危岩勘查重点

震后灾区危岩（崩塌）灾害应急勘查的重点问题探讨四川省蜀通岩土工程公司

张进林何平提要：根据地震灾区危岩勘查实践，重点阐述了危岩应急勘查治理中的一些关键问题，主要包括岩体结构、风化卸荷深度、稳定性计算、失稳模式、失稳后的运行轨迹等问题进行了重点论述，以其能在今后的地灾勘查提供有益的借鉴。关键词：危岩勘查评价一、 引言“5・12”汶川地震灾害不仅造成房屋倒塌直接造成大量人员伤亡和财产损失，而且地震造成地质环境的强烈变化，主要表现为山体松动、危岩崩塌、滑坡和碎屑流或泥石流等次生地质灾害。根据计划拟三年内完成灾后重建，四川省国土资源厅适时地安排了灾后重大地质灾害应急勘查治理工作，至今已完成2批次369个项目，我局共承担38个地灾应急勘查设计任务，涉及到滑坡、崩塌（危岩）、泥石流及不稳定斜坡。本文仅就崩塌（危岩）灾害勘查中的主要问题进行探讨，以期能在以后的地灾勘查提供浅薄的借鉴。二、 危岩（崩塌）勘查的主要方法1、 资料收集与遥感图像解译在勘查前，应首先收集危岩体所在地区地形图（比例尺1：500），没有的要自行测绘；地质资料（地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质和岩土试验资料等）；气象水文资料、地震资料、灾情资料、威胁对象等，有遥感资料的地区还应收集遥感资料等。2、 地质测绘与调查重点调查岩性、岩体结构特征，结构面特征（裂隙发育程度和方向、裂隙的性质和充填情况），特别是控制性结构面、卸荷裂隙产状、规模和分布、卸荷裂隙与岩体结构面的关系，危岩体产出位置、形态、高程、大小、规模、物质组成；危岩体的破坏方式、崩塌堆积体的物质组成、规模和范围、滚石的落距、灾情及险情核实等。当采用常规地质测绘和调查难以查明高陡斜坡危岩体三维形态和控制性结构面的规模、分布特征时，可采用Optech三维激光扫描仪手段，用以调查危岩体分布具体范围，圈定各危岩体几何位置，调查各危岩体几何尺寸、节理裂隙展布等。3、 勘探与试验危岩勘查中的勘探手段主要以山地工程为主，槽探、坑探是主要的手段，主要用以查明顶部有覆盖层的危岩的边界条件（裂缝的延伸及裂缝张开深度情况），对于整个边坡变形较严重的边坡，可采取少量的钻探以查明边坡的风化、卸荷情况，另外也可顺带进行采样。危岩勘查中的试验主要有两方面目的，一是进行危岩稳定性计算，二是为治理工程设计提供参数。主要包括岩石的物理性质参数、结构面的强度参数、岩石的抗压、抗拉及抗剪强度参数、拦石墙的地基承载力、锚杆锚索的设计参数等。三、 危岩（崩塌）勘查的重点崩塌是指地质体在重力作用下，从高陡坡突然加速崩落或滚落（跳跃），包括了危岩体和崩塌堆积体。危岩体是指在陡峭的岩石山坡上，被多组不连续结构面切割分离，稳定性差，可能以倾倒、坠落或滑塌等形式失稳的地质块体。崩塌堆积体是指大量的危岩失稳后，在坡脚形成的松散堆积体。由于崩塌堆积体堆积在坡脚，且按自然休止角成坡，一般情况下稳定性较好，即使在暴雨情况下发生的表部坍塌其危害性也较小，对于应急勘查阶段一般也不作为勘查的重点，勘查的重点主要是危岩体。危岩勘查的重点笔者认为主要包括以下几方面：岩体结构：岩体结构是指结构面及其所围陷的岩石在空间中的存在状态以及结构面的组合型式，对岩石边坡而言，结构面是岩体结构的主导方面。