危巖穩(wěn)定狀態(tài)評價方法

姚國專，蔡德鉤，閆宏業(yè)，陳鋒，張千里

(1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州貴陽 550025;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081; 3.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

危巖穩(wěn)定狀態(tài)評價方法

姚國專1，2，蔡德鉤2，3，閆宏業(yè)2，3，陳鋒2，3，張千里2，3

(1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州貴陽 550025;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081; 3.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

危巖崩塌是鐵路和公路沿線主要的地質(zhì)災(zāi)害之一。本文從危巖穩(wěn)定性影響因素、分析方法、危巖狀態(tài)評估及危巖落石整治四個方面對危巖穩(wěn)定狀態(tài)評價方法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。分析了人工觀測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、電磁場差異探測和激光掃描等方法在危巖穩(wěn)定狀態(tài)評價中的應(yīng)用，指出由于受儀器精度、測量方法和測試條件限制，危巖穩(wěn)定狀態(tài)測試評估結(jié)果存在較大誤差。介紹了基于振動特性的危巖穩(wěn)定狀態(tài)評價新方法，指出非接觸式檢測危巖穩(wěn)定狀態(tài)技術(shù)在鐵路、公路交通中的應(yīng)用前景。

危巖 穩(wěn)定性 測試技術(shù) 評價方法

危巖是指位于陡崖或陡坡上被巖體結(jié)構(gòu)面切割，在地表風(fēng)化、重力、地震、水體等誘發(fā)因素作用下處于不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定或極限平衡狀態(tài)的巖體，廣義的危巖包括崩塌、落石和危巖體等。

危巖崩塌是一種全球性的山地地質(zhì)災(zāi)害，具有突發(fā)、快速、強致災(zāi)等特性，危巖崩塌和滾落嚴(yán)重威脅著山區(qū)居民生命財產(chǎn)、城鎮(zhèn)建設(shè)、交通運輸?shù)劝踩Ｎ覈且粋€危巖災(zāi)害頻繁發(fā)育的國家，危巖災(zāi)害集中分布在15個地區(qū)，累計173萬km2，占全國國土總面積的18% ，橫斷山區(qū)、三峽庫區(qū)、天山山區(qū)、云貴高原周邊地區(qū)等是危巖集中分布的地區(qū)，我國每年產(chǎn)生的危巖崩塌災(zāi)害達(dá)8 000次以上，造成上百人傷亡，直接經(jīng)濟損失高達(dá)數(shù)億元［1］。

1 危巖穩(wěn)定性影響因素

危巖體發(fā)育是內(nèi)、外部條件共同作用的結(jié)果。內(nèi)在條件主要包括巖性、巖體結(jié)構(gòu)和地形地貌，外部條件包括水體因素、風(fēng)化因素、地震因素、植被因素、人類活動中開挖、爆破等。地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造是危巖體形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，降雨和地下水的影響，地震的影響及風(fēng)化作用等對危巖體的形成和發(fā)展起著重要的作用［2］。在此基礎(chǔ)上，一些學(xué)者還分析了其它因素，如底部大規(guī)模采空和熱應(yīng)力的交變作用對危巖體形成的影響，指出底部大規(guī)模采空是某些危巖體形成的主要原因，熱應(yīng)力的交變作用是危巖體形成的重要因素［3］。

危巖形成因素也是危巖穩(wěn)定性影響因素，很大程度上危巖形成因素控制了危巖后期發(fā)展?fàn)顟B(tài)。國內(nèi)學(xué)者選取地形地貌、地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)、重力作用、水體作用、風(fēng)化作用和土地利用類型7個影響危巖崩塌發(fā)生的因素，建立危巖穩(wěn)定性評價指數(shù)模型，根據(jù)穩(wěn)定性指數(shù)將危巖穩(wěn)定性分為4級:穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、穩(wěn)定性差、穩(wěn)定性極差。并結(jié)合實例，對危巖體進(jìn)行了穩(wěn)定性模糊評價，結(jié)果與實際調(diào)查情況基本一致，說明了這7個危巖崩塌影響因素作為危巖穩(wěn)定性評價指標(biāo)的合理性，為危巖監(jiān)測和治理提供了重要依據(jù)［4］。國外學(xué)者Wetzel將危巖體后部貫通或斷續(xù)貫通且力學(xué)強度較低的帶定義為主控結(jié)構(gòu)面，其非線性失穩(wěn)擴展是危巖失穩(wěn)的根本原因［5］。

