特高位遠程危巖群破壞成因及穩(wěn)定性評價
——以滇東北烏峰山地區(qū)為例

胡君春，彭 軍，陳志軍，焦德光

1. 云南省煤炭地質勘查院，云南 昆明 650218；2. 昆明工程勘察公司，云南 昆明 650034；3. 玉溪師范學院，云南 玉溪 653100

0 引言

中國西南山區(qū)人類工程活動頻繁，地質環(huán)境脆弱、復雜多變，加之極端氣候，致群死群傷崩塌多，造成人員傷亡與財產損失. 不同危巖體（帶或群）的排查、研究、治理和監(jiān)測亟待解決. 危巖崩塌是一種全球性泛生型山地災害，其存在部位具有失穩(wěn)破壞性、隨機性、隱蔽性、突發(fā)性，且運動速度快，沖擊破壞力強，致災后果具有災難性，嚴重威脅山區(qū)城鎮(zhèn)、水利設施、公路和礦山安全［1-5］. 受青藏高原構造控制，中國西南地區(qū)地形切割深，河谷狹窄深切，坡體陡峻，地震烈度高，地應力水平高，地質結構復雜，巖體卸荷裂隙發(fā)育，天然岸坡淺表穩(wěn)定性較差［6-7］. 近年來，隨著經(jīng)濟不斷持續(xù)增長，環(huán)境復雜的偏遠山區(qū)集鎮(zhèn)和村落在人類發(fā)展和生存中扮演著重要的角色. 由于其地形地貌差異明顯，復雜多變，地質環(huán)境多樣，加之災害性、極端氣候條件，危巖群、泥石流及滑坡等地質災害頻繁發(fā)生. 危巖崩塌是滇東北山區(qū)主要地質災害之一［8］.

滇東北地處五蓮峰和烏蒙山腹地，山高谷深，以危巖墜落和崩塌為主的山地災害頻發(fā)，危害極大. 為此，本文擬選擇區(qū)內具有代表性的烏峰山特高位危巖群作為研究對象，深入研究特高位危巖群的破壞機制. 危巖區(qū)冬季有霜、雪和凌凍，無霜期為217 d，11 月至次年3 月為霜凍期，年平均積凍10 d. 鎮(zhèn)雄縣冰凍災害風險的概率值危100%，有年年出現(xiàn)冰凍災害的氣候風險［9］. 氣象條件在本區(qū)具有代表性，降水、凍融、霜凍是危巖崩塌的主控因子［10-14］.

1 危巖群概況

危巖群位于云南省鎮(zhèn)雄縣烏峰山南坡，包括5 處危巖體（圖1 中W1—W5）. 坡腳與坡頂高差222 m. 危巖平均高差達159 m，屬特高位危巖（表1）. 斜坡整體坡度一般在30～50°之間，局部坡度達70°以上，山勢陡峻，為懸崖峭壁. 巖性主要為粉砂巖、細砂巖和薄層泥巖. 坡腳崩坡積層呈扇狀分布，厚在0.5～20 m 之間. 因長期零星發(fā)生不同規(guī)模崩塌，崩積層呈階梯狀. 崩積層和自然土層差異明顯. 落石最大水平位移216 m. 危巖群與落石分布及特征見圖1、表2. 危巖體呈帶狀分布，由粉砂巖、細砂巖和薄層泥巖組成，差異風化強烈，卸荷裂隙發(fā)育，巖體較破碎，巖腔和裂縫發(fā)育顯著.

表1 烏峰山危巖特征表Table 1 Characteristics of dangerous rocks in Wufeng Mountain

表2 烏峰山崩塌落石特征表Table 2 Characteristics of collapse rockfalls in Wufeng Mountain

圖1 烏峰山地貌特征及危巖分布Fig. 1 Geomorphological feature of Wufeng Mountain with distribution of dangerous rocks

據(jù)訪問，20 世紀70 年代，危巖區(qū)為采石場，石料運至縣城為建筑材料. 90 年代開始有少量滾石，2011年滾石量有所增大.

