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高陡边坡危岩体稳定性、运动特征及防治对策研究

刘卫华  
【摘要】: 危岩体通常存在于高陡边坡及陡崖上,是山区常见的地质灾害类型之一,在我国每年都造成人员伤亡和大量的经济损失。本文以锦屏一、二级水电站工程高边坡危岩体为典型,通过大量的现场调查和滚石试验,对高陡边坡危岩体的分类、变形失稳机理、稳定性评价方法、滚石的运动特征以及危岩体防治对策等进行了较为系统的研究,取得了以下主要成果: (1)对锦屏一、二级水电站工程高边坡进行了调查,查明研究区发育危岩体333块(区),规模集中在10-1000m~3之间,其中最大的122549m~3,最小的0.1m~3。危岩体发育与地形地貌、地层岩性、岩体结构和风化卸荷等关系密切,表现为:①绝大多数危岩体发育在大于50°的陡坡和高高程部位。②大理岩区危岩体发育密度远大于砂板岩区,大型、特大型的所占比例小于砂板岩区。③顺向坡危岩体发育密度明显大于切向坡和反向坡,三者之间关系从小到大依次为反向坡、切向坡和顺向坡;镶嵌~碎裂和碎裂~松弛结构岩体区危岩体发育密度明显高于块状~次块状和次块~镶嵌结构岩体区。④其它工程地质条件相似的情况下,危岩体发育密度随着边坡强卸荷底界深度增大而增大。 (2)根据危岩体的结构和状态特征,将危岩体分为悬挂式、贴坡式、倾倒式、楔块式、软弱基座式、砌块式和孤立式等七种基本类型;每类危岩体变形失稳的发展过程都遵循一定的模式,其中悬挂式危岩体对应错落模式,贴坡式危岩体对应平面滑移模式,倾倒式危岩体对应倾倒模式,楔块式危岩体对应空间滑移模式,软弱基座式危岩体对应压缩-倾倒(剪切)模式,砌块式危岩体对应结构溃曲模式,孤立式危岩体对应偏心滚(滑)落模式。 (3)建立了基于极限平衡法的危岩体稳定性定量评价方法,推导了不同类型危岩体稳定性计算公式,并据此对锦屏一、二级水电站高边坡典型危岩体稳定性进行了计算。 (4)对悬挂式和砌块式危岩体稳定性进行了非连续变形数值模拟,建立了悬挂式危岩体的“概念模型”,分析了高宽比对悬挂式危岩体稳定性的影响,提出了悬挂式危岩体的稳定性判据公式。通过对砌块式危岩体稳定性与陡倾坡外主控结构面强度参数的关系分析,得到内摩擦角对稳定性影响较大,内聚力的影响相对较小。 (5)选取代表性强、现场易于收集的危岩体地质参数,即主控结构面倾角、基座情况、地形坡度、凹腔状态、岩体结构和卸荷松弛状态等6个基本因素作为评价指标。采用相互作用关系矩阵方法,半定量地分析了评价指标的重要性和权重。根据快速评价指标重要程度和权重大小,提出了危岩体稳定性快速评价的“危岩体不稳定指数(UMII)”方法,从而建立了定量的危岩体稳定性快速评价方法。并据此对锦屏二级水电站闸址左岸高边坡危岩体稳定性进行了定量快速评价。 (6)进行了大量现场滚石试验,研究了滚石坡面运动的一般特征和运动学参数的变化规律,试验结果表明:①缓坡、覆盖层和坡面平台对滚石在坡面运动的阻滞作用十分明显;滚石在坡面运动,到达坡底时的动能为自由落下时的1/15-5/12,平均为5/27;滚石运动状态以跳跃为主,在覆盖层较厚处会发生滚动,局部有滑动的可能;滚石与坡面不断碰撞,大量破碎,落入坡底的部分的单个动能大为降低。②边坡覆盖层和植被特征对滚石碰撞前后速度恢复系数的起控制性作用,它们之间可用线性关系来描述,并且有:当边坡覆盖层厚,植被发育,恢复系数为0.40-0.55;边坡覆盖较厚,植被较发育时为0.50-0.60;局部有覆盖层、局部基岩裸露,植被不发育时为0.60-0.70;边坡基岩出露,基本或无植被时为0.70-0.80。③影响运动加速度的诸多因素中,边坡坡度、滚石形状和边坡覆盖层及植被特征是滚石运动速度的决定性因素。滚石运动加速度与上述因素之间可用线性回归公式y_1=-1.5222+0.0891x_1+0.0728x_2+0.1358x_3来描述。工程应用表明,经验回归公式有较强的适应性,具有实际意义。 (7)通过滚石在平台运动特征分析,得到了滚石与平台碰撞时速度和滚石在平台运动水平距离的计算方法。同时,为了研究平台对滚石的停积作用,进行了大量现场试验,结果表明:①滚石的质量、初始位置(坡高)和平台表面粗糙程度对滚石停留位置有较大影响,表现为滚石质量越大,在平台上运动的距离越远;边坡高度越大,相同质量的滚石在平台运动的距离越远;存在一个临界质量m_临,当滚石的质量mm_临时,相同质量,相同位置落下的滚石在表面为块碎石的平台上运动距离大于表面为含块碎石粉土的平台上运动距离,当mm_临时,与之相反,而当m=m_临时,距离相等。②滚石在平台运动过程中,影响其停留位置的因素有滚石的质量、形状、滚石到达平台时的速度以及平台的表面粗糙程度,其关系可用式y=e~(-2.778+0.151lnx_1+0.354lnx_2+1.43lnx_3+0.06lnx_4)表示。 (8)为了研究树木对滚石运动的拦挡效应,分析了滚石与树木发生碰撞的概率,进行了大量现场滚石试验,得到:①滚石与树木碰撞的概率和树木的间距和滚石直径有关,提出保证滚石与树木至少发生k次碰撞所需树木排数的计算方法。②滚石与树木碰撞大幅度地降低了滚石的运动速度,表现为:滚石与树木每碰撞一次,速度损失约45%,动能损失约70%。 (9)在对滚石在坡面运动特征、平台对滚石的停积作用和树木对滚石运动的拦阻效应研究的基础上,分析了平台、树木和平台与树木联合作用作为危岩体防治对策的可行性、采用的设计步骤和设计参数,提出平台、树木以及平台与树木联合作用等新的被动防治措施。


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