張麗娜

（山西省公路局 晉中分局，山西 晉中 030600）

0 引言

陡崖或邊坡上的巖體受到多組結(jié)構(gòu)面的切割，在重力作用下沿臨空方向會逐漸與母巖脫離，處于不穩(wěn)定狀態(tài)的巖體稱為危巖體。危巖常常會在經(jīng)歷剝落、回彈、跳躍、滾動、碰撞后產(chǎn)生崩塌落石危害，最終掉落石塊會在坡腳堆積。李必良等以“5.12”汶川地震誘發(fā)滾石為研究對象，以實(shí)驗(yàn)為主的經(jīng)驗(yàn)方法系統(tǒng)研究了滾石運(yùn)動軌跡[1]；沈均等通過建立滾石動力學(xué)模型，得出了滾動沖擊力等動力學(xué)參數(shù)[2]；畢鈺璋對滾石防護(hù)棚洞等滾石防護(hù)措施進(jìn)行了系統(tǒng)研究[3]。但是這些研究只是基于理論模型研究，對工程中要求的滾石力學(xué)參數(shù)、運(yùn)動軌跡及落石能量等沒有涉及，工程設(shè)計(jì)實(shí)踐指導(dǎo)性不強(qiáng)。

晉濟(jì)高速公路兩側(cè)高陡邊坡主要巖性為較堅(jiān)硬的灰?guī)r，設(shè)計(jì)邊坡較陡，存在較多的危巖和崩塌落石路段，具有帶狀面積大、清理難度大、難于全面進(jìn)行處治、成為危害公路安全運(yùn)營的重大隱患。在查明晉濟(jì)高速公路K1071+250—K1071+450段高邊坡危巖體發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，采用RocFall軟件對典型斷面的危巖體進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，通過計(jì)算得到邊坡潛在的落石墜落軌跡、落石的彈跳高度、落石的能量，對危巖的崩塌落石運(yùn)動學(xué)特征進(jìn)行了研究，為治理設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 基本概況

晉濟(jì)高速公路K1071+250—K1071+450段高邊坡沿坡體走向長約180.0 m，高11.0～69.0 m，面積5 600 m2，巖壁傾向79°，平均坡角73°，局部坡面陡立，節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化較嚴(yán)重。高邊坡坡腳為一斜坡，平均坡度約45°，植被覆蓋率達(dá)90%以上，主要為草灌木。斜坡之下為路塹邊坡，路基開挖放坡形成，坡面已采取素噴混凝土+主動防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行治理，坡體穩(wěn)定性較好。高陡巖坡全貌見圖1。

圖1 高陡巖坡全貌圖

經(jīng)調(diào)查，該高陡巖坡2016年7月已發(fā)生過落石災(zāi)害，砸損排水邊溝，行車道、超車道路面砸出坑槽。落石尺寸較小，直徑小于30 cm，主要來自于上部高陡坡面?，F(xiàn)狀：上部陡壁巖體裸露，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體風(fēng)化破碎較為嚴(yán)重，局部風(fēng)化為碎塊狀，若巖體進(jìn)一步風(fēng)化，或在有強(qiáng)風(fēng)、降雨及地震等不利因素影響時，有可能再次發(fā)生落石災(zāi)害，對晉濟(jì)高速公路的正常安全運(yùn)行形成威脅。由于坡面全面風(fēng)化破碎，成片存在，所以把這一區(qū)域整體劃分為一個危巖帶（編號為WYD1），危巖方量總計(jì)約5 360 m3。

2 坡體結(jié)構(gòu)分析

該段高邊坡危巖帶坡體物質(zhì)組成主要為奧陶系上馬家溝組二段灰?guī)r（O2S2），灰白色、淺褐紅色，微晶結(jié)構(gòu)，中厚-厚層狀，屬堅(jiān)硬巖，風(fēng)化裂隙、卸荷裂隙較發(fā)育，中等風(fēng)化-微風(fēng)化，中等風(fēng)化帶厚度約2.0～3.0 m。灰?guī)r產(chǎn)狀水平狀，3組結(jié)構(gòu)面在巖體中發(fā)育，分別是①巖層面：280°∠3°，中厚-厚層狀，傾向坡內(nèi)；②節(jié)理組1：81°∠86°，節(jié)理面陡傾，與坡面近垂直；③節(jié)理組2：345°∠51°，方向傾向于坡內(nèi)。這3組結(jié)構(gòu)面組合將巖體切割成塊狀，局部已風(fēng)化成碎塊狀，巖體呈塊（石）碎（石）狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，地形陡峻，呈懸崖峭壁。各組結(jié)構(gòu)面特征見表1。