2 危巖基本特征

2.1 危巖體結構

危巖體巖性為三疊系下統(tǒng)飛仙關組（T1f）粉砂巖，中—厚層狀，產狀210°∠5°，巖層近水平. 斜坡坡度一般40～70°，局部為陡崖，危巖沿陡崖呈帶狀展布. 巖體結構面共發(fā)育3 組優(yōu)勢裂隙結構面：（310 ～315）°∠（75～80）°、（150～160）°∠（80～90）°、（224～235）°∠（40～70）°. 危巖風化裂隙發(fā)育，節(jié)理面與巖層面切割貫通（圖2）.

圖2 危巖（W1）節(jié)理面與巖層面切割貫通Fig.2 Joint planes cutting through rock beddings of dangerous rock 1—巖層層面（rock bedding）；2—節(jié)理（joint）

2.2 危巖體基座

危巖基座地層為三疊系下統(tǒng)飛仙關組（T1f）和卡以頭組（T1k），巖性均以粉砂巖為主，夾薄層狀泥巖或含泥質粉砂巖，泥質含量較大，強度較上部危巖低. 基座因差異風化而形成巖腔，深0.5～3 m（圖3）.

圖3 巖性差異風化形成的凹腔（W1）Fig. 3 Concave cavities formed by lithologicallydifferential weathering

危巖體及其基座巖性以粉砂巖和細砂巖為主，抗風化耐久性較差. 層間夾薄層泥巖和泥質粉砂巖，巖性風化差異較大，為崩塌災害形成提供了有利條件.

2.3 危巖卸荷

侵蝕切割形成斜坡陡崖改變了巖體原物理力學環(huán)境. 卸荷作用致使陡傾角裂隙進一步擴張，裂隙間相互貫通，裂隙空間逐漸增大，形成卸荷裂隙帶. 卸荷帶發(fā)育程度與危巖帶發(fā)育高度、危巖體性質、結構裂隙發(fā)育程度、危巖帶形成時間長短密切相關.

危巖卸荷帶寬度為5.20～14.10 mm，一般揭露1～5條. 卸荷帶多沿陡崖走向呈帶狀分布，以追蹤平行坡面的陡傾裂隙為主. 裂隙密度0.5～2 條/m，張開度5～40 mm，貫通性較好. 危巖內卸荷裂隙較發(fā)育（圖2、3），多為泥質充填，發(fā)育于巖體表層，深度較大，陡崖中下部巨厚層巖體中少見.

2.4 危巖崩塌堆積體

崩塌堆積物高10～20 m，一般厚4～8 m，坡度為32～46°，主要組成物為碎石土，呈倒石錐形態(tài)（圖1）.最大落石（K7）規(guī)模為2.21×1.72×0.37 m3.

崩塌堆積體分布于烏峰山腳，總體呈階梯狀. 堆積體頂部較薄，厚度0.5～1 m，坡腳堆積體隨地形變化.坡腳有人工種植的杉樹，堆積物上部為碎石裸區(qū). 因長期零星崩塌，植物活存較少，近裸露狀. 堆積物上部為碎石，坡腳為巨石，堆積體目前處于自然穩(wěn)定狀態(tài).

2.5 危巖近期變形破壞

2013 年5 月1 日至2016 年3 月，危巖區(qū)共發(fā)生22 次不同規(guī)模的崩塌現(xiàn)象. 2016 年3 月11 和3 月15日，分別發(fā)生兩次崩塌現(xiàn)象. 危巖后緣裂縫張開，巖體拉裂. 隨著6、7 月份雨季來臨，上部裂縫進一步加大，危巖體處于變形階段，危巖塊體多處于欠穩(wěn)定狀態(tài).在暴雨等不利因素作用下，易出現(xiàn)失穩(wěn)發(fā)生大型崩塌.

