试论危岩稳定性评价与防治

摘要:在采矿及水工等领域,危岩造成的崩塌落石、泥石流、滑坡等地质灾害经常发生,加强研究危岩稳定性及其评价,并制定相关防治措施,是每个水工环地质工作者的责任。文章论述了影响危岩稳定性的内部与外部因素,并结合工程实际论述了危岩的稳定性评价,还阐述了危岩的常用防治技术和防治方法。

关键词:危岩;稳定性评价;链式机理

中图分类号:TU223文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)06-0186-02

一、危岩的稳定性评价

(一)影响危岩稳定性的因素

危岩的发育受多种因素的影响,但是归纳起来可以分为两种:(1)内部因素:重力侵蚀、岩性组合、水文地质,地质构造等因素;(2)外部因素:地震影响、气候因素、人类相关活动等。根据危岩发育的形式,将危岩发育的形式归纳为两大类:差异性风化型和卸荷重力型。不论那一种类型的危岩体可以理解为裂隙的产生是为了调节岩体的能量状态。

(二)危岩的稳定性评价

危岩稳定性评价方法主要分为以下几类:地质分析法、静力解析法、数值模拟法、可靠度法、比较识别法和模型试验法。下面详细介绍静力解析法和FLAC数值模拟法。(1)静力解析法。静力解析法简单可行,结果明确。静力失稳判据中尽管破坏模型建立会有所差异,但破坏的原因都是产生的应力大于岩体的强度。建立危岩失稳较为成熟的基本关系的基础理论是基于极限平衡理论。(2)FLAC数值模拟法。FLAC法应用了节点位移连续的条件,可以对连续介质进行非线性大变形分析。FLAC法的使用主要包括以下几个过程:1)确保网格、确定材料性质及边界条件等满足波传播的要求;2)根据模型的性质和输入的频率的范围来选择合适的力学阻尼;3)施加动态荷载和边界情况;4)建立工具来监控模型的动态反应情况,结合其他资料对结果进行评价。FLAC数值模拟法广泛应用于边坡稳定分析等方面。根据参考文献[1],稳定性系数来来确定的危岩稳定性评价标准见表1:

(三)工程实例

某天然岩质边坡,坡高9m,坡面倾角53°,密度2400kg/m3。危岩楔形块体两平面法线方向分别为(6,4,-9),(-6,4,-9),两平面交线倾角24°。该危岩属于滑塌式危岩,由于危岩自重为W=5644800;水平地震力为P=282240;主控结构面内的裂隙水压力为Q=52811。主控面分解所得的法向分量N=5043655,切向分量T=2550485;运用静力解析法中的塌式危岩稳定性计算方法,算出稳定性系数Fs=1.14。根据上述的判定标准,该滑塌式危岩处于欠稳定状态,需在必要部位采用局部工程防治。运用赤平极射投影图法,如图1所示。1-1、2-2为两组结构面产状,OP为结构面交线,3-3为边坡的两个坡面的产状。由图可知,两组结构面交线OP的倾向与坡面一致,但倾角小于边坡倾角,危岩属不稳定结构。运用FLAC法对危岩楔形块体进行动力分析,得出如下模拟结果:(1)地震波在危岩和岩质边坡中传播各网格节点的加速度不同;(2)Y方向最大位移出现在危岩体破裂面附近;(3)有91%的网格节点发生破坏。由模拟结果可以得出的结论为:危岩在变形破坏时沿着破裂面滑动,这是因为边坡Y方向最大的位移出现在破裂面附近;危岩楔形块体破坏是从接触面发生破坏,这时通过监测接触面状态有91%的接触都发生破坏。

二、危岩的防治技术

危岩防治的防治措施归纳起来可分为防止危岩崩塌的主动防治、避免危岩造成危害的被动防护措施和灾害预警措施。危岩的防治一般要遵循“预防为主、保护环境”的原则、全面规划与重点防治相结合的原则、防治工程最优化原则、综合防治的原则。迄今为止,国内外危岩防治方法主要分为:主动加固防治、被动防护和灾害预警措施三类。其中主动加固防治的技术包括支撑、锚固、SNS 主动防护系统、封填与嵌补、灌浆、排水及清除等。被动防护的技术包括拦石墙、拦石栅栏、落石平台、落石槽、遮挡(棚洞或明洞)、SNS被动防护系统以及森林防护技术等。某工程中的棚洞防护如图2所示:

某国道路段边坡高陡多裂隙,褶皱发育,地质条件复杂,危岩块体巨大,1～2m3危岩块体分布较多,天然坡脚都≥45°,常有危岩崩塌现象。采用棚洞有效的避免崩塌落石带来的危害。利用RocFall软件模拟危岩下落路径,通过分析危岩回弹高度、下落速度和下落能量的关系,为危岩的防治设计提供依据。通过模拟结果发现崩塌的危岩体有部分落在国道的左侧。由于边坡高陡块体大且危岩崩塌后能量大,回弹高度大,一般可以采用主-被动联合防治技术:部分欠稳定危岩采用清除技术,再利用SNS主动防护网和锚固技术进行危岩主动防治;对于被动防护方法,SNS被动防护网不适用于大岐危岩的防护。拦石墙适用于当自然山坡坡脚小于25°～35°并存在一定宽度的地表平台,由于该处天然坡脚都处于≥45°,公路外侧受某河限制,所以拦石墙也不适用此危岩的防治。该处天然边坡坡面无植被,危岩块体巨大,在危岩防治措施中棚洞承受拦截撞击能最大,且不受危岩回弹高度的约束,故选择棚洞进行防护非常理想。当采用棚洞进行危岩的防护后,再利用RocFall软件进行危岩崩塌评价,从模拟结果看,危岩崩塌后坠落到棚洞位置总能量由2430kJ降到1020kJ,速度由19.09m/s降到17.5m/s。计算出危岩产生的冲击力FC=553.2kN。棚洞盖板采用C30混凝土,尺寸B=1m,L=2m,配筋上部采用5Φ12,下部采用10Φ22。当FC≤Fk(混凝土盖板抗剪强度)时,只有厚度50cm盖板满足抵抗冲击力的要求,不会产生抗剪破坏。考虑安全系数Fs=1.2,选用50cm厚的盖板满足危岩防治设计要求。

三、结语

在危岩的稳定性评价中,本文遵循文献[1]的评价标准,采用静力解析、赤平极射投影和FLAC数值模拟相结合的方法,结合工程实际对危岩进行了稳定性评价,在危岩的防治中,考虑到工程实际,采用了遮挡防护技术中的棚洞防护,有效地减轻了危岩的危害。

参考文献

[1]陈洪凯,唐红梅,等.岩防治原理[M].北京:地震出版社,2006.

[2]陈洪凯,鲜学福,唐红梅,等.危岩稳定性分析方法[J].应用力学学报,2009,(2).

作者简介:关晶晶(1981-),女,辽宁鞍山人,辽宁省冶金地质勘查局地质勘查研究院助理工程师,研究方向:矿山地质灾害防治及地质环境治理生态恢复;周健(1982-),女,辽宁鞍山人,辽宁省冶金地质勘查局地质勘查研究院助理工程师,研究方向:矿山地质灾害防治及地质环境治理生态恢复。

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