摘 要：500米口径球面射电望远镜（Five hundred meters Aperture Spherical Telescope，简称FAST）采用我国科学家独创的设计和我国贵州南部喀斯特洼地独特的地形条件，是世界上最大单口径射电天文望远镜。FAST台址区工程地质条件复杂，面临的岩土工程问题也具有一定的独立性、复杂性和特殊性。FAST台址岩堆中多为大块石,有的直径甚至超过10m，其局部物理力学性能和岩体密切相关,不能完全用岩石或者土体来解释，这就决定了块石（岩堆）的稳定性评价标准与碎石土有很大区别。对FAST台址区所存在的岩堆的稳定性问题进行系统的评价论述，为今后相似场地的块石（岩堆）岩土工程稳定性问题提供相应的理论依据和经验。
关键词：岩堆 安息角 SPSS分析方法 德尔婓法 稳定性
中图分类号：TU3 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）002-081-03
1 引言
500米口径球面射电望远镜（Five hundred meters Aperture Spherical Telescope，简称FAST）采用我国科学家独创的设计和我国贵州南部喀斯特洼地独特的地形条件，是世界上最大单口径射电天文望远镜。FAST台址区工程地质条件复杂，面临的岩土工程问题也具有一定的独立性、复杂性和特殊性。FAST台址岩堆中多为大块石,有的直径甚至超过10m，其局部物理力学性能和岩体密切相关,不能完全用岩石或者土体来解释，这就决定了块石（岩堆）的稳定性评价标准与碎石土有很大区别。
本文对FAST台址区所存在的岩堆的稳定性问题进行系统的评价论述，为今后相似场地的块石（岩堆）岩土工程稳定性问题提供相应的理论依据和经验。
岩堆是岩石山坡经过物理、化学作用,形成岩石碎块、岩屑后，通过重力作用或雨水作用搬运至平缓山坡或山坡坡脚上的疏松堆积物体。岩堆体一般呈碎裂、松散状，节理、裂隙极其发育，自稳能力差，属于典型的不良工程地质体。
FAST岩堆除了具备一般岩堆的特点之外，还因其下面会有一些岩溶管道的存在，使得与一般意义的岩堆不一样。在重力作用下受洼地地形控制，有侧向约束，当洼地底部封闭时，岩堆的稳定性仅以自然休止角为控制指标，表现为“类谷仓效应”，见图1。
图1 洼地剖面“谷仓效应”图
FAST台址斜坡由5个岩堆体构成，岩堆体上搭载有诸多的松散的自由危石（危岩崩塌体），地表坡度多大于45€埃谟攵秆仪医哟ゴ乇砥露却笥?0€埃纬煽槭ㄑ叶眩┨逵攵秆仪业墓纱庑┪Ｊ旧洗τ诹俳缭硕刺AST台址斜坡区岩堆边坡在自然营力与重力作用或人工开挖下，不是沿固有滑移面产生整体滑移破坏，而是沿自然休止角发生失稳破坏。这点可以在模拟试验中得到论证。
由于岩堆是由大小不同的块石点、线、面之间的相互结合形成的，FAST台址岩堆特殊且十分复杂的组成结构形式，导致岩堆边坡的稳定性与一般土质边坡或岩质边坡的稳定性分析有较大的区别。岩堆边坡在受到内界因素或外界因素的影响时，岩堆内的土体和块石之间的受力状态将发生改变，其应力变形的转移方式和规律不同于均质连续的土体或岩体。岩堆空隙充填程度越高、块碎石间接触产生的咬合力越大，岩堆边坡越稳定；岩堆边坡块石部分被胶结在一起，边坡虽然很陡，但是边坡呈半胶结状态，稳定性却较好。
2 岩堆边坡稳定性分析
影响块岩堆稳定因素很多，根据岩堆样方调查获取的大量岩堆数据近似得到岩堆因子，分为岩土性质、环境、形态、结构与构造的四大类，细分包括岩石块度指数、岩性、结构类型、坡高、坡宽、坡长及风化程度等，每一项因子对岩堆的稳定性都起着重要作用。
2.1 FAST台址岩堆因子统计分析
FAST台址岩堆相关分析就是研究岩堆因子变量与稳定性变量间的相互关系，将边坡形态作为变量x1，边坡岩性作为变量x2，岩堆结构作为变量x3，岩石风化程度作为变量x4，边坡高度作为变量x5，坡度作为变量x6，边坡类型作为变量x7。对各因子做相关分析得到各因子之间的相关系数（进行因子分析的样本取自FAST实地调查的岩堆边坡）。由各因子相关系数分析得出FAST台址岩堆具有以下相关因素：
(1)岩堆形态、高度控制FAST台址岩堆类型；
(2)FAST台址岩堆形态主要受岩堆环境、岩堆坡度、岩堆岩性、岩堆边坡高度影响；
(3)岩堆环境将主控FAST台址岩堆边坡高度、岩堆形态、岩堆结构和岩堆坡度；
(4)岩堆边坡高度、岩堆形态、岩堆结构、岩堆坡度将是控制FAST台址开挖的主要因素。
由总方差分析和方差极大旋转因子荷载矩阵分析得到，影响边坡防护的主要因素为：边坡形态和岩堆结构，边坡类型。
故FAST台址岩堆主因子为：岩堆坡度、岩堆高度、岩堆类型、岩堆边坡形态、岩堆结构。
2.2 回归分析
通过对FAST的岩堆形态、岩堆岩性、岩堆结构、岩堆风化强度、岩堆高度、岩堆坡度研究，以稳定性x8作为因变量，分别以边坡形态x1、边坡岩性x2、岩堆结构x3、风化强度x4、边坡高度x5、边坡坡度x6和边坡类型x7为自变量进行分析，采用SPSS线性回归分析结果得到以下关系：
以相关大的因素（岩堆形态x1、岩堆结构x3、岩堆高度x5、岩堆坡度x6）联立解得：第一类较稳定；第二类稳定；第三类最不稳定；第四类最稳定；第五类较稳定。
