重庆万盛区刀子岩危岩稳定性分析及防治

廖云平，王小委

(1. 重庆地质矿产研究院 外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室，重庆 400042；2. 煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心，重庆 400042；3. 重庆交通大学 岩土工程研究所，重庆 400074)

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结构面切割，稳定性较差的岩石块体[1]。其存在部位隐蔽，破坏具有突发性，致灾后果严重，如巫山望霞危岩，2010年10月21日出现垮塌，2011年10月21日再次出现大变形，威胁巫峡长江航道，导致长江断航30余小时[2]；2009年6月5日重庆市武隆县鸡尾山发生特大型山体崩塌，造成10人死亡，直接经济损失达8 000多万元[3]。

作为一种严重的地质灾害，危岩引起了国内外学者广泛关注，并从多学科、多角度进行了研究。陈洪凯，等[4-7]认为危岩群发性机理满足微观链和宏观链，并运用断裂力学求解了危岩主控结构面的疲劳断裂寿命及应力强度因子；张永兴，等[8]以洪崖洞危岩为例，研究了边坡中张性地应力和岩腔发育深度对差异风化型危岩形成与破坏的影响；黄润秋，等[9]通过现场试验，分析了滚石质量、形状及斜坡长度等6个因素对滚石运动特征的影响；Qi S W，等[10]通过野外调查，分析了远程崩塌源区的特点；R.Sosio，等[11]运用准三维连续动态模型分析了意大利阿尔卑斯山中部的Thurwieser崩塌灾害；I. Manzella，等[12]基于试验，探讨了岩石崩落过程的传播机制并分析了影响崩塌速度和堆积特征的参数； V. Richefeu，等[13]运用离散单元法模拟了岩石崩塌过程； V. Chiessi，等[14]利用树木年轮估计比利牛斯山脉东部Solà d′Andorra地区的落石的发生频率；M. Spadari，等[15]基于不同地区的落石试验结果，分析了落石的运动特征。

基于上述研究成果，笔者以万盛区刀子岩为研究对象，对地质环境、危岩特征等作了分析，着重分析了危岩体的稳定性，并提出了相应的防治措施建议。

1 危岩区地质环境条件

1.1 气象、水文及植被

危岩区属亚热带湿润气候，四季分明，雨量充沛，常年平均气温18.4℃，极端最低气温为-3℃(1982-12-27)，极端最高气温为41.6℃(1981-08-27)。降水充沛，多年平均年降水量在1 038.5 mm左右，七、八月多暴雨，秋季多绵雨，持续时间一般在30～40 d。危岩区北侧有常年性河流腰子河，在危岩区段常年水位306.20 m，常年洪水位约309.50 m，调查时流速0.70 m/s。

危岩区陡崖带上方多数为荒山，局部生长有低矮灌木、竹林，高度一般3～5 m；陡崖下方斜坡地带多数已被开垦成耕地，种植农作物，局部生长有杂草，高度一般0.3～0.8 m。

1.2 地形地貌

刀子岩危岩主要位于刀子岩山脊靠东侧陡崖一带，地貌总体上属低山-丘陵岩溶地貌区，地面形态表现为溶沟、溶槽、石芽等类型，刀子岩陡崖带呈南北走向，由北向南逐渐升高，陡崖顶高程340.94～481.38 m，崖脚高程332.50～429.78 m，陡崖相对高差8.44～51.60 m，陡崖面多数近于直立，部分反倾。陡崖下方为一自然斜坡，坡向主要为北东向，由北至南坡向逐渐转为东，坡角一般为25～30°，局部较陡处达45～60°。

1.3 地层岩性

危岩体及基座的主要组成岩性为二叠系下统茅口组(P1m)石灰岩，为浅海相沉积的碳酸盐岩，灰白至深灰色(偶带淡紫色)，中-厚层状构造，隐晶质结构，夹少量硅质团块及薄层硅质层，局部含少量泥质及方解石脉，下部夹有少量黑色薄层状沥青质灰岩。该组地层分布于斜坡中上部及陡崖地带。该层岩石地表多见溶隙、溶孔发育。

