张家界黄龙洞景区危岩崩塌地质灾害评价及防治措施

徐昊+朱鹏程+孟明超+刘亚倩

摘 要 黄龙洞景区位于湖南省张家界市武陵源风景名胜区，因其典型的岩溶地貌、强切割地形和高角度陡壁，在景区洞口上方形成了较多的危岩体（石），给景区参观游客及工作人员造成极大的生命财产威胁。本文简要地阐述了黄龙洞景区危岩崩塌的地质环境条件、现状、成因及发展趋势，并通过危岩崩塌运动计算，提出了防治措施及建议，为相关类型危岩体防治提供参考案例。

关键词 危岩；崩塌；评价；防治措施；黄龙洞

中图分类号：P642.21 文献标识码：A

Abstract： The Huanglong Cave scenic area is located in Zhangjiajie City， Hunan province Wulingyuan scenic area， because of its strong karst， typical cutting terrain and high angle steep， in the area of hole was formed more rock （stone）， causing a great threat to the lives and property of the staff and visitors to visit scenic spots. This paper briefly expounds the Huanglong Cave scenic area collapse of geological conditions and current situation， causes and trends， and through the rockfall movement calculation， puts forward the prevention measures and suggestions， which provide a reference case for the prevention and control of perilous rock bodies.

Keywords： perilous rock； collapse； evaluation； prevention measures； Huanglong Cave

0 前言

黄龙洞位于湖南省张家界市核心景区武陵源风景名胜区内，是世界自然遗产、世界地质公园张家界的有机组成部分，属典型的岩溶地貌。黄龙洞以其庞大的立体结构洞穴空间、丰富的溶洞景观、水陆兼备的游览观光线路，享有“世界溶洞奇观”、“世界溶洞全能冠军”、“中国最美旅游溶洞”等顶级荣誉而名震全球。

黄龙洞目前年接待游客量超百万，但在黄龙洞洞口—爬山廊上方存在着危岩体（石）的隐患，近年来时有危岩崩塌脱落事件的发生，对前来参观的游客及景区工作人员的人生安全和财产造成极大威胁，因此，勘查及评价危岩情况，及时采取防治措施，引起了黄龙洞投资股份有限公司领导及当地政府的高度重视。

1 景区地质环境条件

1.1 气象、水文条件

景区为中亚热带山地型季风湿润气候，年均温为14～15℃，一年中，以1月最冷，日均温度为1～5℃，7月最热，日均温度为23～27℃。7、8、9月干旱，5、6、10月潮湿，年平均相对湿度77%。降雨多集中在4～8月，7月多暴雨，年降水量1200～1600 mm，日最大降水量238 mm。

區内主要水系为索溪河（属澧水二级支流），多年平均径流量9113.9万m3，平均流量2.89 m3/s，枯水期流量0.3 m3/s（湖南省环境地质监测总站，1988）。区内地表水和地下水均较丰富，地表径流属雨洪型，平均径流深786.03 mm，平均径流量3.13亿m3，平均径流系数0.55。

黄龙洞附近南侧索溪河宽约20 m，水深<0.5 m，坡降<1%，最高洪水位265 m。景区内黄龙洞泉位于黄龙洞出洞口下方，为一地下岩溶水露头。

1.2 地质环境概况

1.2.1 地形地貌

黄龙洞位于湘西北区武陵山脉腹地，索溪河谷北岸，属碳酸盐岩溶蚀、残区洼地地貌。地形地貌类型较单一，地形为中低山地，山间河谷地貌。地形切割较强烈、北部为高达50～80 m的上下两级陡岩（坡脚>80°）及山腰陡坡组成的阶梯状陡坡陡岩地形，海拔最高520 m，南部索溪河水面最低260 m，相对高差260 m，河谷呈“U”形，底部宽100～180 m，地势较平坦，为索溪河一级阶地，黄龙洞则位于索溪河北岸陡岩脚，洞口高程285 m左右，洞口上方为坡度85°左右、高约40～60 m峭壁陡岩（图1）。

