老鹰岩崩塌危岩体稳定性分析

杨春峰, 王 合, 杨 敏

(1. 沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044;2. 中节能建设工程设计院有限公司, 四川 成都 610052)

崩塌是指斜坡岩体(土体)被陡倾的拉裂面切割,在重力或其他外力作用下,突然脱离母体而快速位移、翻滚、跳跃、坠落,堆于坡脚或沟谷的现象,是山区地质灾害主要类型之一.其具有产生速度快,没有前兆,竖直位移比水平位移大得多的特点[1-2].崩塌灾害的发生,使居民生命财产造成巨大损失.20世纪80年代,胡厚田等人研究分析了大量崩塌灾害,对崩塌的类型、形成机理、稳定性及防治措施等进行了全面系统的研究分析[3].随后很多专家学者也对崩塌进行了大量研究,并取得了一定的成果.

老鹰岩位于雅安市康定县姑咱镇浸水村西侧山坡陡坡地段,紧邻211省道;地形地貌为典型的高山峡谷地貌,区内山高坡陡,层峦叠嶂,连绵起伏,整体西高东低,地势起伏大,是青藏高原向四川盆地的过渡地带;受青藏高原与四川盆地挤压影响,构造带活动频繁,易引发地震.研究区地质构造图如图1所示.因此,开展对崩塌灾害的形成机制和危岩体的稳定性研究具有重要的现实意义.

本文从地质环境、岩性、外界影响因素等角度对老鹰岩崩塌进行研究,分析其成灾机理与危岩体稳定性,旨在为此类灾害的防治提供科学依据,并供参考借鉴.

图1 研究区地质构造图Fig.1 Geological structure of the study area

1 崩塌体的形成条件

1.1 地理环境、气象

老鹰岩属青藏高原亚湿润气候,具有高原气候特征.空气较干燥,昼长夜短,昼夜温差大,夏季短暂,冬季寒冷,冰雪期长,多年平均气温7.1 ℃,最高气温15.7 ℃,最低温度-14.7 ℃.高寒的气候条件有利于岩体裂缝发育.在夏季降雨和化雪过程中,岩体中的裂隙及孔隙被水分填满,岩体内受静水压力作用,抗剪强度降低;而冬季来临时,裂隙及空隙中的水分遇冷冻结,体积变大,产生冻胀力,使裂隙不断扩展;当温度升高时,冰融化,水分又向更深层次的裂隙渗透,如此反复的冻结与融化,使裂隙逐渐变为裂缝,最终发生破坏.大量研究表明[4-7],冻融是高寒地区地质灾害发生的起点.

地质灾害的形成与发生也受降雨的影响.据气象站资料统计,康定县年均降水量为803.8 mm,其中5—9月为降雨高峰期,被当地人称为“雨季”,多为暴雨和连绵雨,据统计连绵雨最长达58 d,降雨量达542.9 mm,日降雨量最高达65.9 mm,“雨季”降雨量占全年的60%～85%.

1.2 地层岩性

1.3 人类活动

人类活动也对灾害的形成和扩展起促进作用.山脚道路修建、山坡上耕作、削坡等都会对原有的斜坡地形进行改变, 使得危岩进一步临空, 降低了危岩的稳定性;工程施工过程中爆破产生的震动也会对危岩体稳定性产生不利影响.

2 危岩体基本特征及稳定性分析

2.1 危岩体基本特征及形成机理

(1) 危岩体基本特征

危岩体临空方向为74°,岩体较完整.岩体与母岩后缘有卸荷裂隙发育,危岩内主要有3组裂隙发育:

图2 老鹰岩危岩体位置示意图

图3 危岩体Fig.3 Dangerous rock

图4 危岩体节理裂隙发育情况

① 35°∠65°,为危岩体的后缘卸荷裂隙,裂隙张开0.03～0.07 m,延伸长度为4.8 m,可见深度4.0 m,裂隙裂面粗糙,粘土充填.

② 24°～28°∠34°,为后缘卸荷裂隙,裂隙张开0.1～0.2 m,可探深度1.2 m,裂隙裂面粗糙.

③ 104°∠73°,为卸荷裂隙,裂隙张开0.02～0.08 m,基本不可探入.

选取具有代表性的岩体样本进行室内物理实验,危岩稳定性计算采用的地质参数如表1所示.

表1 危岩稳定性计算采用的地质参数

(2) 形成机理分析

① 研究区内陡崖坡度约在58°～63°,岩体被98°～107°∠66°～75°,28°～37°∠61°～69°两组构造节理裂隙控制,危岩体被切割成整体块状,节理裂隙的发育大大降低了岩体的整体性及强度,也为水分的渗入提供了有利条件,是危岩体形成的重要内在因素.

