宋 剛，周福川

（1.重慶交通大學(xué)巖土工程研究所，重慶 400074；2.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 400037；3.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400030）

0 引言

我國(guó)西南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，多呈現(xiàn)厚層-巨厚層陡崖地貌，三峽庫(kù)區(qū)上硬下軟的地質(zhì)結(jié)構(gòu)極其有利于單體塔柱狀危巖的發(fā)育。塔柱狀危巖構(gòu)造上易發(fā)于褶皺核部或近核部，地層產(chǎn)狀趨于平緩，被節(jié)理裂隙切割為相對(duì)獨(dú)立的層狀塊體結(jié)構(gòu)，其具有較大的高徑比（通常大于3），橫剖面呈圓形、三角形、矩形或不規(guī)則多邊形等眾多形態(tài)，且塔柱狀危巖體崩塌具有突發(fā)性強(qiáng)、隱蔽性高、影響范圍廣以及成因復(fù)雜等特征［1-4］。

三峽庫(kù)區(qū)危巖體的穩(wěn)定性研究一直是庫(kù)區(qū)災(zāi)害防治的重點(diǎn)任務(wù)。陳洪凱等［5-7］提出了危巖破壞失穩(wěn)的三種類(lèi)型并基于極限平衡法給出對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性計(jì)算方法，分析了三峽庫(kù)區(qū)典型高位危巖的穩(wěn)定性。丁王飛等［8］修正了三類(lèi)危巖體危巖穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法，提出了包含主控結(jié)構(gòu)面鎖固段和貫通段的計(jì)算模型。合理的危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)論影響崩塌災(zāi)害的布防。Lei等［9］研究了龍溪河危巖的形成機(jī)制和失穩(wěn)模式，并對(duì)危巖進(jìn)行了定性分析和解析分析。Wang等［10］基于對(duì)JDRM力學(xué)模型的推廣，分析了箭穿洞危巖體的變形機(jī)制和評(píng)價(jià)危巖體的穩(wěn)定性。唐紅梅等［11］以川東南盆周山地灰?guī)r地區(qū)為研究對(duì)象，選取9個(gè)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立貢獻(xiàn)權(quán)重模型和熵值法耦合的崩塌評(píng)價(jià)模型。

本文以三峽庫(kù)區(qū)龍門(mén)寨陡高塔柱狀危巖體為研究對(duì)象，提出考慮危巖底部區(qū)域損傷劣化特征的穩(wěn)定性計(jì)算方法，并與極限平衡理論獲得的危巖穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以期為塔柱狀危巖體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供新思路。

1 龍門(mén)寨危巖基本特征

龍門(mén)寨危巖位于重慶市巫山縣大寧河小三峽的右岸，距巫山縣城直線距離不足1km，扼守黃金水道關(guān)鍵位置，一旦危巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞，引起崩塌體入江激起的涌浪將會(huì)對(duì)過(guò)往船只和沿岸建筑物等造成破壞。

龍門(mén)寨危巖體主要由三疊系灰?guī)r、泥灰?guī)r和白云巖構(gòu)成，位于龍門(mén)峽次級(jí)背斜的核部。從圖1中清晰可見(jiàn)3條近縱向平行發(fā)育的裂縫，裂縫的延伸長(zhǎng)度不一，使得整個(gè)危巖體呈現(xiàn)被結(jié)構(gòu)面完整分割的結(jié)構(gòu)，最長(zhǎng)的裂縫長(zhǎng)度約170m，上寬下窄，裂縫最寬處約2.3m，不規(guī)則條狀塊石充填于裂縫中。由于危巖體自重荷載的持續(xù)作用和裂縫的不斷發(fā)育，危巖體已經(jīng)出現(xiàn)巖塊剝落或局部小型垮塌。

圖1 龍門(mén)寨危巖體實(shí)物圖與剖面圖［12］Fig.1 Photography and section view of the Longmenzhai unstable rock mass［12］