1.2.2 地层岩性

景区地层主要为三叠系下统大冶组碳酸盐地层，索溪峪谷底为第四系冲洪积层，山坡及山脚分布第四系残坡积层。

1、第四系（Q）：为残坡积及洪积层。

（1）残坡积层（Qel+dl）：零星分布于山脚及半山腰，为夹危岩碎块石及黄褐色粉砂质粘土，危岩块直径一般为0.10～0.60 m，最大约2 m，厚约1～2 m。

（2）洪积层（Qpl）：分布于谷底，上部为红土层，为含砾粉土。下部砂砾卵石层，卵石直径为0.20～0.50 m，最大约1 m，厚约1～5 m。

2、三叠系下统大冶组（T1d）

（1）上段（T1d2）：灰色灰岩，地貌呈陡崖（最上部的陡峭地段）。区内沉积厚度100 m。

（2）下段（T1d1）：灰色薄层灰岩，地貌呈陡坡（坡度>70°），局部陡崖。区内沉积厚度>200 m。

1.2.3 地质构造

景区位于区域构造东岳观—三观寺向斜南西扬起端南翼。黄龙洞一带地质构造简单，为向北倾的单斜构造，倾向350°～10°，倾角12°～18°。

区内断裂构造不发育，但发育二组节理裂隙，组成“X”形节理裂隙构造，裂隙方向320°～330°及230°～250°，倾角70°～80°，节理裂隙局部较密，间距0.4～1 m，一般呈张开状，裂隙宽5～10 mm，无充填物或有少量泥质充填，少量裂隙宽度达50 mm以上。节理裂隙深度一般<1 m，少数达数米，最深可达十几米，由于两组垂直型节理裂隙及平缓的岩层面共三组结构面，将岩体切割成大小不等的菱形块体，使岩体较为破碎，其中走向南西方向的一组裂隙顺地形坡向发育，对岩层稳定性破坏大，危岩落石往往因此而发生，这些因素构成了危岩形成的基本地质条件。

1.2.4 水文地质

根据岩性组合、岩层富水性和地下水赋存空间等因素，区内地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙岩溶水。

1、第四系松散岩类孔隙水：分布于斜坡地带的崩残积层、坡积层及重力堆积层中。主要补给来源为大气降水，动态变化大，径流途径短。在雨季，尤其是大雨、暴雨之后，水位大幅度增高，动水压力增大，是地质灾害发生的主要因素之一。水质类型HCO3-Ca型水。

2、基岩裂隙岩溶水：分布于薄层状及中厚层状灰岩节理裂隙及岩溶。水质类型HCO3-Ca或HCO3-Ca·Mg型水。

由于区内地形呈斜坡状，排泄条件良好，第四系松散层孔隙水多以沿岩土界面渗流，大气降水的渗透对崩滑影响极大；基岩裂隙岩溶水水位埋深较大，其径流受构造条件及地形地貌控制，基岩裂隙水对崩滑影响相对较小。受多次构造运动的作用，区内基岩节理裂隙发育，降雨则沿基岩裂隙下渗形成地下水，并向沟谷、坡脚平台排泄。层面裂隙、X型裂隙成为地下水赋存的良好条件，在暴雨季节水量较为丰富，对崩塌的形成较为有利。

该区附近无大的污染源，地下水未受到污染。根据区域水文地质资料，该场地地下水对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

1.2.5 工程地质

影响本区工程地质的因素主要是岩土体及人类工程活动。各因素工程地质特征如下：

1、土体：为第四系冲洪积层，含少部分坡积层，为混碎块石粉质粘土，层厚1～5 m，结构松散，稍湿—湿，可塑状，干强度中等，韧性中等。据有关测试，其重度为18～20 kN/m3，压缩模量为4～8 MPa，内摩擦角为10～15°，粘聚力为18～25 kPa，地基承载力特征值为150～180 kPa。工程地质性质一般，但半山腰上的残坡积层碎块石不稳定，受雨水的坡面冲刷易滚落形成危岩崩落灾害。河床为砂砾卵石层，夹少量碎石块，大者直径1 m左右。

2、岩体：主要为三叠系下统大冶组（T1d）坚硬薄——中厚层状碳酸盐岩。岩石坚硬，产状平缓（倾角约10°～20°），属中—强岩溶化底层，岩溶、洞穴较发育，局部（如黄龙洞）规模大。岩体总体稳定，但层理面及“X”形垂直节理裂隙发育，对岩体切割呈块状，加之受风化溶蚀作用，所以局部岩石破碎，较不稳定，多构成危岩（危石）。

