中巴公路陡崖塊狀危巖群體崩塌前兆特征

納曼·麥麥提, 米紅林

(1.喀什大學(xué)土木工程學(xué)院，喀什 844006；2.南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所，南京 210009)

中巴公路具有典型的新疆干旱氣候[1]，這引起了諸多學(xué)者重點(diǎn)研究該區(qū)域頻發(fā)的泥石流[2-4]和滑坡[5-6]等不良地質(zhì)現(xiàn)象，也有學(xué)者從冰川運(yùn)動(dòng)特征[7-8]總結(jié)一定的災(zāi)害根源，而少有的中巴公路兩側(cè)危巖群體穩(wěn)定性研究中還是以地震作用為主[9]，幾乎沒有從多個(gè)因素發(fā)起研究的先例。

喀喇昆侖(中巴)公路位于中國最西邊，由于該區(qū)域頻發(fā)地震，路兩側(cè)陡崖危巖經(jīng)常出現(xiàn)群體崩塌，實(shí)地勘察發(fā)現(xiàn)塊狀危巖尤其突出，而這區(qū)域陡崖塊狀危巖體具有模式多種多樣、崩塌次數(shù)比較頻繁、災(zāi)害范圍大的特點(diǎn)。塊狀危巖崩塌是巖石力學(xué)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一，過去對(duì)危巖的理論研究較多[10-11]，也有一些數(shù)值模擬計(jì)算[12]，但是缺乏模式試驗(yàn)研究以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算和理論分析的合理性。危巖體失穩(wěn)研究中判定其失穩(wěn)破壞模式很關(guān)鍵[13]，抓住失穩(wěn)破壞模式后通過實(shí)驗(yàn)分析再確定其內(nèi)在的形成因素、運(yùn)動(dòng)特征[14]，最后才提供一定的治理措施是研究危巖群體的典型方法。

沿著G314國道(中巴公路中國段)分別在奧依塔克鎮(zhèn)、烏紅線急彎處和快到布倫口湖前阿克朗木開展了詳細(xì)考察和取樣(圖1)，通過實(shí)際觀察(圖2)，抓住中巴公路典型的陡崖段以及危巖體形狀、處勢(shì)、地質(zhì)地貌因素，基于前期準(zhǔn)備的小型振動(dòng)臺(tái)模型進(jìn)行了塊狀危巖群體崩塌模擬研究，重點(diǎn)探討該區(qū)域危巖體失穩(wěn)破壞模式的主要內(nèi)部形成因素以及崩塌出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)前兆特征，填補(bǔ)了國家“一帶一路”倡議下中巴(喀喇昆侖)公路段危巖堆積體失穩(wěn)的地質(zhì)災(zāi)害研究的空缺并給中巴公路的養(yǎng)護(hù)及維修提供一定的預(yù)告標(biāo)志。

圖1 考察和取樣點(diǎn)分布Fig.1 Investigate and sample point distribution

圖2 陡崖危巖體Fig.2 The cliffy lumpy perilous rocks

1 模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

開展的振動(dòng)模型試驗(yàn)均是利用南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所研制的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)和筆者手工制作的振動(dòng)平面臺(tái)，振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)由動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及支撐導(dǎo)向系統(tǒng)等組成。動(dòng)力系統(tǒng)采用的是已有氣壓動(dòng)力源系統(tǒng)；控制系統(tǒng)則由WFI動(dòng)三軸系統(tǒng)中的IPO控制器與已有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(CDAS)等設(shè)備改進(jìn)和組裝而成的；其中支撐導(dǎo)向系統(tǒng)包括振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面、連接裝備、精密導(dǎo)軌和限位裝置等。

振動(dòng)臺(tái)面擴(kuò)展完后，在這里還手工制作長(zhǎng)寬為398 mm×598 mm、厚度為10 mm的有機(jī)玻璃底板，將其套在原有的塊狀剪切模型箱位置。制作長(zhǎng)寬為300 mm×600 mm、厚度為20 mm的有機(jī)玻璃板作為建立危巖群體堆積體支撐擋板，兩個(gè)有機(jī)玻璃板以活頁進(jìn)行連接。為了避免振動(dòng)導(dǎo)致有機(jī)玻璃支撐轉(zhuǎn)板出現(xiàn)松動(dòng)，導(dǎo)致試驗(yàn)裝置破壞，用定長(zhǎng)的兩根空心鋼管從后側(cè)對(duì)有機(jī)玻璃轉(zhuǎn)板做了支撐固定，將有機(jī)玻璃裝置套在原有振動(dòng)臺(tái)模型箱位置，以實(shí)現(xiàn)塊狀危巖群體所處環(huán)境，如圖3所示。

