基于RocPro3D的特高位危巖體災變特征及運動規律分析

張玉廣 楊遠翔 彭小勇 張國發 吁 燃

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

危巖體是指斜坡上受多組結構面切割,臨空條件好,在重力、振動等作用下與母巖逐漸脫離,發生傾倒式、滑移式和錯斷式崩塌的巖體。危巖崩塌已然成為我國山區三大地質災害之一[1]。危巖體具有突發性強、預測難度大,以及沖擊破壞性大等特點,對居民、過往人員及車輛、建筑物等生命財產安全造成嚴重威脅[2-3]。

現階段危巖體的研究主要集中在4個方面:危巖形成機制、危巖穩定性計算方法與評價體系、危巖穩定性監測,以及危巖治理設計[4]。周俊等[5]應用激光掃描技術,構建基于現場地形地質條件的三維崩塌模型,通過RocPro3D軟件實現崩塌落石運動過程的數值模擬研究,得出危巖分布及崩落軌跡。Radtke等[6]使用Rockyfor3D研究了森林對崩塌運動的阻礙作用,提出管理森林的方式,以便于對崩塌進行防護。王頌等[7]以青藏鐵路設興村段崩塌為例,采用Rockyfor3D研究了青藏鐵路設興村段崩塌塊石分布及危巖區特征,為青藏鐵路該段的防護提供了理論依據。馬明等[8]運用無人機攝影技術對公路隧道洞口仰坡危巖體進行勘測,分析了高坡隧道洞口仰坡危巖體分布與穩定特征。

崩塌的突然產生是巖體長期蠕變和不穩定因素不斷積累的結果,按危巖體脫離母巖的破壞機理可分為傾倒式、滑移式和錯斷式[9]。四平隧道地處貴州黔北高原地帶,位于桐梓縣婁山關鎮,隧道下穿婁山山脈,危巖體位于隧道出口上方陡崖,陡崖與隧道口間為斜坡地形,自然坡度為20°～40°,坡長80～130 m,分布不同類型的3個危巖帶,隧道洞口頂部有一鄉村路,若危巖體失穩破壞對下部高速公路和鄉村路車輛、行人及隧道洞門威脅較大。為此,擬通過對危巖體分布特征和危巖形態分析,運用Rocpro3D軟件模擬研究區危巖體失穩運動規律,模擬預測危巖體掉落后的運動軌跡,為危巖體的分析評價和治理設計提供基礎數據和理論支撐。

1 危巖體地質條件及特征

1.1 工程地質條件

危巖體地處貴州黔北高原地帶桐梓縣大婁山關鎮,場區屬溶蝕-侵蝕地貌單元,場區無斷層通過,巖層單斜,地震基本烈度為VI度。危巖體分布區以斜坡-陡崖-斜坡地形為主,地形地質條件及危巖分布見圖1。

圖1 地形地質條件及危巖分布

危巖體陡崖區坡度為70°～85°,局部呈直立狀,基巖裸露,地層主要為奧陶系上統五峰組(O3w)灰色泥質灰巖,沉積高程1 227.7～1 302.4 m;下部斜坡地形坡度20°～40°,出露地層主要為奧陶系下統湄潭組(O1m)粉砂質泥巖夾灰巖,沉積高程為1 227.7 m以下。公路內側陡崖多處發生過掉塊及剝墜落現象,在陡崖下方斜坡段零星分布堆積。受結構面和節理裂隙影響,巖體被多方向切割,形成塔柱狀、凹腔、懸掛狀危巖,巖層產狀為23°～45°∠7°～10°。