② 研究区气候为青藏高原亚湿润气候.冬季寒冷,冰雪期长,昼夜温差较大,在长期地质营力作用下,花岗岩物理力学性能劣化严重,特别是在反复冻融循环作用下,岩体抗剪强度降低,原裂隙不断扩大,岩体稳定性进一步破坏.

③ 危岩体位于陡坡的中上部,高陡的临空岩体具有较大的势能.加之较硬的花岗岩崩落后底部已形成较浅岩腔,岩体体积膨胀,引发强卸荷作用,不但形成与岩体表面大致平行的破裂面及垂直表面的不规则裂隙,而且加宽加大了原构造裂隙;在风化、地震作用下,岩腔和裂隙进一步发育,在近南北向裂隙和近东西向裂隙、陡崖坡度、岩腔发育的共同作用下,致使裂隙贯通,易形成崩塌.

2.2 危岩体稳定性分析

危岩体岩性为硬岩,是花岗岩.危岩体后部卸荷裂隙发育,且裂隙倾角较陡,危岩体重心位于倾覆点以内,危岩体前部临空,陡崖面坡度较陡,危岩体稳定性主要受后缘未贯通段岩体的抗拉强度控制.由于岩体差异性风化,危岩体底部已形成风化凹腔,若凹腔进一步向内发育,危岩体倾覆点随之后移,危岩体重心距倾覆点的水平距离将逐渐减小;在自重弯矩的作用下,危岩体易以岩体下部基座为支点向临空方向弯折,并伴随着后缘裂隙的进一步发育,危岩体抗拉强度逐渐减小;在水平地震力、地下水静水压力、危岩体自重倾覆力等的作用下,危岩体将向坡外发生倾倒式崩落[8-10].

用赤平极射投影进行分析,两组构造节理裂隙面与坡面形成赤平极射投影见图5.图5中各交点倾向、倾角如表2所示.两组裂隙面交点都在边坡面同侧且交点倾角小于坡角,危岩体处于稳定状态.

图5 赤平极射投影图Fig.5 Stereographic projection

交 点倾向/(°)倾角/(°)交点①130.2411.08交点②249.5060.50交点③132.2912.39交点④240.7057.35交点⑤212.8234.68

通过分析可知,危岩体稳定性主要受后缘岩体抗拉强度控制. 在稳定性计算时, 为了简化计算而又确保与实际情况相符, 可将危岩体结构特征沿长度方向选取若干截面进行计算, 不考虑基座对危岩体抗拉强度的影响; 同时在考虑裂隙水对危岩体稳定性的影响时, 设裂隙深度与裂隙充水深度相等. 危岩体稳定性计算分3种工况考虑.

工况1(天然工况) 只考虑在自重作用下危岩体的稳定性,危岩体物理力学地质参数取表1中天然状态.工况1计算简图如图6所示.

图6 工况1计算简图Fig.6 Calculation diagram for case 1

工况2(暴雨工况) 考虑暴雨的影响,危岩体物理力学地质参数取表1中饱和状态,裂隙充水埋深取4.0 m.工况2计算简图如图7所示.

图7 工况2计算简图Fig.7 Calculation diagram for case 2

工况3(地下水+地震工况) 危岩体稳定性受自重作用外,增加一项水平地震力,地震烈度依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)规定及地区经验取9度,地震动峰值加速度为0.40 g,危岩体物理力学地质参数取表1中天然状态;同时考虑地下水影响,裂隙充水埋深取4.5 m.工况3计算简图如图8所示.

图8 工况3计算简图Fig.8 Calculation diagram for case 3

各工况稳定性系数F计算基本参数统计如表3所示.

表3 稳定性系数F计算基本参数

依据《地质灾害防治工程勘察规范》(DB 50/143—2003)中重心在倾斜点之内倾倒式计算公式,对危岩体进行稳定性计算分析.根据《滑坡防治工程勘查规范》(DZ/T 0218—2006)中倾倒式危岩稳定性评价标准:F≥1.5稳定,1.3

表4 危岩体稳定性系数计算及评价结果

结果表明,危岩体在天然工况下处于基本稳定状态;在暴雨工况及地震工况下,稳定性系数明显降低,处于欠稳定状态.若后缘裂隙加深变长,达到一定程度,底部裂隙进一步贯通时危岩体将处于不稳定状态,甚至崩塌.

3 结 论

(1) 大高差、高陡坡的地形地貌,复杂的地质构造及特殊的地层岩性对老鹰岩崩塌的形成和发育起到控制性作用.地震、风化作用、人类活动也为老鹰岩崩塌的形成和发育起促进作用.

(2) 通过赤平极射投影与数值计算可知:危岩体现阶段在自然条件下处于基本稳定状态;但遇到暴雨、地震等不利条件时,危岩体稳定性降低,甚至发生崩塌.