2 危巖失穩(wěn)模式

危巖體失穩(wěn)模式即破壞模式，是危巖體穩(wěn)定性及治理研究的基礎(chǔ)。由于研究區(qū)域、分類角度的不同，危巖體失穩(wěn)模式存在著多種分類方案。

日本的山田剛二等［6］按地質(zhì)情況(主要是按危巖體的物質(zhì)組成)，將危巖失穩(wěn)劃分為崩積土崩塌、表層土崩塌、沉積土崩塌和基巖崩塌，同時又從危巖體崩塌失穩(wěn)的運動模式分為坍塌型和滑走型。

張倬元等［7］按危巖體的控制條件及失穩(wěn)機理將危巖體分為貼坡式、懸掛式、孤立式、板裂式、碎裂式、砌塊式和軟弱基座式7個基本類型。

陳洪凱等［8］從危巖體破壞的力學(xué)機理出發(fā)，將危巖體分為滑塌式危巖、墜落式危巖和傾倒式危巖(見圖1)，對于滑塌式危巖主要考慮壓剪作用下沿著主控結(jié)構(gòu)面滑移變形問題;對于墜落式危巖主要考慮巖體在自重等作用下受拉破壞的問題;而對于傾倒式危巖主要關(guān)注其在荷載作用下端部與臨空面交點處抗傾穩(wěn)定性問題。該分類方案突顯了危巖的幾何形態(tài)、清晰了危巖主控結(jié)構(gòu)面的受力機理，該分類系統(tǒng)簡明，便于對危巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分析與計算，以及選擇合理的治理方案，具有較好的參考價值。

3 危巖穩(wěn)定狀態(tài)分析方法

危巖發(fā)生破壞失穩(wěn)是一種復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害過程，由于危巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和物質(zhì)組成的不同，造成邊坡破壞具有不同模式。對于不同的破壞模式采用不同的分析方法及計算公式來分析其穩(wěn)定狀態(tài)。

危巖體穩(wěn)定性分析方法主要有定性分析方法、極限平衡法、數(shù)值分析法和不確定性分析方法四類。定性方法主要有歷史成因分析法、工程地質(zhì)類比法和赤平投影圖解法等;極限平衡法主要有剛體極限平衡法、Sarma法等;數(shù)值分析法主要有有限元FEM法、邊界元BEM法、離散元DEM法等;不確定性分析方法主要有灰色聚類法、比較識別法、可靠度分析法、時序分析法等。

劉建東等［9］采用赤平投影圖解法分析某電廠高100 m以上裂隙巖體邊坡的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面及潛在破壞模式，統(tǒng)計巖體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢中心，有效地評估了該邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。陳洪凱等［10］根據(jù)危巖失穩(wěn)模式分類及其具體工程特點，采用極限平衡法，利用滑移破壞面上的抗滑力(矩)與滑動力(矩)之比即穩(wěn)定系數(shù)作為判定危巖體的穩(wěn)定性指標(biāo)，能較準(zhǔn)確地評定危巖的穩(wěn)定狀態(tài)［1］。白永健等［11］利用3DEC數(shù)值模擬軟件，模擬了邊坡開挖后坡體變形特征。數(shù)值模擬結(jié)果表明，邊坡淺表層塊體以及控制性塊體穩(wěn)定性較差。謝全敏［12］采用了可靠度分析法(蒙特卡羅邊界法)。并將此方法應(yīng)用于清紅電站Ⅴ號危巖塊體的計算和穩(wěn)定性評價，其結(jié)果與實際監(jiān)測成果基本吻合。

4 危巖狀態(tài)測試與評估技術(shù)

山區(qū)鐵路和公路沿線的危巖造成的崩塌落石已經(jīng)成為一種危害比較嚴(yán)重的災(zāi)害，嚴(yán)重威脅公路及沿線的生命財產(chǎn)安全。由于其災(zāi)害的發(fā)生具有突發(fā)性和毀滅性等特點，因此對鐵路和公路沿線可能造成崩塌落石的山區(qū)進(jìn)行測試評估非常關(guān)鍵。

目前我國還沒有對鐵路和公路交通沿線危巖安全評估技術(shù)進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，也沒有修訂交通線路上危巖狀態(tài)測試與評估的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。目前鐵路沿線危巖的評估工作主要是引進(jìn)國外的一些方法或現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。但是實際上，危巖狀態(tài)測試和評估不僅僅是檢查危巖是否符合標(biāo)準(zhǔn)，而是應(yīng)該評價該鐵路和公路沿線危巖穩(wěn)定狀態(tài)是否能為道路使用者提供安全的行車環(huán)境。目前，危巖狀態(tài)測試與評估技術(shù)主要有以下幾方面。