1.2 危巖體分布及形態特征

危巖體分布于隧道出口端ZK6+200-ZK7+364左389 m-右298 m陡崖一帶,卸荷裂隙發育,巖性為泥質灰巖,巖體受卸荷裂隙切割,危巖大小不一,單塊較大危巖寬3～5 m,高3～22 m,較小危巖尺寸0.1～1 m。根據危巖受裂隙切割程度、母巖嵌接方式,將危巖體分為3個危巖帶(見圖1),危巖帶延伸方向為S-N～SW-NE～S-N。I號危巖帶距隧道出口142.3～180.6 m,相對高差114.5 m,屬特高位危巖,以隧道口中線為坐標原點的輻射方向254°～291°,分布長度143.7 m。W1-1危巖體形態以底部懸空板狀為主,W1-2危巖體則為相對獨立的塔柱狀塊體,后緣與母巖間已完全脫離形成U形槽,W1-3危巖體為分散的臨空塊體;II號危巖帶距隧道左洞出口67～106.9 m,相對高差111.4 m,屬特高位危巖,輻射角度294°～365°,危巖分布長度208.5 m,W2-1危巖體為直立陡崖,危巖體形態以塔柱狀塊體為主,豎向節理裂隙從巖體頂部豎向發育延伸,未完全貫通;III號危巖帶位于隧道出口左側,距隧道出口距離112～241.6 m,相對高差116.6 m,屬特高位危巖,陡崖走向S-N,下緣為高速填方路基填平區,受水平結構面影響,W3-1危巖體形態多以板塊狀帽檐懸掛為主,底部懸空。

場區巖層呈現典型軟～硬～軟巖的層狀結構,呈水平產狀40°～45°∠7°～10°,縱向節理發育,局部巖體較為破碎。受長期風化、雨水侵蝕、地震及地下水作用下,硬巖層受兩典型節理切割,L1:133°～165°∠70～81°,L2:221°∠81°～86°,節理面較平直光滑,豎向延伸發育,與水平層面共同作用將巖體切割為破碎板塊狀,單層板塊狀巖體厚0.15～0.56 m。泥質灰巖層底部基巖為粉砂質泥巖,頂部山體分布多條集雨沖溝,地下水滲流至其底部的粉砂質泥巖隔水層,調查發現長期存在細股狀水流流出,其水文地質情況示意見圖2。

圖2 巖溶裂隙水

2 危巖體失穩模式及穩定性評價

2.1 懸臂拉裂傾倒式

“上硬下軟”或“軟硬相間”的水平層狀巖層在差異風化及地下水作用下,巖腔向內和兩側擴展,I號危巖帶W1-3危巖及II號危巖帶分布的塔柱狀危巖體重心逐漸相對外移,巖體底部臨空側成為力矩轉動點,重力傾覆力矩Gb增大到一定程度后,柱狀危巖體出現以底部轉動點為支點發生整體傾倒式破壞,其計算模型見圖3,隧道的爆破振動或地震作用可能對危巖體產生水平向推力W;塔柱狀危巖體豎向裂隙中充填裂隙水,形成水壓力V的傾覆力矩。

圖3 懸臂拉裂傾倒式危巖體計算模型

危巖底部多為破碎泥質灰巖或風化粉砂質泥巖,微水平結構面間l0范圍的抗傾覆力較小可忽略,該失穩模式下穩定性系數計算方法見式(1)。

(1)

式中:[σt]為危巖體抗拉強度標準值,kPa;G為單位長度危巖體重力,kN;W為單位長度危巖體承受的水平地震力,kN;H為危巖體高度,m;h0為裂隙深度,m;h1為裂隙充水高度,m;β為破裂面傾角,(°);b為重力作用點距轉動點O的水平距離,m;h2為地震力距傾覆點的垂直距離,m;U為孔隙中水壓力,kN。

2.2 錯斷墜落式

I號危巖帶W1-1危巖為“壁掛式危巖體”,III號以懸壁巖板形式凸出,隨著巖板自身重力力矩加大,加之巖體內部損傷面張拉-剪切復合作用,裂縫不斷下切,巖橋部位應力集中加劇,當作用力大于巖體抗拉強度,巖體沿主控斷裂面突然拉剪崩落[10],這與現場危巖的形態較為一致。錯斷墜落式危巖體受力模型示意圖見圖4。

圖4 錯斷墜落式危巖體計算模型

由于孔隙水壓力對危巖的錯斷墜落失穩影響甚小可忽略,穩定性系數計算見式(2)。

(2)