2.6 落石移動軌跡

調查過程中對烏峰山崩塌危巖產生的崩塌落石進行了詳細測量，尤其是對規(guī)模較大，運動距離較遠的塊石，并根據(jù)實際坐標在平面圖中予以標識. 據(jù)此獲得了翔實、準確的崩塌物質運動軌跡.

危巖體崩塌時，自由運動到達地面后以滾動或跳躍的方式運動一段距離后，在平緩地段停靠. 調查發(fā)現(xiàn)崩塌區(qū)崩落軌跡線如圖4 所示.

圖4 危巖體落石（K15）運動軌跡線Fig. 4 Motion trajectory of rockfall from dangerous rock

3 危巖形成機制分析

危巖形成條件包括內部和外部條件兩大類. 內部條件包括坡體結構、地層巖性、構造、高陡臨空面等；外部條件包括降雨、植被、冰雪凍融、地震、風化、人類工程活動等［15-16］. 崩塌滑坡災害成因有降雨引發(fā)型、自然演化型、地震激發(fā)型、地下開挖型、凍融滲透型、工程堆載型、切坡卸荷型、爆破振動型、灌溉滲漏型和和水庫浸潤型等10 種［17］.

3.1 內部條件

1）坡體結構：地形坡度大于70°，局部巖體近直立.坡面產狀（224～235）°∠（40～70）°.

2）地層巖性：粉砂巖、細砂巖夾薄層泥巖，軟硬相間，巖層產狀210°∠8°.

3）構造：危巖區(qū)無斷裂構造，發(fā)育（310～315）°∠（75～80）°和（150～160）°∠（80～90）°兩組節(jié)理裂隙.兩組節(jié)理交線外傾，與坡腳同向，存在縱向拉裂，不穩(wěn)定. 在粉砂巖區(qū)頂部可見裂縫，地形上危巖體前緣臨空，卸荷作用較為強烈，卸荷主要沿310°∠75°及150°∠80°兩組結構面張開，卸荷作用使巖體完整性變差，表部塊體穩(wěn)定性降低.

4）高陡臨空面：危巖陡崖段高，一般高差120～234 m，局部為高陡臨空面.

3.2 外部條件

1）降水：多年平均降雨量923.6 mm，年最大降雨量1 427.7 mm（1983 年），年最小降雨量578.7 mm（2009 年），月最大降雨量355.0 mm（1998 年7 月），日最大降雨量178.3 mm（2008 年7 月1 日）.

2）植被：危巖區(qū)內樹木茂盛，樹木的根劈作用破壞了巖體的整體性，同時又對局部塊體有加固作用.

3）冰雪凍融：危巖區(qū)內最低氣溫達－12.2 ℃（1977年2 月19 日）. 冬季有霜、雪和凌凍，無霜期為217 d，11 月至次年3 月為霜凍期，年平均積凍10 d. 凍融溫度、凍融循環(huán)、應力狀態(tài)和化學環(huán)境因素交替作用導致寒旱地區(qū)巖石的凍融循環(huán)損傷劣化［18］. 冰雪凍融對巖體破壞能力強，是加劇崩塌的關鍵因子.

4）地震：地震基本烈度為6 度，在地震水平作用力的影響下，易引起危巖體穩(wěn)定性降低.

5）風化：風化作用加速危巖體裂隙的擴展和貫通，使裂面強度降低. 差異風化促進危巖體的失穩(wěn). 在巖石風化和卸荷作用影響下局部巖體結構較破碎，呈碎裂—塊裂結構.

6）人類工程活動：據(jù)當?shù)鼐用穹从常?0 世紀80 年代，附近存在老窯采空區(qū)和老紅旗營煤礦，生產時間短，無資料記載. 危巖區(qū)曾為采石場，采石過程中導致山體局部至今無植被，為大面積基巖裸露區(qū). 老采區(qū)和采石是崩塌災害形成的原因之一.

