典型巖溶區(qū)危巖特征及穩(wěn)定性分析

李和志LI He-zhi；葛莎GE Sha；姜盛騫JIANG Sheng-qian；尹思航YIN Si-hang

（①湖南城建職業(yè)技術學院，湘潭 411101；②廣西壯族自治區(qū)地質環(huán)境監(jiān)測站，桂林 530029；③長沙理工大學，長沙 410015）

0 引言

桂林作為典型巖溶區(qū)，山峰林立，直立、反傾斜山體甚為常見，山體易發(fā)生危巖崩塌等自然災害。巖溶區(qū)地下水作用對危巖的影響較大，在暴雨等因素作用下，水進入巖體孔隙或裂隙，使巖體沿斥力超過引力最大面產生崩落[1，2]。碧蓮洞位于廣西壯族自治區(qū)桂林市陽朔縣碧蓮巷，屬于西南地區(qū)典型的鐘乳石地貌，巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育，溶蝕作用下巖體相互切割[3]。該危巖帶潛在威脅較大，所處山體危巖形狀不規(guī)則，巖石較破碎，在暴雨等各種不利因素作用下，將引發(fā)較大崩塌，對山體下部過往游客及景區(qū)工作人員生命財產安全將造成無可挽回的損失。

危巖具有隨機性大、突發(fā)性高、沖擊能量強及破壞后果難預測等特點，危巖穩(wěn)定性分析是危巖計算及評價中必不可少的環(huán)節(jié)，解決潛在的危巖穩(wěn)定性帶來的地質災害是危巖治理的關鍵[4~6]。許強基于蒙特卡洛法的基本原理，分析了單體危巖的穩(wěn)定性可靠度[7]。謝秀棟在考慮土體材料特性的隨機性的基礎上，根據對比分析探討了極限平衡分析法、可靠度分析法、數值分析法的優(yōu)點及不足，以及其各自的穩(wěn)定性分析中的發(fā)展趨勢[8]。陳洪凱等指出危巖發(fā)育機理是危巖研究的關鍵，而主控結構面的破壞擴展是危巖失穩(wěn)的根本原因，主控結構面的失穩(wěn)擴展源于裂縫端的損傷發(fā)育[9]。羅東生等采用赤平投影法和極限平衡法對巖溶區(qū)脹裂式危巖進行穩(wěn)定性分析[10]。現階段對危巖的研究大多以宏觀穩(wěn)定性分析為主，本文結合桂林巖溶區(qū)危巖成因機制及微觀地貌的特點，對碧蓮洞危巖體進行穩(wěn)定性評價，對桂林地區(qū)鐘乳石洞穴的開發(fā)和管理及西南地區(qū)危巖的防治有著重要的科學與社會意義。

1 危巖帶地質背景

1.1 地貌及地層巖性

碧蓮洞處于峰林谷地地貌區(qū)，群峰拔立，谷地較平坦，山頂標高252.3m，地面標高122m，相對高差約130m，進洞口處山體坡向約為225°，出洞口處山體坡向約為63°，危巖帶所處山體坡度30～80°。山體中上部生長有灌木叢，下部巖石較裸露。危巖區(qū)分布的地層主要有第四系（Q）粘土層和泥盆系中統(tǒng)唐家灣組（D2t）灰?guī)r。第四系（Q）粘土層為黃色粘土呈硬塑～可塑狀，主要分布于山腳處，厚約1.5~5m，山腰較緩處零星分布，厚約0.2~0.5m。泥盆系中統(tǒng)唐家灣組（D2t）灰?guī)r為灰-深灰色，大部分為隱晶質結構，中-微風化，中厚-厚層構造，巖石堅硬，性脆，結構破碎，巖溶較發(fā)育。

1.2 水文地質和工程地質條件

該區(qū)域地下水為松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水。前者主要賦存于第四系覆蓋層孔隙中，孔隙細小，多被泥質充填，含水高、透水性較差。后者主要為泥盆系中統(tǒng)唐家灣組（D2t）灰?guī)r。主要賦存于溶洞及溶蝕裂隙中，多以地下河的形式排泄。水質類型為HCO3－Ca2+型，pH 值為6.8，礦化度75.96mg/L，對混凝土微侵蝕性。

