兰俊　刘杰　燕波　高进　张罗送　高素芳

摘要：本文以某工程为例，结合现场勘查、理论分析和FLAC 3D数值模拟在各工况下对悬崖整体稳定性进行评估，研究表明在未加固条件下，工况2为最危险工况，崖体有可能出现局部失稳，但各工况下崖体整体稳定性较好，悬崖大区域是稳定的；从悬崖局部模型稳定性分析可得，在悬崖边缘1m范围内，不能建造建筑物；在悬崖边缘15m范围内无需对崖体进行支护，便可建造建筑物；研究最终表明虽然崖体现状稳定，但安全储备不足，存在局部失稳的可能，针对此，给出4种加固防护方案，从而保证悬崖整体具有较高的安全性。

Abstract： Taking a project as an example， this paper evaluates the overall stability of the cliff under various working conditions by combining site investigation， theoretical analysis and FLAC 3D numerical simulation. The research shows that under unreinforced conditions， working condition 2 is the most dangerous working condition， and the cliff body may have local instability， but the overall stability of the cliff body is better under various working conditions， and the large cliff area is stable. From the analysis of the stability of the local cliff model， it can be concluded that within 1m of the cliff edge， buildings can not be built； buildings can be built without the need to support the cliffs within 15m of the edge of the cliffs； the study finally shows that though the cliff is in stable condition， its safety reserve is insufficient， and there is the possibility of local instability. According to this， four kinds of reinforcement protection schemes are given， so as to ensure the overall cliff has higher safety.

關键词：崖体；稳定性分析；数值模拟；加固防护措施

Key words： cliff body；stability analysis；numerical simulation；strengthening protective measure

中图分类号：TU45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）32-0137-05

0 引言

危岩是山丘地区常见的地质灾害之一。它是指位于陡崖或陡坡上被多组岩体结构面切割且稳定性较差的岩石块体及其组合，其形成、失稳与运动属于斜坡动力地貌过程的主要表现形式[1]。随着社会经济的发展以及工程建设的不断增多，危岩体失稳破坏对人类生命财产安全造成的威胁越来越严重，因此正确分析、判断、预测危岩体变形失稳模式，对危岩体的稳定性分析计算的基础上提出防治措施，具有较大价值和工程实际意义。

目前，国内外学者从不同的角度对危岩体失稳机制展开了研究分析，陈洪凯等[2-3]分别基于断裂力学方法和极限平衡法建立了危岩稳定性分析方法；王立人[4]等根据土力学及岩体力学理论，针对危岩体的可能破坏类型，给出了稳定性系数计算公式；孙云志[5]等将地震作用考虑进剪切破坏崩塌，并对倾倒岩体提出第一、第二失稳判据；陈志强[6]等对重庆市南川甑子岩危岩形成的演化机制进行了分析研究，并提出了相应防治措施；王林峰、陈洪凯等[7]研究了地震作用下坠落式危岩的稳定性；杨志等[8]对泸定县观音阁景区危岩稳定性进行分析并提出治理方案；国外学者如A.M. Ferrero[9]等通过遥感获得岩体结构特征对意大利北部某地区的岩质陡崖危岩灾害进行了调查分析；Ferlisi[10]等对意大利南部某旅游景区边坡危岩落石对景区产生的安全问题评价。

结合上述研究成果， 本文以远安县太平顶景区悬挑式危岩体为研究对象，着重分析悬崖上建造房屋对悬崖危岩体稳定性的影响， 并根据分析结果提出了安全建造区域以及相应的防治措施。

1 工程概况

1.1 工程简介

拟建湖北省宜昌市远安县太平顶旅游区项目场地，属荆山山脉东南的延伸带。 悬崖航拍俯视图如图1所示，拟建悬崖木屋位于北西侧山顶悬崖边缘区域，该处工程建设依山而建，基本不改变现状地形地貌，可能引发或加剧的地质灾害主要为建设活动搅动及荷载导致的悬崖临空侧岩体局部崩塌、剥落掉块。据地灾评估报告，预测引发或加剧地质灾害的可能性中等，危险性中等，危害性中等。

1.2 地质条件

该处岩性为泥盆系云台观组石英砂岩（D2-3y），岩层产状78-93°∠10-15°，坡向大多在265°～289°之间，坡度84-90°。受两组裂隙控制，1组产状332°∠75°，发育密度1条/m，呈微张状；2组产状86°∠67°，发育密度1条/m，局部张开。该悬崖中部白皮松位置为一典型危岩体，有多组节理切割形成石柱，与整段悬崖完全隔离，现状基本稳定，但预测稳定性差，应完全避免人类工程影响。北侧悬崖如图2所示。

