危岩稳定性分析研究现状及趋势

2018-10-18陈洪凯

重庆交通大学学报(自然科学版) 2018年10期

陈洪凯，秦鑫

(重庆交通大学岩土工程研究所，重庆 400074)

0 引言

危岩(unstable rock block)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]。危岩崩塌(collapse)是指危岩在外荷载作用下发生突发性失稳破坏的一类地质灾害现象[2]，它是三峡库区乃至整个西部地区主要地质灾害类型，具有泛生性、突发性、隐蔽性及致灾严重性等特征[3]。我国地处于亚洲东部，太平洋西岸，大地构造位于欧亚板块的东南缘，与太平洋板块、冈底斯—印度板块相接，地质构造复杂，地势西高东低，地质灾害泛生。据中华人民共和国国土资源部发布的2005—2016年间国内危岩崩塌地质灾害统计数据(表1)表明我国危岩崩塌地质灾害情况依然严峻，表2给出了13次重大危岩崩塌案例。诸如此类地质灾害国外同样存在，如俄罗斯奥塞梯阿尔顿河流域Karivhoh特大型山体崩塌，崩塌体积大约2×109m3，水平冲出距离7 km，覆盖面积18 km2，沉积物厚度200～300 m[4]；1996年2月10日，日本北海道岛沿线229号公路发生危岩崩塌，造成20人死亡[5]；2012年5月15日瑞士阿尔卑斯山Preonzo村附近发生山体崩塌，体量达2.1×106m3[6]；2016年2月14日，新西兰克莱斯特彻奇发生5.7级地震影响诱发危岩坍塌[7]；2016年11月2日，巴西北部一处洞穴突然发生崩塌致使10人遇难，7人受伤[8]。2016年11月27日，土耳其东南部锡尔特siran地区强降雨诱发山体滑坡导致该地区煤矿坍塌致使11人死亡[9]。可见危岩崩塌是一种全球泛生型地质灾害，危岩崩塌灾害防治具有重大意义。危岩崩塌地质灾害防治工作的首先任务是危岩识别与危岩稳定性分析。基于对国内外文献的检索和分析从危岩形成机制、稳定性计算、危岩稳定性定性评价、数值分析等4个方面对现有成果进行分析梳理，根据笔者多年从事危岩减灾科学研究的理论见解及工程实践经验提出了危稳定性分析方法理论研究趋势及需要解决的相关科技热点问题，研究成果对我国危岩崩塌减灾事业具有积极意义。

表1 2005—2016年全国地质灾害及危岩崩塌灾害统计Table 1 Statistics of 2005—2016 national geological disasters androck falls

表2 危岩崩塌灾害典型案例[3]Table 2 Typical cases for perilous rocks and collapses [3]