4.1 人工觀測

我國鐵路系統(tǒng)危巖、孤石的檢測很長一段時間是靠一線人員的巡山調(diào)查，建立巡查制度，對危險區(qū)段的危巖、孤石進(jìn)行逐一編號、登記、造冊，設(shè)置警示標(biāo)識，然后定期定點進(jìn)行重點檢查，密切關(guān)注變化動向，確定采取的防治措施;對無法直接觀測的裂縫危巖體，有時甚至采用定點、定專人、定工具，用探測法分析判斷裂縫變化，確定危巖危石的危險程度;尤其是汛期鐵路的行車安全，對于確定為危險處所的地段，鐵路部門往往配備固定人員進(jìn)行全天候看守和監(jiān)視(見圖2)。其調(diào)查一般覆蓋面廣，但較籠統(tǒng)。其對危巖評定的依據(jù)大多根據(jù)目測結(jié)果，對危巖大小、形態(tài)、背后裂縫狀態(tài)、地區(qū)條件、風(fēng)化狀態(tài)等進(jìn)行綜合判定，往往帶有較大的主觀性。

4.2 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測法

4.2.1 光纖傳感變形監(jiān)測法

危巖失穩(wěn)是一個緩慢的累積過程，內(nèi)部變形逐步擴大，到達(dá)一定極限時，可能在外界雨水、地震等作用下瞬間發(fā)現(xiàn)滑坡等災(zāi)害，因此實施在線的、長期的危巖內(nèi)部變形監(jiān)測，了解內(nèi)部變形的走勢和規(guī)律，對危巖失穩(wěn)發(fā)展過程有著重大意義。近年來，逐漸采用光纖光柵傳感技術(shù)實時監(jiān)測危巖變形［13－14］，將光纖光柵等間距布置于類似于測斜管的柔性變形桿上，利用桿隨坡體彎曲變形產(chǎn)生的表面應(yīng)變，來反推桿的變形，從而對變形實時監(jiān)控。目前國內(nèi)關(guān)于光纖光柵坡面位移監(jiān)測的研究及工程應(yīng)用很少，暫沒有成熟的專門用于坡面位移監(jiān)測的光纖光柵傳感器。

4.2.2 錨桿應(yīng)力監(jiān)測法

危巖體內(nèi)部應(yīng)力變化也是衡量危巖狀態(tài)發(fā)展的重要。因為在地質(zhì)體變形的過程中必定伴隨著其內(nèi)部應(yīng)力的變化，所以監(jiān)測危巖體內(nèi)應(yīng)力的變化對衡量危巖穩(wěn)定狀態(tài)十分必要。常用于危巖內(nèi)部應(yīng)力變化監(jiān)測的儀器是錨桿應(yīng)力計。國內(nèi)外關(guān)于錨桿應(yīng)力測量的研究很多，從機械式、振弦式到光纖傳感類，監(jiān)測手段和方法創(chuàng)新不斷［15］，但我國直接應(yīng)用錨桿實時監(jiān)測危巖應(yīng)力變化的時間并不長，主要是先進(jìn)行巖質(zhì)邊坡蠕變與錨桿預(yù)應(yīng)力損失耦合效應(yīng)分析，再根據(jù)坡體內(nèi)錨桿預(yù)應(yīng)力損失變化規(guī)律達(dá)到推測坡體應(yīng)力變化的目的［16］。

4.3 電磁場差異探測法

工程物探法是目前解決工程地質(zhì)問題中常用的方法。工程物探法中的瞬變電磁法在危巖裂縫檢測中應(yīng)用較為廣泛。其原理是危巖斷裂產(chǎn)生瞬態(tài)的磁場引起巖體內(nèi)部形成渦流，渦流隨時間的推移不斷向巖體內(nèi)部擴散，通過磁場變化率dB/dT來計算不同裂隙發(fā)育程度危巖的電阻率，從而達(dá)到探明裂縫發(fā)育程度的目的［17］。

4.4 激光掃描技術(shù)

近些年鐵路工務(wù)部門采取了一些先進(jìn)的手段進(jìn)行危巖的檢測。采用車載激光掃描設(shè)備，對鐵路沿線兩側(cè)的危巖進(jìn)行定期掃描(見圖3)，快速獲取危巖體點云特征，非接觸得到所需的高陡斜坡危巖體幾何與地質(zhì)信息，包括危巖體定位，體積量測及節(jié)理裂隙統(tǒng)計等，可獲取傳統(tǒng)方法無法取得的成果［18］。但該技術(shù)還需進(jìn)一步改進(jìn)，對于一些對激光反射不敏感的實體(雨水和植被等)，易出現(xiàn)掃描盲區(qū)，并且易受到霧氣的影響，使掃描效果有所降低。這種方法掃描的精度有限。