表1 邊坡巖體結(jié)構(gòu)面特征一覽表

3 崩塌穩(wěn)定性分析及評價

3.1 坡體宏觀變形特征

該段高陡巖質(zhì)邊坡巖壁陡立且裸露，出露灰?guī)r為堅(jiān)硬巖，呈塊狀結(jié)構(gòu)。據(jù)調(diào)查，邊坡整體穩(wěn)定性較好，但巖壁表面危巖大面積分布，巖壁坡頂一定高度范圍內(nèi)卸荷裂隙極為發(fā)育，坡頂卸荷拉張裂縫寬度最寬達(dá)0.2 m，見圖2，在降雨、地震動、植物根劈等作用下易發(fā)生危巖塊體的崩塌落石現(xiàn)象。自2015年以來，高陡巖坡均多次發(fā)生危巖崩落掉塊災(zāi)害，砸壞路面、路基邊溝等設(shè)施，并且有逐年加重的趨勢。

圖2 巖體卸荷裂隙圖

3.2 崩塌形成機(jī)制分析

該邊坡坡度在73°～88°，部分坡面直立甚至內(nèi)凹，臨空面開闊，從山頂?shù)缴侥_高差為46.9～223.0 m，山高坡陡、懸崖峭壁，這為坡體崩塌災(zāi)害的發(fā)生提供了良好的地形條件和動力條件。山體基巖主要以奧陶系灰?guī)r為主，巖體受3組結(jié)構(gòu)面切割，呈塊裂狀結(jié)構(gòu)，總體為反向坡，發(fā)育外傾節(jié)理裂隙面。由于經(jīng)受風(fēng)化、卸荷作用，裂隙發(fā)育，巖體較破碎，這為崩塌落石的形成提供了主要物質(zhì)來源。

受長期風(fēng)化、卸荷及植物根劈作用影響，坡體表層較破碎的危巖塊體不斷被松動，裂隙面擴(kuò)大，逐漸由穩(wěn)定狀態(tài)向極限平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，并沿坡體中優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)組合面發(fā)生變形，出現(xiàn)崩塌、落石現(xiàn)象；同時受卸荷作用，坡體中原處于三向應(yīng)力狀態(tài)的巖土體變?yōu)殡p向應(yīng)力、單向應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力平衡破壞后，在坡頂一定距離形成卸荷裂縫和巖土體松動帶。危巖塊體脫離母體后或發(fā)生自由落體運(yùn)動，或沿巖坡面滾動、跳躍，有的被坡腳斜坡植被擋住，能量大大減少并慢慢停止下來，有的則躍過斜坡直沖坡腳，砸入坡腳公路路面及景觀走廊，嚴(yán)重影響公路的正常安全運(yùn)行。

3.3 危巖帶的穩(wěn)定性定性分析評價

采用赤平投影法（上半球投影）結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)測繪成果對危巖帶的穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析。該高邊坡劃分為一個危巖帶（編號為WYD1），邊坡面產(chǎn)狀79°∠73°，坡體巖體主要發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面，分別為：①巖層面（J1）：產(chǎn)狀為280°∠3°，呈現(xiàn)中厚-厚層狀，傾向邊坡內(nèi)；②節(jié)理組1（J2）：81°∠86°，節(jié)理面陡傾，與坡面近垂直；③節(jié)理組3（J3）：345°∠51°，方向傾向于坡面。危巖帶赤平投影分析如圖3。

圖3 赤平投影分析結(jié)果圖

從圖3中可以看出，該邊坡屬于斜向坡，邊坡巖體產(chǎn)狀近似水平，但是巖層面的走向與邊坡面呈現(xiàn)大角度的相交，3組結(jié)構(gòu)面發(fā)育于邊坡中，除巖層面近水平外，其他2組均為高角度節(jié)理面。根據(jù)繪制的赤平投影圖，對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行兩兩組合分析，分析結(jié)果如下：

a）結(jié)構(gòu)面J1與J2組合 J1與J2結(jié)構(gòu)面的交點(diǎn)位于邊坡面投影弧的同一側(cè)，說明其組合交棱線傾向（351°）與邊坡傾向（79°）相對一致，其傾角（1°）遠(yuǎn)小于邊坡角（73°），即交棱線在坡頂面斜坡上沒有出露點(diǎn)，不會切穿邊坡巖體，切割體屬于較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

b）結(jié)構(gòu)面J1與J3組合 J1與J3結(jié)構(gòu)面的交點(diǎn)位于邊坡面投影弧相對的一面，說明其組合交棱線傾向（257°）與邊坡傾向（79°）相反，且傾角（3°）遠(yuǎn)小于邊坡角（73°），結(jié)構(gòu)面組合切割體為緩傾向坡內(nèi)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

c）結(jié)構(gòu)面J2與J3組合 J2與J3結(jié)構(gòu)面的交點(diǎn)位于邊坡面投影弧的同一側(cè)，說明其組合交棱線傾向（356°）與邊坡傾向（79°）相對一致，傾角（50°）小于邊坡角（73°），結(jié)構(gòu)面組合切割體屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，易發(fā)生滑塌式破壞。交棱線位于結(jié)構(gòu)面J2與J3傾向線之間，則J2與J3均為滑移面，交棱線為主滑線，其傾向（356°）為滑移方向。