危巖區(qū)巖土體結構主要有第四系松散土體和中-薄層狀巖溶中等發(fā)育堅硬灰?guī)r。前者力學強度較低，多分布于山腳（厚約1.5~5m）或山體上部較緩坡體（厚度多為約0.2~0.5m）。后者為泥盆系中統(tǒng)唐家灣組灰?guī)r，呈灰~灰黑色，隱中-微風化，中厚～厚層構造，堅硬灰?guī)r性脆、結構破碎，巖溶中等發(fā)育，山體頂部為甚。山體表面產生溶蝕裂隙及溶蝕溝槽，溝槽寬0.2～0.5m，深1～3m。溶蝕深度0.1～5m，溶蝕裂隙寬5～13cm，局部達30cm，結構面將巖體分割成塊體，部分懸空，部分已松動或產生位移，形成危巖[3]。

2 危巖帶發(fā)育特征分析

2.1 危巖帶基本特征

碧蓮洞進洞口處危巖帶WYD1 分布于穿山西峰山體西面的陡壁上，分布高程為140~154m，主崩方向210°~225°。危巖帶最大寬度26m，最大順坡長約14m，危巖帶面積364m2，平均厚0.5m，危巖帶所在斜坡坡度約為65°~90°?；鶐r中主要發(fā)育有兩組節(jié)理裂隙，與巖層將巖體切割成大小不等塊體，巖體破碎，為危巖帶的形成創(chuàng)造了條件。①裂隙：52°∠65°，寬度2~8cm，可見長度為3~12m，裂隙率2 條/m；②裂隙：127°∠60°，寬度為3~9cm，可見長度為1~9m，裂隙率3 條/m。

2.2 危巖體的基本特征

危巖帶中有2 處體積較大危巖體，共16.3m3，為典型危巖W1，W2，如圖1。W1 危巖位于進洞口上方山體坡面，坡度約75°。危巖體呈不規(guī)則狀，表面破碎，危巖體切割裂隙發(fā)育，巖體部分內嵌，重心外傾，底部有局部支撐，后緣被裂隙切割，僅部分與母巖連接，裂隙張開明顯，巖體表面發(fā)育一組近垂直于巖面的節(jié)理裂隙。危巖體前緣部分懸空向前剪出，受后緣裂隙與底部裂隙的交叉切割，僅靠內嵌部分巖體支撐保持平衡，穩(wěn)定性差，如遇較大振動、暴雨等作用，可能發(fā)生滑移式崩塌。

圖1 典型危巖基本特征

W2 危巖位于進洞口上方山體坡面，坡度約79°。危巖體由多塊巖體組成，呈不規(guī)則狀，巖體破碎，后緣被裂隙切割，僅部分與母巖連接，裂隙張開明顯，巖體表面發(fā)育一組近垂直于巖面的節(jié)理裂隙。危巖體前緣為陡壁，下部懸空，僅靠內嵌部分巖體支撐保持平衡，被分割的巖石塊體，在重力作用下存在沿裂隙向臨空面傾倒和滾落的趨勢。如遇較大外部作用，危巖可能發(fā)生墜落式崩塌。W1、W2 基本情況如表1 所示。

表1 危巖基本情況一覽表

3 電鏡掃描分析

采用S4800 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察危巖體風化程度，采用5k 倍放大電鏡對處理后的危巖表層小塊體進行微觀結構觀察和分析。未破壞巖體表面致密，巖體顆粒規(guī)則排布。圖2（a）危巖風化表層較破碎，表面可見土顆粒及巖石碎屑顆粒；風化巖體表面如圖2（b）風化較嚴重，表面出現架空結構，空隙較大、較深。

圖2 危巖電鏡掃描5k 實驗圖

可觀察到部分巖體表面凹陷明顯，可見危巖表層巖體碎屑較多，巖體破碎程度大，巖體表面由于風化剝蝕、地表水溶蝕及植被根劈作用等，巖體表層定向性十分差，紊亂無序，易產生不穩(wěn)定破壞。

