水电工程危岩体数据采集与稳定性分析

易庆波，杨进军，牛志强，李剑飞

(1.中国水电顾问集团 贵阳勘测设计研究院岩土工程有限公司， 贵州 贵阳 550081;2.中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司， 贵州 贵阳 550081)

危岩体是指陡峭边坡上被多组结构面切割，在重力、风化营力、地震和渗透压力等外力作用下可能与母岩分离而坠落失稳的岩石块体[1]。危岩的形成、失稳与运动属于边坡地貌动力过程演化的一种重要形式，其破坏失稳具有突发性、致灾具有毁灭性的特点[2]。岩体在干湿循环、溶蚀、构造风化作用等因素影响下，致使高陡峡谷带岩体劣化变形及卸荷裂缝发育，引起岸坡失稳的地质灾害现象已多次出现[3-5]。坝区高边坡岩体在长期风化、卸荷的影响下，形成广泛分布的危岩体[6-11]。危岩体稳定性受主控结构面的影响，而结构面强度参数受其贯通度、结合程度及状况、起伏粗糙程度、张开度、充填状况等诸多因素的综合影响[12-13]。贵州某水电站坝址右岸分布较大规模的危岩体，其中DR8号危岩体下部悬空，形成倒悬体，对枢纽建筑物存在较大安全隐患。以坝区危岩体为例，旨在从危岩体的破坏模式分析入手，分别采用定性、半定量及定量评价方法分析危岩体的稳定性，为该类危岩体治理设计提供地质依据，对其他水电工程建设类似问题的分析评价也具有重要的参考意义。

1 Dr8号危岩体基本特征

危岩体一般分为在高山峡谷地区的高陡岸坡上，其边界条件较难获取，可通过三维激光扫描技术进行危岩体测量调查，并利用测量的点云数据在Riscan Pro软件中进行处理[14]。本文通过三维激光扫描及数码摄影技术对野外数据进行采集。

Dr8号危岩体平面长轴走向为N26°E，略向北西凸出，顶部为T1y3粉砂质泥岩夹泥灰岩及灰岩，上部为残坡积物构成的缓坡平台，北侧及东侧后缘以Dr8-L1及PD8平硐第Ⅰ组裂隙为边界，南侧以Dr8-L6裂隙为界，底部以fj1、fj2层间错动夹层及Dr8-L3裂隙为界。上述结构面与临空面围成了Dr8危岩体。Dr8危岩体分布高程870 m～960 m，最长约100 m，上宽下窄，垂直陡壁方向最大宽25 m，采用三维激光扫描及数码摄影技术采集地形及地质信息，建立地质三维模型，通过三维方法计算体积为1.37×104m3，属特大型规模。

1.1 成因机制分析

乌江宽谷期以后，由于地壳强烈抬升，河流急剧下切，形成深切峡谷地形。河谷下切致使岸坡变化主要分为两个主要时期，首先是河流下切至T1y3泥岩地层，该阶段峡谷岸坡为上硬下软的地质结构，高陡的临空条件及下部泥页岩塑性岩体，使该段岸坡卸荷拉应力高度集中，早期顺河向张性裂隙不断发展， 并由于T1m1灰岩与下伏T1y3泥岩的差异风化，在T1y3泥岩分布地带形成风化凹槽，加剧了上伏岩层卸荷松动带沿临空面方向产生崩塌、座滑，并在T1y3泥岩形成一个缓坡平台，崩塌堆积体胶结对泥岩及上部岸坡起到压脚作用，使上部岩体处于自稳状态；其次乌江河谷不断下切，形成高陡岸坡，使T1y2-3地层处于第二个峡谷岸坡顶部，岸坡应力集中，卸荷裂隙及张裂缝不断发展，另一方面，由于卸荷裂隙的形成，有利于地表水的入渗，地表水主要沿最后缘拉裂隙入渗，从而加剧了沿拉裂隙产生的溶蚀作用，使危岩体后缘边界扩展及加大连通率，形成现今危岩体形态，见图1。