3.3 成因分析

通過分析危巖內、外部條件，烏峰山特高位遠程危巖群巖性以粉砂巖、泥質粉砂巖為主，且整座山體巖性亦如此，易于風化，節(jié)理裂隙發(fā)育，破碎帶面積大，長期零星崩塌，以漸進式演化為群崩塌，高差大，遠距離崩塌，規(guī)模較大，崩塌面積廣，具有群發(fā)性、危險范圍大等特征. 高差大、高陡坡地形、冰雪凍融、雨水、差異風化、巖體破碎等因素是5 處危巖發(fā)育和破壞的主控因子，也是危巖形成、演化、崩塌的關鍵. 危巖群崩塌災害成因為降雨引發(fā)、自然演化、凍融滲透復合成因.

4 危巖破壞模式分析

大型高陡危巖在自重荷載和劇烈工程活動等多因子共同作用下，其底部區(qū)損傷劣化速度加快，成為破壞危巖整體穩(wěn)定性的“薄弱環(huán)節(jié)”，易發(fā)生底部壓裂變化，引發(fā)整體失穩(wěn)［19］. 崩塌主要發(fā)育于坡頂臨空面附近，受后部陡傾結構面和下部軟弱結構面控制，其破壞特征與邊坡破壞中的滑塌較為類似，破壞模式為傾倒－墜落破壞（圖5）.

圖5 傾倒式危巖（W1）破壞模式Fig. 5 Breaking mode of toppling-type unstable rock

傾倒式危巖是指后緣存在陡傾或反傾結構面的層狀巖體，陡傾或反傾結構面有一定的張開度，受力狀態(tài)為傾覆力矩，最終破壞后的起始運動形式為傾倒.

現(xiàn)場調查表明，陡傾坡外結構面非常發(fā)育，局部發(fā)育陡傾坡內的結構面. 由于陡崖高且陡峻，強烈的卸荷作用使危巖體后緣陡傾結構面張開度大，部分裂隙和母巖幾乎完全分離，致使危巖體向臨空方向發(fā)生較強烈的傾倒變形. 該類危巖體后緣常常存在陡傾或者反傾結構面，在自身重力、孔隙水壓力、水平地震作用力等所產生的傾覆力矩作用下，危巖體會產生傾倒變形，形成崩塌. 研究區(qū)5 處危巖均屬于傾倒式破壞.

5 危巖穩(wěn)定性評價

按《地質災害防治工程勘察規(guī)范》［20］對不同破壞模式采用不同的計算模型和方法進行定量計算分析.因其穩(wěn)定計算體系具有簡便、通用性、易操作的特點，工程中被廣泛使用，至今還在沿用［8］.

5.1 計算條件選取

危巖活動的主要影響因子是大暴雨，考慮地震對危巖影響，選取3 種荷載組合條件下評價危巖穩(wěn)定性.自重（天然狀態(tài)）、自重＋裂隙水壓力（暴雨狀態(tài)）、自重＋地震力.

5.2 計算塊體選取

綜合考慮巖體結構特征、結構面發(fā)育現(xiàn)狀、危巖塊體邊界條件、失穩(wěn)模式、下部粉砂巖受節(jié)理裂隙切割等因素，結合擬設支擋工程塊體和落石統(tǒng)計，選取1 m3的塊體大小來進行計算.

5.3 計算方法選取

結合巖體結構特征、結構面發(fā)育現(xiàn)狀、危巖塊體邊界條件、類型及失穩(wěn)模式等因素，對危巖的穩(wěn)定性進行計算. 5 處危巖主要以傾倒式為主，力學計算按照上述3 類不同荷載條件進行.

計算模型如圖6、7 所示，將巖塊按各自結構體特征沿長度方向選取若干截面進行計算，同時在考慮裂隙水壓力時，設裂隙深度與裂隙充水深度相等，每一截面按單元寬度考慮，不考慮基座抗拉強度.

圖6 后緣巖體抗拉強度控制Fig. 6 Control of tensile strength by trailing edge rock mass

1）危巖破壞由后緣巖體抗拉強度控制時，危巖穩(wěn)定系數(shù)（K）按下式計算.