龍門(mén)寨危巖體呈不規(guī)則多邊形，是典型塔柱狀危巖體。按照塔柱狀危巖體的特征，可將其分為基座劣化區(qū)和非完全劣化區(qū)兩部分［13］，其高寬比為4.75，具有“上硬下軟”的二元易滑結(jié)構(gòu)。危巖體基座主要為泥灰?guī)r，其下部呈碎裂結(jié)構(gòu)（圖2a）。危巖后緣平均高程約350m，基座劣化區(qū)高程165～177m為泥灰?guī)r，危巖體平均高度約190m，平均寬度和厚度均約40m，總體積約30.4×104m3。三峽庫(kù)區(qū)水位的周期性漲落，為劣化區(qū)提供了干濕循環(huán)的外界條件，庫(kù)區(qū)涉水危巖體的基座在長(zhǎng)期自重荷載、干濕循環(huán)作用下，導(dǎo)致劣化區(qū)巖體強(qiáng)度持續(xù)下降。

圖2 龍門(mén)寨危巖體底部劣化區(qū)和地質(zhì)模型圖Fig.2 Photography of deterioration area at the bottom of the Longmenzhai unstable rock and the geological model map of the Longmenzhai unstable rock mass

2 龍門(mén)寨危巖穩(wěn)定性分析

2.1 危巖體穩(wěn)定性分析計(jì)算

傾倒破壞和滑移破壞是三峽庫(kù)區(qū)陡高塔柱狀危巖體常見(jiàn)的失穩(wěn)模式，依據(jù)陳洪凱［5］對(duì)三峽庫(kù)區(qū)危巖體穩(wěn)定性計(jì)算方法，龍門(mén)寨危巖體穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)選擇自重＋孔隙水壓力（地下水流出通道堵塞工況）的荷載組合，對(duì)兩種危巖體破壞模式進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算（圖3）。

圖3 陡高危巖穩(wěn)定性計(jì)算模式示意圖Fig.3 Schematic diagram of calculation model for the stability of steep-high unstable rock mass

（1）傾倒式（危巖體重心在傾覆點(diǎn)內(nèi)側(cè)）：

（2）滑移式：

式中，flk為巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）；b為后緣裂隙到傾覆點(diǎn)的位置（m）；W 為危巖體自重（kN／m）；a為危巖重心到傾覆點(diǎn)的水平距離（m）；hw為裂隙充水高度（m），天然狀態(tài)下取主控結(jié)構(gòu)面的1／3長(zhǎng)度，約60m；Q為裂隙后緣水壓力（kN／m）；β為后緣裂隙傾角（°）；α為滑面傾角（°）；U為揚(yáng)壓力（k N／m）；φ為滑面內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值（°）；c為滑面黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）；l為滑動(dòng)面長(zhǎng)度（m）；Fs-t為危巖傾倒式穩(wěn)定性系數(shù)；Fs-s為危巖滑移式穩(wěn)定性系數(shù)。

極限平衡法穩(wěn)定性計(jì)算方法幾何參數(shù)取值見(jiàn)表1。根據(jù)文獻(xiàn)［14］的研究，可得本文危巖體部分相關(guān)參數(shù)的取值（表2），采用上述方法對(duì)龍門(mén)寨危巖體開(kāi)展穩(wěn)定性計(jì)算，為方便計(jì)算，假定危巖體后緣主控結(jié)構(gòu)面垂直于危巖體基座。

表1 計(jì)算模型幾何參數(shù)取值Tab.1 Values of geometric parameters of the calculation model

表2 龍門(mén)寨危巖體相關(guān)參數(shù)取值Tab.2 Values of related parameters of the Longmenzhai unstable rock mass

根據(jù)危巖體穩(wěn)定系數(shù)大小，可將危巖體劃分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定和不穩(wěn)定三種狀態(tài)。穩(wěn)定的危巖體可不采取措施，基本穩(wěn)定的危巖體需加強(qiáng)危巖體的監(jiān)測(cè)，不穩(wěn)定的危巖體需及時(shí)進(jìn)行防治處理。

