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摘要：危岩体的演化具有长期性，破坏具有突然性。本文以某危岩体为研究对象，基于现场调查和分析解剖，建立UDEC离散元数值计算模型，对其演化变形过程进行模拟分析。
关键词：危岩体；数值模拟；演化过程
岩体在内外营力影响下，受河谷侵蚀下切、地壳抬升等作用，岩体临空面形成，岩层抗风化能力的差异性导致硬质岩层突出，软质岩层剥落凹陷形成岩腔，演化发展成危岩体，最后以崩塌形式破坏。因地质环境演化的漫长性和复杂性，准确合理推断危岩崩塌演化发展过程成为预防和治理危岩崩塌的关键性问题，对危岩崩塌类地质灾害研究具有重要意义。
一、危岩体概述
危岩体是指一些岩体虽然还没有发生崩塌，但具备发生崩塌的主要条件，而且已出现崩塌前兆现象。危岩体是潜在的崩塌体。其判别的主要根据是：高差大，或坡体是孤立陡峭的山嘴，坡体前有巨大临空面的凹形陡坡；坡体内裂隙发育，岩体结构不完整，有大量与斜坡倾向一致或平行延伸的裂隙或软弱带；坡脚崩塌物发育，表明曾发生过崩塌活动；坡体上二部已有拉张裂隙出现，并不断扩展；岩体发生蠕变，出现坠石，预示崩塌随时可能发生。
二、工程地质条件
某岩层危岩所在区域北侧由两级陡崖组成，南侧陡崖下部则为斜坡地形。岩层产状300°∠5°。一级陡崖由栖霞组和茅口组一段石灰岩组成，崖高约80～105m，标高1400～1545m；二级陡崖由茅口组三、四、五段石灰岩组成，崖高200～215m，崖顶标高1800m左右。一、二级陡崖之间为陡坡地形，地形坡角30°～52°，一级陡崖之下为粉砂质页岩及第四系崩坡积物构成的斜坡地貌，地形坡角一般18°～26°，局部可达40°。危岩位于二级陡崖上，危岩所在陡崖整体朝南凸起。陡崖下部为一长斜坡，斜坡坡面形态呈折线型，整体坡向南偏西，地形坡角一般20°～45°，局部呈陡倾地形。斜坡坡底为柏枝溪，溪沟内标高在750m左右。区内总体地势为北高南低，相对高差在1050m左右。
三、岩体结构特征
经调查并结合三维激光扫描成果得出，区内主要发育走向1°～10°，40°～50°，290°～300°及320°～330°四组裂隙，多为近直立的陡倾裂隙。裂隙多张开，局部有碎石土填充，延伸长度一般在数米，个别延伸可达数十米。危岩后缘裂缝即为沿构造裂隙发育形成的卸荷裂缝，区内陡崖岩体层面倾向北西，属切向坡。岩体裂隙的发育为斜坡岩体的表生改造、演变破坏创造了构造基础，对危岩体的结构及稳定性起控制作用。
组成危岩体的地层为二叠系茅口组三、四、五段，岩性主要为中-厚层状灰岩，岩质坚硬，岩体总体完整性较好，主要受3组裂隙控制：①200°∠87°，该条裂缝为该危岩体的后缘边界，宽达0.30～1.10m，多无充填，局部充填碎块石土，从二级陡崖底部至顶部平台已完全贯通，裂缝顶宽30cm，底宽10cm，无填充。②236°∠88°，该条裂缝宽达0.40～3.50m，北西段局部充填碎块石土，在陡崖顶部平台向北西方向延伸，并与第一组裂隙相交构成该危岩体后缘边界，该裂缝从二级陡崖底部至顶部平台已完全贯通，呈弧形，裂缝顶宽40cm，底宽8cm，无填充。③315°∠89°，裂隙宽0.20～1.00m，裂面凹凸不平，其间充填碎石土，基本上贯穿整个危岩体，该裂缝在顶部平台向北东方向延伸与另一组裂隙236°∠88°相交汇。3条裂缝均为沿构造裂隙发育形成的卸荷裂缝。
四、危岩变形演化数值模拟
1、模型建立。采用离散元法建立计算模型，分析边坡变形破坏机理。离散元法是将非连续力学介质离散为多边形块体单元，块与块之间没有变形协调的约束，只需满足平衡方程。
根据现场调查资料，结合已知边坡工程地质纵剖面图，建立模型。模型尺寸为：500m（X向）×560m（Y向）。其中X向平行于岩层走向方向，Y向平行于岩层倾向方向，Z向为竖直方向，模型底边界高程为1385 m。页岩层面平均层厚为3.2m，节理平均间距2.8m。灰岩层面平均层厚30m，平均间距28m。模型共设置12个监测点，分别检测X方向位移和Y方向位移。