图1 Dr8危岩体形成过程示意图

1.2 Dr8危岩体结构面特征

Dr8危岩体顶部主要为T1y3残坡积物及少量T1m1崩塌堆积物，物质成分为黏土夹碎石、块石为主，块石直径一般大于0.3 m，局部可达3.0 m以上；覆盖层下为3.0 m～6.5 m厚T1y3粉砂质泥岩强风化产物，再下为T1y2-3弱风化厚层灰岩。危岩体以下依次为T1y2-2中厚层至薄层灰岩、T1y2-1薄层、极薄层灰岩夹泥页岩。

根据现场勘察，结合三维数码摄影技术，在Dr8危岩体区主要统计了6条(Dr8-L1-L6)裂隙及PD8平硐第Ⅰ组裂隙，实测了fj1、fj2层间错动夹层，除Dr8-L2裂隙外，其余5条裂隙及第Ⅰ组裂隙均切割了危岩体，构成了危岩体边界，裂隙特征见表1。

1.3 Dr8危岩体分区

黄达等[15]从地质体结构组成出发，对巨型危岩体进行稳定性分区。

根据边界条件及结构面切割关系，将Dr8危岩体分成3个区，即3个块体。Dr8-1区为以Dr8-L1、fj1、Dr8-L4、Dr8-L5结构面与临空面围成的块体，由于fj1在Dr8-L3上游不连续，该区未封闭；Dr8-2区为以Dr8-L1(顶部)、PD8第Ⅰ组、Dr8-L6、fj1、Dr8-L4、Dr8-L5结构面与临空面围成的块体，由于PD8第Ⅰ组及fj1不连续，该区也未封闭；Dr8-3区为以Dr8-L3(下部)、fj2、Dr8-L1、fj1结构面与临空面围成的倒悬块体，由于结构面连续性较好，已基本形成封闭块体。

2 Dr8危岩体稳定性评价

2.1 变形失稳模式

Dr8-3区为以Dr8-L3(下部)、fj2、Dr8-L1、fj1结构面与临空面围成的块体，由于形成倒悬体，分析以整体坠落模式失稳，参见图2。

表1 Dr8危岩体主要裂隙及层间错动统计表

2.2 影响危岩体稳定的不利因素

影响环境边坡危岩体稳定程度的因素很多。危岩体的稳定程度通常受地形地貌、地层岩性、岩体结构等内在因素和水的作用、风化卸荷、震动、植被等外在因素的影响[16]。

(1) 地表水入渗的影响(包括降水及运行期泄洪雾水的入渗)：降雨时危岩体顶部地表接收上一级陡壁地表雨水，地表水沿Qcol、Qedl松散堆积物及T1y3强风化岩体入渗，流经Dr8危岩体，使危岩体结构面饱水状态，降低结构面力学性能，增加瞬时渗透压力。

图2 Dr8危岩体整体坠落模式示意图

(2) 危岩体进一步卸荷、风化、溶蚀的影响：随着时间的推移，在自然条件下，岩体风化、卸荷、溶蚀持续，岩体及结构面强度均会降低。主要影响Dr8-3区块体稳定性。

2.3 危岩体稳定性评价

2.3.1 定性评价

整体稳定性：构成Dr8危岩体下游及后缘部分边界基本贯通，构成后缘的长度约36 m，接其上游端PD8平硐第Ⅰ组裂隙(N0°～30°E，NW∠70°～90°)，经槽探揭露未发现长大连续张裂隙，说明连通率较低，即该组裂隙作为后缘的危岩体与完整岩层未分离；连续性较好的fj1从危岩体中下部切割，因倾向山内，与Dr8-L1裂隙构不成危岩体。因此，Dr8危岩体整体是稳定的。

局部稳定性：根据边界条件及结构面切割情况，将Dr8危岩体分成3个区。

Dr8-1区为以Dr8-L1、fj1、Dr8-L4、Dr8-L5结构面与临空面围成的块体， Dr8-L1 与Dr8-L4交线陡倾山内，且fj1在Dr8-L3上游不连续，因此Dr8-1区块体是稳定的。其内部Dr8-L3(fj1以上)与Dr8-L1构成的楔形块体因Dr8-L3顶端终止于923.6 m高程而连通率低，该局部块体稳定。

