滑塌式危岩体稳定性分析

谌玉萍

摘要：三峡水库沿岸存在大量的危岩体，危岩失稳破坏是三峡库区常见的地质灾害。为探究地震降雨联合作用对危岩体稳定性的影响，以重庆万州首立山滑塌式危岩体为算例，采用极限平衡理论，对该滑塌式危岩体的稳定性进行了计算分析。结果表明：随着裂缝角度的增大，该危岩体的稳定性系数减小，其中，最危险裂缝倾角约为68。;随着水平地震系数或垂直地震系数的增大，该危岩体的稳定性系数减小;当考虑地震和降雨联合作用时，对危岩体稳定性起决定性作用的因素主要是水平地震力。

关键词：滑塌式危岩稳定性分析;极限平衡法;地质灾害;三峡水库

中图法分类号：P642

文献标志码：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2019.07.005

1 概述

危岩体是位于陡崖或陡坡上的岩石经多组岩体结构面切割形成的、稳定性较差的岩石块体组合。危岩体一般储存了大量的重力势能，在降雨、地震、自重及其他外界影响因素下发生失稳滑塌或崩塌，会造成巨大的破坏，是山丘地区常见的地质灾害类型之一，具有突发性和强致灾性的特点[1-3]。

三峡库区地震和强降雨天气多发且存在大量的危岩体，崩塌现象分布范围广，灾害等级高，发生次数多。目前已知的三峡库区重庆段危岩体就达到了5万多个，严重威胁着库区人民的生命和财产安全。因此，掌握有效的计算方法，分析和判别危岩的稳定性，能有效防范危岩崩塌造成的灾害。

目前对于危岩的稳定性评价方法主要有定性和定量两种。虽然定性分析简单迅速，省时省力，但其结果易受主观因素的影响，比较注重于人的经验和主观判断能力，从而易受人的知识、经验和能力的束缚和限制，尤其是缺乏对事物发展数量上的精确描述。危岩体稳定性定量计算方法主要有4类：静力稳定性分析方法、可靠度分析法、比较识别法和极限平衡法[4-6]。其中可靠度分析需要建立合乎实际的功能函数，而目前并没有一种成熟的方法建立符合现实情况的功能函数。因此使用该方法计算危岩稳定时不确定性最大。使用静力稳定性分析法计算危岩稳定时，无法将危岩的岩体节理面描述准确，因而与现实情况符合度并不高。比较识别法通过监测资料计算变形区域的空间位移，与各种可能的变形破坏方式的变形特征及位移进行比较，但无法判断其结果与现实情况的符合度，因此不确定性也较大。极限平衡法在滑坡和危岩的计算中应用得最多。该方法计算简便易行，结果明确可靠。然而在使用该法计算危岩稳定性时，业界考虑最多的影响是岩体自身的物理力学性质。对危岩体内的裂缝角度、水平和垂直向的地震力等因素对计算结果的影响考虑较少。

本文针对三峡库区多地震、多降雨的情况，以万州首立山砂岩区一滑塌式危岩体为例，研究了地震降雨联合因素对危岩体稳定性的影响。

2 计算原理

本文选取的危岩体类型为滑塌式危岩体。将危岩体视为刚体，主控结构面视为破坏面。建立如图1所示的简化力学模型。将图1中危岩体的自重沿主控结构面的主裂缝方向进行正交分解。

其中，0为裂纹尖端;A为重心;h为平均高度，m;e为垂直裂缝高度，m;β1为平均倾角，°;d和b分别为从重心到裂缝尖端的垂直和水平距离，m;G为

3 算例背景及计算方案

3.1 工程背景

重庆万州首立山危岩体类型为滑塌式，主要由砂岩组成。砂岩的成分主要为石英和部分云母，计算时将该危岩体的材料视为脆性材料。岩体的天然密度平均为2.6 g/cm3，危岩体积约为800 m3（ 20 mx8 mx5 m），计算出改危岩自重约为2 080 t，单位长度质量为260 t。其岩体的内摩擦角φ1=34.8°，裂缝面的内摩擦角φ：取26°。岩体的粘聚力c1取410 kPa，裂缝面的粘聚力c2取65 kPa。其简化模型如图2所示。