圖3 振動(dòng)系統(tǒng)和改裝后臺(tái)Fig.3 Model frame and the shaking table

改裝后的系統(tǒng)能夠較好地傳達(dá)地震效應(yīng)，支撐體系設(shè)計(jì)合理, 消除了邊界地震波的反射和散射效應(yīng)而且臺(tái)面均勻度良好尺寸比較合理, 試運(yùn)行顯示非主振方向分量值小，試驗(yàn)過程中能控制位移并方便地實(shí)現(xiàn)地震效應(yīng)，信號(hào)調(diào)理變換器設(shè)計(jì)合理，試驗(yàn)過程中各類傳感器、信號(hào)調(diào)理器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠協(xié)同工作。

2 試驗(yàn)方案和研究方法

試探性試驗(yàn)階段筆者通過各種巖塊群體堆積方式，不同的堆積高度和堆積傾斜角，用各種頻率和振幅組合來進(jìn)行調(diào)試和試探。試探過程發(fā)現(xiàn)當(dāng)危巖群體堆積高度在30 cm左右(3 cm塊體堆積10層)，振動(dòng)強(qiáng)度取0.1g以及堆積傾斜角在90°調(diào)動(dòng)時(shí)模型試驗(yàn)運(yùn)行的比較穩(wěn)定，更具有陡崖塊狀危巖群體代表性。因此，將塊體邊長(zhǎng)為3 cm，塊狀群體高度為30 cm，節(jié)理傾角為90°以及振動(dòng)強(qiáng)度為0.1g的試驗(yàn)方案為基本方案，列出了本次模型試驗(yàn)方案，如表1。

表1 模型試驗(yàn)方案

以下的方案組合表明模型試驗(yàn)將重點(diǎn)研究調(diào)動(dòng)以上提出的四大因素，控制住三個(gè)因素(不變參數(shù))的同時(shí)改變第四個(gè)因素(可變參數(shù))，這樣研究可變參數(shù)對(duì)塊狀危巖群體破壞的影響，總共進(jìn)行11組試驗(yàn)。

3 四大因素的影響

初步通過觀察危巖群體崩塌破壞過程的連續(xù)截圖以及崩塌過程中立方體塊體位移變化快慢、塊體出現(xiàn)崩塌時(shí)候的瞬間截圖進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)當(dāng)危巖群體發(fā)生崩塌破壞的時(shí)候崩塌塊體的位移變化速率會(huì)發(fā)生明顯的改變，而其他的改變量則很難或者無法體現(xiàn)出危巖已經(jīng)發(fā)生了崩塌，如圖4，分析認(rèn)為最早出現(xiàn)較大位移的塊體橫向和豎向位移情況可以比較準(zhǔn)確地反映塊體有無出現(xiàn)崩塌破壞，因此在這里將利用監(jiān)測(cè)得到的危巖塊體的豎橫向位移來說明危巖的崩塌情況，以及對(duì)此進(jìn)行各個(gè)因素影響分析。

3.1 危巖群體危巖塊度的影響

從試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)塊體尺寸越小崩塌破壞發(fā)生的時(shí)間越早，崩塌所用的時(shí)間越少，最終的崩塌覆蓋地面積越大。小尺寸塊體，即嚴(yán)重塊狀危巖體穩(wěn)定性表現(xiàn)得極其脆弱，振動(dòng)開始那瞬間出現(xiàn)大規(guī)模塌落，幾乎沒有孤立式塊體滾落，崩塌覆蓋地面積也較大，總體崩塌模式接近于土質(zhì)邊坡滑塌狀況，中度塊狀危巖體崩塌時(shí)既有局部塊體崩落，也有瞬間出現(xiàn)部分塊體堆拋射塌落，大尺寸塊體，即輕度塊狀危巖體具有較大的穩(wěn)定性，崩塌開始時(shí)間較遲，所用時(shí)間也較長(zhǎng)，崩塌時(shí)多為個(gè)別塊體孤立式滾動(dòng)，大規(guī)模塌落較少。