1 危岩稳定性分析研究现状

1.1 危岩形成机制

明晰危岩形成的力学机制是有效防治危岩崩塌灾害的重要基础理论问题。陈洪凯等[10-11]分析了石质山区崩塌灾害形成机制，指出陡崖底部泥岩内腔的形成过程是崩塌灾害演绎的源动力，发现四面山红岩山群发崩塌具有链式规律，第1个微观链破坏机制为基座压裂破坏，针对单一危岩块，提出了考虑危岩蠕变效应的危岩断裂应力强度因子计算方法，建立了危岩块崩落判据。唐红梅等[12-13]通过试验发现危岩破坏瞬间对相邻危岩块存在激振效应且竖向激振更为强烈，坠落式危岩破坏其主控结构面端部遵循纯拉状态→弱剪强拉状态→强剪弱拉状态→纯剪状态的演变规律，从此揭开了危岩激振效应研究的序幕，后继建立了激振效应下危岩主控结构面复合应力强度因子计算方法。陈维等[14]分析了差异风化型危岩破坏机制，推导了岩腔后壁泥岩压力随岩腔深度变化的计算公式，结合危岩体崩塌破坏判别式反演出4类危岩体崩塌边界方程，探析了岩腔深度、危岩体厚度和高度、主控裂隙深度之间的关系。陈洪凯等[15-16]分析了月球引潮力和昼夜温差效应对危岩体稳定性的影响，探讨了裂隙岩体植物根劈作用机理。郑安兴等[17]对危岩主控结构面变形破坏数值模拟指出，岩石抗拉强度减低，危岩稳定性降低，主控结构面倾角越小，开裂路径改变越明显，危岩稳定性越高；坠落式和倾倒式危岩破坏机制皆为拉剪破坏，同等条件下坠落式危岩稳定性更差。李佳壕等[18]推导了危岩自重荷载作用下应力强度因子解析式，利用ABAQUS对危岩主控结构面应力强度因子分析指出，危岩裂缝角度变化时，I、II型应力强度因子皆变化，且两者相等时复合应力强度因子最大；临空面宽度增加，I型应力强度因子迅速增长，成为危岩稳定的主控因素。陈洪凯等[19-20]对危岩结构面损伤模型进行了研究，构建了主控结构面裂端损伤本构方程，推导了暴雨条件下临界主控结构面疲劳断裂寿命计算公式。傅鶴林等[21]基于极限平衡理论分析了岩体损伤和地下水渗流对边坡稳定性的影响；何萧等[22]从地貌演化的角度分析了长江三峡巫峡岸坡望霞危岩发育机理研究。何晓英等[23]从能量的角度解释了长江巫峡望霞危岩在崩塌过程中岩块解体现象。吴永等[24]探析了高寒裂缝冰胀力诱发岩体崩塌的力学机制，得到了高寒危岩裂缝的冰胀力表达式，明晰了不同危岩体裂缝的断裂模式、启裂条件和扩展方向与扩展量，并认为特定冰裂缝失稳启裂的临界温升是确定的，裂缝多次扩展过程中失稳条件在下降，崩塌是裂缝扩展间断积累的结果。D. AMITRANO[25]基于实地监测数据对危岩体断裂破裂微振进行了分析，探讨了高寒地区岩质斜坡稳定与气候变化的关系，并认为微振监测技术的进一步发展能起到预警和灾害评估的作用。ZHANG Jixun等[26]运用突变理论提出了危岩稳定性的判据，克服了当前利用突变理论分析稳定性物理意义不清的缺点，实例表明该判据可以定量描述危岩体失稳过程。Ö. AYDAN[27]分析了地震影响岩质边坡失稳的基本特征，研究表明海啸导致岩石边坡破坏的主要原因是在岩石斜坡上施加了冲击波以及拉回导致的有效应力降低。E. D. A. V. JR等[28]对岩石边坡破坏的热应力效应进行了研究，结合室内试验和数值分析发现冷季循环的温度波动产生的温度应力可以使岩石裂隙扩展、贯通破坏。S. ALEMDAG等[29]针对土耳其某一大型高速滑坡灾害，利用运动力学、极限平衡、数值分析的方法对平面滑动破坏机制进行了研究，认为平面滑动破坏模式由滑动面控制，破坏前的边坡有临界条件，开挖和未控制的爆破触发和加速边坡失稳。王家臣等[30]提出了边坡渐进性破坏的三维随机分析模型，认为三维模型较二维模型更能描述边坡破坏过程，实用性更强。易志坚、杨锡武等[31-32]基于断裂力学的线场分析方法得到了平面应力裂纹线场的弹塑性精确解，指出边坡的变形失稳源于坡体内部的剪切裂纹扩展及贯通。K. S. ALFREDSSON等[33]提出了一种计算临界裂纹长度的简化方法。M. FRAYSSINES等[34]分析了灰岩高陡边坡的破坏机制，提出对岩体稳定性评价时需考虑岩桥的作用。J. P. CARTER等[35]从理论上证明了岩体初始应力的瞬态卸荷会在围岩中诱发振动荷载。李克森等[36]认为危岩主控结构面的非线性扩展是岩体失稳破坏的根本原因，并运用断裂力学和水利学理论求解了危岩主控结构面应力强度因子。左建平等[37]从能量角度对岩石破坏进行了研究，基于岩石变形破坏的不同阶段输入的机械能W与可释放应变能增量Ue以及耗散能增量Ud之间的关系及变化规律提出了脆性岩石的能量跌落系数。WANG Wei等[38]对地震导致危岩崩塌的机理进行了研究，基于等截面梁的弯曲理论，结合最大拉应力准则描述了地震波引起的裂纹扩展过程，发现各形态危岩体均存在临界裂缝深度，每次裂纹扩展并非常值,它与初始裂纹长度和危岩尺寸有关。LIU Zizhen等[39]结合强度折减理论和流变机制，揭示了边坡破坏随时间变化的过程，发现流变参数对边坡长期稳定性具有重要影响。