2 计算参数、模型及工况

2.1 计算参数

危岩体采用摩尔库伦本构模型，参数选取时说明是根据工程类比法选取，模型建立参数选取如表1所示。

2.2 计算模型

采用FLAC3D进行数值分析[11-13]，根据表1建立长度为2km的整体悬崖三维模型，研究悬崖岩土体在各工况下的整体稳定性，该悬崖整体模型如图3所示。

2.3 计算工况条件说明

①针对建房考虑了施工对周围岩体的扰动破坏，岩体参数降低20%[14-15]；考虑长期性水软化及岩体工程运行五十年后的岩体风化，岩体性质降低40%[18-20]。

②根据《GB 50011-2010（2016年版）建筑抗震设计规范》[16]建筑所在地区遭受的地震影响，应采用宜昌市项目所在地的抗震设防烈度和设计基本地震加速度等地震动参数来表征，如表2所示。

③根据《GB 50011-2010（2016年版）建筑抗震设计规范》中考虑局部突出地形（主要是指山包、山梁和悬崖、陡坎等）对地震动参数的放大作用，以突出地形的高差H，坡降角度的正切H/L以及场址距突出地形边缘的相对距离L1/H为参数，归纳出各种地形的地震力放大作用如下：

结合本工程可知：悬崖突出地形的高度H≥60m，且局部突出台地边缘的侧向平均坡降（H/L）≥1.0，故局部突出地形地震影响系数的增大幅度为0.6；且L1/H<2.5，？孜取1.0；即局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数

3 悬崖整体模型计算成果分析

3.1 计算工况

根据建立计算模型，施加以下荷载工况进行具体分析：①工况1：考虑岩体自重+房屋荷载；②工况2：考虑地震情况；③工况3：最危险工况+加固處理（考虑被加固区域岩体参数提高10%）。

3.2 三种工况下悬崖整体位移、应力计算结果

上述三种工况下悬崖整体位移、应力计算结果如表4所示。

3.3 三种工况下悬崖整体稳定性结果分析

3.3.1 工况1崖体稳定性分析

由表4和图4从位移、应力和塑性区分析工况1：考虑岩体自重+房屋荷载可知；崖体整体除在边缘悬挑区有小部分塑性贯通区外，其余基本无塑性贯通区；施加房屋荷载后，主要考虑悬崖岩体受拉状态即Y方向位移、应力，Y方向（垂直于岩壁长边方向）的最大位移主要集中于崖体边缘，最大值为22.5cm；最大拉应力位于崖体悬挑部位，最大值为0.03MPa；可知工况1作用下崖体整体稳定性较好。

3.3.2 工况2崖体稳定性分析

由表4和图5从位移、应力和塑性区分析工况2：考虑地震情况可知；房屋荷载加载后崖体边缘大面积塑性区成贯通状态，表明崖体整体稳定性较差；Y方向的最大位移值为30cm，最大拉应力位于崖体裂隙、悬挑区域，拉应力最大值为0.125MPa。三者相互印证，表明崖体在该工况下处于危险状态，崖体有可能出现局部失稳，应对崖体局部进行支护处理。

3.3.3 工况3崖体稳定性分析

由表4和图6从位移、应力和塑性区分析工况3：最危险工况+加固处理可知；悬崖危岩加固后崖体边缘基本不出现塑性区贯通状态，表明加固后崖体呈基本稳定状态；加固后，位移和应力都是在崖体边缘，但对崖体稳定基本无影响，Y方向位移和拉应力最大值分别为2.5cm和0.01MPa。此结果与崖体边缘基本不出现塑性区相互印证，表明在该工况下崖体加固后整体稳定性较好，具有较高的安全系数。

综上三种工况分析可知；悬崖在未加固条件下，工况2为最危险工况，崖体有可能出现局部失稳。各工况下距崖体边缘5～10m范围内施加房屋荷载产生的塑性区与崖壁边缘有小部分贯通；10m范围外施加房屋荷载产生的塑性区与崖壁边缘无贯通，总体来说，崖体整体稳定性较好，悬崖大区域是稳定的。

4 局部模型稳定性分析

根据现场勘测结果和上述结论，选取悬崖塑性区发育较大和悬崖地质岩体破损程度严重的区域1、2、3如图7所示，建立局部三维模型，如图8所示，并根据房屋荷载到悬崖边缘的距离划分两种工况，进行崖体局部稳定性分析，通过分析局部模型，进一步验证悬崖的整体稳定性。