式中:d為地震力距錯斷點的垂直距離,m;其余符號意義同式(1)。

2.3 壓裂傾倒式

I號危巖帶W1-2為獨立塔柱狀危巖體,獨立塔柱狀危巖體一般存在底部滑移、傾倒失穩或壓裂潰屈3種破壞模式,該危巖中-上部巖體較完整,由緩傾結構面將柱體切割為“餅狀”,塊徑呈上小下大,下部餅狀巖體分布壓致裂隙,危巖底部為粉砂質泥巖層。危巖在方位角225°～60°方向為靠山側,與母巖間有U形槽口;在方位角60°～115°方向為緩斜坡平臺,無凹腔懸空;在方位角115°～225°方向底部巖體受風化作用,內側呈微凹曲形狀。上部巖體自重荷載全部作用在塔柱狀巖體底部,導致下部巖體壓張裂縫增多且有由下至上延展趨勢,底部板狀巖塊被壓裂后塊徑較小,弱化后抗壓強度降低,最有可能發生壓裂后沿方位角115°～225°方向的傾倒破壞。壓裂傾倒式危巖體受力模型與懸臂拉裂傾倒式一致,穩定性計算參照式(1)。

2.4 綜合穩定性分析評價

2.4.1I號危巖帶

W1-1危巖體高度約2.8 m、寬度2.4 m、厚度1～1.8 m,受2組節理裂隙和層面切割,底部懸空無巖體支撐,板狀層疊形式內嵌,上部部分巖體受L1豎向裂隙深切,已基本脫離母體,天然工況下危巖體整體基本穩定,在地震工況時,危巖體處于欠穩定狀態,隨著底部凹腔深入,W1-1危巖體將發生局部傾倒崩塌或塊石墜落。W1-2獨立塔柱式危巖體寬1.5～3 m、高14 m、厚3.76 m,體積約121 m3,目前天然工況或地震工況下危巖體整體基本穩定,隨著危巖底部巖體壓裂風化,若方位角115°～225°方向底部巖體內側微凹腔繼續發展,將發生整體傾倒破壞,傾倒過程中危巖沿層面分塊墜落、滾動、彈跳,碎裂成不同大小塊石,壓裂傾倒式危巖體示意見圖5。如圖5所示,W1-3危巖高2.2 m、寬2.5 m、厚0.5～1.2 m,呈三角形板狀,受2組裂隙和層面切割,巖體呈層狀碎裂結構,臨空面為陡崖,底部懸空,內壁懸掛于母巖上,天然工況下該危巖體整體基本穩定,但在暴雨或地震工況下,危巖體處于欠穩定狀態,易形成局部塊石墜落。

圖5 壓裂傾倒式危巖體示意圖

2.4.2II號危巖帶

危巖體臨空面為陡崖,以高8～21 m、厚3～6.6 m、長2.5～3.5 m的塔柱狀塊體為主,受2組豎向節理裂隙影響,裂隙從巖體頂部豎向發育延伸,但未完全貫通,節理L1:225°∠83°,L2:165°∠81°。受風化作用、地下水侵蝕和巖層結構面影響,場區柱狀巖體底部多為塊、板狀墜落,形成深0.5～1.5m凹腔,局部柱狀巖體底板懸空,在暴雨和天然工況下該危巖體整體基本穩定,地震工況下,危巖體處于欠穩定狀態進而形成繞底部傾覆點的傾倒破壞。

2.4.3III號危巖帶

危巖體高0.5 m、長2.2 m、厚3 m,豎向節理裂隙不發育,受風化作用、地下水侵蝕和緩傾巖層結構面影響,底部凹腔往內側和兩側延伸,底部懸空的板狀巖體下墜力矩加大,在自然工況下該危巖體呈基本穩定,在地震工況下,危巖體處于欠穩定狀態。

3 危巖運動分析及攔擋設計

3.1 模型構建

通過精準航測1∶2000地形圖,獲取區域初始地形點位、坐標、高程數據,采用RocPro3D建立三維地質模型立體圖見圖6。

圖6 三維地質模型立體圖

RocPro3D是一款模擬危巖崩塌運動學規律及進行攔擋工程設計效用研究的三維巖崩模擬軟件,使用概率統計方法反映塊體形狀、巖土體特效和不同地形等對塊體運動軌跡的影響,得出巖塊運動過程中的能量、速度和彈跳高度等。

