堆积体边坡及危岩体稳定性分析

江文才,巫锡勇,2,孙春卫,肖星光,冯 亮

(1.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756；2.西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

在我国西南地区经济高速发展的进程中，高速铁路、公路等主干交通线路将大规模扩建或新建。西南地区的地形地貌主要为高山峡谷，受河流深切、风化、构造等因素的影响，在河谷两侧存在着大量的堆积体边坡和危岩体。往往一个边坡上同时存在欠稳定的危岩体以及危岩体失稳后形成的堆积体。为了避免受危岩落石及滑坡的影响，铁路或公路往往采用隧道或桥隧组合形式通过，但受线路走向及场地限制，许多隧道进出口的边仰坡高陡，地质条件恶劣，在雨水、地震等因素作用下会形成落石、崩塌、滑坡等地质灾害，对隧道及相邻的桥梁等结构及线路造成危害，影响运营[1-3]。而堆积体边坡其不同于常见的岩质边坡和土质边坡，它是一种具有不连续性、非均质性、各向异性等复杂特性的力学介质。这些特性决定了堆积体性质研究的复杂性[4-5]。因此，开展堆积体边坡稳定性、变形特征分析和应力变化分析至关重要。同时，在堆积体边坡上部往往存在裸露欠稳定的危岩体，而这些危岩体又是堆积体的主要物源，所以有必要在对堆积体边坡稳定性分析之前，先对危岩体的稳定性进行评价分析，并对危岩体失稳后形成的落石进行模拟分析，最终确定其是否对工程线路或隧道等造成影响，这样可为危岩落石和边坡防护工程提供决策依据，也可为今后类似坡体的变形破坏特征、稳定性分析评价与支护设计提供参考。

在危岩落石研究方面，国内外主要是对危岩落石灾害的危险性进行评价分级和分区[6-10]。美国和加拿大则分别建立了2套危岩落石评价分级系统，分别是加拿大国家铁路公司的危险性评价系统和美国联邦公路管理局的落石灾害危险性分级系统[11-14]。目前，在堆积体边坡研究方面，国内对于堆积体边坡的研究日渐增多。赵建军等[15]研究了堆积体变形特征；国外研究了堆积体边坡形成机理、水力效应、动力分析等并取得了一定的成果，促进了边坡稳定性评价方法的新发展。

本文以小三峡隧道中硐河两岸岸坡为例，通过野外调查，分析危岩体失稳后可能的影响范围。运用Rockfall软件对欠稳定的危岩体进行数值模拟，通过落石最终停止运动时的位置及其运动过程中的能量来判定危岩体失稳后是否对小三峡隧道产生影响。对危岩落石形成的堆积体边坡运用FLAC 3D软件进行边坡稳定性分析。

1 工程概况

在建的郑州—万州高速铁路小三峡隧道初步设计方案是以明洞方式通过中硐河河谷，后改为以隧道的方式从中硐河谷以下通过。

小三峡隧道位于重庆市奉节县和巫山县交界位置，拟建线路位于长江以北，长江支流大宁河以西，距沪渝高速公路摩天岭隧道以北约3～6 km，隧道线路全长 18 965 m，最大埋深890 m，线路整体呈弧形延展。小三峡隧道中硐河两岸山体为河流深切峡谷地貌，而且形成2～3级陡崖和平台，及坡积膏溶角砾岩堆积体地貌。其中，河流下方附近为膏溶角砾岩陡崖及其坡残积堆积体，山体上方陡崖为含石膏白云岩、白云质灰岩等。此外，中硐河处于隧道进口北西方向约4.8 km处深切河谷位置。

2 危岩落石数值模拟

通过野外调查及查阅相关资料，确定了小三峡隧道中硐河两岸的落石发育机理及影响范围，运用Rockfall软件对危岩落石进行数值模拟，通过落石回弹高度、总能量及落石最终停止运动时的位置来确定落石是否对小三峡隧道产生影响。另外，由于万州岸坡度较为陡峭，危岩体节理裂隙更为发育，堆积体更为庞大，故本文只对万州岸危岩落石及堆积体进行数值模拟，郑州岸可用相同的方法进行模拟分析。