综上可见，现有研究主要着眼于危岩主控结构面破坏问题，认为危岩破坏的本质是主控结构面端部裂纹的非线性扩展，对主控结构面裂纹扩展模式、影响因素、断裂应力强度因子求解等几个方面进行了系统研究。但现有研究尚停留在平面断裂层次，弱化了危岩形态对危岩主控结构面扩展的影响。

1.2 危岩稳定性计算方法

危岩稳定性计算是危岩崩塌地质灾害防治的关键，合理准确的计算方法对危岩崩塌地质灾害防灾减灾预测具有重大意义。陈洪凯等[40-46]将危岩视为完全刚体，假定主控结构面由连续贯通段和未贯通段组成，利用长度加权/贯通率法进行计算参数的等效，基于极限平衡理论获得了不同荷载组合条件下三类危岩的稳定性计算方法，根据爆破应力波衰减规律，基于动力时程分析法结合极限平衡方法建立了滑塌式危岩动力计算模型，获得了危岩稳定性系数时程曲线，认为危岩破坏的本质是主控结构面的断裂破坏，将危岩主控结构面类比于宏观裂纹通过断裂力学理论建立了危岩稳定性计算的方法。邓跃等[47]基于断裂时程分析构建了危岩动力荷载稳定性计算方法。陈涛[48]用突变理论科学解释了某些滑塌式危岩根据极限平衡法计算稳定系数小于1但不破坏的现象。戴自航等[49]认为边坡的失稳机理采用张拉-剪切复合屈服准则来分析岩土体内部的应力和应变更为合理。V. N. CHEKHOV[50]考虑层状岩体岩石的塑性特征，利用三维非线性理论对其陈述，提出了一种研究规则层状半无限介质表面不稳定性的精确方法。V. MERRIEN-SOUKATCHOFF等[51]提出了一种裂隙岩体随机稳定性分析的积分离散断裂网络法。刘卫华等[52]针对静力平衡定量分析方法存在的问题，在充分考虑危岩特征、静水压力和地震力的基础上，对不同类型，不同主控结构面组合危岩稳定性进行研究，得出7类危岩的稳定系数计算方法。王林峰等[53-55]认为在主控结构面中不同位置其断裂韧度不同，在考虑时间效应的条件下基于断裂力学理论建立了危岩体时效稳定性计算方法，从能量角度对在地震作用下的水平厚层坠落式危岩的稳定性进行了研究，得到了危岩主控结构面临界长度及扩展判据，建立了考虑软岩支撑作用的危岩稳定性系数计算方法。李佳壕等[56]基于室内单轴蠕变试验对危岩体在自重荷载作用下的蠕变特性进行了研究，推导了危岩的长期稳定系数公式。刘建东等[57]通过采用赤平投影图解法及极限平衡法计算裂隙岩体边坡稳定性。李会中等[58]通过Adam三维成像技术结合三维空间块体稳定性分析方法建立了成套高陡岩质边坡块体稳定性分析方法。董捷等[59]针对倾倒式危岩提出一种基于平面坐标系统的稳定性分析模型，并进行了基于该模型计算方法的软件开发。黄江等[60]在考虑了结构面的填充空隙率和结构面的连续率的条件下，考虑渗透力的作用对危岩稳定性的影响。通过三维激光扫描技术结合室内成熟的后处理技术实现对危岩体稳定性的定量分析。唐红梅等[61]采用人工神经网络对危岩稳定性计算力学参数进行综合选取得到危岩耦合参数的弱化系数。DU Yan等[62]运用振动力学原理建立了危岩固有振动频率与粘聚力之间的理论关系，通过实验证明固有振动频率是岩体损伤识别的良好指标，认为探明危岩固有振动频率与内聚力之间的内在联系，有助于稳定分析中参数的选择和调整。刘圆圆等[63]利用改进的Newmark方法探讨了地震作用下高陡岩质边坡稳定性。丁王飞等[64]针对危岩体主控结构面模型中“规范法”和“贯通率法”在等效抗剪强度参数取值上的不足，建立了包含主控结构面贯通段和锁固段的危岩主控结构面计算模型，推导了危岩稳定性计算公式。崔宏环等[65]结合平面坐标系统对危岩体的最不利拉裂面进行研究，以岩体极限抗拉强度作为评判危岩体稳定性的主要依据，建立了一种适用于分析含纵向裂隙的悬挑式危岩稳定性分析模型。WANG Wei等[38]基于等截面梁的弯曲理论，结合最大拉应力准则提出了悬臂式和立柱式危岩的稳定性计算方法。