（3）人类工程活动

人类工程活动对坡体影响较轻微，主要为早年（旅游开发前）当地村民耕种形成的小型台阶式平台，对微地貌虽有所改变，但不影响整体的岩体稳定性。还有早年村民上山砍伐树木对植被有一定破坏，近年来景区实行禁砍禁伐，斜坡部分已经植被繁茂，高大乔木和灌木发育，树木最大直径在40 cm左右。对稳定危岩、拦截块石、保护水土流失起到了不可替代的作用。

2 危岩体现状、成因分析及发展趋势

2.1 危巖体现状

经实地勘察，景区危岩灾害为2个区：I区，黄龙洞爬山廊上方山坡至洞口上方陡壁危岩灾害区；II区，景区黄龙食府至配电房上方危岩灾害区。其中I区在2007～2013年进行了防治，目前效果较好；II区是本次重点勘测及防治区。II区主要存在两种形式危岩灾害隐患：

a、松散乱石堆。主要分布在斜坡坡面上及陡崖底部，堆砌松散，极少量碎石或粘土充填，结构欠稳定，主要是当年农民堆砌或是常年崩落碎石堆积。常年经雨水冲刷，加之受林中野生动物走动影响，易引发崩落和滚动（特别是a、b、c向长度接近的碎石），石块直径在0.10～1.5 m左右，散落的碎（块）石直接威胁下方游客和工作人员的安全（图2）。

b、高悬危岩。主要分布在较陡的崖壁上，石块直径在0.2～2 m，距离出洞口地面高度约15～100 m。此类岩石节理裂隙发育，部分已经改变原始产状，与母岩有明显分离，部分危岩底部已发生下滑；还有部分危岩一端外悬空，层理面无粘接，相互间有裂缝，稳定性差，一旦遇到外力作用（如暴雨冲刷，打雷，刮风、林中野生动物走动）容易发生整体坠落。危岩体积较大，距地面落差大，如失稳坠落，其自身的巨大重力势能转化为动能，冲下山坡，对下方的建筑、汽车、游客及工作人员将造成不可想象的灾难（图3）。2016年8月底崩落一块约150 kg的岩块，造成一辆工作人员汽车被砸坏，险些伤及游客及工作人员。

2.2 危岩体成因分析

危岩体形成因素主要与地层岩性、地形地貌、气象水文、人类工程活动及其他因素有关。前两者是形成危岩体的内在因素，而后者是引发危岩崩塌的外在因素。

1、地层岩性因素：本区土层浅薄，土质不均，约含10%危岩碎块石。三叠系下统大冶组岩层为碳酸盐岩，节理裂隙极发育，岩性较硬而易脆，岩体被结构面切割，多见破碎岩块，且岩层坡度平缓，易形成高陡的临空面，加之不同层岩性软硬、厚度不同，容易形成悬臂结构危岩体。这些危岩体，在重力作用下，极易形成崩塌。

2、地形地貌因素：本区地形坡度较大，受两组“X”形节理裂隙构造垂直切割较为平缓的岩层，形成陡岩峭壁，也使完整坚硬的岩体被分隔成支离破碎的、大小不一的菱形块体，从而为危岩体的形成创造了先决条件。

3、气象水文因素：区内雨量充沛，常发生局部地区性和笼罩面积大、持续时间长的暴雨。雨水的冲刷，剥蚀掉了原本浅薄的土层，软化岩层裂隙结构面，同时在裂隙中形成孔隙水压力，破坏了岩土体的结构稳定性，是危岩体形成的外在因素。

4、人类工程活动及其他因素：区内人类工程活动主要表现为人工放炮、开山炸石等引起的震动，早年村民上山砍树，破坏植被等均可引起岩体失稳，在重力作用下倾倒滑落或坠落。区内陡岩边缘及陡坡上生长较多的灌杂林木，一方面这些植物根系深入岩石裂缝内生长，其“根劈作用”使裂缝加宽加深，加上在雨水不断的冲刷下，缓慢地破坏着岩体的完整性与稳定性；另一方面，风荷载可引起树木摇摆。靠近根部的松动危岩可能因此失稳而突然崩落，崩落的危岩能量大，冲击下部山坡的危岩、从而诱发一连串的崩塌坠落事故。

2.3 危岩体形成机制分析

坡体上的危岩体在形成过程中，由于在降雨、构造裂隙等作用下其内部原有的应力状态发生变化，引起应力重分布和应力集中等效应，适应这种应力状态的变化，岩体将发生不同形式和不同规模的变形与破坏，据分析研究主要有以下几个阶段：

