典型巖溶區危巖特征及穩定性分析

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

（①湖南城建職業技術學院，湘潭 411101；②廣西壯族自治區地質環境監測站，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，山峰林立，直立、反傾斜山體甚為常見，山體易發生危巖崩塌等自然災害。巖溶區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桂林市陽朔縣碧蓮巷，屬于西南地區典型的鐘乳石地貌，巖石節理、裂隙發育，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則，巖石較破碎，在暴雨等各種不利因素作用下，將引發較大崩塌，對山體下部過往游客及景區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、突發性高、沖擊能量強及破壞后果難預測等特點，危巖穩定性分析是危巖計算及評價中必不可少的環節，解決潛在的危巖穩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、數值分析法的優點及不足，以及其各自的穩定性分析中的發展趨勢[8]。陳洪凱等指出危巖發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的根本原因，主控結構面的失穩擴展源于裂縫端的損傷發育[9]。羅東生等采用赤平投影法和極限平衡法對巖溶區脹裂式危巖進行穩定性分析[10]。現階段對危巖的研究大多以宏觀穩定性分析為主，本文結合桂林巖溶區危巖成因機制及微觀地貌的特點，對碧蓮洞危巖體進行穩定性評價，對桂林地區鐘乳石洞穴的開發和管理及西南地區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，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。危巖區分布的地層主要有第四系（Q）粘土層和泥盆系中統唐家灣組（D2t）灰巖。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。泥盆系中統唐家灣組（D2t）灰巖為灰-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，巖溶較發育。

1.2 水文地質和工程地質條件

該區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唐家灣組（D2t）灰巖。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-薄層狀巖溶中等發育堅硬灰巖。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）。后者為泥盆系中統唐家灣組灰巖，呈灰~灰黑色，隱中-微風化，中厚～厚層構造，堅硬灰巖性脆、結構破碎，巖溶中等發育，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°。基巖中主要發育有兩組節理裂隙，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°。危巖體呈不規則狀，表面破碎，危巖體切割裂隙發育，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，巖體表面發育一組近垂直于巖面的節理裂隙。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，穩定性差，如遇較大振動、暴雨等作用，可能發生滑移式崩塌。

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，巖體表面發育一組近垂直于巖面的節理裂隙。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，易產生不穩定破壞。

4 危巖體穩定性評價

采用赤平投影分析法對典型危巖的穩定性進行分析，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，巖層節理發育，分布浮石、被節理裂隙面切割成的危巖體，這些危巖處于基本穩定-欠穩定狀態。調查區山體巖層產狀288°∠5°，W1 號、W2 號危巖主要發育三組節理裂隙：J1：152°∠46°、J2：127°∠60°、J3：220°∠65°。根據危巖區的地形地貌、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）計算危巖穩定性。根據規范要求及本區大量工程實例，穩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定的滑移式危巖，不考慮裂隙水壓力。危巖區防治工程安全等級為II 級，區內滑移式和墜落式危巖體穩定安全系數在工況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

對各特征危巖體穩定性計算，穩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。危巖穩定性按巖體破碎的巖質滑坡穩定性計算，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、規模、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 滑移式危巖穩定性、剩余下滑（傾）力計算成果表

表4 墜落式危巖穩定性、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，危巖體處于基本穩定狀態；在暴雨狀況（工況II）下，危巖體處于不穩定狀態。

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，節理裂隙發育，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。

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