4.5 振動特性測評法

隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外開始采用先進(jìn)的檢測手段進(jìn)行危巖的振動檢測，通過分析同一振動環(huán)境中不同穩(wěn)定狀態(tài)危巖體的振動差異，以及危巖與基巖的振動差異，初步形成了基于振動特性的危巖穩(wěn)定狀態(tài)評價新方法，為鐵路列車的安全運營提供新的預(yù)警手段。

在國內(nèi)，西南交通大學(xué)的李秉生等［19］對結(jié)構(gòu)條件振動效應(yīng)與鐵路巖質(zhì)邊坡振動機理進(jìn)行了探索性的研究，結(jié)果表明在列車振動激勵下，不同結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡振動響應(yīng)的強烈程度存在差異性，證實了巖體不同的結(jié)構(gòu)面類型會對其振動響應(yīng)產(chǎn)生影響。課題組通過建立墜落式危巖振動特性室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ?見圖4)，獲取不同穩(wěn)定狀態(tài)下危巖體試塊振動特性。試驗結(jié)果表明，隨著危巖體試塊與基巖粘結(jié)面積的增加(粘結(jié)面積分別為危巖體試塊面積的12.5% ，25% ，37.5% 和50% ，粘結(jié)面積越大危巖體試塊的穩(wěn)定性越好)，危巖體卓越頻率和阻尼比隨之增加，危巖體與基巖的RSM加速度振幅比隨之減小，說明危巖穩(wěn)定性與卓越頻率、阻尼比和危巖體與基巖的RMS加速度振幅比存在一定對應(yīng)關(guān)系。

在國外，日本鐵道綜合研究所應(yīng)用巖盤斜面檢測系統(tǒng)對不穩(wěn)定危巖體和穩(wěn)定基巖在無外界激勵作用下進(jìn)行同步微振動的檢測，發(fā)現(xiàn)危巖體上檢測到的微振動在頻域上出現(xiàn)多個峰值且幅值較大，而基巖上檢測到的振動峰值少且幅值較小。在時域上危巖體振動波動大，而基巖上的振動波動小且時域曲線趨近于零線(見圖5);緒方健治等進(jìn)一步驗證了利用振動特性判斷落石危險度的可行性，但是沒有提出危巖落石危險度的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 危巖體試塊振動特性測試

圖5 危巖體與基巖的振動差異性

5 危巖落石整治

由于危巖受多種致災(zāi)因子共同作用，危巖治理屬于一個系統(tǒng)工程，應(yīng)在充分調(diào)查分析其發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境的基礎(chǔ)上，采用清除、攔擋、支撐、錨固等一種或幾種方法進(jìn)行有效治理，同時要加強排水和監(jiān)測工作。

5.1 清除危巖

對節(jié)理發(fā)育，結(jié)構(gòu)破碎，與母巖嚴(yán)重脫離的孤石采取人工清除的措施。通常的方法有風(fēng)槍鑿巖、人工鑿石、靜態(tài)爆破等。對于大型危巖體，常采用淺孔松動爆破。但爆破清除危巖體過程中，致使危巖體穩(wěn)定性劣化，加劇了下覆危巖的危險性。

5.2 主動防護(hù)

主動防護(hù)是對危巖單體進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)防治避免其發(fā)生失穩(wěn)的技術(shù)，包括支撐、錨固、灌漿、封填及排水等技術(shù)。由于危巖單體有多條卸荷裂縫發(fā)育且寬度較寬，錨固的長度、錨固位置不好確定，錨固效果也不易確定［20］。

5.3 被動防護(hù)

被動防護(hù)是對可能失穩(wěn)的危巖單體或群體進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)防治避免造成災(zāi)害的防治技術(shù)，包括攔石墻、攔石柵欄、遮擋防護(hù)、SNS被動防護(hù)網(wǎng)及森林防護(hù)等。對零星的小規(guī)模崩塌落石可采用這種方法處理。如坡(堆)積層危巖落石采用此方法治理效果顯著，但對大規(guī)模的崩塌落石效果不明顯［21］。

