環境邊坡危巖體穩定性定性評價研究

劉沖平，王吉亮，黃孝泉，白 偉

(長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，湖北 武漢 430074)

0 引 言

西南地區河谷深切狹窄、自然邊坡高陡、卸荷作用強烈、地質條件復雜，可能存在環境邊坡危巖體高位失穩的風險，危害工程與人員安全。在危巖體穩定性評價中，因高陡邊坡存在“靠不近、看不清”的問題，結構面力學參數難以確定，定量評價較為困難，更難以快速定性評價邊坡穩定性。陳愛云等[1]基于三維激光掃描技術，研究了危巖體特征快速識別方法及穩定性評價；廖斌等[2]基于無人機技術，研究了高陡邊坡危巖體參數獲取及穩定性評價；高相波等[3]基于逆向工程建模方法，對危巖體穩定性進行了數值模擬分析；諶玉萍[4]以重慶萬州首立山滑塌式危巖體為例，對該滑塌式危巖體的穩定性進行了分析；黃道剛等[5]分析了高陡巖質邊坡局部危巖體穩定性；楊智翔等[6]分析了高陡邊坡危巖體孤石的穩定性。雖然滑移型危巖體穩定性定量計算方法較成熟，但是傾倒型、墜落型危巖體穩定性定量計算方法尚不成熟，仍需進行定性評價。

本文對金沙江烏東德水電站、旭龍水電站等[7-8]高山峽谷壩址區環境邊坡大量危巖體穩定性的定性評價方法進行了總結，對比了定性評價與定量評價結果，提出了環境邊坡危巖體穩定性的定性評價標準，可供同類工程借鑒。

1 危巖體分類

危巖體是指環境邊坡上結構面切割組合形成的可能失穩的巖體[9]。根據力學機制與失穩模式，環境邊坡危巖體按破壞模式分為滑移型、傾倒型、墜落型3種類型，如圖1～3所示。滑移型危巖體沿底滑面發生剪切破壞，根據底滑面形態分為單滑面、雙滑面(楔形體)、基本貫通長大滑面3個亞類；傾倒型危巖體沿后緣近直立結構面發生傾倒破壞，根據形態分為底面部分懸空型、薄板型(高厚比大)2個亞類；墜落型危巖體凸出于陡崖或峻坡，底面完全懸空，沿后緣近直立結構面發生拉裂破壞而自由墜落。

圖1 滑移型危巖體示意Fig.1 Schematic diagram of sliding dangerous-rock

注：(a)～(b)屬于傾倒型危巖體，h為高度，d為厚度；(c)屬于墜落型危巖體。圖2 傾倒型、墜落型危巖體示意Fig.2 Schematic diagram of toppling and falling dangerous-rock

圖3 危巖體典型實例Fig.3 Typical cases of dangerous-rock

不同破壞模式危巖體因破壞力學機制差異，穩定性分析所采用的定性或定量評價方法不同。危巖體穩定性的定性分級包括穩定性差、較差、基本穩定、穩定4個級別[10]。

2 定性評價

2.1 滑移型危巖體

滑移型危巖體沿底滑面發生剪切破壞，其根據底滑面形態分為單滑面、雙滑面(楔形體)、基本貫通長大滑面3個亞類。① 單滑面：主要發生在傾坡外結構面控制的巖體中，破壞方式為沿外傾結構面發生單面滑移。② 雙滑面(楔形體)：受兩組與坡面斜交且交棱線傾向坡外(傾角小于坡角)的結構面控制，破壞方式為沿兩條底滑面組合的交棱線向臨空方向滑移。③ 基本貫通長大滑面：雖未完全貫通但基本貫通或大部分貫通、傾向坡外的長大結構面，因危巖體方量巨大，下滑力大，其還可能剪斷殘留巖橋發生滑移破壞。

滑移型危巖體穩定性主要取決于以下3個方面因素，其定性評價標準見表1。

表1 滑移型危巖體穩定性定性評價標準Tab.1 Qualitative evaluation criteria for stability of sliding dangerous-rock

(1) 滑面幾何特征(產狀和連通性等)。滑面的陡緩對滑移型危巖體穩定性起控制作用。單滑面或雙滑面的交棱線傾向坡外，傾角小于邊坡坡角，傾角越陡，危巖體穩定性越差；基本貫通長大滑面形成的大方量危巖體的滑面連通性越好，穩定性越差。

(2) 滑面性狀(張開度、充填物、粗糙起伏程度等)。軟弱結構面滑面抗剪斷強度越小、危巖體穩定性越差、滑面充填物泥質含量越高、抗剪斷強度(內摩擦角φ)越小，危巖體穩定性越差；滑面張開度越大、抗剪斷強度(黏聚力c)越小，危巖體穩定性越差；滑面為張開結構面比閉合結構面所形成的危巖體穩定性差。此外，危巖體的重量與滑面面積比越大，內摩擦角φ對危巖體穩定性越敏感；危巖體的重量與滑面面積比越小，黏聚力c對危巖體穩定性越敏感。