1.4 地质构造与地震

危岩区地处新华夏系第三隆起带与沉降带的过渡地带，构造位于半边山背斜南端之西翼，岩层产状为280°∠79～85°，未见断层及次级褶皱，地质构造简单。经调绘发现区内岩体中发育有构造裂隙、卸荷裂隙、溶蚀裂隙3类。构造裂隙发育有3组：L1产状5～25°∠68～82°，L2产状350～360°∠18～32°，L3产状160～175°∠5～12°。卸荷裂隙主要是陡崖应力释放回弹形成，沿陡崖带边缘断续延伸，形成卸荷带宽3～5 m，延伸长度一般3～15 m，可见深度一般0.5～2.5 m，最大达5.69 m，张开度为10～200 mm不等，底部有少量岩屑充填；溶蚀裂隙是沿原构造裂隙、卸荷裂隙的缝隙溶蚀作用进一步加宽、加深所形成，空间特征随时间呈动态变化，其发育方向无规律，一般同构造裂隙、卸荷裂隙的方向一致。危岩区抗震设防烈度为Ⅵ度。

1.5 水文地质条件

危岩区所处位置相对较高，不易地下水的长期储存，按地下水的储存条件可以分为松散岩类孔隙水及基岩裂隙、溶隙及溶孔、溶洞水。

1)第四纪松散岩类孔隙水。该类地下水赋存于第四系松散堆积层中，接受大气降雨补给，受季节性影响很大。从斜坡高处向低缓处多以井、泉形式排泄地表，透水性好、含水性弱，水量甚微。

2)基岩裂隙、溶隙及溶孔、溶洞水。基岩裂隙、溶隙既是地下水的补给通道，又可能成为地下水暂时储存空间，其储存条件受其发育程度的影响，根据调查各类裂隙延伸长度0.5～8 m，张开约0.5～200 mm不等，根据裂隙水文观测，勘察期间危岩体后缘裂隙充水的7处，其充水深度一般0.2～1.1 m。基岩裂隙、溶隙水接受大气降雨及松散层孔隙水补给向地下深部运移，通过岩溶管道排泄。该类地下水分布不均，受降雨影响明显。

1.6 岩溶发育特征

危岩区地层属易溶性碳酸盐岩类，受中亚热带湿润季风气候的影响，其降雨充沛，石灰岩岩溶较发育，宏观上发育有溶沟、溶槽、石芽等地表形态，与危岩形成密切相关的岩溶现象有溶隙、溶孔、溶洞等类型。

2 危岩特征

刀子岩陡崖带经调绘后分析认为陡崖整体稳定，但陡崖受在裂隙切割作用下易形成单个危岩体。笔者主要针对单个危岩体进行论述。危岩体空间分布与陡崖带一致呈带状分布，单个危岩体受裂隙及溶蚀作用的不同，在空间几何形态上，表现为以下几种状态：

1)阶梯状。发育有W9、W10-1和W18，共3个危岩块体，危岩体宽2.98～3.60 m，厚5～8.8 m，高3.75～4.90 m，体积69～113 m3，占危岩块体总数的14%，总体积258 m3。

2)四方柱体。该区四方柱体危岩发育有W2、W4、W7、W8、W12、W13、W14、W15、W19和W20，危岩体宽1.59～5.94 m，厚1.40～6.00 m，高1.72～6.79 m，体积3.80～161 m3，共10个危岩块体，占危岩块体总数的48%，总体积572 m3。

3)板状体。发育有W1、W3、W11、W16、W17，危岩体宽5.60～18.64 m，厚2.20～3.84 m，高4.80～13.86 m，体积165～723 m3，共5个危岩块体，占危岩块体总数的24%，总体积1 531 m3。

4)楔形体。发育有W5、W6，危岩体宽2.3 m、6.42 m，危岩体厚1.60 m、2.85 m，危岩体高2.96 m、3.07 m，体积11、56 m3，共2个危岩块体，占危岩块体总数的9%，总体积67 m3。

