底滑面發(fā)生剪切破壞，根據(jù)底滑面形態(tài)分為單滑面、雙滑面(楔形體)、基本貫通長(zhǎng)大滑面3個(gè)亞類(lèi)；傾倒型危巖體沿后緣近直立結(jié)構(gòu)面發(fā)生傾倒破壞，根據(jù)形態(tài)分為底面部分懸空型、薄板型(高厚比大)2個(gè)亞類(lèi)；墜落型危巖體凸出于陡崖或峻坡，底面完全懸空，沿后緣近直立結(jié)構(gòu)面發(fā)生拉裂破壞而自由墜落。

圖1 滑移型危巖體示意Fig.1 Schematic diagram of sliding dangerous-rock

注：(a)～(b)屬于傾倒型危巖體，h為高度，d為厚度；(c)屬于墜落型危巖體。圖2 傾倒型、墜落型危巖體示意Fig.2 Schematic diagram of toppling and falling dangerous-rock

圖3 危巖體典型實(shí)例Fig.3 Typical cases of dangerous-rock

不同破壞模式危巖體因破壞力學(xué)機(jī)制差異，穩(wěn)定性分析所采用的定性或定量評(píng)價(jià)方法不同。危巖體穩(wěn)定性的定性分級(jí)包括穩(wěn)定性差、較差、基本穩(wěn)定、穩(wěn)定4個(gè)級(jí)別[10]。

2 定性評(píng)價(jià)

2.1 滑移型危巖體

滑移型危巖體沿底滑面發(fā)生剪切破壞，其根據(jù)底滑面形態(tài)分為單滑面、雙滑面(楔形體)、基本貫通長(zhǎng)大滑面3個(gè)亞類(lèi)。① 單滑面：主要發(fā)生在傾坡外結(jié)構(gòu)面控制的巖體中，破壞方式為沿外傾結(jié)構(gòu)面發(fā)生單面滑移。② 雙滑面(楔形體)：受兩組與坡面斜交且交棱線傾向坡外(傾角小于坡角)的結(jié)構(gòu)面控制，破壞方式為沿兩條底滑面組合的交棱線向臨空方向滑移。③ 基本貫通長(zhǎng)大滑面：雖未完全貫通但基本貫通或大部分貫通、傾向坡外的長(zhǎng)大結(jié)構(gòu)面，因危巖體方量巨大，下滑力大，其還可能剪斷殘留巖橋發(fā)生滑移破壞。

滑移型危巖體穩(wěn)定性主要取決于以下3個(gè)方面因素，其定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 滑移型危巖體穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Qualitative evaluation criteria for stability of sliding dangerous-rock

(1) 滑面幾何特征(產(chǎn)狀和連通性等)。滑面的陡緩對(duì)滑移型危巖體穩(wěn)定性起控制作用。單滑面或雙滑面的交棱線傾向坡外，傾角小于邊坡坡角，傾角越陡，危巖體穩(wěn)定性越差；基本貫通長(zhǎng)大滑面形成的大方量危巖體的滑面連通性越好，穩(wěn)定性越差。

(2) 滑面性狀(張開(kāi)度、充填物、粗糙起伏程度等)。軟弱結(jié)構(gòu)面滑面抗剪斷強(qiáng)度越小、危巖體穩(wěn)定性越差、滑面充填物泥質(zhì)含量越高、抗剪斷強(qiáng)度(內(nèi)摩擦角φ)越小，危巖體穩(wěn)定性越差；滑面張開(kāi)度越大、抗剪斷強(qiáng)度(黏聚力c)越小，危巖體穩(wěn)定性越差；滑面為張開(kāi)結(jié)構(gòu)面比閉合結(jié)構(gòu)面所形成的危巖體穩(wěn)定性差。此外，危巖體的重量與滑面面積比越大，內(nèi)摩擦角φ對(duì)危巖體穩(wěn)定性越敏感；危巖體的重量與滑面面積比越小，黏聚力c對(duì)危巖體穩(wěn)定性越敏感。

(3) 結(jié)構(gòu)面卸荷松弛張開(kāi)特征。邊坡卸荷松弛越強(qiáng)烈，巖體松弛程度越高，結(jié)構(gòu)面張開(kāi)越多，張開(kāi)寬度越大，這是因?yàn)椋孩?滑面卸荷松弛張開(kāi)寬度越大，地表水進(jìn)入滑面軟化充填物，滑面抗剪斷強(qiáng)度越小，危巖體穩(wěn)定性越差；② 后緣結(jié)構(gòu)面卸荷松弛張開(kāi)寬度越大，地表水充于后緣結(jié)構(gòu)面形成的靜水壓力越大，危巖體穩(wěn)定性越差。

此外，特殊的地形特征也會(huì)影響危巖體穩(wěn)定性，如危巖體凸出于陡崖，側(cè)面或頂面不受約束，危巖體穩(wěn)定性差；危巖體頂面或側(cè)面存在匯集水流溝槽，或位于陡緩相間部位，則地表水易進(jìn)入結(jié)構(gòu)面，降低危巖體穩(wěn)定性。

2.2 傾倒型危巖體

傾倒型危巖體沿后緣近直立結(jié)構(gòu)面發(fā)生傾倒破壞，其根據(jù)形態(tài)分為底面部分懸空型、薄板型(高厚比大)2個(gè)亞類(lèi)。傾倒型危巖體穩(wěn)定性主要取決于以下3個(gè)方面因素，其定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 傾倒型危巖體穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Qualitative evaluation criteria for stability of toppling dangerous-rock

