劉傳正

論巖體穩(wěn)定之“關(guān)鍵塊體”問題

劉傳正

“關(guān)鍵塊體”是指在地下工程巖體穩(wěn)定、邊坡工程巖體穩(wěn)定和地基工程巖體穩(wěn)定中起關(guān)鍵抗滑阻擋作用，一旦失穩(wěn)將引起整個(gè)工程巖體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)破壞，造成地下工程圍巖垮塌、巖質(zhì)邊坡開裂滑移乃至發(fā)生滑坡或地(壩)基巖體楔形剪出的層狀或塊狀巖體。簡言之，“關(guān)鍵塊體”即巖體結(jié)構(gòu)體系中對整體穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用的地質(zhì)塊體。巖體是在地質(zhì)歷史發(fā)展過程中形成的地質(zhì)體，由各種成因的地質(zhì)界面(巖層面、節(jié)理、裂隙或斷層等)及其切割的地質(zhì)塊體構(gòu)成，或者說由地質(zhì)結(jié)構(gòu)面和地質(zhì)結(jié)構(gòu)體組成。因此，巖體的強(qiáng)度顯著低于其構(gòu)成的巖石塊體的強(qiáng)度。巖體穩(wěn)定性分析主要有兩類方法:一是宏觀地將巖體作為連續(xù)介質(zhì)，以彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ)建立巖體應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，通過數(shù)值模擬得到應(yīng)力場和位移場解答；二是將巖體作為非連續(xù)介質(zhì)，重點(diǎn)研究巖體結(jié)構(gòu)關(guān)系，確定工程巖體穩(wěn)定性。在工程應(yīng)用研究中，主要涉及地下洞室、邊坡和地(壩)基巖體穩(wěn)定問題。

在地下工程建設(shè)中，硐室圍巖自由面的法向矢量與重力作用方向一致或小角度相交，不利于巖體穩(wěn)定。圍巖應(yīng)力重分布或應(yīng)力集中會(huì)造成某些或某個(gè)巖塊沿著結(jié)構(gòu)面率先滑移，引起整個(gè)巖體結(jié)構(gòu)的松動(dòng)，導(dǎo)致地下工程圍巖失穩(wěn)破壞。斜坡或邊坡工程巖體自由面的法向矢量與重力作用方向一般成大角度相交，巖體穩(wěn)定性很少表現(xiàn)為某塊巖體起關(guān)鍵作用，而更多地與整個(gè)斜坡的地形地貌、巖體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和含水狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。地基巖體特別是大壩壩基巖體自由面的法向矢量與重力作用方向相反，加之尺度效應(yīng)的關(guān)系，工程巖體穩(wěn)定性更多地取決于整個(gè)巖體的性狀，盡管有時(shí)存在局部的楔形巖體滑動(dòng)作用。因此，“關(guān)鍵塊體”失穩(wěn)導(dǎo)致巖體整體結(jié)構(gòu)破壞主要表現(xiàn)在地下工程圍巖穩(wěn)定方面，邊坡巖體更多地顯示為多個(gè)塊體的系統(tǒng)作用而少見單個(gè)的“關(guān)鍵塊體”，地(壩)基巖體則主要是半無限空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題。

關(guān)鍵塊體理論(Key Block Theory)是一種通過判別最危險(xiǎn)或最關(guān)鍵巖石塊體運(yùn)動(dòng)來確定整個(gè)工程巖體的穩(wěn)定性，核心科學(xué)問題是研判塊體邊界條件、初始條件和作用因素控制下的穩(wěn)定問題。美籍華人石根華(1980)提出的“塊體理論”是以極限平衡理論為基礎(chǔ)建立起來的非連續(xù)性方法，對巖體結(jié)構(gòu)面的貫通性、結(jié)構(gòu)體的剛體性和荷載作用下沿著結(jié)構(gòu)面的剪切位移等有著明確假定，可以應(yīng)用數(shù)學(xué)力學(xué)方法研究巖體的塊體類型及其穩(wěn)定性，為工程加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。塊體理論的核心是研究塊體空間關(guān)系，找出關(guān)鍵失穩(wěn)塊體。目前，已可以考慮塊體間內(nèi)摩擦系數(shù)、粘聚力和結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等隨機(jī)變量進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性可靠度分析，為地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)和地震響應(yīng)分析提供依據(jù)。

長江三峽鏈子崖危巖體T8、T9、T11、T13等多條裂縫近平行于前緣臨江陡崖，裂縫頂部寬達(dá)0.5～2m，底部深達(dá)煤層采空區(qū)，煤層采空區(qū)的懸板張拉作用使裂縫間的諸塊體向北開裂傾倒和滑移變形，順層的視滑力作用使裂縫群呈現(xiàn)扇形轉(zhuǎn)動(dòng)變形(劉傳正，1995)。深大裂縫與前緣陡崖構(gòu)成開裂傾倒塊體，地質(zhì)歷史上從前緣陡崖向內(nèi)出現(xiàn)遞次崩塌，當(dāng)?shù)厝朔Q“劈條子”。前緣臨江T13縫北側(cè)的“一萬方”危巖體、T11縫北側(cè)的“五萬方”危巖體就是正在發(fā)展的開裂傾倒塊體或 “劈條子”，不是起阻擋抗滑作用的“關(guān)鍵塊體”。T8縫北側(cè)的整個(gè)250萬方危巖體亦然，只是內(nèi)部被多條裂縫分割為多個(gè)開裂傾倒塊體而已。鏈子崖防治工程“五萬方”單元的總鎖定錨固力不足實(shí)際額定拉力的50%，也是考慮到整個(gè)危巖體內(nèi)部彼此分離，盡管施工過程中68根錨索被變更方向插入危巖體西側(cè)的穩(wěn)定山體核桃背，對整體穩(wěn)定性有所貢獻(xiàn)。

重慶武隆雞尾山危巖體的邊界是清楚旳。東邊界是高陡臨空的自由面。北邊界為負(fù)地形，巖溶化劇烈并灌滿土體，顯然是地表水流及其滲入淋濾通道，無明顯抗力，不能成為“關(guān)鍵塊體”。西邊界北段巖溶裂隙化嚴(yán)重，沿節(jié)理形成串珠狀巖溶落水洞而成為泥水灌入的破損邊界；南段巖溶作用較弱具有一定抗拉抗剪強(qiáng)度。南邊界主體是新拉斷的灰黑色石灰?guī)r體。雞尾山滑移崩塌發(fā)生前，維系厚板狀危巖體穩(wěn)定的關(guān)鍵是南部連續(xù)巖體的抗張拉作用和底部炭質(zhì)軟巖的抗滑作用。當(dāng)山體底部鐵礦采空區(qū)形成的懸板張拉作用使南部連續(xù)巖體被拉斷后，底部炭質(zhì)軟巖的抗滑作用不足以獨(dú)立維持整個(gè)危巖體的穩(wěn)定性，危巖體即在視滑力作用下形成大規(guī)?；剖奖浪?劉傳正，2010)。

因此，無論鏈子崖還是雞尾山，其自身均不存在起重要阻滑作用的“關(guān)鍵塊體”，或者說“關(guān)鍵塊體”破壞是危巖形成或崩塌滑坡發(fā)生的認(rèn)識(shí)是不成立的?？茖W(xué)的提法只能來源于符合實(shí)際地質(zhì)事實(shí)的觀察和正確的理論分析，否則就可能走向主觀臆斷。

(作者系國土資源部地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)中心副主任、本刊副主編)