（1）累进破坏阶段

随着拉裂变形、溶蚀、根劈的不断作用，裂缝不断扩张，斜坡上的岩体随着地震、打雷等应力释放，以及降雨等条件致使变形发展到岩体松动，并伴有轻微的移动、错位，仍处于稳定状态。

（2）裂隙完全贯通阶段

随着时间、震动、降雨等作用，变形进入裂隙完全贯通阶段，岩体中拉应力区和可能的破坏明显增加，由于结构面连续贯通，更易被拉裂解体。

（3）崩落阶段

随着变形的继续扩展，变形的岩体开始明显转动和位移，当在暴雨、动物扰动、风力、强烈温差等条件下，极易使松动岩块失稳而向临空面方向坠落或滚动，形成崩落。

2.4 危岩体的发展趋势

结合现场勘查及分析，II区目前存在较多的松散乱石堆，有时间久远的，有近期坠落的。目前大部分处于基本稳定—欠稳定状态，这些岩块在雨水冲刷和动物扰动作用下，易发生滚动。同时高悬的危岩体结构破碎，在雨水冲刷、浮脱力、震动、风荷载等因素下，极易发生坠落。

山坡随处可见的新近坠落岩块说明高悬的危岩块稳定性极差，坠落的可能性大。处于危险状态的危岩（石）体一旦被触发，因区内山高坡陡，危岩（块）体自身体积大，重力势能大，在坠落过程中冲击处于基本稳定—欠稳定状态的危岩，然后一起坠落，对景区内的建筑物、游客和工作人员将是一场灾难性的袭击。因此，区内危岩（块）体的治理迫在眉睫。

3 危岩崩塌运动计算

3.1 计算理论

危岩体发生破坏，其运动方式受下部斜坡的物质组成、边坡坡角等的影响，运动距离各不相同。根据R·M·Spang（1978）的研究成果，崩落体只有坡度角小于一定临界值（约27°）时，才停积于崖脚，随坡度角增大，则分别表现为滑动、滚动、跳跃和自由崩落等方式（图4）。勘查区内危岩崩落、运动的斜坡坡度值为30°～60°，因此岩体在产生变形破坏后，其运动方式表现为滑动、滚动、跳跃或自由崩落的方式向坡脚运动，最后滚落坡下，直接影响坡下建筑、车辆、游客及工作人员的安全。

3.2 落距计算

石块在斜坡上的运动形式是比较复杂的，既有滑动、滚动还有跳跃运动，甚至在整个运动过程中三者兼而有之。根据能量守恒定律，在物体下落过程中动能的增加等于势能的减少，机械能的总量保持不变。即：

Ep + Ek = 恒量 （1）

mgh = 1/2mv2 （2）

根据地形剖面可计算出斜坡坡度β和碰撞时的切向速度Vt与法向速度Vn，即：

Vn = V·sinβ （3）

Vt = V·cosβ （4）

落石與斜坡松散层坡面的法向碰撞可认为是塑性碰撞，所以Vn=0。切向碰撞参考Hungr等人的研究，切向损失率采用10%，即落石第一次在斜坡上碰撞后维持其继续运动的动能为1/2m（0.9Vt）2。

块石在斜坡上的继续运动是以滚动和滑动为主的综合形式运动，其摩擦角称为综合摩擦角。

根据功能原理，落石的势能变化等于动能变化和克服摩擦所做的功：

∑mg△hi = 1/2m（Vi2-Vt2） + ∑mgcosdi·tgΦ·Li

式中：Vi——落石在斜坡面上任意位置处所具有的速度

di——各直线段斜坡的平均坡度

△hi——各直线段斜坡的铅直高度

Φ——落石与坡面的综合摩擦角

Li——各直线段斜坡的长度

当末速度Vi=0时，可求得∑Li，而∑Licosdi就是崩塌的最大水平运动距离。

根据黄龙洞景区危岩分布的坡体结构特征，结合危岩体已发生的崩塌落石进行反算、类比，危岩崩塌体最大水平落距47.6～60 m，最大垂直距离65 m，与现场调查情况基本吻合，现场调查滚石最大落距约52 m。

3.3 运动速度计算

崩塌落石下落的最终速度不仅与开始崩落的高度有关，而且与崩塌体的体积、重量、形状有关。另外非直落式落石的运动还与山坡的坡度以及坡面上的植被都有密切关系。现以其中一个危岩体为例进行计算。