通過(guò)對(duì)龍門(mén)寨危巖體可能發(fā)生的兩種破壞模式的計(jì)算，按危巖體傾倒破壞失穩(wěn)模式計(jì)算時(shí)穩(wěn)定系數(shù)Fs-t：7.25；按危巖體滑移失穩(wěn)模式計(jì)算時(shí)穩(wěn)定系數(shù)Fs-s：2.75。根據(jù)危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［5］，兩個(gè)模式的穩(wěn)定性系數(shù)均大于安全系數(shù)，危巖體不采取工程治理措施，但需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

2.2 考慮巖體損傷的穩(wěn)定性分析

庫(kù)區(qū)陡高巖體在長(zhǎng)期的自重荷載和庫(kù)水周期性作用下，導(dǎo)致底部區(qū)域巖體劣化日益明顯。底部劣化區(qū)巖體的承載能力減弱，使得底部巖體的有效承載面積減少。因此作用在底部劣化巖體上的有效荷載隨著巖體的損傷加速而增大。有效承載面積的變化會(huì)影響底部巖體承載力的計(jì)算結(jié)果，將損傷變量加入巖體承載力與荷載的計(jì)算中，進(jìn)而獲得底部基座巖體破碎時(shí)的受力情況，再對(duì)陡高危巖破壞模式進(jìn)行分析。為了計(jì)算方便，本文將龍門(mén)寨危巖體的力學(xué)模型概化為上部非完全劣化區(qū)與基座劣化區(qū)進(jìn)行受力分析（圖4）。

圖4 陡高巖體底部壓裂失穩(wěn)概化力學(xué)模型［13］Fig.4 Generalized mechanical model of fracturing instability at the bottom of steep-high unstable rock mass［13］

對(duì)龍門(mén)寨危巖體進(jìn)行力學(xué)分析可得，基座劣化區(qū)壓裂潰屈的主要原因是受到非完全劣化區(qū)施加的持續(xù)性荷載，類(lèi)似單軸加載。因此，基座巖體的持續(xù)的損傷演化是底部區(qū)域塊體失穩(wěn)破壞的主要因素。本文引入塔柱狀巖體崩塌理論對(duì)龍門(mén)寨危巖的底部巖體劣化損傷規(guī)律與破壞模式進(jìn)行分析。根據(jù)賀凱［14］對(duì)塔柱狀危巖體損傷劣化引起的崩塌研究得到的結(jié)論，引入公式：

式中，σDL為等效荷載應(yīng)力（MPa）；H為巖體高度（m）；h為底部損傷區(qū)域高度（m）；γ為上部非劣化區(qū)巖體重度（kN·m-3）；D為巖體損傷變量；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）；φ為巖內(nèi)摩擦角（°）；c為巖體黏聚力（k Pa），根據(jù)周邊危巖體研究數(shù)據(jù)取值1000kPa；σ3為巖體實(shí)際圍壓（MPa），根據(jù)巖體高度與重度計(jì)算取4.3MPa；μ為巖體破裂時(shí)的泊松比；σDt為巖體壓張破壞應(yīng)力閾值（MPa）；σDτ為巖體壓剪破壞應(yīng)力閾值（MPa）。

根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)巫峽段周邊已進(jìn)行防治加固的工程經(jīng)驗(yàn)值和相關(guān)文獻(xiàn)研究［14-16］，可得到上述式（3）～（6）中參數(shù)的取值，見(jiàn)表3。

表3 巖體損傷劣化的計(jì)算參數(shù)取值Tab.3 Values of calculation parameters of rock mass damage and deterioration

根據(jù)賀凱［14］巖體損傷理論的經(jīng)驗(yàn)以及龍門(mén)寨危巖體現(xiàn)階段的損傷情況，假定當(dāng)損傷變量達(dá)到0.45時(shí)可能發(fā)生壓裂潰屈破壞。根據(jù)式（3）～（8）得到考慮底部區(qū)域巖體損傷劣化的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表4。