從圖5中不難可看出當(dāng)立方體塊體邊長(zhǎng)為1.5 cm時(shí)，橫向位移曲線1.5 s時(shí)間點(diǎn)開始明顯斜率突變，而對(duì)應(yīng)的豎向位移曲線也出現(xiàn)拐點(diǎn)。因此可以認(rèn)為塊體1.5 s時(shí)發(fā)生了崩塌。當(dāng)立方體塊體邊長(zhǎng)為3 cm時(shí)，橫向位移曲線2.5 s時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)了拐點(diǎn)，豎向位移發(fā)生了急速的增大，可以說明2.5 s時(shí)塊體發(fā)生了崩塌。而當(dāng)立方體塊體邊長(zhǎng)為5 cm時(shí)，橫向位移曲線4.5 s時(shí)間點(diǎn)才出現(xiàn)了豎向位移突然增大，同時(shí)橫向位移快速變化的拐點(diǎn)，因此取4.5 s時(shí)間點(diǎn)為崩塌開始點(diǎn)。

圖4 巖塊崩塌連續(xù)圖Fig.4 Continuous pictures of rock blocks

圖5 不同塊度時(shí)間-橫豎向位移曲線Fig.5 Time-horizontal,vertical displacement curves of different blocks

從以上解說和分析可知當(dāng)塊體邊長(zhǎng)從5 cm到3 cm再到1.5 cm的過程當(dāng)中塊體的發(fā)生崩塌時(shí)間也從4.5～2.5 s再到1.5 s，隨著塊體尺寸變小崩塌開始時(shí)間逐漸的前移，這說明危巖群體危巖塊度越嚴(yán)重，越容易發(fā)生崩塌。因此，實(shí)際工程中治理巖質(zhì)邊坡時(shí)檢測(cè)和評(píng)價(jià)危巖體危巖塊度是一項(xiàng)必要的工作。

圖6 不同危巖體高度時(shí)間-橫豎向位移曲線Fig.6 The time-horizontal,vertical displacement values under different rock mass heights

3.2 危巖群體高度的影響

觀察可知隨著危巖體高度越高越容易發(fā)生崩塌，崩塌開始越早所用時(shí)間越短，崩塌面積越大，崩塌塊體墜落面積越大。

通過檢測(cè)數(shù)據(jù)處理和崩塌時(shí)間-位移曲線的繪制,如圖6，很容易就可以看出3 cm邊長(zhǎng)立體堆積高度為27、30、33、36 cm時(shí)，豎向位移出現(xiàn)急速增加的時(shí)間點(diǎn)分別為2.8、2.6、2.3、2.0 s，出現(xiàn)了微小的前移。從總體趨勢(shì)出發(fā)來講危巖群體高度對(duì)崩塌開始時(shí)間點(diǎn)的變化比較小，既當(dāng)危巖群體高度從27 cm增到30 cm時(shí)，增大了1/9高度，而崩塌開始時(shí)間點(diǎn)只前移了0.2 s，是1/14時(shí)間。所以，可以總結(jié)為隨著危巖群體高度增加崩塌時(shí)間是越來越早，但是變化量相對(duì)來講不是太大。

3.3 地震強(qiáng)度(外力)的影響

從時(shí)間-位移曲線(圖7)中比較明顯地看出來隨著振動(dòng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，危巖群體崩塌開始時(shí)間點(diǎn)明顯前移，振動(dòng)越強(qiáng)危巖群體越容易發(fā)生崩塌破壞，這也是符合邏輯。不過，人類也很難有辦法控制大地發(fā)生的地震強(qiáng)度，本項(xiàng)試驗(yàn)主要還是試探地震強(qiáng)度的變化對(duì)崩塌的影響有多大。

圖7 不同外力崩塌塊體時(shí)間-位移曲線Fig.7 Time-displacement angle curve under different external forces

3.4 節(jié)理傾角大小的影響

通過觀察發(fā)現(xiàn)90°和80°節(jié)理傾角跟70°和60°節(jié)理傾角群體破壞模式上確實(shí)存在比較大的不同。90°和80°節(jié)理傾角是非常明顯的陡崖型，這使塊體重力方向幾乎處于垂直向下，這樣重力對(duì)塊體穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)大大減小，破壞時(shí)一般以群體崩塌為主,而60°和70°這兩種節(jié)理傾角使塊體重力偏向危巖體母體方向，從重力給塊體分出了一個(gè)拉力，拉著塊體不容易離開危巖體而塌落，一般出現(xiàn)上部群體在節(jié)理傾角處發(fā)生滑動(dòng)破壞，更像是巖質(zhì)邊坡滑動(dòng)破壞模式。