对于崩塌落石的速度计算，采用前苏联尼·米·罗依尼什维里教授提出的落石运动速度的计算方法，按折线形山坡计算（图5、图6）。各坡段的坡度角α为30°～60°，各段的长度超过10 m，相邻的坡度α相差5°以上。其中两段坡面（CD及EF段）采取滚动摩擦方法进行计算。

其中最高一个坡段的速度按下式计算：

（5）

（6）

（7）

式中：H一石块坠落高度（m）；

g一重力加速度（m/s2）；

α一山坡坡度角（°）；

k—石块沿山坡运动所受一切有关因素综合影响的阻力特性系数，可采用表1所列公式计算。

由于该区植被茂密，第四系覆盖面积较多，本次计算除EF段外，其它区域K值取1.3倍。EF段为景区广场，K值按照表1计算。

其余坡段终端速度按以下公式计算：

式中：v0（i）—石块运动所考虑坡段的起点的初速度，可按不同情况考虑：

α（i-1）>α（i）时，则v0（i）=vj（i-1）cos（ai-1-ai）；α（i-1）<α（i）时，则v0（i）=vj（i-1）。

α（i）—所考虑坡段的坡度角（度）；

α（i-1）—为相邻的前一段坡度角（度）；

vj（i-1）—石块在前一坡段终端的运动速度（m/s）。

计算结果如表2所示。

4 危岩防治措施

4.1 治理原则

1、按照“标本兼治”的方针对危岩崩塌进行综合治理，既要防止目前危岩体的发展，还要防止发生新的危岩崩塌灾害。

2、由于黄龙洞位于湖南省张家界市核心景区武陵源风景名胜区内，常年接待大量中外游客，景区内对自然景观的保护要求较高，治理工作一要考虑不能大面积破坏地表植被，二要考虑施工周期短，治理区能在短时间内恢复自然植被景观。

3、实行绿色设计与绿色施工，危岩治理选在旅游淡季，治理工程应与美化景区及周边自然环境同步进行。

4.2 防治措施及建议

4.2.1 防治措施方案选择

根据现场勘查情况，黄龙洞黄龙食府—配电房上方危岩体主要以崩落、滚落等方式对下方的游客和工作人员造成威胁。边坡的坡度陡峻，高度较大，坡度在70°以上，高度大于50 m，落石质量在2t以下居多。综合各种因素，对危岩体（石）采取的防治措施方案为：

1、对规模较小、锚栓孔较浅的危岩体，采用岩栓或锚栓进行加固；对规模较大、深厚的危岩体或陡倾斜岩层，采用锚索进行加固。

2、对易于崩落、滚落、规模较小的危石，选择采用被动防护网治理措施，在边坡的适宜位置（坡度平缓处）设置被动防护网，主要是采用柔性和强度足以吸收和分散所受落石冲击的拦石网，将崩落的岩块挡在被动防护网的一侧，从而达到保护游客和工作人员生命及财产的目的。

4.2.2 防治建议

（1）加强监测工作，建议修建一条上山的简易便道，安排专人定期巡视，检查危岩发育情况，遇到小滚石，应及时清除；如有大的险情，应及时上报，必要时暂停下方游客游览。

（2）做好危岩崩塌地质灾害的群防群测和预警预案工作，加强预防演练。

（3）稳固坡体CD段下部台地上的滚石，利用挖坑掩埋（地點宜选择不易被地表水剥蚀区）、从坡体上移除等方式消除部分危岩隐患。

（4）为彻底解决危岩体的安全隐患，长远规划，在景区条件允许的情况下，可以在下方修建棚硐（类似于爬山廊道），或者在山脚下方留出一定安全距离设置围挡，禁止人员进入到安全距离内。

5 结论

在对黄龙洞景区危岩发生的地质环境、成因机制、发展趋势及崩落数学模型计算的基础上，综合考虑多种因素，选择采用被动防护网为主的综合治理措施，达到固定危岩体、挡住上部崩落岩块，从而保护景区内游客和工作人员生命财产安全。实践证明，本文所采用的危岩崩塌评价方法及计算方法进行防治措施的选用是合理可行的，值得推广应用。

参考文献/References

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[2] 朱鹏程，孟明超等. 张家界市黄龙洞黄龙食府—配电房上方危岩地质灾害治理工程施工设计[R]. 湖南省有色地质勘查局二一四队， 2016.

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