5)不规则体。发育有W10-2，危岩体宽2.95 m，危岩体厚3.5 m, 危岩体高2.97 m，体积31 m3，共1个危岩块体，占危岩块体总数的5%。

3 危岩体稳定性评价

3.1 定性分析

根据勘察资料，按裂隙、岩溶发育的空间特征，作出单个危岩体的剖面及立面图，找出危岩体的重心。发现多数危岩体已偏离倾覆点之外，且随时间的增长，危岩重心位移将会偏离更远。以此类比已发生危岩崩塌的区域，定性分析得出：刀子岩危岩体，现多处于基本稳定-稳定状态，但受强降雨影响后，多数危岩体稳定性都将处于欠稳定或不稳定状态。

3.2 定量分析

根据各危岩体的受力情况及最可能的破坏形式，按DB 50/143—2003《地质灾害防治工程勘察规范》、DB 50/5029—2004《地质灾害防治工程设计规范》进行计算，对可能存在多种破坏模式的危岩体，分别对其可能产生的破坏模式进行计算，取最不利情况。

根据区内的地质环境条件，计算时设计两种工况：工况①为现状(天然)工况；工况②为暴雨工况。现状工况按勘察期间的状态计算，计算时考虑自重和现状裂隙水压力；暴雨工况按20年一遇暴雨进行计算，并考虑危岩自重和暴雨时裂隙水压力。现状工况下裂隙水充水高度根据野外调查裂隙的切割情况进行确定；暴雨工况时，根据汇水面积、裂隙蓄水能力和降雨情况等综合确定，当汇水面积和蓄水能力较大时，取裂隙深度的1/3～1/2。计算相关参数取值根据室内试验，参照GB 50330—2002《建筑边坡工程技术规范》并结合地区经验采取。

3.2.1 滑移式危岩体计算

后缘无陡倾裂隙时：

(1)

后缘有陡倾裂隙、滑面缓倾时：

(2)

笔者仅对滑移式危岩体W1、W7、W9进行计算(图1)，计算参数及结果见表1。

图1 滑移式危岩稳定性计算示意Fig.1 Schematic diagrams of the calculation of the stability for sliding unstable rock blocks

表1 滑移式危岩稳定性计算参数及结果

3.2.2 倾倒式危岩体计算

1)由后缘岩体抗拉强度控制时，危岩体重心在倾覆点之外时，采用式(3)进行计算：

(3)

2)由后缘岩体抗拉强度控制时，危岩体重心在倾覆点之内时，采用式(4)进行计算：

(4)

3)由底部岩体抗拉强度控制时，按式(5)计算：

(5)

式中：fl为危岩体抗拉强度标准值，kPa；a为危岩体重心到倾覆点的水平距离，m；b为后缘裂隙未贯通段下端到倾覆点之间的水平距离，m；α为危岩体与基座接触面倾角，(°)，外倾时取正值，内倾时取负值；β为后缘裂隙倾角，(°)；其余符号意义同前。

针对以上3种情况，笔者分别选取W3、W16和W6进行计算说明(图2)，计算参数及结果见表2。

图2 倾倒式危岩稳定性计算示意Fig.2 Schematic diagram of the calculation of the stability for toppling unstable rock block

危岩编号工况W/(kN·m-1)H/mh/mhw/mV/(kN·m-1)β/(°)α/(°)a/mb/mfl/kPaFW3现状(天然)705．418．948．940．501．25780．051．244085．840暴雨705．418．948．944．1084．05780．051．243461．017W16现状(天然)1294．3217．9517．953．0045．0083-0．322．684082．265暴雨1296．7417．9517．956．00180．0083-0．322．683460．982W6现状(天然)182．233．232．600．200．207450．330．924081．701暴雨182．573．232．601．308．457450．330．923461．203

3.2.3 坠落式危岩体计算

稳定性系数按式(6)、式(7)进行计算，取两者的较小值：

(6)

(7)

式中：ξ为危岩抗弯力矩计算系数，依据潜在破坏面取值，一般可取1/12～1/6，当潜在破坏面为矩形时可取1/6；a0为危岩体重心到潜在破坏面的水平距离，m。

选取W2进行计算说明(图4)，计算参数及结果见表3。

图3 坠落式危岩W2稳定性计算示意Fig.3 Schematic diagram of the calculation of the stability for falling unstable rock block W2