岩体的稳定性受控于岩体中的不连续面，即岩体结构控制论，这一理论已经普遍被人们接受。这里所指的结构面也称不连续面，是指岩体中的断层、软弱层面、大多数节理、软弱片理和软弱带等各种力学成因的破裂面或破裂带。在危岩的勘查中，重点之一即是要对岩体中的各类结构面进行详细调查，尤其是不利结构面及其组合的调查，这是确定危岩体的边界、规模、变形破坏模式的先决条件，也为危岩体的稳定性评价及防治措施的基础。岩体结构面的调查方法在工程中主要通过野外详细地质测绘，但由于危岩多处在陡峭的岩石山坡上，有些地段是地质人员无法到达的，Optech三维激光扫描仪可以解决这一难题，通过陡崖段危岩体进行三维激光扫描，用以调查危岩体分布具体范围，圈定各危岩体几何位置，调查各危岩体几何尺寸、节理裂隙展布等。风化、卸荷：风化与卸荷同属于外动力地质作用，是地壳表层物质大循环的重要环节。在深切河谷地区，两者共同对河谷表部一定深度范围内岩体进行浅表生时效改造。但风化、卸荷是两个不同概念，风化的本质为岩石矿物的蚀变与流失，卸荷作用的本质则为岩体应力的松弛，表现为原有结构面的进一步错动，或新的表生破裂体系的形成，但两者之间又存在着天然的联系，是效益互动的统一体，岩体应力的松弛为风化营力的介入提供了通道，而风化作用从程度和范围上的日渐深入又不断的改变周围岩体的应力状态，迫使岩体不断进行应力调整以适应新的环境，其结果导致浅表岩体中应力场不断被削弱，并进一步向深部发展，破坏扰动其邻近区域天然应力场，从而将岩体卸荷领域逐渐扩大。危岩体的发育是从卸荷裂隙开始的，加之有利的地貌部位，即可构成危岩体的雏形，雏形危岩体主控结构面的断裂、扩张、追踪控制着危岩体的稳定态势。所以在危岩的应急勘查中确定岩体的风化、卸荷深度具有重要的意义，卸荷带最大宽度是确定危岩体可能失稳规模的重要依据，卸荷裂隙的性状是确定危岩体变形破坏模式的主要参考，（尤其是在震后危岩勘查中有不少是地表具有覆盖层的危岩，查明卸荷带的宽度和深度尤其重要，需要通过山地工程），确定不同风化带的厚度是支护措施设计的主要参数，如锚索长度的设计。失稳模式：迄今，对危岩体及其变形破坏模式分类尚未统一，从不同角度出发存在多种方案。大量的工程实践表明,危岩失稳模式应该从危岩失稳的力学机理出发进行分类，陈洪凯等将危岩失稳模式分为坠落式危岩、滑塌式危岩和倾倒式危岩\[1\]（图1—3）,该分类几何形态明显、力学机理清晰，分类系统简明，易于掌握，是现阶段危岩勘查规范推荐的分类。危岩体的变形破坏模式及分类，是危岩体稳定性分析及治理措施选择的基础。坠落式危岩的表现形式为危岩体下方悬空或支撑承载力不足，破坏是由于危岩体剪切面的剪切力和下方支撑的承载力（悬空时为零）不足以抵抗自重所致，稳定性计算多以剪断破坏模式，也有绕支点的转动倾覆破坏模式，加固方式以支撑或锚索（锚杆）为主;滑塌式危岩为滑坡式的剪切破坏，由于剪切面上的剪切力大于其剪切强度，加固方式以锚索（锚杆）为主；倾倒式危岩产生绕危岩体基座一点的倾倒破坏，该破坏的产生与三方面因素有关，危岩体形状（重心位置），危岩体平行于临空面的裂隙的贯通程度（抗倾覆的拉应力大小与产生倾覆的裂隙水作用）,以及基座的承载力大小，加固方式以填缝灌浆或锚索（锚杆）为主。稳定性评价：危岩稳定性计算方法可分为4类，即基于有限元法的静力稳定性分析法、可靠度分析法、基于监测资料的比较辨识法及静力解析法。