某水库库首右岸危岩体稳定性复核评价

帅世杰，程瑞新

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081）

1 工程概况

贵州某水库初设阶段判断库岸稳定主要受坝址上游右岸河道拐弯处存在的一危岩体和部分卸荷岩体控制，经初步估算，危岩体体积约2万m3，水库蓄水后，受库水浸泡及浪蚀作用，下部岩体沿裂隙面易产生塌滑，进而牵引上部岩体坍塌，造成水库淤积及涌浪，危及下游安全，建议进行边坡设计。

图1 初步阶段定义的危岩体范围

在水库施工阶段，上述危岩体施工存在如下困难：

图2 危岩体施工条件

（1）坡度陡，高度大。地形坡度70°～85°，危岩体底部距离库底高程近30 m，危岩体开挖高度达90 m，危岩体顶部距离库底高度约120 m。地形坡度近乎垂直，无法按常规进行自上而下的开挖支护施工，常规施工设备如潜孔钻、挖掘机无法运用。如要实施，必须将外侧近高速侧大片原状山体开挖成多层临时施工便道，临时便道开挖方量远大于危岩体本身，不仅对环境破坏大，且原设计未考虑该项临时措施费用。

（2）邻近高速公路，无法爆破。危岩体距离邻近高速公路仅约200 m，根据《公路安全保护条例》，不得在高速路附近实施爆破作业。如果要开挖，必须采用专业的拆除爆破手段，而且必须与高速路运行进行精准的交通管制协调工作；且原设计未考虑该项非常规爆破费用，仅按一般石方开挖单价考虑。原设计危岩体开挖方量约2万m3，如果确定是危岩体，则必须开展开挖支护作业，受地形条件影响施工难度极大，不仅自身存在极大的安全隐患风险，而且爆破作业危及高速公路的行车安全，协调难度极大。

为了便于指导施工，确保危岩体施工的进度和安全，必须对危岩体进行仔细调查，查清其规模、成因、破坏模式，以期能优化危岩体治理措施。

2 基本地质条件复核

2.1 地形地貌

危岩体位于坝址上游右岸河道拐弯处陡崖上，顶部高程870 m，底部高程680 m。陡崖地形坡度70°～85°，基岩裸露。从上游至下游共发育2条近垂直冲沟。危岩体陡壁上岩体受节理裂隙及层面切割，呈碎裂状结构。

2.2 地层岩性

岩性为三叠系中统边阳组第一段（T2b1）青灰、灰绿色薄～中厚层泥质粉砂岩与泥岩互层，泥质粉砂岩为较硬岩，泥岩为软岩，长期风化或冲蚀后易形成基座。岩体节理裂隙发育，岩体结构呈碎裂状结构。

2.3 地层构造

危岩体由于受层间褶曲影响，该部位岩层产状变化较大。中上部岩层产状SN/W∠3°～5°E，下部岩层产状N50°～70°E/NW∠6°～12°。根据危岩体顶部地表测绘，本区垂直裂隙发育，主要有3组优势节理裂隙。

（1）L1：N10°～20°E，NW∠80°～90°，走向与陡崖临空面小角度斜交，裂缝宽0.2～30 cm，深10～60 cm，充填岩屑，或无充填，层面平直光滑，1～3条/m。

（2）L2：N15°～25°W，NE∠80°～85°，走向与陡崖临空面垂直相交，裂缝宽0.5～30 cm，深20～40 cm，充填岩屑，或无充填，层面平直光滑，2～5条/m。

（3）L3：N55°～65°E，NW∠80°～90°，走向与陡崖临空面近似平行，裂缝宽0.5～70 cm，深10～60 cm，充填岩屑，或无充填，层面平直光滑，1～3条/m。

2.4 水文地质条件

场区出露碎屑岩（T2b1）地层，岩体透水性总体较弱，地下水类型主要为基岩裂隙水，次为第四系孔隙水，主要接受大气降雨补给，为地下水补给河水。基岩裂隙水赋存于岩体裂隙内，横向排泄于河床；第四系孔隙水主要分布于冲洪积层和崩塌堆积层内，排泄于河床及河谷低洼处。根据前期勘察及现场调查，右岸陡坡未见泉水及地表水出露，坡面干燥，汛期裂隙面、层面有少量渗水。

