桂林市屏风山西侧危岩成因及稳定性分析

刘宝臣，郑金，向志坤

（桂林理工大学土木与建筑工程学院，桂林 541004）

桂林市屏风山西侧危岩成因及稳定性分析

刘宝臣，郑金，向志坤

（桂林理工大学土木与建筑工程学院，桂林 541004）

研究区属于典型的喀斯特岩质边坡。在调查的基础上，分析危岩体发育的内因和外因，对危岩体进行分类。采用静力解析法，对各类型危岩体进行受力模型分析和稳定性计算，判断各危岩体的稳定情况。

喀斯特；发育成因；静力解析；致灾因子

1 引言

桂林地处喀斯特地貌区，孤峰兀立、平地拔起，属典型的亚热带峰林平原（市区）、峰丛洼地（漓江两岸）地貌单元，区内山体直立、陡壁甚至反坡较为常见，加之石灰岩裸露及其质硬性脆、裂隙发育等特性，决定了危岩发育，极易发生岩块崩塌灾害。其独特的地质环境孕育了桂林市地质灾害类型为危岩和岩溶地面塌陷［1］，给山体附近居民的生命财产安全带来了威胁，严重影响了喀斯特景区特色旅游业的发展。由于其变形破坏是十分复杂的动力过程，发生突然且一次发生的规模及可能带来的综合损失不及典型的滑坡，从而使人们对这种灾害现象的研究不够重视［2］。为此，本文以屏风山西侧危岩为例，对岩溶地区岩质边坡典型的危岩发育特征和致灾因素展开研究，判断危岩体稳定状态。对于不稳定或极限稳定的危岩，建议后期采取一定的治理措施，例如，以锚固、清除和支撑为主的主动防护措施，以拦石墙（堤、栅栏）、被动柔性防护为主的被动防护措施等［3］。

2 危岩的分布特点及发育类型

2.1 危岩的分布特点

屏风山位于桂林市七星区建干路东侧，南、北、东三侧被桂林电力电容器厂和桂林理工大学包围，西侧毗邻建干路，山体下方分布有4个大小不等的人工防空洞，其中建干路一侧的防空洞已经封闭。此次研究的危岩主要位于屏风山的西北角处，如图1所示。

图1 屏风山西北角危岩体平面分布图Fig.1 Dangerous rocks at the northwest corner of Screen Mount

在评估区内共发现11处危岩体，主要以块状、层状、碎块状、片状、柱状等不规则形态存在于山体的陡壁中，危岩体大小为1～30m3，临空高度10～35m。大部分危岩位置高、体积大，若产生崩塌，将会造成极大的灾害。

2.2 危岩的发育类型

研究区地形地貌及危岩体分布如图2所示。根据危岩的结构和状态特征，将其划分为以下3种类型：

图2 屏风山建干路陡壁地形及危岩体分布Fig.2 Steep terrain and unstable rocks above the Jian'an road

（1）临空型：此类型危岩一般两面或三面临空，另一面或两面被构造裂隙切割而与母岩脱离，前方临空，下方悬空，后缘贯通度高。本次共发现1＃、3＃、5＃、6＃、7＃、8＃、9＃、10＃、11＃等临空型危岩体9处，在山体的陡壁面及陡坎反坡的下方均有分布，裂缝宽度2～15cm，典型危岩体如图3所示。

图3 典型临空型危岩体Fig.3 Typical overhanging type unstable rock

（2）贴坡型：此类型危岩体后缘存在与边坡倾斜方向一致，贯通或断续贯通的贴于坡面上的危岩体［4］，岩层在边坡强烈卸荷过程中，沿层面被拉开，产生裂缝，加上后期的重力、风化作用及裂隙水的作用进一步使裂缝扩张，形成滑面，直至危岩体失稳，完全脱离母岩下滑，4＃危岩体属于该类型危岩体。典型危岩体如图4所示。

图4 典型贴坡型危岩体Fig.4 Typical slope－sticking type unstable rock

（3）孤石型：此类型位于较陡斜坡上，与母岩完全脱离，表面溶蚀现象明显，下伏往往是松散的残积土，残积土极易被水冲刷而松散，摩擦力减小，导致危岩体重心偏移，最后在重力、地震力作用下滚落失稳。典型危岩体如图5所示。

图5 典型孤石型危岩体Fig.5 Typical isolated type unstable rock

3 危岩发育的成因分析

3.1 岩性与构造因素

3.1.1 地层岩性

工作区地层主要由泥盆系上统融县组（D3r）组成，浅灰色至灰白色，中厚层构造，岩性为灰岩夹鲕粒灰岩，岩石坚硬性脆，中等风化，在应力作用下容易形成裂隙。基岩大部呈裸露状态，坡脚前方为漓江二级阶地，上更新统（Qal3）冲积物；少量第四系残坡积含碎石粉质粘土覆盖于坡顶或坡面相对凹平部位，或充填于缝隙中；坡顶岩体表面具有溶蚀现象，可见溶沟、溶槽、石牙发育。这些为危岩的发育提供了条件。