綜上分析，可以看出由于2組結(jié)構(gòu)面組合形成的切割體存在不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以可以判斷該邊坡目前處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。根據(jù)野外對邊坡巖體結(jié)構(gòu)的調(diào)查測繪成果，邊坡巖體由于4組結(jié)構(gòu)面組合切割，巖體完整性較差，呈松散塊體結(jié)構(gòu)，危巖塊體在降雨、冰雪凍脹、植物根劈、地震動等營力作用下，裂隙擴(kuò)張，節(jié)理面結(jié)合情況變差，抗剪強(qiáng)度降低，會發(fā)生落石掉塊災(zāi)害，其變形破壞模式為滑移式崩塌破壞類型。

3.4 危巖失穩(wěn)破壞后的運(yùn)動計(jì)算

該邊坡危巖失穩(wěn)運(yùn)動計(jì)算采用加拿大Rocscience公司開發(fā)的RocFall軟件模擬危巖失穩(wěn)產(chǎn)生的滾石災(zāi)害的危害范圍和危害強(qiáng)度等特征[4-6]。計(jì)算時危巖體位置位于坡頂部位，其直徑依據(jù)調(diào)查成果取1.0～1.3 m，坡面巖體的法向回彈系數(shù)取0.4，切向回彈系數(shù)取0.86。其計(jì)算結(jié)果見表2，計(jì)算成果圖見圖4～圖7。

表2 危巖失穩(wěn)破壞運(yùn)動計(jì)算成果表

圖4 落石運(yùn)動軌跡圖

圖5 落石最大彈跳高度包絡(luò)圖

圖6 落石最大沖擊能量包絡(luò)圖

圖7 落石最大平移速度包絡(luò)圖

通過對危巖體的穩(wěn)定性定性分析與定量計(jì)算結(jié)果來看，危巖體的穩(wěn)定系數(shù)小于防治工程安全系數(shù)，危巖帶穩(wěn)定性欠佳，安全儲備不足。在風(fēng)化侵蝕作用下，加之降水形成的裂隙水壓力和植物根劈的作用，巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度會下降，邊坡危巖體的穩(wěn)定性將持續(xù)地降低，最終容易形成不同規(guī)模的危巖變形、墜落失穩(wěn)等破壞。從各危巖體（帶）的變形破壞模式來看，大部分危巖塊體將發(fā)生墜落式、傾倒式破壞。巖體一旦失穩(wěn)破壞，將會危及坡腳處晉濟(jì)高速公路的正常安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

晉濟(jì)高速公路沿線的地形高差大，邊坡高而且坡率較陡，加之地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造較發(fā)育，因而危巖落石頻發(fā)，如何控制地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是制約高速公路安全運(yùn)營的關(guān)鍵難題。通過對晉濟(jì)高速K1071+250—K1071+450段高邊坡危巖的坡體結(jié)構(gòu)分析、危巖穩(wěn)定性評級及RocFall模擬計(jì)算，結(jié)果表明：

a）在對現(xiàn)場詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，該邊坡主要由風(fēng)化裂隙、節(jié)理裂隙、卸荷裂隙較發(fā)育等形成危巖體；經(jīng)穩(wěn)定性分析，各危巖體的穩(wěn)定系數(shù)小于防治工程安全系數(shù)，危巖帶的穩(wěn)定性較差，隨著降雨、凍脹、地震和植物根劈作用，危巖塊體穩(wěn)定性將下降而導(dǎo)致安全儲備不足，易發(fā)生失穩(wěn)破壞。破壞模式主要表現(xiàn)為滑移式崩塌。

b）通過采用RocFall軟件對該段的危巖體進(jìn)行穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算，獲得本邊坡危巖體潛在的落石彈跳高度4.1 m，落石總能量1 198 kJ，最大平移速度達(dá)37.8 m/s，破壞性極大，為下部邊坡的防治設(shè)計(jì)提供數(shù)值依據(jù)。

c）建議加強(qiáng)危巖體治理前、中、后的變形監(jiān)測巡視與監(jiān)測預(yù)警工作。