2.5 岩石（体）及结构面抗剪强度参数建议值

依据施工图阶段补充钻探资料，结合场地实际地质条件情况，各结构面抗剪强度参数建议值见表1。

表1 岩体及结构面抗剪强度参数建议值

2.6 危岩体范围及规模

危岩体位于坝址上游右岸河道拐弯处陡崖上，距大坝最近水平距离140 m。陡崖受1、2号冲沟切割，三面临空，仅西北向后缘与山体连接，呈凸出三角体。长约90 m，宽20～60 m，规模约2万m3，分布高程730～840 m。

根据本次地质调查，并结合无人机拍摄录像分析，危岩体整体稳定，仅表层分布有4个小型楔形体，由上至下垂直分布，参数统计见表2，楔形体分布情况见图3。

图3 危岩体上楔形体分布图

表2 危岩体上楔形体参数统计

2.7 危岩体破坏模式

（1）倾倒式破坏。场区地层为叠系中统边阳组第一段（T2b1）青灰、灰绿色薄至中厚层泥质粉砂岩与泥岩互层，垂直节理裂隙发育，砂岩岩体被陡倾节理裂隙切割形成近直立岩柱块体，硬质岩体（砂岩）坐落于软岩（泥页岩）之上，岩体呈上硬下软分布，岩体荷载基本全部作用于下部软岩上，存在一定压缩变形。受开挖、爆破及后缘外水压力影响，以及泥岩进一步风化、变形模量降低等影响，导致楔形体发生倾倒变形破坏[1]。

（2）拉裂式破坏。砂岩岩体被陡倾节理裂隙切割形成近直立岩柱块体，岩柱底部软岩基座在风化、雨水冲刷等作用下不断向内收缩，使上部岩柱体形成悬臂梁式突出岩体。该岩体顶部受拉，底部受压，在长期重力和风化作用下，突出体根部受到的拉应力将越来越集中，使该处垂直裂隙逐渐扩大，当拉应力超过岩石的抗拉强度时，上部悬出的岩体将发生破坏。

2.8 危岩体成因分析

危岩体形成的主要成因是层间褶曲影响、垂直坡面裂隙切割及风化剥蚀作用。危岩体上为软硬相间的地质结构，高陡的临空条件及垂直节理裂隙的切割，使该处岩体拉应力高度集中于后缘连接处，使张性裂隙不断发展，并由于砂岩与泥岩的差异风化，在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坠落的风险[2]。另一方面，由于楔形体顶部裂隙的形成，有利于地表水的入渗，地表水主要沿最后缘拉裂隙入渗，从而使楔形体后缘边界扩展及加大连通率，形成现今楔形体形态。

3 整体稳定性复核评价

3.1 赤平投影稳定分析

根据赤平极射投影图分析计算其稳定性（见表3）[3]。根据赤平极射投影计算分析，场区无不利节理裂隙组合，岩体稳定性为稳定。

表3 危岩体赤平投影稳定分析

3.2 三维楔形体稳定分析

场区临空面、L1与层面可组成楔形体，计算结果为下滑力S为15 950.4MN，抗滑力Q为665 414.7 MN，安全系数F为41.718。通过楔形体计算，场区岩体稳定性为稳定[4]。

3.3 整体稳定性评价

危岩体上部岩层呈水平状，中下部岩层呈反倾状，坡体无外倾节理裂隙发育，通过上节分析可知，岩体无不利节理裂隙组合，岩体整体稳定性好。坡体顶部后缘已开挖至845 m高程平台，平台上未见深大裂隙，危岩体目前整体稳定。

4 局部稳定性复核评价

4.1 影响楔形体稳定的不利因素

（1）地表水入渗的影响（包括降水及运行期泄洪雾水的入渗）。由前述楔形体现状可知，局部后缘裂缝发育，降雨时地表水沿该拉裂缝入渗，使其后缘拉裂面及底滑面处于充水状态，在楔形体底部及后缘边界下部形成一定水压力，对楔形体稳定不利。另一方面，因地表水的入渗，将会使楔形体各结构、岩体参数降低，可能诱发楔形体产生不稳定因素。

