危巖穩(wěn)定性分析方法

冷繼偉

摘要：危巖是指在長期重力、地表風化、滲透壓力等因素影響下，位于陡崖、斜坡上具有崩塌、墜落等不穩(wěn)定因素的巖石塊體。危巖體通常存在于懸崖峭壁和高陡邊坡之上，由于受外力影響，其失穩(wěn)、高速墜落而形成崩塌，是常見的地質(zhì)災害之一，以山區(qū)受害最為嚴重，且災害頻發(fā)，每年都會造成重大經(jīng)濟損失和人員傷亡，因此，定量評價危巖穩(wěn)定性以及科學分析其穩(wěn)定狀態(tài)，從而提供危巖防治的科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：危巖；穩(wěn)定性分析；防治原理

一、 我國危巖研究現(xiàn)狀

危巖崩塌、山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災害時有發(fā)生，災害多發(fā)地區(qū)集中分布在15個地區(qū)，受災面積達173萬平方公里，尤其是公路、鐵路等線狀工程受害最為嚴重。由于災害發(fā)生具有隱蔽性強、受災面廣、受災點多等特點，給公路、鐵路沿線沿線帶來嚴重的生命及財產(chǎn)安全威脅[1]。

鐵道部門自上世紀中期加大對鐵路沿線危巖的重視，危巖研究也成為重點研究對象，國內(nèi)專家在這方面的研究也取得十分顯著的成果，結(jié)合危巖特性，根據(jù)地質(zhì)情況、路面情況對危巖風險水平作出評估。當然，由于危巖體屬于邊坡工程研究的范疇，遵循邊坡工程的學科體系，所以對危巖體的研究必須要按邊坡工程研究的套路進行，對多種學科進行滲透、結(jié)合，除了數(shù)學、巖土力學、工程力學、工程地質(zhì)學等學科以外，還要結(jié)合巖土工程測試技術(shù)、計算機仿真等技術(shù)，我們雖然取得令人矚目的豐碩成果，但還有很多實際的問題急需解決。危巖體工程的地質(zhì)條件復雜、裂縫多、軟弱夾層相互交割，其破壞形式多種多樣，失穩(wěn)原因復雜性、隱蔽性給穩(wěn)定評估工作帶來極大困難，因此，對于危巖研究的力度和重視不容懈怠。

我國對危巖和崩塌地質(zhì)災害穩(wěn)定性的研究主要分三個階段：定性分析階段、理性認識階段、成熟穩(wěn)定階段。定性分析階段是指七十年代以前，對其研究僅僅停留在對危巖崩塌及其他地質(zhì)災害的定描述與識別的層面。第二個階段是七十年代到八十年代，對其認識從感性上升到理性，分類研究危巖、崩塌形成機制的主要特點，積極開展數(shù)值模擬和物理模擬，將重大地質(zhì)災害的變形破壞機制再現(xiàn)；第三個階段是指八十年代以后，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，實現(xiàn)了邊坡數(shù)值的模擬技術(shù)，利用計算機對邊坡開挖至破壞過程進行定量或者半定量地模擬，這已成為危巖、崩塌研究的新方向。另外，諸如信息論方法、系統(tǒng)論方法、模糊數(shù)學等理論也為半坡穩(wěn)定性研究注入新的生命力，開辟了更為廣闊的前景[2]。

二、 危巖類型

結(jié)合實際調(diào)查，根據(jù)危巖的幾何特征、邊界結(jié)構(gòu)面特征、巖體結(jié)構(gòu)特征、組合關(guān)系和特性，把危巖分為砌塊式、孤立式、軟弱基座式、楔塊式、傾倒式、懸掛式和貼坡式等七種基本的類型。危巖常存在于地形坡度較大的陡崖上，坡度越大越容易產(chǎn)生危巖[3]。

三、 影響危巖穩(wěn)定性的因素

危巖形成的條件復雜，影響其穩(wěn)定性的因素主要包括重力作用、地震作用、風化作用、降雨及地下水作用、植物根劈、河流沖擊切割及人為因素。

（一）重力作用

斜坡坡度、存在高度以及存在形態(tài)是危巖崩塌形成的必要條件，高山峽谷斷坡、沖溝溝壁、峭壁陡崖等特殊地式段是危巖崩塌高發(fā)區(qū)，由于危巖體自有的重力使其具有被吸引到地面的趨勢，當危巖體的整體平衡收到破壞時，危巖體就會崩塌。

（二） 降雨和地下水的作用

降雨和地下水的作用主要表現(xiàn)在危巖裂縫中降雨或地下水流動時產(chǎn)生的破壞危巖穩(wěn)定的靜、動水壓力和浮托力，破壞結(jié)構(gòu)面裂隙內(nèi)的充填物，破壞巖體，極大降低危巖體穩(wěn)定強度。

（三） 地震作用

作為突發(fā)性的地質(zhì)災害，地震帶來的影響主要有垂直地震作用力和水平地震作用力，強烈的震動會破壞巖體內(nèi)部各個結(jié)構(gòu)面的強度，釋放巖體內(nèi)部應力，導致巖體破碎、墜落。