5.4 聯(lián)合防治法

危巖防治是個復(fù)雜的工程，采用單一的方法難以取得滿意的防治效果，因此，在危巖防治技術(shù)發(fā)展中，產(chǎn)生了主動—被動聯(lián)合防治法，主動—被動聯(lián)合防治法主要包括錨固—攔擋聯(lián)合法和錨固—支撐聯(lián)合法，聯(lián)合防治法在危巖落石治理中取得了良好效果［22］。

6 存在的問題及展望

6.1 存在的問題

1)危巖所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，由于形成機制不同，不同類型的危巖體邊界條件不易查明，地質(zhì)參數(shù)亦不易獲取，對其穩(wěn)定分析的結(jié)論往往不夠準(zhǔn)確。

2)我國鐵路危巖檢測方法依靠一線工作人員的經(jīng)驗判斷，帶有一定的主觀性，而近期采用的先進(jìn)檢測手段存在精度較低、費用較高、不具普遍適用的特點。

3)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、激光掃描和電磁場差異探測等方法在危巖穩(wěn)定狀態(tài)評價中應(yīng)用時，一方面由于受到儀器精度、測量方法和測試條件等限制，測試結(jié)果存在較大的誤差;另一方面，利用這些方法獲得的指標(biāo)沒有形成與危巖體穩(wěn)定性一一對應(yīng)的關(guān)系，現(xiàn)階段往往只是利用這些指標(biāo)粗略評估危巖的穩(wěn)定狀態(tài)。

4)國內(nèi)外對危巖振動特性進(jìn)行了一定的研究，并且提出了利用危巖振動特性進(jìn)行危巖穩(wěn)定狀態(tài)評價的新方法，但該研究尚處于起步階段，未形成多種穩(wěn)固狀態(tài)下危巖振動特性理論分析體系，也未提出系統(tǒng)的危巖評價標(biāo)準(zhǔn)。

5)危巖落石破壞的個體差異性強，還有較多的不利因素尚未被人們完全認(rèn)識，目前工程界對危巖落石的治理設(shè)計偏于保守。

6.2 展望

中國公路和鐵路已進(jìn)入客運高速和貨運重載時代，給日常生活帶來方便的同時也增加了行車的風(fēng)險。車輛的運行速度如此之快，公路和鐵路沿線大量危巖落石嚴(yán)重威脅著行車安全。因此，如何對公路和鐵路沿線不同穩(wěn)固狀態(tài)的危巖進(jìn)行準(zhǔn)確有效評估，特別是對已經(jīng)處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)的危巖進(jìn)行準(zhǔn)確判斷并提出相應(yīng)的有效防治措施是當(dāng)前山區(qū)交通工程項目面臨的重要課題。

研究危巖不同穩(wěn)固狀態(tài)下有效評價指標(biāo)體系，形成非接觸的、不干擾工程建設(shè)及公路鐵路運營的、便于操作的危巖檢測方法，并進(jìn)一步形成系統(tǒng)的危巖穩(wěn)固狀態(tài)評價技術(shù)，是山區(qū)公路鐵路運營安全亟待解決的問題。非接觸檢測技術(shù)在我國公路和鐵路運營中成功的應(yīng)用不僅具有工程實際意義，還具有較大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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Assessment method of stability of dangerous rocks

YAO Guozhuan1，2，CAI Degou2，3，YAN Hongye2，3，CHEN Feng2，3，ZHANG Qianli2，3
(1.College of Resource and Environmental Engineering，Guizhou University，Guiyang Guizhou 550025，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High－speed Railway，Beijing 100081，China; 3.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Dangerous rocks is one of the major geological hazard for railway and highway.The paper systematically summarized the domestic and foreign researches on assessment method of stability of dangerous rocks from four perspectives including stability，analysis approaches，status evaluation and treatment.It studies the application of manual observation，stress and strain monitor，differential detection on electromagnetic field and laser scanning in stability analysis of dangerous rocks，pointing out the visible error occurred due to the limitation posed by equipment precision，measurement approaches and environmental conditions.On this basis，the paper works out a new method based on vibration characteristics for stability analysis，which by making use of a non－contact means of detection enjoys great application prospect in both railways and highways.

Dangerous rocks;Stability;T esting technique;Assessment method

P642.22;U213.1+3

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.27

(責(zé)任審編 葛全紅)

1003－1995(2015)10－0126－06

2015－09－05;

2015－09－12

中國鐵路總公司鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心科研項目(J2014G006);中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2014Z003－A，2014Z003－B，2014Z003－D);中國鐵道科學(xué)研究院基金項目(2013Y024)

姚國專(1989—)，男，碩士研究生。