（2）岩体进一步风化的影响。随着时间的推移，在自然条件下，岩体风化将进一步加剧，岩体强度、结构面强度均会降低，楔形体稳定性进一步变差。

（3）顶部开挖的影响。三角体顶部开挖时，对陡崖边岩体产生扰动，岩体节理裂隙加大，楔形体各结构、岩体参数降低，降低了楔形体的稳定性。

（4）库水对危岩体的影响。水库蓄水后，抬高水位至730 m，地下水浸润线将抬高，Ⅲ号堆积体下半部分将浸泡于水库中，削弱堆积体的稳定性，可能引起后缘的滑动；泥岩（T2b1）在水位以下及一定范围内进一步软化，可影响危岩体的稳定性。

4.2 局部楔形体稳定性评价

危岩体表面局部岩体在垂直节理裂隙、层面切割下形成碎裂状结构楔形体，在外力作用下极易倾倒破坏，且砂岩与泥岩风化差异下，局部形成悬臂梁式岩体，在长期风化、雨水浸泡作用下，节理裂隙抗剪参数降低，一旦岩体重力大于其拉力，将发生楔形体崩塌。

4.2.1 倾倒破坏模式

楔形体1～4三面临空，后缘垂直节理裂隙发育，楔形体加在软岩基座上的荷载较大，且软岩基座在重力作用下可能产生压缩变形，弹性模量降低，因此存在着倾倒破坏的可能。如考虑施工影响，运行期水雾会降低底座岩体强度、弹性模量，大大削弱其稳定性。

4.2.2 局部拉裂式破坏

楔形体1～4局部已悬空，形成悬臂梁式凸出岩柱，岩柱后缘裂缝在岩体重力作用下，将不断扩大。从目前来，基本处于稳定状态，但随着岩体风化加剧、地表水入渗等外界因素影响，结构面参数逐步降低，当结构面拉应力不能维持该块体稳定时，即可产生拉裂破坏。

这些块体在自然条件，虽然处于稳定状态，一旦受到外部环境的扰动，也可能产生破坏。总之，由于楔形体上硬下软的结构，加之未来库水的运营作用，均会导致楔形体产生失稳。

4.2.3 楔形体破坏后的运动计算

（1）根据质量守恒原理，落石的势能变化等于动能变化和克服摩擦所做的功：

式中：vi为落石在斜坡面上任意位置处所具有的速度，m/s；di为各直线段斜坡的平均坡度，取60°；△hi为各直线段斜坡的铅直高度；φ为落石与坡面的综合内摩擦角，取25°；Li为各直线段斜坡的长度。当末速度vi=0时，可求得∑cos d1·L1就是崩塌的最大水平运动距离。

根据现场调查，楔形体滚落的最大岩体体积不超过1 m3，按m=1 m3代入上式（1）计算，楔形块体最大理论滚落距离为27 m，与现场实际量测的的楔形体顶部渣体滚落距离（25 m）接近（见图4）。

图4 楔形体顶部开挖倾倒时滚落渣体

4.2.4 危害程度分析

危岩体周边的重要水工构筑物为大坝，根据上节计算，楔形块体最大滚落距离（27 m）远小于三角形切割体坡脚至大坝距离（140 m）。故楔形体1～4破坏后对大坝无危害。

5 结论

经复核，判定初设阶段原定义危岩体整体稳定，仅表层楔形体1～4可能产生破坏；楔形体1～4存在倾倒、拉裂崩塌两种可能破坏模式；楔形体1～4破坏后滚落最大距离27 m，对大坝等水工建筑物无影响。施工阶段建议取消原设计的治理措施，但应建立可靠、完善的监测系统，对楔形体进行监测[5]。最终设计取消原初步设计的危岩体开挖及支护措施，对于已经实施的顶部部分开挖裸露岩面采用覆土植草等水土保持措施。经过约2个月的变形监测，结果显示该危岩体没有发生明显的变形迹象，说明施工图阶段的危岩体稳定性复核评价是合理的。