3.2 计算工况

根据危岩体上作用的荷载情况考虑以下4种工况：①普通状态下的工况。考虑危岩自重和天然裂隙水压力。②暴雨天气下的工况。考虑危岩自重和暴雨状态下的裂隙水压力。③地震作用下的工况。考虑危岩自重和天然状态下的裂隙水压力以及地震力。④极端情况下的工况。考虑危岩自重和暴雨状态下的裂隙水压力以及地震力。普通状况下主裂隙结构面的浸水高度取//3，暴雨天气则取2U3，其中L为裂缝长度[8]。

3.3 计算过程

为探究主控结构面裂缝角度和地震力对其计算结果的影响，使用公式（7）计算危岩的安全系数。计算方案如表1-3所示。

4 计算结果

4.1 裂缝倾斜角对安全系数的影响

控制变量为主裂缝的倾角时，得到的计算结果如图3所示。

图3是危岩体在不同工况下计算出的安全系数曲线图，从图中可以明显看出，危岩的安全系数与主裂缝的倾角呈负相关，即主裂缝的倾角越大，危岩越不稳定。主要原因是危岩体的自重分解到沿主裂缝方向的力随着主裂缝倾角的增大而增大，而分解到垂直主裂缝面的应力盯却随着倾角的增加而减小。这会导致两个结果：①危岩体的滑移力增加;②根据摩尔库伦强度准则，当主裂缝面的正应力减小，裂缝面的岩体抗剪强度会降低。另外，随着主裂缝倾角的增加，曲线斜率逐渐减小，即主裂缝的倾角对危岩的影响会降低。安全系数在倾角角度为58°之前，减小的速度非常迅速，曲线走势较陡;在倾角为58°之后，安全系数减小的速度明显降低，曲線走势较为平缓。主要原因是危岩自重分解出来的沿主裂缝方向的滑移力等于危岩自重乘以主裂缝倾角函数的余弦值，正弦函数在O-，π/2范围内的斜率逐渐减小，滑移力随主裂缝倾角增加而增加的速度也会降低。

计算结果显示，危岩在正常状态和暴雨状态下的安全系数差别不大，而危岩处于地震状态时，安全系数相比正常状态时明显降低。根据谭继文等[9]的研究结果，当危岩的安全系数小于1.15时，就可以认为该危岩已经失稳。图3中显示在正常状态下，危岩的主裂缝角度要高于78°才会失稳，而处于暴雨和地震作用下的危岩在主裂缝角度高于68°时就已失稳。这是因为地震和暴雨均为危岩保持稳定的不利因素，是最不利荷载组合。综上分析认为，危岩主裂缝的危险倾角为68°。

4.2 地震降雨联合因素对安全系数的影响

为研究地震降雨联合因素对危岩安全系数的影响，控制计算时危岩体裂缝角度為75。。考虑水平地震力时控制垂直地震系数为0.15，反之亦然。分别计算不同地震力对应的岩体安全系数，得到安全系数一水平地震系数关系曲线（见图4-5）。

由图4-5可知，在地震和暴雨两种不利条件下，危岩体安全系数均随地震系数的增大而减小，即地震力越大危岩越不稳定，且危岩的稳定性随着地震震力的增加呈线性减小趋势。在降雨地震联合作用下，危岩的稳定性明显低于只有地震作用时。地震降雨联合作用下的危岩安全系数较只有地震作用时降低22.3%，较正常状态下降低20.4%。这表明暴雨联合地震对危岩的稳定性影响中起决定性的是地震强度。

将图4和图5对比后可知：虽然安全系数均随着垂直地震力或水平地震力的增大而减小，但水平地震力影响下的危岩体安全系数小于同等大小垂直地震力作用下的危岩体安全系数，即水平地震力对危岩体的危害程度高于同一地震系数下的垂直地震力，水平地震力是造成危岩边坡破坏的主要因素，这一结论和门玉明等[10]的研究结果相吻合。

5 结论

采用极限平衡法，分别在裂缝角度、地震力和降雨等不同影响因素下，对中国重庆万州太白岩南部边坡一滑塌式危岩体的安全系数进行计算，结论如下：

（1）本算例中的危岩体安全系数随着裂缝角度的增大而减小，在裂缝角度小于60°时，危岩体安全系数减小速度较快;裂缝角度大于60°时，安全系数减小速度较为缓慢，最危险裂缝倾角约为68°。

（2）本算例中的危岩体安全系数随水平地震系数或垂直地震系数的增大而减小，且为线性减小趋势。

（3）降雨地震联合作用时，对本算例中的危岩体的危害起决定作用的是地震力，且水平地震力是造成危岩边坡破坏的主要因素。

参考文献：

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