4.1 工况说明

本文针对施加房屋荷载到悬崖边缘的距离划分两种工况，①工况4：房屋荷载施加在悬崖悬挑1m处；②工况5：房屋荷载施加在离悬崖悬挑15m处；如图9、10所示。

4.2 各工况下悬崖局部区域稳定性分析

4.2.1 悬崖局部区域位移、应力计算结果

上述两种工况下悬崖局部模型位移、应力计算结果如表5所示。

4.2.2 工况4悬崖局部区域稳定性分析

房屋荷载施加在距悬崖悬挑1m处的塑性区图如图11所示。

结合表5图11从塑性区、位移和应力三个方面进行稳定性分析可知：

①崖体悬挑区域出现较大面积的塑性区贯通，其主要分布于悬挑位置周围。

②Y方向的最大位移主要集中于崖体悬挑与垂直面过渡区，位移最大值为20cm，与崖体悬挑区出现较大面积塑性区相互印证。

③从应力云图综合分析，最大拉应力位于崖体悬挑部位，拉应力最大值0.25MPa。

表明在此工况下悬崖悬挑区出现崖体失稳可能性较大，存在较大安全风险，故此工况下不建议直接布置建筑物。

4.2.3 工况5悬崖局部区域稳定性分析

房屋荷载施加在距悬崖悬挑15m处的塑性区图如图12所示。

结合表5图12从塑性区、位移和应力三个方面进行稳定性分析可知：

①施加房屋荷载后，崖体悬挑区域无塑性区，此种工况对悬崖稳定性影响较小。

②施加房屋荷载后，Y方向位移基本不发生变化，表明在临近崖体15m处施加房屋荷载对悬崖崖体的位移影响很小，此结果与上述崖体悬挑区出现较小塑性区相互印证。

③施加房屋荷载后，主要考虑岩体受拉状态，从应力云图综合分析，此工况下崖体基本无拉应力。

表明房屋荷载施加在离悬崖边缘15m处时，崖体塑性区、位移及应力均很小，对崖体稳定性基本无影响，故在悬崖边缘15m范围内无需对崖体进行支护，即可建造建筑物。

综上，对崖体局部区域稳定性分析可知，房屋荷载施加在悬崖悬挑1m处，崖体失稳风险较大，不能建造建筑物；在距崖体边缘15m处施加房屋荷载，对崖体稳定性基本无影响，无需对崖体进行支护，便可建造建筑物。

4.3 房屋布置及加固措施建议

针对上述结论和结合太平顶悬崖现场详细调查结果，对现场房屋布置给出如下建议及加固措施。

4.3.1 现场木屋布置建议

结合现场勘测及计算分析结果情况可知，悬崖总体稳定性北侧较好，南侧悬崖出露多处卸荷裂隙，虽然崖体现状稳定，但安全储备不足。另外悬崖岩体主要组成成分为石英砂岩，抗风化能力中等，靠近悬崖边界处风化程度远大于内侧，基于以上调查结论，木屋现场布置调整建议如下：

①太平顶悬崖白皮松以北区域基本稳定，可以布置木屋，木屋间距应保持大于10m，木屋外侧基础持力端应保持距离悬崖边界5m以上。

②太平顶悬崖转折端至西侧金顶范围现状基本稳定，但安全储备不足，特别是图9中红圈内区域，不能保证景区运行期长时间的稳定性，建议减少木屋建设，必须建设的木屋外侧基础持力端应保持距离悬崖边界10m以上（10m以内建设必须实施人工加固处理）。

③基础入岩施工过程必须尽量减少对悬崖的扰动，由于悬崖外侧临空，且岩性偏脆，基础入岩施工过程不可采用冲积和挤土形式，应采用回转的方式进入基岩。

4.3.2 悬崖防治建议

针对悬崖岩土体安全储备不足，存在局部失稳的可能提出以下加固防护方案，下述方案施工过程中要尽量减少对崖体边缘5m范围内的扰动。

①危岩清除：对悬崖局部位置破损或松动危岩体宜采用清除措施，在危岩实施清除处理前充分论证清除后对母岩的损伤程度。

②裂縫灌浆封闭：太平顶山体中节理面较多、岩体较破碎，特别是靠近悬崖边缘处，为了确保山体的整体性，可进行有压灌浆处理（特别是设计中部分木屋接近悬崖边缘的情况），灌浆孔应尽可能穿越较多的岩体裂隙面尤其是主控裂隙面，灌浆材料应尽量充填封闭，使得悬崖岩体内结构面、节理裂隙面的强度等参数得以提高，并提高其防水止渗性能，从而保证岩体的完整性，减弱房屋荷载对顺坡向陡倾角节理面和卸荷裂隙的影响。

③修建完备的排水系统：一方面在悬崖顶部卸荷裂隙发育的附近，进行防水处理，防止雨水渗入，集聚到裂隙发育的地方，避免岩体裂隙进一步扩大；另一方面在景区建设过程中完成系统排水工程，减少生活污水及降雨对悬崖裂隙的进一步影响。

④建成完备的监测体系：进去运行后，悬崖的稳定性尤为重要，建议业主建成完备的监测系统，有人员巡视和位移监测组成，及时获取悬崖的稳定性数据，确保景区安全运营。

5 结论

①悬崖整体稳定性分析可知，在未加固条件下，工况2两种工况为最危险工况，崖体有可能出现局部失稳；各工况下崖体整体稳定性较好，悬崖大区域是稳定的；

②悬崖局部模型稳定性分析可知，在悬崖边缘1m范围内，不能建造建筑物；在悬崖边缘15m范围内无需对崖体进行支护，便可建造建筑物；

③结合现场勘查及计算结果分析可知，虽然崖体现状稳定，但安全储备不足，存在局部失稳的可能。针对此，给出4种加固防护方案，从而保证悬崖整体具有较高的安全性。

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