危巖體重心在傾覆點之外：

危巖體重心在傾覆點之內：

圖7 底部巖體抗拉強度控制Fig. 7 Control of tensile strength by bottom rock mass

2）當危巖的破壞由底部巖體抗拉強度控制時，危巖穩(wěn)步定系數(shù)按下式計算.

式中：h—后緣裂隙深度（m）；hw—后緣裂隙充水高度（m）；H—后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距離（m）；a—危巖體重心到傾覆點的水平距離（m）；b—后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點之間的水平距離（m）；h0—危巖體重心到傾覆點的垂直距離（m）；flk—危巖體抗拉強度標準值（kPa），根據(jù)巖石抗拉強度標準值乘以0.4 的折減系數(shù)確定：θ—危巖體與基座接觸面傾角（°），外傾時取正值，內傾時取負值；β—后緣裂隙傾角（°）；W—危巖自重（kN/m3）；Q—地震力（kN/m）；V—裂隙水壓力（kN/m）.

5.4 計算參數(shù)

據(jù)危巖體結構和形態(tài)特征，判斷其破壞模式為傾倒式崩塌破壞. 據(jù)采樣分析，綜合鄰近場地的經(jīng)驗資料及相關規(guī)范，確定巖體的物理力學參數(shù)建議值. 危巖體巖性主要為粉砂巖，巖體節(jié)理發(fā)育，裂隙面結合差，抗剪強度低. 據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》［21］，天然狀態(tài)下裂隙抗剪強度為：內摩擦角（φ0）取12～18°，黏聚力（C）20～50 kPa；天然狀態(tài)下碎石土和膠結碎石土參數(shù)取值見表3. 巖體物理力學參數(shù)建議值見表4. 軟弱結構面、裂隙水壓力按裂隙蓄水能力和降雨情況綜合選取. 軟弱結構面分為結合很差型和結合極差型（泥化層），其中結合很差型內摩擦角在13～18°之間，結合極差型（泥化層）取值小于12°；結合很差型黏聚力取值在20～50 kPa 之間，結合極差型（泥化層）黏聚力取值小于20 kPa.

表3 巖土體力學參數(shù)取值Table 3 Mechanical parameters of rock and soil mass

表4 巖石力學參數(shù)統(tǒng)計表Table 4 Statistical table of rock mechanics parameters

5.5 危巖穩(wěn)定性計算與結果評述

針對不同變形破壞模式的危巖體，量化標準是有差別的. 參照《滑坡防治工程勘查規(guī)范》［22］中制定的判別依據(jù). 按計算模型和方法，選取危巖塊體具有代表性剖面，根據(jù)各個塊體的計算參數(shù)對危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)進行了計算，計算結果見表5.

表5 危巖體穩(wěn)定性計算結果表Table 5 Stability calculation results of dangerous rocks

6 結論

1）高差大、高陡坡地形、冰雪凍融、雨水、差異風化、巖體破碎等因素是5 處危巖發(fā)育和破壞的主控因子. 危巖群崩塌災害成因為自然演化、降雨引發(fā)、凍融滲透復合成因.

2）危巖群破壞模式為傾倒式，5 處危巖在不同荷載條件下穩(wěn)定性差，應加強監(jiān)測與群防群測，及時加以工程防治，確保危巖崩塌不造成重大經(jīng)濟損失.

3）烏峰山特高位遠程危巖群平均高差159 m，落石最大水平位移216 m，崩塌區(qū)和危巖區(qū)基巖裸露面積為0.07 km2. 由于軟弱巖層相間，長期零星崩塌，高速遠程動力崩塌過程中易產生碎屑流，呈散形扇狀高速沖擊流動.

4）通過對烏峰山5 處危巖的內、外部特征分析，評價了危巖群的基本特征、變形破壞模式及穩(wěn)定性. 該方法有助于現(xiàn)場識別危巖，準確獲取危巖的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，即反演危巖孕災過程，亦可推演危巖變形、破壞、發(fā)展趨勢，對于同類特高位遠程群發(fā)性崩塌有一定參考意義.