2、参数取值。模型计算工况为天然工况，采用速度约束的边界条件。根据坡体的实际情况，将模型底部进行竖直方向约束，模型的左右两侧边界进行水平向约束。计算中仅考虑自重应力场，模型采用理想弹塑性材料，材料的破坏遵循Mohr-Coulomb强度准则。计算采用的岩体物理力学参数在室内试验数据的基础上结合同地区相关工程经验综合取值得到。
3、模拟结果。对该边坡进行离散元数值模拟，计算迭代至400万步。前200万步模拟无采空区的危岩体情况，之后运用DEL命令形成采空区，继续迭代200万步。根据危岩体X方向位移和Y方向位移可知：危岩体变形的主要部位在节理发育的页岩层，因页岩层三面临空，为变形提供了良好的发展空间。在上方的重力作用下节理极为发育的页岩层发生压缩流变及剪切流变，岩体向临空面挤压出，从而导致上部灰岩块体向外移动。因页岩体被向外挤出，进而为上部灰岩向下移动提供了空间。危岩后方岩体和下部基岩则处于稳定状态，变形小。随着采空区的形成，地下水水位降低、矿坑围岩不稳定，随着时间的推移，逐步产生顶板向下位移、变形、破坏，致使上部岩体产生向临空方向位移的趋势，加速了危岩的发展、变形直至崩塌的发生，从而进一步削弱了岩体的稳定性。
根据危岩体Y方向位移曲线图（图1）可知：采空区是产生竖向变形的主要原因。随着高程的增加监测点的竖向位移逐渐增大，可看出蠕变是长时间持续存在的。采空区上部的2、3、5、6号监测点竖向变形较大，而其他的监测点竖向变形较小，尤其是靠近坡表的7号和11号监测点竖向位移也较小。1号监测点有明显的竖向变形，但远小于采空区上部的变形，进而说明危岩体的压缩流变产生的变形效应远不如采空区产生的变形效应。同时对比采空区形成前后的竖向位移图，可看出采空区竖向变形的决定性影响作用。
五、危岩变形破坏机制
1、卸荷回弹，后缘产生卸荷裂隙。因地壳强烈抬升，河谷下切，在高陡斜坡形成过程中，坡体向临空面方向膨胀，不仅使上覆的硬质灰岩因卸荷回弹，结构松弛，也使下部的断裂带与页岩的结构发生松弛变形，使坡体内发育陡倾面拉裂，形成阶状陡倾裂隙（图3a、图3b），尤其集中在坡缘拉应力分布带。
2、下部页岩压缩变形，后缘拉裂缝贯穿。危岩发育在一个下部为软弱基座，上部为较坚硬岩层组成的二元结构坡体。下部为风化程度高、节理极为发育的页岩体，强度低、易软化。在上部覆盖厚达200m的灰岩自重应力下，页岩体首先产生压缩及临空方向的塑性变形特征，导致基座的差异沉降，具有由坡内逐渐向坡外增大的特征。基座的这种差异沉降必将导致上部脆性灰岩岩体向临空方向的拉裂变形，随着作用的持续进行，基座进一步软化，拉裂不断向上部岩体的中后部发展，最终形成贯穿的控制性结构面（图3c），受后缘贯通裂隙的切割影响危岩与母岩完全脱离。
3、压致剪切滑移破坏。随着时间增长，在危岩体巨大的自重作用下，基座岩体产生压缩流变及剪切流变进一步加剧，使基座岩体向外挤出，形成潜在的滑移剪切面，从而使危岩体具有发生剪切破坏进而滑移垮塌的危险。特别在降雨和地震等特殊工况下，会进一步加剧变形，最终在页岩层形成剪切破坏面，使危岩体崩塌。
六、结语
综上所述，危岩是致灾最严重的地质灾害类型之一，它的发育过程具有发育渐进性、失稳突变型的特点。其中，软弱基座型崩塌为常见的一类危岩破坏方式。
参考文献：
[1]黄润秋.软弱基座型滑坡震裂机理研究[J].工程地质学报，2014（05）.
[2]周新.水平岩层软弱基座危岩体演化过程研究[J].人民长江，2015（22）.
论文作者:姜琼琨
论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/30
标签：裂隙论文; 陡崖论文; 采空区论文; 页岩论文; 基座论文; 岩层论文; 位移论文; 《防护工程》2019年第4期论文;