四、 危巖穩(wěn)定性主要分析方法

危巖穩(wěn)定性的主要6類分析方法為：地質(zhì)分析方法、可靠度方法、靜力解析方法、模擬數(shù)值方法、模型試驗方法和比較識別方法。

（一） 地質(zhì)分析方法

這種分析方法的重點是對巖體結(jié)構(gòu)進行分析。危巖體的巖體結(jié)構(gòu)決定了巖體深部的抗滑穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)條件不同，巖體抗滑穩(wěn)定呈現(xiàn)出不同的規(guī)律和特點，這種分析方法的核心是就是對其抗滑穩(wěn)定性的分析，是定量分析巖體抗滑的基礎。在對巖體進行結(jié)構(gòu)圖解解析的實踐中，結(jié)合實際比例進行極射赤平投影進行分析的方法被廣泛采用。巖體的內(nèi)部不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)隨著某一部分結(jié)構(gòu)面拉開并沿著其他結(jié)構(gòu)面向臨空界面滑移造成巖體破壞。這說明具備邊界條件（臨空面、切割面等）才會造成巖體穩(wěn)定性的破壞。因此，判斷巖體穩(wěn)定性，可從分析巖體結(jié)構(gòu)要素明確是否具備巖體滑坡的條件進行入手。分析步驟可分如下：

第一，統(tǒng)計、研究和調(diào)整巖體結(jié)構(gòu)面的形態(tài)特征、結(jié)構(gòu)類型、巖體產(chǎn)狀。

第二，圖解分析巖體空間組合關(guān)系和各種結(jié)構(gòu)面以及立體形式，綜合以上分析對巖體穩(wěn)定性做出評價。

（二） 可靠度分析法

在大型工程中，在滿足基本相似條件下，用這種分析方法分析更能真實詳細地將地質(zhì)構(gòu)造和工程結(jié)構(gòu)的時間空間關(guān)系反映出來，施工過程以及影響因素會被更準確的模擬出來。但實際工程設計中，計算參數(shù)的不確定性一定要考慮在內(nèi)。

（三） 靜力解析方法

在假定巖體剛性滑移的前提下，利用剛體極限平衡計算法對巖體抗滑穩(wěn)定性系數(shù)進行計算，這種方法簡單可靠，便于工程實用。由于此法不能完全反映巖體內(nèi)部和滑移面上的應力，不能反映變形的真實分布情況，導致其獲得的穩(wěn)定性指標不能反映實際發(fā)生的情況。在實際工程操作中，以加大安全系數(shù)的方法確保萬無一失。這種方法雖然屬于定量但有一定程度的經(jīng)驗性，達不到完全定量的水平。

（四） 模擬數(shù)值方法

這種方法的常用模擬方法有離散元法、有限元法、非連續(xù)變形數(shù)值分析法、邊界元法等。

離散單元法式通過求解塊體集合體由于外力的作用塊體之間的運動過程及相互作用過程的方法，假設彈性力學的小變形，其理論基礎為虛功原理，討論對象為小變形問題。

有限元法開始于50年代中期，通過利用簡單的問題代替復雜的問題求解，這種數(shù)值計算簡單有效。其精髓在于把許多互聯(lián)子域組合成求解域，對各個單元假設一個適合的近似解，進而求解這個域應當滿足的條件，從而解決問題。

非連續(xù)變形數(shù)值法適用于研究巖體大變形及大位移問題，在分析位移和力的相互關(guān)系時，允許各個塊體的位移及變形，允許整個塊體系統(tǒng)中各塊體界面間張開或閉合。

邊界元法興起于七十年代，是格式較為特殊的一種加權(quán)余量法。

（五）模型試驗方法

這種方法可較為直觀地觀察滑移面的破壞過程，并可以參考其他方法。這種方法最基本的要求是模擬必須跟原型的線性尺寸成比例，荷載、材料條件與邊界條件都要相似。

（六） 比較識別方法

通過監(jiān)測資料對變形區(qū)域的空間位移矢量計算，與各種可能的變形破壞方式的變形特征以及位移關(guān)系式進行比較，達到辨識實際發(fā)生的變形破壞方式、變形過程和變形區(qū)域變化過程的目的。

結(jié)語：

危巖因其形成復雜性，風險隱蔽性及不確定性給防治工作帶來極大困難，國內(nèi)整治及防御措施主要以預防為主，綜合治理相輔，處于技術(shù)綜合運用的初級階段，結(jié)合實際，危巖防治技術(shù)為主動防治技術(shù)、被動防治技術(shù)及災害預警系統(tǒng)。

參考文獻：

[1]司濤，鄒喜國.丘陵山區(qū)危巖形成機制及穩(wěn)定性分析[J].科技資訊，2010，（25）：105.

[2]劉碩，劉明輝.河北某崩塌危巖穩(wěn)定性分析[J].價值工程，2013，（28）：118-119.

[3]劉衛(wèi)華，黃潤秋.危巖穩(wěn)定性定量評價研究[J].路基工程，2014，（6）：51-57.