综上，目前针对危岩稳定性分析的理论有极限平衡理论、结构理论、断裂扩展论、能量论、动力时程分析、波动理论、突变理论、几何学等。总的来说危岩稳定性计算的发展经历了材料力学法→断裂力学分析法的过程，具体涉及力学解析法、图解法、数值分析法，此外部分学者对危岩体力学参数进行了研究。目前危岩稳定性的计算是在假定危岩主控结构面由贯通段和非贯通段组成的条件下，着眼于主控结构面裂纹二维扩展问题，未涉及主控结构面贯通区域和非贯通区域情况下危岩主控结构面裂纹三维扩展问题。

1.3 危岩稳定性评价方法

合理评估相关区域危岩的稳定性情况是进行危岩崩塌灾害布防的重要环节之一。张雷[66]采用蒙特卡罗方法对格状与层状岩体边坡稳定性进行概率分析；P. BUDETTA等[67]利用风险管理方法对意大利波西塔诺公路沿线危岩崩塌灾害进行了评估，该方法考虑了危岩防护设备的影响；T. OPPIKOFER等[68]基于震级频度关系对斯图尔峡湾危岩边坡进行定量危险性评价，此评价等级建立于一系列地貌、结构标准和活动迹象的基础上。谢全敏等[69]基于灰色系统理论提出了危岩块体稳定性分析的灰色聚类评价方法，融合可靠性理论与时序分析方法建立了危岩块体的稳定性综合评价方法。徐卫亚等[70]探讨了节理岩体边坡几何物理参数为模糊数情况下边坡稳定性评价的分析方法；张梅花等[71]根据变形监测数据，建立灰预测GM(1,1)模型，用以评价预测高陡岩质边坡稳定性；陈帆等[72]认为采用赤平极射投影法和圆弧图表法可初步评价岩质高陡边坡稳定性；董好刚等[73]选取地形地貌、地层岩性、岩体结构、危岩体规模、水文地质、风化作用、土地利用类型7个因子作为评价指标,建立危岩稳定性评价指数模型；欧武涛等[74]采用基于层次分析的综合指数法，对危岩单体逐一进行稳定性综合评价；胡显明等[75]通过分析岩体裂隙系统发育状况，建立了赤平投影法评价危岩体稳定性的判断标准。秦植海等[76]建立了包含理论分析、文献统计、工程类比和专家咨询等几个因子的高陡岩质边坡稳定性的评价指标体系及评价等级标准，融合模糊层次法与集对分析方法提出了边坡稳定性耦合评价模型(FAHP-SPA模型)。袁永才等[77]通过属性数学理论建立了边坡稳定性评价的熵权属性识别模型，陈鹏宇等[78]结合颗粒流数值模拟方法和断裂力学理论,建立了颗粒流断裂力学危岩稳定性评价方法。B. ZHAO等[79]基于元素可拓理论建立了高边坡稳定性评价模型，将可拓学中的物元可拓变换应用于岩体边坡稳定性评价的多属性问题中，解决了不相容性问题。SU Huaizhi等[80]针对高边坡稳定性存在的诸多不确定性，提出了基于模糊优选理论和CBR的高边坡稳定性初步评价方法。A.GHOSH等[81]将Newmark’s 概念与传统的极限平衡分析相结合，提出了通过临界加速度判定地震作用下危岩的稳定性的方法。