根据小三峡隧道中硐河万州岸山体危岩落石发育机制、分布状态及其影响范围，选择对线路影响最大的2个危岩区1-1、2-2剖面进行Rockfall模拟分析。根据钻孔及野外勘探资料，确定地质界线、边坡坡面性质、危岩落石范围和落石特征。

2.1 剖面选取及参数选择

根据勘察资料及现场调查，剖面1-1边坡岩土体性状依次表现为灰岩夹白云岩—白云岩夹泥灰岩—膏溶角砾岩。剖面2-2边坡岩土体性状依次表现为白云岩夹泥灰岩—白云岩夹灰质白云岩—灰岩夹泥灰岩。

由于剖面1-1和剖面2-2都位于万州岸，且坡面岩石风化程度相似，故二者采用相同的坡面参数，坡面参数见表1。

表1 万州岸边坡基本参数

注：表中Rn为切向恢复系数、Rt为法向恢复系数、SD为标准偏差。

选取大体积块石作为危岩体的等效对象，在边坡顶部700～780 m高程范围内分布有危岩体，设置危岩基本参数为：落石数量为50个，质量均为 3 000 kg,初始角速度均为0。

图1 落石运动轨迹

2.2 Rockfall模拟结果及分析

利用Rockfall软件对2个危岩区的危岩体进行模拟，得到落石运动轨迹如图1所示。可知：危岩失稳后，落石会沿着坡面往中硐河谷方向滚落，且落石最终停留在小三峡隧道中硐河河谷位置。

利用Rockfall软件对2个危岩区的危岩体进行模拟，得到冲击能量和回弹高度见图2。可知：落石失稳后携带巨大能量，会对沿线的工程造成严重的影响。

图2 危岩体模拟结果

综上所述，若小三峡隧道采用明洞的方式通过中硐河，则落石将会通过隧道口对隧道造成影响，从而影响隧道运营，必须采取措施对隧道洞口危岩落石进行防治。

3 堆积体边坡稳定性分析

小三峡隧道中硐河万州岸上可见由落石形成的堆积体边坡，这些堆积体边坡对线路工程有着潜在的威胁，边坡一旦失稳将对工程带来不可估量的损失。所以运用FLAC 3D软件对万州岸某典型的堆积体边坡进行稳定性分析，分析结果可对线路方案的选择或改进有指导意义。

3.1 三维模型建立

堆积体的岩土类型为膏溶角砾堆积体，泥质和钙质胶结，局部还出现溶蚀洞，性质较差，故对堆积体和边坡基岩体进行了单独建模。根据万州岸实际地形地貌及工程地质特征建立相应的三维模型进行稳定性分析，并选取其中的3个典型剖面进行分析研究。1-1′剖面为纵向切过堆积体可能滑动方向剖面，主要用于观察堆积体变形过程中内部纵向物理力学性质变化；2-2′剖面为纵向切过堆积体的对比剖面；3-3′剖面为横向切过堆积体的剖面，主要用于观察堆积体变形过程中堆积体横向力学性质变化。

3.2 参数选择

万州岸基岩主要为三叠系中统的灰岩，边坡堆积体主要为膏溶角砾岩堆积体。模型选取的参数见表2。

表2 研究区域岩体物理力学指标

3.3 模拟结果及分析

对天然状况下的堆积体边坡分别进行极限平衡法稳定性分析和强度折减法运算分析。在边坡稳定性分析中，研究表明边坡剪切破坏带抗剪强度不是同时发挥最大，而是逐步非均匀发展的，因此岩土体滑动失稳基本都是沿最大剪应变的部位发生。最大剪应变分布带往往是边坡滑动剪切带，所以剪应变增量分布特征是评判边坡破坏的一项重要的准则。通过数值模拟得到堆积体边坡的剪应变增量分布概略图如图3所示。