(1) 底面懸空程度。危巖體底面懸空程度越大，重心越往外移動(dòng)，越可能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)傾倒破壞。危巖體懸空超過(guò)一半(危巖體重心位于懸空點(diǎn)外側(cè))則可能發(fā)生傾倒破壞；危巖體懸空小于一半(危巖體重心位于懸空點(diǎn)內(nèi)側(cè))，只有高厚比很大(薄板狀)的情況下才可能發(fā)生傾倒破壞。

(2) 后緣結(jié)構(gòu)面特征(張開(kāi)度、連通性)。后緣結(jié)構(gòu)面貫通性越好(后緣結(jié)構(gòu)面巖橋比例越小)，巖體拉力越小，越易傾倒破壞，即危巖體穩(wěn)定性越差；后緣結(jié)構(gòu)面張開(kāi)比例越大或張開(kāi)寬度越大，地表水充于后緣結(jié)構(gòu)面形成的靜水壓力越大，危巖體穩(wěn)定性越差。

(3) 危巖體高厚比。對(duì)于薄板狀傾倒型危巖體，只有高厚比很大的情況下才可能發(fā)生傾倒破壞。高厚比越大，在靜水壓力或水平地震力作用下傾倒的可能性越大，即危巖體穩(wěn)定性越差。

2.3 墜落型危巖體

墜落型危巖體凸出于陡崖或峻坡，底面完全懸空，后緣結(jié)構(gòu)面近直立，沿后緣結(jié)構(gòu)面發(fā)生拉裂破壞而自由墜落。墜落型危巖體穩(wěn)定性主要取決于以下3個(gè)方面因素，其定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 墜落型危巖體穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Qualitative evaluation criteria for stability of falling dangerous-rock

(1) 凸出程度。危巖體凸出程度(后緣結(jié)構(gòu)面水平深度)越大，危巖體越可能在重力作用下發(fā)生拉裂破壞，即危巖體穩(wěn)定性越差。

(2) 后緣結(jié)構(gòu)面特征(連通性、張開(kāi)度)。后緣結(jié)構(gòu)面貫通性越好，即后緣結(jié)構(gòu)面巖橋比例越小，后緣結(jié)構(gòu)面高度越大，危巖體穩(wěn)定性越差；后緣結(jié)構(gòu)面張開(kāi)比例越大或張開(kāi)寬度越大，地表水充于后緣結(jié)構(gòu)面形成的靜水壓力越大，危巖體穩(wěn)定性越差。

(3) 堅(jiān)硬程度及完整性。墜落型危巖體多發(fā)育于上硬下軟巖體或硬巖內(nèi)，單一軟巖很難形成陡崖或峻坡而發(fā)育墜落型危巖體。下部巖石越軟弱、完整性越差，抗拉強(qiáng)度越小，危巖體穩(wěn)定性越差。

3 半定量評(píng)價(jià)

根據(jù)大量危巖體特征與穩(wěn)定性關(guān)系研究成果，提出了危巖體穩(wěn)定性半定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法，即通過(guò)對(duì)塊體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、松弛張開(kāi)特征、底部臨空情況、附近變形破壞跡象等要素進(jìn)行分項(xiàng)按權(quán)重賦分，將各項(xiàng)賦分相加后求得總分，再按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行半定量評(píng)價(jià)，具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 危巖體穩(wěn)定性半定量評(píng)價(jià)賦分標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Semi qualitative macro evaluation criteria for stability of dangerous-rock

4 定性與定量評(píng)價(jià)關(guān)系

危巖體穩(wěn)定性的定性評(píng)價(jià)結(jié)果可與規(guī)范中穩(wěn)定系數(shù)或安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)(表5)。通過(guò)對(duì)照定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)，可反算結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)，解決因環(huán)境邊坡高陡難以靠近[11]而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)難以確定的難題。根據(jù)需要達(dá)到的安全系數(shù)，可計(jì)算危巖體所需錨固力，從而設(shè)計(jì)錨固措施。

表5 危巖體穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.5 Correspondence of qualitative and quantitative evaluation for stability of dangerous-rock

5 結(jié) 論

本文建立了環(huán)境邊坡危巖體穩(wěn)定性的定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得出如下結(jié)論。

(1) 危巖體按破壞模式分為滑移型、傾倒型、墜落型危巖體?；菩臀r體的穩(wěn)定性通過(guò)滑面幾何特征、滑面性狀、結(jié)構(gòu)面卸荷松弛張開(kāi)特征確定；傾倒型危巖體的穩(wěn)定性通過(guò)底面懸空程度、后緣結(jié)構(gòu)面特征、高厚比確定；墜落型危巖體的穩(wěn)定性通過(guò)其凸出程度、后緣結(jié)構(gòu)面特征、堅(jiān)硬程度及完整性確定。

(2) 提出了危巖體穩(wěn)定性的半定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法，即通過(guò)對(duì)塊體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、松弛張開(kāi)特征、底部臨空情況、附近變形破壞跡象等要素分項(xiàng)按權(quán)重賦分，各項(xiàng)賦分相加后求得總分，按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行半定量評(píng)價(jià)。

(3) 將穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)與穩(wěn)定系數(shù)對(duì)應(yīng)，可反算結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)，并確定危巖體所需錨固力。