1.4 数值分析的应用

数值模拟的本质是让计算机来做实验，形象地再现流动情景，与做实验没有什么区别。将数值模拟技术应用于危岩稳定性的分析，是危岩崩塌领域的薄弱环节。吴兆营等[82]提出一种适合于岩体边坡动安全系数非线性分析的方法；倪俊[83]将极限平衡法和有限元数值法相结合用于高陡岩质边坡稳定性分析；谷拴成等[84]利用ANSYS在考虑裂隙、孔隙水等因素对岩体整体稳定性影响的条件下对危岩进行了稳定性分析；唐红梅等[85]通过重庆市万州区太白岩南坡W25号危岩主控结构面断裂韧度富余系数的数值模拟表明断裂韧度富余系数和危岩稳定性系数具有良好的一致性；张晓科等[86]针对某一具体工程实例利用刚体极限平衡和快速拉格朗日(FLAC3D)方法对危岩体在4种不同工况条件下的稳定性进行评价和预测；庄晓莹等[87]基于无网格伽辽金法，发展了无网格—图论方法的岩体边坡稳定性分析方法；白永健等[88]采用3DEC离散元软件对高陡岩质边坡三维稳定性进行了分析，认为边坡浅层块体及控制性块体稳定性差，是导致边坡整体失稳的可能因素；张利国等[89]利用ANSYS对桥基荷载作用下高陡岩质边坡的力学特性和三维稳定性进行了分析；蔡永昌等[90]用无网格MSLS方法分析了裂纹及其扩展对边坡稳定性和安全系数的影响；张强等[91]通过有限单元法分析了渗流场和应力场的两者耦合对岩体边坡稳定性的影响；徐飞飞[92]采用赤平投影图解法，实体比例投影空间矢量解析法及块体离散单元法对大渡河黄金坪水电站后山高陡岩质边坡进了稳定性研究；刘远亮等[93]利用Midas GTS三维建模技术对高陡复杂岩质边坡的稳定性进行了研究；韩佳泳[94]根据结构面的结构程度选取岩体分析单元的方法对边坡稳定性进行分析；郑安兴等[17]将主控结构面视为宏观裂纹，利用扩展有限元对其断裂扩展进行研究并探讨了岩石的抗拉强度、主控结构面的几何位置与倾角对危岩的变形破坏模式与稳定性的影响；杨天鸿等[95]基于等效连续介质模型，建立各向异性岩体渗流应力耦合模型，并以COMSOL有限元软件分析边坡岩体稳定性；陈鹏宇等[96]基于颗粒流理论对某矿山岩质高边坡危岩体的稳定性进行了研究。李佳壕等[18]采用ABAQUS有限元软件计算了危岩裂端应力强度因子，并分析了危岩裂缝角度以及临空面宽度变化对危岩应力强度因子的影响。HE Xiaohei等[97]基于极限平衡法和flac数值模拟计算分析了地震影响下边坡安全系数和相关参数的关系。郑颖人等[98]基于有限元强度折减法对土坡与岩坡稳定性进行了分析，得到了不同工况下的破坏模式和安全系数。郭朝旭等[99]基于链子崖危岩历年变形监测数据，采用MATLAB软件对其进行了二维、三维的数值仿真分析。常晓林等[100]在变形体离散元法的基础上引入基于弹塑性断裂力学的黏聚力模型，模拟了岩体裂纹起裂、扩展和失效的全过程。LIU Yaoru等[101]采用隐式步进积分有限元方法，提出了基于三维多重网格法的滑块稳定分析的动态极限平衡解。