(3) 結構面卸荷松弛張開特征。邊坡卸荷松弛越強烈，巖體松弛程度越高，結構面張開越多，張開寬度越大，這是因為：① 滑面卸荷松弛張開寬度越大，地表水進入滑面軟化充填物，滑面抗剪斷強度越小，危巖體穩定性越差；② 后緣結構面卸荷松弛張開寬度越大，地表水充于后緣結構面形成的靜水壓力越大，危巖體穩定性越差。

此外，特殊的地形特征也會影響危巖體穩定性，如危巖體凸出于陡崖，側面或頂面不受約束，危巖體穩定性差；危巖體頂面或側面存在匯集水流溝槽，或位于陡緩相間部位，則地表水易進入結構面，降低危巖體穩定性。

2.2 傾倒型危巖體

傾倒型危巖體沿后緣近直立結構面發生傾倒破壞，其根據形態分為底面部分懸空型、薄板型(高厚比大)2個亞類。傾倒型危巖體穩定性主要取決于以下3個方面因素，其定性評價標準見表2。

表2 傾倒型危巖體穩定性定性評價標準Tab.2 Qualitative evaluation criteria for stability of toppling dangerous-rock

(1) 底面懸空程度。危巖體底面懸空程度越大，重心越往外移動，越可能發生轉動傾倒破壞。危巖體懸空超過一半(危巖體重心位于懸空點外側)則可能發生傾倒破壞；危巖體懸空小于一半(危巖體重心位于懸空點內側)，只有高厚比很大(薄板狀)的情況下才可能發生傾倒破壞。

(2) 后緣結構面特征(張開度、連通性)。后緣結構面貫通性越好(后緣結構面巖橋比例越小)，巖體拉力越小，越易傾倒破壞，即危巖體穩定性越差；后緣結構面張開比例越大或張開寬度越大，地表水充于后緣結構面形成的靜水壓力越大，危巖體穩定性越差。

(3) 危巖體高厚比。對于薄板狀傾倒型危巖體，只有高厚比很大的情況下才可能發生傾倒破壞。高厚比越大，在靜水壓力或水平地震力作用下傾倒的可能性越大，即危巖體穩定性越差。

2.3 墜落型危巖體

墜落型危巖體凸出于陡崖或峻坡，底面完全懸空，后緣結構面近直立，沿后緣結構面發生拉裂破壞而自由墜落。墜落型危巖體穩定性主要取決于以下3個方面因素，其定性評價標準見表3。

表3 墜落型危巖體穩定性定性評價標準Tab.3 Qualitative evaluation criteria for stability of falling dangerous-rock

(1) 凸出程度。危巖體凸出程度(后緣結構面水平深度)越大，危巖體越可能在重力作用下發生拉裂破壞，即危巖體穩定性越差。

(2) 后緣結構面特征(連通性、張開度)。后緣結構面貫通性越好，即后緣結構面巖橋比例越小，后緣結構面高度越大，危巖體穩定性越差；后緣結構面張開比例越大或張開寬度越大，地表水充于后緣結構面形成的靜水壓力越大，危巖體穩定性越差。

(3) 堅硬程度及完整性。墜落型危巖體多發育于上硬下軟巖體或硬巖內，單一軟巖很難形成陡崖或峻坡而發育墜落型危巖體。下部巖石越軟弱、完整性越差，抗拉強度越小，危巖體穩定性越差。

3 半定量評價

根據大量危巖體特征與穩定性關系研究成果，提出了危巖體穩定性半定量評價標準和方法，即通過對塊體結構面產狀、松弛張開特征、底部臨空情況、附近變形破壞跡象等要素進行分項按權重賦分，將各項賦分相加后求得總分，再按照相應的標準進行半定量評價，具體評價標準見表4。

表4 危巖體穩定性半定量評價賦分標準Tab.4 Semi qualitative macro evaluation criteria for stability of dangerous-rock

4 定性與定量評價關系

危巖體穩定性的定性評價結果可與規范中穩定系數或安全系數標準對應(表5)。通過對照定性評價與定量評價，可反算結構面力學參數，解決因環境邊坡高陡難以靠近[11]而導致結構面力學參數難以確定的難題。根據需要達到的安全系數，可計算危巖體所需錨固力，從而設計錨固措施。

表5 危巖體穩定性定性評價與定量評價對應關系Tab.5 Correspondence of qualitative and quantitative evaluation for stability of dangerous-rock

5 結 論

本文建立了環境邊坡危巖體穩定性的定性評價標準，得出如下結論。

(1) 危巖體按破壞模式分為滑移型、傾倒型、墜落型危巖體。滑移型危巖體的穩定性通過滑面幾何特征、滑面性狀、結構面卸荷松弛張開特征確定；傾倒型危巖體的穩定性通過底面懸空程度、后緣結構面特征、高厚比確定；墜落型危巖體的穩定性通過其凸出程度、后緣結構面特征、堅硬程度及完整性確定。

(2) 提出了危巖體穩定性的半定量評價標準和方法，即通過對塊體結構面產狀、松弛張開特征、底部臨空情況、附近變形破壞跡象等要素分項按權重賦分，各項賦分相加后求得總分，按照相應的標準進行半定量評價。

(3) 將穩定性定性評價與穩定系數對應，可反算結構面力學參數，并確定危巖體所需錨固力。