4 危巖體穩(wěn)定性評價

采用赤平投影分析法對典型危巖的穩(wěn)定性進行分析，根據現場調查，山體總體坡向約為6°，山體坡度30～75°，山體基巖裸露，巖層節(jié)理發(fā)育，分布浮石、被節(jié)理裂隙面切割成的危巖體，這些危巖處于基本穩(wěn)定-欠穩(wěn)定狀態(tài)。調查區(qū)山體巖層產狀288°∠5°，W1 號、W2 號危巖主要發(fā)育三組節(jié)理裂隙：J1：152°∠46°、J2：127°∠60°、J3：220°∠65°。根據危巖區(qū)的地形地貌、地層巖性、構造、巖土體工程地質特征。

根據廣西地方標準（DB45T1696-2018）計算危巖穩(wěn)定性。根據規(guī)范要求及本區(qū)大量工程實例，穩(wěn)定性評價選擇兩種工況：①工況Ⅰ-現狀工況：自重+裂隙水壓力，②工況Ⅱ-暴雨工況：自重+暴雨時裂隙水壓力+地下水。工況Ⅰ中墜落式和雙結構面控制危巖穩(wěn)定的滑移式危巖，不考慮裂隙水壓力。危巖區(qū)防治工程安全等級為II 級，區(qū)內滑移式和墜落式危巖體穩(wěn)定安全系數在工況Ⅰ、工況Ⅱ情況下取1.3、1.5（DB45T1696-2018）。綜合選取折減后巖體計算力學參數見表2。

表2 巖體計算力學參數一覽表

對各特征危巖體穩(wěn)定性計算，穩(wěn)定性系數取兩種計算結果中的較小值。

4.1 滑移式危巖

危巖體后緣存在貫通的陡傾裂隙、滑面緩傾。危巖穩(wěn)定性按巖體破碎的巖質滑坡穩(wěn)定性計算，計算簡圖見圖3（a），計算公式如下：

4.2 墜落式危巖

計算模型見圖3（b），計算公式如下：

圖3 危巖體穩(wěn)定性計算模式圖

方向沿滑移面斜向下，其中：

K—傳遞系數；

c—黏聚力；

Q—地震力，不考慮；

F—危巖穩(wěn)定系數；

φ—危巖體后緣裂隙內摩擦角標準值（°）；

flk—危巖體抗拉強度標準值（kPa）；

ξ—危巖抗彎力矩計算系數。

根據危巖體形態(tài)、規(guī)模、結構特征及物理力學參數，按照公式進行計算，得各危巖體穩(wěn)定性系數計算結果見表3、表4。危巖剩余下滑力計算公式為：剩余下滑（傾）力=下滑（傾）力×安全系數-抗滑（傾覆）力。

表3 滑移式危巖穩(wěn)定性、剩余下滑（傾）力計算成果表

表4 墜落式危巖穩(wěn)定性、剩余下滑（傾）力計算成果表

根據計算結果，在天然狀況（工況Ⅰ）下，危巖體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨狀況（工況II）下，危巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結論

危巖體位于陡崖及陡坡處，各危巖體突出矗立，受構造影響巖體較破碎，堅硬性脆，節(jié)理裂隙發(fā)育，且受裂隙水徑流影響。溫差、暴雨、風化溶蝕、剝蝕等作用產生的溶蝕裂隙和風化裂隙，使山體受裂隙切割。通過電鏡掃描試驗觀察危巖表層巖體碎屑較多，凹陷明顯，破碎程度大。巖體表面由于風化剝蝕、地表水溶蝕作用等，表層定向性差，紊亂無序，具備危巖表面特征。

進行定性與定量穩(wěn)定性分析，采用赤平投影定性分析危巖體在各組優(yōu)勢節(jié)理切割形成三維切割體，穩(wěn)定性差，處于穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)。對危巖體進行穩(wěn)定性評價，在天然狀況（工況Ⅰ）下，W1 危巖、W2 危巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨狀況（工況II）下，均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。