图3 堆积体边坡剪应变增量分布概略图

由图3(a)可知：天然无降雨状况下剪应变增量基本为0，只有堆积体顶部局部有少量的应变增量，并且应变增量值较小，堆积体基本处于稳定状态。由图3(b)可知：在强度折减法的临界状态下堆积体与边坡基岩交界处有明显的剪应变增量带，也就是可能的滑动破坏带。

在强度折减法分析的临界状态下，堆积体边坡不同剖面的剪应变增量见图4。可知：堆积体在交界面处形成明显的滑动带。

图4 堆积体边坡不同剖面的剪应变增量

综上所述，天然无降雨工况下堆积体边坡处于稳定状态，但这是理想条件下，若碰到暴雨和地震等极端天气，堆积体边坡将会发生失稳，从而对隧道造成影响，所以小三峡隧道不宜采用明洞方式通过中硐河。

4 结论

1)危岩失稳后，落石会冲击隧道口，从而影响隧道运营，小三峡隧道不宜采用明洞方式通过中硐河。

2)天然无降雨工况下堆积体边坡处于稳定状态，但在强度折减法的临界状态下堆积体与边坡基岩交界处有明显的剪应变增量带，也就是可能的滑动破坏带，所以小三峡隧道不宜采用明洞方式通过中硐河。

[1]叶四桥.隧道洞口段落石灾害研究与防治[D].成都:西南交通大学,2008.

[2]文登国,秦阳,肖清华,等.高陡边坡下高桥墩受落石冲击动力响应分析[J].铁道建筑，2015,55(6):31-33.

[3]叶四桥,陈洪凯.隧道洞口坡段落石灾害危险性等级评价方法[J].中国铁道科学,2010,31(5):59-65.

[4]陈红旗,黄润秋,林峰.大型堆积体边坡的空间工程效应研究[J].岩土工程学报,2005,27(3):323-328.

[5]冯刚.复杂堆积体边坡变形失稳分析及其稳定性综合评价[D].天津:天津大学，2011.

[6]胡厚田.崩塌落石综合预测方法的研究[J].铁道工程学报,1996,23(2):182-190.

[7]胡厚田.成昆线共和—尼日岩质边坡崩塌落石强度等级预测的研究[J].西南交通大学学报,1989,24(1):52-59.

[8]张路青,许兵,尚彦军,等.川藏公路南线八宿——林芝段滚石灾害的工程地质调查与评价[J].岩石力学与工程学报,2004,23(9):1551-1557.

[9]郑黎明.宝成线略广段崩塌落石灾害发展速度的预测[J].水文地质工程地质,1994,21(1):13-15.

[10]王林峰,姚昌银,邹政,等.基于离散元方法的落石冲击力变化规律研究[J].铁道建筑,2017,57(6):101-105.

[11]HANTZ D,VENGEON J M,DUSSAUGEPEISSER C.An Historical,Geomechanical and Probabilistic Approach to Rock-fall Hazard Assessment[J].Natural Hazards & Earth System Sciences,2003,3(6):693-701.

[12]BAILLIFARD F,JABOYEDOFF M,SARTORI M.Rockfall Hazard Mapping Along a Mountainous Road in Switzerland Using a GIS-based Parameter Rating Approach[J].Natural Hazards & Earth System Sciences,2003,3(5):199-210.

[13]Federal Highway Administration of USA.Rockfall Hazard Rating System:Participantcs Manual [M].US:FH-WA,1993:12-15.

[14]GUZZETTI F,REICHENBACH P,GHIGI S.Rockfall Hazard and Risk Assessment Along a Transportation Corridor in the Nera Valley,Central Italy.[J].Environmental Management,2004,34(2):191-208.

[15]赵建军，巨能攀，涂国祥.松散堆积体工程边坡变形机理分析及支护对策研究[J].地质工程学报，2008，16(5)：611-615.