2 危岩稳定性分析研究趋势

综上可见，目前危岩稳定性分析着眼于主控结构面破坏问题，在危岩形成机制、稳定性定量计算、定性评价、数值分析等几个方面进行了深入系统的研究，但以上研究以主控结构面二维断裂问题为出发点，未考虑危岩空间形态的影响，缺乏对主控结构面四周贯通中部区域为贯通情形下的三维断裂稳定的研究。危岩岩体自身是一个三维实体，绝大部分不满足平面问题条件，目前急需从平面问题转向三维问题以期获得更为精确的解答。为有效防治危岩崩塌灾害，合理进行国土规划，应加强对危岩形成机制、危岩稳定性预测等科学问题的研究，研发危岩崩塌地质灾害稳定性监测预警技术。

2.1 危岩体破坏的三维断裂表达

针对危岩形成机制的研究，学者们利用理论推导、试验研究、数值分析等手段得到了丰富的科研成果。通过分析梳理发现，以上科研成果大多着眼平面断裂问题的解答，处于静力学和宏观力学范畴，对危岩体主控结构面端部裂纹三维微观特性解读不够。如王家臣等[30]建立了边坡渐进性破坏的三维随机分析模型，比较发现三维模型更能描述边坡破坏过程，实用性更强，因此在危岩形成机制的进一步研究中应立足三维空间，考虑岩体形态特征，采用先进科学技术全面把握主控结构面裂纹分布情况，以断裂力学为主，多学科融合，科学揭示危岩形成机制。

2.2 危岩体稳定性预测

危岩体的稳定性是一个非线性发展的过程，危岩体失稳往往具有群发性、概率性，建立合适的危岩稳定性预测模型对稳定时长、稳定区域等进行预测，是进行危岩崩塌灾害防治工作的基础环节。T. YOSHIMURA等[102]基于γ射线和磁化率测量，提出了一种预测断层边坡崩塌位置的方法。SU Huaizhi等[80]针对高边坡稳定性存在的诸多不确定性，提出基于模糊优选理论和CBR的高边坡稳定性初步评价方法；张梅花等[71]根据变形监测数据，建立灰预测GM(1,1)模型，用以评价预测高陡岩质边坡稳定性。在实际工程中我们发现这样一种怪象，计算认为是稳定的危岩体发生了失稳，计算不稳定的危岩体反而屹立不倒，换言之，通过理论计算的结果来判断危岩体稳定性在很多情况下是不精确的。危岩稳定性的预测判定不应该仅由一种方法盖棺定论，而应在较高勘察水平的基础上融合理论解、数值解、图解等方法，结合可靠性分析对危岩体的稳定性做出一个综合性评价。

2.3 危岩体稳定性监测预警技术

危岩崩塌监测预警技术是危岩崩塌地质灾害防治的薄弱环节,尤其是大型及特大型危岩崩塌具有突发性、毁灭性，针对该类地质灾害监测预警技术是减小损失的唯一途径。陈洪凯等[103-105]基于危岩破坏过程中主控结构面端部应力变化的敏感性，研发了采集危岩主控结构面端部应力的传感设备，后继根据应力采集数据研发了崩塌灾害应急安全警报仪，该技术在实验室条件下得以实现，但其现场实用性仍待检验。D. AMITRANO等[25]基于实地监测数据对危岩体断裂破裂微振进行了分析，认为微振监测技术的进一步发展能起到预警和灾害评估的作用。SHENG Li等[106]基于光纤光栅传感特性研发了一种危岩崩塌智能报警被动防护网。A. GHOSH等[81]将Newmark’s 概念与传统的极限平衡分析相结合，提出了通过临界加速度判定地震作用下危岩的稳定性的方法。危岩体破坏属于脆性破坏，通过变形监测不能有效预表征危岩体的稳定性，危岩体破坏是主控结构面裂纹端部扩展贯通的结果，贯通过程中会释放能量产生振动波，端部应力变化显著，故可从微振技术、加速度监测、应力采集等几个方面对危岩体稳定性监测预警技术进行进一步研究并研制报警设备。