按其中岩堆结构、岩堆高度、岩堆坡度的背景值的函数关系来讨论岩堆安息角，得到其与稳定性的关系见表1。
表1 FAST台址岩堆自然休止角与稳定性系数的关系表
2.3 FAST台址块石（岩堆）块度指数分析
岩石块度指数是比岩石质量指标更能准确地反映岩体块度及其结构特征的一个质量指标。通过野外样方量测岩堆地表露头各级块度，结合岩芯的块度与岩堆的级配来分析岩石块度指数。
2.3.1 岩体块度指数(ZMZ)的概念
借鉴岩体块度系数概念，参照国标《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-99)中对岩体结构分类标准，提出岩体块度指数(ZMZ)的概念，将在地表露头和钻孔中实测岩堆块体长度按3～10cm、10～30cm、30～50cm、50～100cm和大于100cm的岩芯获得率作为权值,与各自相应系数乘积的累计值,用公式表示为：
ZMZ=3€證r3+10€證r10+30€證r30+50€證r50+100€證r100
式中：Cr3、Cr10、Cr30、Cr50、Cr100分别为岩块长度3～10cm、10～30cm、30～50cm、50～100cm、大于100cm的岩块率，以百分数表示，视为权值；3、10、30、50、100为常数。
2.3.2 岩堆体块度指数(ZMZ)的力学特征
FAST台址岩堆通过实测的岩堆体块度指数ZMZ，对岩堆体变形按岩体完整性系数KV展开讨论，同时建立岩堆体块度指数ZMZ与完整性系数KV、岩体变形模量E0和C、 值作相关关系分析，并得到FAST台址岩堆各参数数据对应表，见表2 。
KV=0.187ZMZ0.403，r=0.840
E0=4.03+0.45ZMZ，r=0.868
c=0.04+0.0057ZMZ
=14.23+0.7712ZMZ
表2 FAST台址岩堆各参数数据对应表
上述相关式表明，ZMZ作为一个表征岩堆体结构(块度)特征的综合性指标，不仅能表示岩堆体块度大小，具有普遍性和可操作性，而且对定量分析岩堆体物理力学参数的变化特点，都具有明显的工程实用价值。
2.4 FAST岩堆的 “谷仓效应”模拟试验
2.4.1 试验原理
根据相似性原理通过模型模拟FAST洼地地质体（地质结构和地质界面），运用土力学中无粘性土的“休止角”原理，即岩堆存在一个临界角。当岩堆坡度小于这一角度时，岩堆即处于稳定状态；大于这一角度时，岩堆就处于不稳定状态。据此来验证岩堆在其所处的自然条件下，是否能处于稳定状态。
2.4.2 试验过程和现象
抽出基座底部的圆型木片后，观察到模拟岩堆从表层开始缓慢均匀下滑，下滑路径并不沿基岩和岩堆界面，也不由密实岩堆和松散岩堆的界面所控制，而是和地形坡度有关。岩堆从表层下滑，直至某一角度趋于稳定，停止下滑。观察此时实际岩堆的基岩接触面和两岩堆接触面，均处于稳定状态，即整体处于稳定状态。当施加外力使模型产生振动，岩堆坡度改变，又继续下滑至某一角度，重新趋于稳定。
2.4.3 试验结论与分析
根据观察到的试验结果，模拟岩堆沿其表层产生缓慢均匀下滑，直到滑到坡度等于某一角度（临界角即休止角）时，岩堆处于稳定状态。FAST岩堆的基岩与岩堆接触面、密实岩堆和松散岩堆的分界面均是稳定界面，岩堆的稳定性的趋势面，表现为岩堆的休止角，同样遵循类谷仓效应原理。
2.5 基于德尔斐法的岩堆边坡稳定性评价
本次勘察分析采用公式法和专家评定法来确定隶属函数及隶属度。综合各因子数据的分布特征，对连续性影响因素采用“ 降半梯形”法分别计算其各级隶属度；对于离散型因子则采用德尔斐法计算隶属度。依据规范和前人研究成果，确定了岩堆边坡的各级影响因子和分级标准，并经过调查分析,确定各影响因素的权重。在模糊评价中，通过模糊数学计算，得到边坡对五个级别的隶属度，进而得到岩堆边坡的稳定性评价结果。
由各级隶属度公式计算得到各因素的隶属度如表3。
表3 离散型因素隶属度
根据FAST台址块石（岩堆）边坡的基本地形地貌及水文地质等实际情况，对其进行综合评判。通过计算，FAST台址块石（岩堆）边坡对Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ等危险性的隶属度，根据隶属度取大原则，平面上针对FAST台址块石(岩堆)进行了德尔斐法评价获得各岩堆的稳定性（如表4所示）。
表4 FAST台址岩堆边坡对Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ等
危险性的隶属度计算结果
3 结论
由岩堆因子的多因素分析和上述两种方法综合分析得 KY3—1、KY4—1块石（岩堆）为极不稳定斜坡；KY1—1为欠稳定斜坡；在FAST台址开挖设计时应针对这些斜坡按块石(岩堆)安息角与稳定性系数的关系及FAST台址块石(岩堆)各参数指标进行防护及支护。
FAST岩堆在开挖过程中应以休止角为控制指标，在开挖过程中超限爆破作用下岩堆体的密实性将发生改变，产生松动现象，亦将会产生难以治理的滑塌。采用一般的支护是不能满足岩堆稳定性的，因此建议采用整体性结构，才能保证FAST岩堆的支护效果。
(基金项目：自选)
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