3.1.2 地质构造

根据野外勘查发现，在山体陡坡部位有3组主要裂隙发育。第一组：走向近SN向，近直立，发育方向与陡坡走向大体一致，不利于岩体的稳定，岩体遭到该组裂隙切割后，极易形成危岩体；第二组：走向NE50°，倾向NW，倾角70°；第三组：走向NW40°，倾向NE，倾角54°。工作区位于近东西向老人山背斜的南翼，无区域性断裂通过，使得山体陡坡被3组裂隙所切割，在3组裂隙和层面组合下，岩体被切割，形成数量众多的孤立岩块，加之裂隙经后期溶蚀加宽，进一步促进危岩体发育。

3.2 地形地貌因素及植物根系影响

工作区属于岩溶孤峰平原地貌单元，地形呈现为南西－北东向延伸的陡坡，总体坡度75°左右，局部呈反坡，最大坡高达35m，底部宽约50m，靠近建干路一侧，因为路基开挖，已形成陡坎，具备临空面，在强烈的卸荷作用下，后缘拉裂，主控结构面进一步贯通。同时，岩体周围植被较发育，榕、樟等自然树木根径1～8cm，长达3m以上，沿节理裂隙不断向里生长，对裂隙产生劈裂作用，使得岩石的裂缝、节理进一步张开，加剧了危岩体的形成。

3.3 气象、水文因素

雨季是危岩失稳的多发季节，降雨强度大，历时长越容易发生［5］。工作区地处亚热带季风气候，雨量充沛，多年平均降雨量约1800mm，降雨集中在4～7月份，占全年降雨量的62%，每年均会有几次大暴雨及强降雨过程，附近无地表河流，降水沿裂隙面下渗，一方面增加了岩体的重量，同时，短期内产生裂隙水压力［6］，这些都是危岩崩塌的致灾因素。

3.4 岩溶发育

工作区属于纯碳酸盐岩岩溶发育强烈区，溶洞发育，地下岩溶呈管道状、网络状，发育不均一。地表岩溶形态主要表现为石牙、溶蚀宽缝、溶槽等，在构造裂隙和风化裂隙作用下易形成孤石。

3.5 人为因素

建干路修建期间，曾在坡脚开凿加宽，以及20世纪五、六十年代，山体内开挖防空洞，均采用大剂量有声爆破。另外，建干路每天来往的行人和车辆产生的震动，这些因素的作用机制和自然营力的改造作用类似［7］，但是相对而言，人类活动作用过程通常要比自然营力要快得多。这些人为因素打破了危岩的稳定平衡状态，加剧了危岩失稳。

4 危岩体稳定性分析

4.1 临空型危岩体稳定性分析

1＃、3＃、5＃、6＃、7＃、8＃、9＃、10＃、11＃危岩属于临空型危岩体，其后缘部主控结构面陡倾，贯通度较高，在受到自重、地震力、裂隙水压力的作用下，主控结构面卸荷，裂隙加深，直到主控结构面全部贯通，从而危岩体与母岩分离，发生错落失稳。根据其结构特点进行受力分析，模型如图6所示。

图6 临空型危岩体计算模型Fig.6 Calculation model of overhanging type unstable rock

运用静力解析法，推导出稳定系数计算公式如下：

式中，W为危岩体自重；P为地震力；Q为静水压力；c、φ为主控结构面等效强度参数；β为裂隙面倾角。

通过对上述9块临空型危岩体进行实地调查测量，得出危岩体各项数据并进行稳定性计算，其结果如表2所示，其中危岩体部分物理力学参数如表1所示。

表1 危岩体物理力学参数设计值Table 1 Design value of physical mechanics for unstable rocks

表2 临空型危岩体稳定性计算结果Table 2 Stability calculations of overhanging type unstable rock

4.2 贴坡型危岩体稳定性分析

4＃危岩体属于贴坡型危岩体，其位于陡坡上，在卸荷过程中，岩层层面被拉开，出现张拉裂隙，在后期的自重、裂隙水等力的作用下，裂隙进一步扩大，形成潜在的滑移面，直到危岩体的下滑力超过结构面的抗滑力时，发生失稳。现场调查，其主控结构面为二维斜线型状态，未完全贯通，受力模型如图7所示。