危岩编号工况W/(kN·m-1)H/mh/mV/(kN·m-1)a0/mc/kPafl/kPaF1F2FW2现状(天然)64．660．800．000．56144040817．8161．2021．202暴雨64．780．800．000．56115234614．2261．0171．017

3.3 危岩稳定性综合评价

通过危岩体稳定性计算，得到本次划分的21处危岩体的稳定性，其定性评价与定量评价基本一致，根据F按表4判别危岩稳定性。

表4 危岩稳定性评价标准

注：*防治工程等级为2级。

通过评价得到：暴雨工况下稳定的危岩体有W20，共1处，占危岩体总数的5%；基本稳定的有W4、W8、W7、W10-1、W14、W15、W18，共7处，占危岩体总数的33%；欠稳定的有W1、W2、W3、W5、W6、W9、W10-2、W11、W12、W13、W17和W19，共12处，占危岩体总数的57%；不稳定的有W16，共1处，占危岩体总数的5%。

本次稳定性评价未考虑地震工况，若发生地震时，处于基本稳定和欠稳定的危岩体稳定性将降为不稳定。

4 危岩防治措施

根据刀子岩危岩特征，其分布范围广，所处的地势较高，采取一般工程措施难以达到治理效果，故治理时采用被动防治与主动防治相结合的综合处理方案。被动防治要针对难以治理且具有突发性的危岩体，在其下方设置落石槽及拦石墙；主动防治针对单个稳定性差的危岩体，采用衬砌、封闭、锚固、清除以及地表排水等综合治理措施(图4)。

图4 封闭、衬砌及清除和锚固Fig.4 Closing, lining, clearing and anchorage

1)衬砌。当危岩下部发育有较大高度的岩腔，危岩体积大，对岩腔顶部危岩建议采用衬砌措施。建议主要工程措施采用衬砌的危岩体有W3、W4、W6和W8，见图4(a)。

2)封闭。对于危岩体由于溶蚀差异形成规模不大的岩腔采取充填、封闭处理，对危岩体稳定不利的裂隙、溶隙采取水泥浆灌浆封闭处理措施。建议主要工程措施采用封闭的危岩体有W9、W10-1、W10-2、W12、W13、W14、W15和W20,见图4(a)。

3)清除、嵌补。对危岩体上部的悬岩、探头石采取清除措施，对中部崩塌残留的孤石，采取先清除后嵌补的措施。建议主要工程措施采用清除的危岩体有W2、W5、W17，详见图4(b)。

4)锚固。对位于坡顶，体积大，不可采取清除措施的危岩体，建议采取锚固措施，采用锚杆或锚钉。建议主要工程措施采用锚固的危岩体有W1、W7、W11、W16、W18、W19，见图4(c )。

5)排水。做好陡崖顶部卸荷带范围的地表雨水的排放工作，修筑截排水沟，不可乱排乱放，避免地表水长期对陡崖浸润、冲刷而对危岩稳定性造成不利影响。

6)拦石。在崖脚相对平缓地带，修筑落石槽或拦石墙。防止危岩在治理过程中落石对坡下建筑物影响，另外对较隐蔽突发性的危岩体有被动防治作用。

5 结 论

1)万盛区刀子岩陡崖经调绘发育有21处危岩体，其形态有阶梯状、四方柱体、板状体、楔形体以及不规则体。危岩的失稳与裂隙及岩溶发育程度关系密切，破坏方式主要为滑移式、倾倒式和坠落式3种类型。

2)根据规范，对3种危岩稳定性进行了定性和定量分析，得到天然条件下，危岩体现多处于基本稳定-稳定状态；暴雨工况下，稳定的危岩体有1处，占危岩体总数的5%；危岩体基本稳定的有7处，占危岩体总数的33%；欠稳定的有12处，占危岩体总数的57%；不稳定的有1处，占危岩体总数的5%，具有很大的潜在危险。

3)危岩防治方案建议采用主动防治与被动防治相结合的综合方案，针对具体的危岩体选择采用：衬砌、封闭、锚固、清除、地表排水和拦石等措施。

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