表4 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Tab.4 Stability coefficients calculated by the method of considering the deterioration in the bottom region of unstable rock mass

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果和危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［5］，可判斷危巖體目前處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)，且危巖體極有可能發(fā)生壓剪破壞失穩(wěn)，黃波林［17］計(jì)算得到龍門(mén)寨危巖體穩(wěn)定性系數(shù)K為1.27，本文考慮損傷的穩(wěn)定性計(jì)算方法獲得危巖壓剪破壞的穩(wěn)定性系數(shù)與之接近，表明極限平衡法計(jì)算得到的結(jié)果過(guò)于安全且與現(xiàn)實(shí)情況不符合，也驗(yàn)證了考慮劣化區(qū)損傷的穩(wěn)定性計(jì)算方法的適用性。

3 危巖體的防治措施

三峽庫(kù)區(qū)陡高塔柱狀危巖體的防治需要根據(jù)危巖所處的地質(zhì)環(huán)境，對(duì)危巖體裂隙的發(fā)育情況、結(jié)構(gòu)面和軟弱夾層的分布等調(diào)查清楚，全面分析危巖體的失穩(wěn)機(jī)制與失穩(wěn)模式，再結(jié)合施工條件，才能對(duì)具體的危巖體采取針對(duì)性的防治措施。根據(jù)龍門(mén)寨危巖體的形態(tài)特征、地理環(huán)境和底部區(qū)域巖體的劣化損傷等，建議采取以下措施：

（1）底部劣化區(qū)域。這部分巖體由于持續(xù)自重荷載的作用，加之庫(kù)水漲落對(duì)基座提供的干濕循環(huán)的水環(huán)境，導(dǎo)致巖體損傷度高，宜對(duì)基座軟弱巖體采取注漿填充裂隙補(bǔ)強(qiáng)加固和預(yù)應(yīng)力錨桿加固。

（2）中上部巖體。這部分巖體表面風(fēng)化程度高且卸荷裂隙較發(fā)育，全部清理工程量較大，故采用預(yù)應(yīng)力錨索加掛網(wǎng)噴漿錨固崩塌危巖體，阻止上部巖體的掉落以及卸荷裂隙發(fā)育，以達(dá)到治理效果。

4 結(jié)論

三峽庫(kù)區(qū)涉水區(qū)域陡高單體危巖的穩(wěn)定性影響著黃金水道的安全運(yùn)行和沿岸居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，恰當(dāng)?shù)奈r體穩(wěn)定性計(jì)算方法和經(jīng)濟(jì)的防護(hù)加固措施，為維持三峽庫(kù)區(qū)的安全運(yùn)行提供了極大便利。

（1）三峽庫(kù)區(qū)大型陡高危巖受自身形態(tài)與地質(zhì)環(huán)境影響較大，自重荷載以及人類(lèi)活動(dòng)因素耦合作用下，底部區(qū)域巖體劣化演變速度更快，致使底部區(qū)域成為危巖潰屈失穩(wěn)的關(guān)鍵性區(qū)域。

（2）使用極限平衡理論的穩(wěn)定性計(jì)算方法獲得的計(jì)算結(jié)果，由于未考慮陡高危巖體各部分的損傷劣化差異而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果可能失真?；诳紤]巖體損傷劣化的穩(wěn)定性計(jì)算方法，從力學(xué)角度更加貼合的分析了危巖體的失穩(wěn)模式與破壞模式，結(jié)果顯示龍門(mén)寨危巖體目前處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）根據(jù)不同危巖體的失穩(wěn)破壞機(jī)理，圍繞關(guān)鍵區(qū)域開(kāi)展監(jiān)測(cè)或治理工作，采取有針對(duì)性的防治工程措施，根據(jù)巖體具體情況制定相應(yīng)的治理措施，以保證危巖防護(hù)治理的安全可靠性，供相關(guān)決策部門(mén)參考。