3.2 計算參數確定

巖土體表面參數可分為4個區域取值,運用RocPro3D軟件進行數值模擬,危巖體特征參數包括危巖體形狀,危巖體直徑及危巖體密度,見表1,根據現場堆積的巖崩塊體特征,確定危巖體形狀為球形,直徑約為1.5 m。巖土體表面特征參數包括回彈參數、滾動參數和轉換參數,參照T/CAGHP 011-2018 《崩塌防治工程勘察規范》對坡面模型賦參,主要參數見表2。

表1 危巖體特征參數

表2 巖土體表面特征參數

3.3 危巖崩塌運動分析

通過對I、II、III號危巖帶可能崩塌的落石進行模擬,設置每個危巖帶掉落的塊石數量為1 000塊,得到各危巖體崩塌后落石堆積空間分布位置,落石軌跡空間分布見圖7。

圖7 落石軌跡空間分布

以塊石直徑1.5 m計算,結合各危巖帶典型落石軌跡與彈跳高度、運動速度、沖擊能量關系曲線分析,1號危巖帶典型塊石在崩塌后,經初期碰撞后彈跳高度達11.3 m,能量在下一次碰撞前達到峰值的2 056 kJ,速度為29.1 m/s,根據現場地形地物條件及軌跡運動分析,可在距危巖落石點約100 m位置設置攔擋,落石在該位置左側碰撞后,彈跳高度僅1.3 m,剩余能量約1 580 kJ,速度約20.4 m/s,其落石軌跡與彈跳高度、運動速度、沖擊能量關系曲線見圖8a)。

2號危巖帶典型塊石崩塌后,在沿坡面直接下落過程中塊石沖擊能量激增,在陡坡段以豎向力和垂向沖擊能為主,落石在該段坡面最大彈跳高度較低,約為3.9 m,接近陡坡坡腳位置能量和速度達到最大值,沖擊能2 490 kJ,速度32.4 m/s,可在距危巖落石點約45 m位置設置攔擋,落石在該位置左側碰撞后,彈跳高0.9 m,剩余沖擊能量1 180 kJ,速度14.8 m/s,其落石軌跡與彈跳高度、運動速度、沖擊能量關系曲線見圖8b)。

3號危巖塊石直接下落過程中沖擊能量陡增,在陡坡坡面多次碰撞彈跳后,在距塊石崩塌點110 m位置沖擊能達到峰值2 710 kJ,速度32 m/s,最大彈跳高度位于81 m,高度9 m,可在距危巖落石點66 m位置設置攔擋,落石在該位置左側碰撞后,彈跳高度1.3 m,剩余沖擊能1 280 kJ,速度20.2 m/s,其落石軌跡與彈跳高度、運動速度、沖擊能量關系曲線見圖8c)。

圖8 各危巖帶典型落石軌跡與彈跳高度、運動速度、沖擊能量關系曲線

4 結論

根據山區陡崖危巖分布及形態特征差異,針對某高速隧道上緣不同危巖體建立力學模型,并利用RocPro3D模擬該處危巖崩塌運動規律,得出以下結論。

1) 隧道上緣共分布3個危巖帶,發育危巖體主要以懸臂拉裂傾倒式、錯斷墜落式及壓裂傾倒式3種失穩模式發生崩塌破壞。

2) I號危巖帶發育3處典型危巖體,其中W1-2為獨立塔柱狀危巖,隨著危巖底部巖體壓裂風化,W1-2號危巖將以特有的壓裂傾倒失穩模式發生沿方位角115°～225°方向整體傾倒破壞;II號危巖帶主要發育柱狀危巖,隨著巖腔向內和兩側擴展,柱狀危巖體將以底部轉動點為支點發生整體傾倒式破壞;III號危巖帶豎向節理裂隙不發育,主要以懸壁巖板形式凸出形成欠穩定危巖體,以錯斷墜落失穩模式崩塌破壞。

3) 結合RocPro3D模擬中各危巖帶典型落石軌跡與彈跳高度、運動速度、沖擊能量關系曲線分析,統計得出各危巖帶下緣合理的攔擋措施位置及攔擋高度,對于設計、施工具有很好的參考價值。根據多條曲線分析,該處危巖攔擋設置尤為復雜,建議在I號危巖帶落石點下緣約100 m、II號危巖帶落石點下緣約45 m及III號危巖帶落石點下緣約66 m處設置攔擋。