用錄像過程檢測(cè)數(shù)據(jù)，繪制節(jié)理傾角不同時(shí)的崩塌時(shí)間-位移曲線如圖8所示?？梢钥闯鲭S著節(jié)理傾角的變小，崩塌破壞開始時(shí)間出現(xiàn)得越遲，90°和80°節(jié)理傾角明顯證明了陡崖塊狀巖體的危險(xiǎn)性，而60°和70°這兩種節(jié)理傾角更具有穩(wěn)定性，實(shí)際過程的破壞模式也是更偏向巖質(zhì)邊坡滑動(dòng)破壞。通過檢測(cè)數(shù)據(jù)和曲線就可以看出陡崖性最強(qiáng)的垂直節(jié)理傾角直接導(dǎo)致危巖體處在一種極限臨界狀態(tài)，只要受到很小的水平推動(dòng)力就塌倒。因此，實(shí)際工程中如果多種節(jié)理同時(shí)存在時(shí)，90°節(jié)理傾角是最危險(xiǎn)的，務(wù)必要進(jìn)行治理，否則很容易就導(dǎo)致巖體發(fā)生裂開崩塌，而且倒塌面積非常之大。

圖8 不同節(jié)理傾角大小下塊體時(shí)間-位移曲線Fig.8 Time-displacement angle curve under different joint angles

除此之外，從數(shù)據(jù)表和崩塌時(shí)間-位移圖可以看出當(dāng)節(jié)理傾角大小分別為60°、70°和80°時(shí)對(duì)應(yīng)的豎向位移突然快速增大的時(shí)間點(diǎn)分別為3.6、3、2.6 s。這表明隨著節(jié)理傾角的逐漸變大崩塌出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)越來越早，危巖群體越容易發(fā)生崩塌。節(jié)理傾角越大崩塌帶動(dòng)的塊體數(shù)量越多，90°節(jié)理甚至帶動(dòng)很多的塊體一下子發(fā)生崩塌，這說明實(shí)際工程當(dāng)中必須要對(duì)危巖體存在的節(jié)理進(jìn)行仔細(xì)的勘察，找出最大的節(jié)理傾角，并且對(duì)此進(jìn)行全面的治理。

4 結(jié)論

(1)通過手工制作的振動(dòng)平面臺(tái)給小型危巖堆積體產(chǎn)生地震效應(yīng)，進(jìn)行堆積體傾角、尺寸等因素的變化是可行的，位移角是判定塊體是否失穩(wěn)的重要依據(jù)之一。

(2)隨著危巖群體塊度的變小，塊體群體越容易發(fā)生崩塌，危巖塊度是評(píng)價(jià)危巖體的一個(gè)重要指標(biāo)；隨著節(jié)理傾角的變大，危巖體表現(xiàn)越來越不穩(wěn)，90°特殊垂直節(jié)理傾角表現(xiàn)的非常脆弱不穩(wěn)，崩塌面積非常之大，實(shí)際工程中務(wù)必要進(jìn)行治理；危巖體群體高度越高群體越容易發(fā)生崩塌，實(shí)際工程中可以使危巖體推平減少高度，以達(dá)到降低危險(xiǎn)程度；地震強(qiáng)度越強(qiáng)烈危巖體越容易發(fā)生崩塌，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)發(fā)生的崩塌面積就越大，高頻率地震區(qū)可以提前做好準(zhǔn)備，以將損失降到最低限。

(3)危巖體崩塌并不是塊體一直偏離而脫離，而是在振動(dòng)效應(yīng)下在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，位移一會(huì)兒變大一會(huì)兒變小，通過能量累計(jì)使位移達(dá)到一定的值才出現(xiàn)脫離而崩塌；崩塌總體一般在危巖體1/3～1/2高度以上，之下幾乎不發(fā)生崩塌，而危巖體達(dá)到平衡狀態(tài)，因此，實(shí)際工程可以重點(diǎn)控制1/2高度的錨固處理。

(4)塊狀危巖群體臨界態(tài)巖柱傾倒角證明危巖體越高，塊度越小或者振動(dòng)越強(qiáng)傾倒角均是越小，越容易發(fā)生崩塌破壞；節(jié)理傾倒角從90°減到70°時(shí)使群體破壞模式從群體崩塌轉(zhuǎn)為群體滑動(dòng)破壞模式，更像是巖質(zhì)邊坡滑動(dòng)加滾動(dòng)破壞。90°節(jié)理傾角體現(xiàn)了其嚴(yán)重的危險(xiǎn)性，也是典型的陡崖危巖，實(shí)際工程中必須要加強(qiáng)對(duì)其進(jìn)行全面安全評(píng)估和防治崩塌破壞，以減小損失。