Dr8-2区为以Dr8-L1(顶部)、PD8平硐第Ⅰ组、Dr8-L6、fj1、Dr8-L4、Dr8-L5结构面与临空面围成的块体。Dr8-L1、PD8平硐第Ⅰ组与Dr8-L6基本平行，不存在切割楔块体，Dr8-L1、PD8平硐第Ⅰ组与Dr8-L4交线陡倾山内，且底部fj1不连续，因此Dr8-2区块体也是稳定的。其内部Dr8-L5与Dr8-L1切割的块体因Dr8-L5平缓(倾向坡外，倾角10°)，该局部块体稳定。

Dr8-3区块体位于Dr8危岩体底部，为以Dr8-L3(下部)、fj2、Dr8-L1、fj1结构面与临空面围成的倒悬块体，主要因Dr8-L1(下部)与Dr8-L3(下部)切割而成楔形块体，体积约5 504.5 m3。Dr8-L1、Dr8-L3连通性好，主要靠凝聚力抗剪；fj1处于受拉状态，从左岸观察，fj1唯独在该部位连续性较好、张开最宽，可能是受拉变形所致。因此定性判断Dr8-3区块体稳定性较差。

2.3.2 半定量分析

为了客观、快速地评价危岩体稳定性，通过研究还提供了一种半定量危岩体稳定性快速评价体系，参照边坡 RMR[17]分类法，可根据岩石单轴抗压强度、结构面特征、地面坡度、结构面不利组合、地下水特征、植被覆盖情况等影响因子进行评分，根据评分总和划分稳定性等级。

参照表2进行半定量评分，总分为33，根据表3，位于稳定性较差范围。

2.3.3 定量分析

参考黄达等[18]通过对锦屏一级水电站危岩体的计算模式，根据表4中Dr8危岩体物理力学参数值、表5中Dr8-L1、Dr8-L3裂隙抗剪断强度值定量计算，采用坠落式计算模型，如图3所示，其中图中滑动面AE即裂隙Dr8-L1与Dr8-L3的交线，DE为底部层间夹层fj2切割构成悬空面，顶部切割面fj1即图中的顶部边界AB。

坠落式计算模型安全系数为:

(1)

(2)

(3)

式中：K为危岩体稳定性系数；c为结构面和岩桥的等效黏聚力，kPa；tanφ为结构面和岩桥的等效摩擦系数,(°)；G为危岩体自重，kN；P为危岩体所受的地震水平外力，kN；Q为水压力，kN；α为结构面的倾角，(°)；H为危岩体高度，m；h为岩桥高度，m；c0为结构面黏聚力，kPa；φ0为结构面内摩擦角，(°)；c1为岩桥的黏聚力，kPa；φ1为岩桥的内摩擦角，(°)。

表2 危岩体稳定性影响因素快速评分表

表3 危岩体稳定性半定量快速评价表

表4 岩体物理力学参数建议值表

表5 结构面抗剪断强度建议值表

图3 危岩体坠落式计算模型

根据式(1)、式(2)、式(3)计算，得出稳定性系数为K=1.04，稳定性较差，可能产生坠落破坏。根据以上分析计算可知，Dr8-3区块体稳定性较差。

3 结 论

(1) Dr8号危岩体顶部为缓坡平台，北侧及东侧后缘以Dr8-L1及PD8平硐第Ⅰ组裂隙为边界，南侧以Dr8-L6裂隙为界，底部以fj1、fj2层间错动夹层及Dr8-L3裂隙为界，与临空面围成了Dr8危岩体。其形成机制主要是高山峡谷岩溶软硬岩分布地区河床下切引起岸坡卸荷拉应力高度集中，构成卸荷裂隙相互切割形成的不稳定楔形块体，以坠落模式破坏为主的危岩体。

(2) 经分析Dr8危岩体整体稳定。根据结构面切割关系，将Dr8危岩体分成3个区，进行块体稳定性分析，其中Dr8-1区块体、Dr8-2区块体处于稳定状态，Dr8-3区通过影响因数快速评分法半定量分析及坠落式破坏模式定量计算，块体稳定性较差，需采取治理措施。

(3) 水电工程危岩体的评价可以从成因机制方面入手，分析危岩体的破坏模式，研究影响危岩体稳定性的主要因素，进行影响因素综合快速评分，在精心勘察及试验的基础上，提出稳定性计算的物理力学参数，最后采用相应的计算模型进行稳定性定量评价。通过后期监测，现状稳定性与评价计算结果较为吻合。