图7 贴坡型危岩体计算模型Fig.7 Calculation model of slope－sticking type unstable rock

运用静力解析法，推导稳定系数计算公式如下：

通过对4＃危岩体进行实地调查测量，得出危岩体各项数据，并进行稳定性计算，其结果如表3所示。

表3 贴坡型危岩体稳定性计算结果Table 3 Stability calculations of slope－sticking type unstable rock

4.3 孤石型危岩体稳定性分析

2＃危岩体属于孤石型危岩体，孤立于山坡上，其下部嵌入坡表土体内，目前靠摩擦力、嵌入力保持平衡，在后期雨水的浸泡、冲刷作用下，下部土体松散，摩擦力和嵌入力降低，加上后期重力和地震力作用，当由地震力产生的倾覆力矩大于由重力产生的抗倾覆力矩时，危岩体将绕倾覆点发生偏心滚落失稳，其受力模型如图8所示。

图8 孤石型危岩体计算模型Fig.8 Calculation model of isolated type unstable rocks

运用静力解析法，推导稳定系数计算公式如下：

式中，m为转点A至重力延长线的垂直距离（m）；h为转点A至水平地震力延长线垂直距离（m）。

通过现场测量，得出危岩体各项数据，并进行稳定性计算，其结果如表4所示。

表4 孤石型危岩体稳定性计算结果Table 4 Stability calculations of isolated type unstable rock

根据危岩体稳定性判据，当稳定性系数＞1.1时，为基本稳定状态；当稳定性系数在1.0～1.1时，为极限稳定状态；当稳定性系数＜1.0时，为不稳定状态［8］。11块危岩体的稳定状态分别见各稳定性计算结果表。

5 结论

（1）工作区内存在着对建干路构成威胁的11块危岩，其大小在1～30m3，大部分分布在较高且陡峭的位置，若产生崩塌，将会有很大的破坏力。本文根据危岩体的结构和状态特征，将其划分为临空型、贴坡型、孤石型等3种基本类型。

（2）工作区属岩溶孤峰平原地貌单元，山体陡峭，岩石节理裂隙发育，山体表面岩体溶蚀强烈，较破碎，加上暴雨、大风、地震都是危岩发育的主导因素，导致部分岩体处于脆弱的稳定平衡状态。而后期风化作用，如卸荷、植物根系劈裂、裂隙水压力以及人类工程活动则是危岩体失稳破坏的主要激发因素。

（3）采用静力解析法，对3种类型的危岩体进行受力分析和稳定性计算，得出8＃、10＃危岩体处于基本稳定状态；1＃、5＃、6＃、7＃危岩体处于极限稳定状态；2＃、3＃、4＃、9＃、11＃危岩体处于不稳定状态。

［1］覃兰丽，曾宪宾，张云良.桂林岩溶区典型地质灾害危险性评估［J］.地质灾害与环境保护，2009，20（3）：28－33.

［2］赵允辉.危岩崩塌地质灾害调查评价与防治［J］.中国地质灾害与防治学报，2004，15（增刊）：33－38.

［3］黄润秋，刘卫华.平台对滚石停积作用试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（3）：516－524.

［4］刘卫华.高陡边坡危岩体稳定性、运动特征及防治对策研究［D］.成都理工大学博士学位论文，2008.

［5］董好刚，陈立德，黄长生.三峡库区云阳－江阴段危岩形成的影响因素及稳定性评价［J］.工程地质学报，2010，18（5）：645－650.

［6］林玉山，覃政教，赵付明.桂林市冠岩发育特征与防治对策［J］.中国地质灾害与防治学报，2007，（3）：44－48.

［7］黄小刚.危岩发展破坏机理与防治措施的可靠性研究［D］.重庆交通大学硕士学位论文，2011.

［8］宋飞.桂林市独秀峰危岩稳定性分析［J］.黑龙江科技信息，2010，（11）：290－291.

FORMATION AND STABILITY OF UNSTABLE ROCKS AT THE WEST SLOPE OF SCREEN MOUNT IN GUILIN CITY

Liu Bao－chen，Zheng Jin，Xiang Zhi－kun
（College of Civil Engineering of the Guilin University of Technology，Guilin 541004，China）

The study area is a typical Karst rock slope.Based on the investigation，the internal and external causes of the unstable rocks are analyzed，and they are classified.The static analysis method is used to study each type with a force model，calculate their stability coefficients for all types of dangerous rock masses，and determine their stability.

Karst；formation；static analysis；hazard－causing factor

TU457；P642.21

:A

1006－4362（2012）02－0060－05

刘宝臣（1968－ ），男，教授，主要从事岩土工程教学、科研及原位测试工作。

2011－12－20改回日期:2012－05－17

广西科学研究与技术开发计划项目“广西喀斯特区域危岩灾害防控技术研究”（桂科攻0992027－8）