在工程实际中最常用的稳定性分析方法是静力解析法（刚体极限平衡计算法），这种方法简单可行，结果明确。但危岩体破坏模式认识的区别导致了失稳判据的不同,判据在危岩体稳定性计算中，对危岩体破坏模式的正确判定起决定性作用。其中，王立人等分三种情况对危岩体进行稳定性计算。\[62\]，计算简图见图2。图2危岩体稳定性分析计算简图a型：其破坏形式为剪切破坏，稳定系数与危岩体的重量，滑面的倾角、长度（或面积）及裂隙面上摩擦系数、粘聚力有关。稳定系数为：K=Gcosa[f1l1+f2l2）/（l1+l2）]+c1l2+c2l2Gsina（1）式中：G 危岩体重量；a——滑面沿滑动方向的倾角；f1，c1，l1——分别为岩体滑面上的裂隙面摩擦系数、粘聚力及计算中占有的单宽长度（或面积）；f2,c2,l2——分别为未被裂隙切割部分的岩石抗剪断强度的摩擦系数、粘聚力及计算中占有的单宽长度（或面积）。b型：由于重力偏心分布，引起拉应力而产生破坏，稳定系数为岩体平均抗拉强度与产生的拉应力的比值：K=Rt/qT（2）式中：Rt——为岩体平均抗拉强度；QT=2G/L1B1±6GL2/L21B1（A在OA外取"+”，在OB内取“一”）其中L1为OB段长度；L2为OA段长度，即重心铅垂线距O点距离；B1为岩体垂直剖面方向的宽度。此形式如产生BC微裂面，亦可按a型计算。c型：坡脚AB段压应力引起的破坏，稳定系数由岩石或土层的抗压强度及危岩体重量确定：QT=RcL/G（3）式中：Rc——岩体单轴抗压强度；L——AB段长度。如属剪切破坏，则按下式计算：K=（fGcosa+cL'）/Gsina（4）式中：a=45°+u/2；u——岩石的内摩擦角；Lz——AC段长度；f、c——分别为岩石抗剪断的摩擦系数和粘聚力。在地震灾区的危岩勘查中，稳定性计算首先应确定危岩的失稳模式，才能选择接近实际的计算方法，此外必须考虑地震对稳定性的影响，将地震力叠加在计算公式中，暴雨工况中的裂隙充水也是危岩稳定性计算中不可忽视的因素，这里主要考虑静水压力，关于裂隙充水高度是个难题，通过大量的文献和三峡工程实践，多数采用为张开裂隙的1/3~1/2的高度。危岩的运动特征：掌握危岩体失稳后的运动特征，是设计危岩体防治措施的前提，其中最重要的设计参数是崩塌体的冲击能和运动路径。掌握块石（崩塌体）的动能和运动轨迹（最大滚落距离），用来选择被动防治措施、优化设计、降低工程造价、工程设施的合理布置、施工安全及提高工程治理效果均有较大益处，也是对危岩体进行危险性评价、划定危险区的前提条件。危岩体破坏后的运动特征，可以通过理论计算、数值模拟、现场滚石试验或经验分析（工程地质条件类比）等进行分析评价，但影响危岩运动因素很多，主要包括块石（崩塌体）本身的大小、形状及力学性质、边坡的高度、坡度、坡形、坡面组成物质及其表面的起伏程度、覆盖层及植被等。这些因素往往决定了块石的运动轨迹和动能（运动速度）；危岩失稳后的运动形式也非常复杂，包括有有坠落（自由落体）、滑移、滚动、撞击、跳跃、解体和静止等形式。所以要精确求解危岩的运动特征是有难度的，在灾区危岩勘查中，主要是通过调查崩塌体（块石）的分布、最大块度、最远滚距等为防治措施提供相应的参数，在有条件的地区，可通过滚石试验来确定块石的解体、堆积情况、弹跳高度、冲击力等参数，也可通过理论计算对崩塌落石在坡脚的速度以及