典型岩溶区危岩特征及稳定性分析

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

（①湖南城建职业技术学院，湘潭 411101；②广西壮族自治区地质环境监测站，桂林 530029；③长沙理工大学，长沙 410015）

0 引言

桂林作为典型岩溶区，山峰林立，直立、反倾斜山体甚为常见，山体易发生危岩崩塌等自然灾害。岩溶区地下水作用对危岩的影响较大，在暴雨等因素作用下，水进入岩体孔隙或裂隙，使岩体沿斥力超过引力最大面产生崩落[1，2]。碧莲洞位于广西壮族自治区桂林市阳朔县碧莲巷，属于西南地区典型的钟乳石地貌，岩石节理、裂隙发育，溶蚀作用下岩体相互切割[3]。该危岩带潜在威胁较大，所处山体危岩形状不规则，岩石较破碎，在暴雨等各种不利因素作用下，将引发较大崩塌，对山体下部过往游客及景区工作人员生命财产安全将造成无可挽回的损失。

危岩具有随机性大、突发性高、冲击能量强及破坏后果难预测等特点，危岩稳定性分析是危岩计算及评价中必不可少的环节，解决潜在的危岩稳定性带来的地质灾害是危岩治理的关键[4~6]。许强基于蒙特卡洛法的基本原理，分析了单体危岩的稳定性可靠度[7]。谢秀栋在考虑土体材料特性的随机性的基础上，根据对比分析探讨了极限平衡分析法、可靠度分析法、数值分析法的优点及不足，以及其各自的稳定性分析中的发展趋势[8]。陈洪凯等指出危岩发育机理是危岩研究的关键，而主控结构面的破坏扩展是危岩失稳的根本原因，主控结构面的失稳扩展源于裂缝端的损伤发育[9]。罗东生等采用赤平投影法和极限平衡法对岩溶区胀裂式危岩进行稳定性分析[10]。现阶段对危岩的研究大多以宏观稳定性分析为主，本文结合桂林岩溶区危岩成因机制及微观地貌的特点，对碧莲洞危岩体进行稳定性评价，对桂林地区钟乳石洞穴的开发和管理及西南地区危岩的防治有着重要的科学与社会意义。

1 危岩带地质背景

1.1 地貌及地层岩性

碧莲洞处于峰林谷地地貌区，群峰拔立，谷地较平坦，山顶标高252.3m，地面标高122m，相对高差约130m，进洞口处山体坡向约为225°，出洞口处山体坡向约为63°，危岩带所处山体坡度30～80°。山体中上部生长有灌木丛，下部岩石较裸露。危岩区分布的地层主要有第四系（Q）粘土层和泥盆系中统唐家湾组（D2t）灰岩。第四系（Q）粘土层为黄色粘土呈硬塑～可塑状，主要分布于山脚处，厚约1.5~5m，山腰较缓处零星分布，厚约0.2~0.5m。泥盆系中统唐家湾组（D2t）灰岩为灰-深灰色，大部分为隐晶质结构，中-微风化，中厚-厚层构造，岩石坚硬，性脆，结构破碎，岩溶较发育。

1.2 水文地质和工程地质条件

该区域地下水为松散岩类孔隙水和碳酸盐岩裂隙溶洞水。前者主要赋存于第四系覆盖层孔隙中，孔隙细小，多被泥质充填，含水高、透水性较差。后者主要为泥盆系中统唐家湾组（D2t）灰岩。主要赋存于溶洞及溶蚀裂隙中，多以地下河的形式排泄。水质类型为HCO3－Ca2+型，pH 值为6.8，矿化度75.96mg/L，对混凝土微侵蚀性。

危岩区岩土体结构主要有第四系松散土体和中-薄层状岩溶中等发育坚硬灰岩。前者力学强度较低，多分布于山脚（厚约1.5~5m）或山体上部较缓坡体（厚度多为约0.2~0.5m）。后者为泥盆系中统唐家湾组灰岩，呈灰~灰黑色，隐中-微风化，中厚～厚层构造，坚硬灰岩性脆、结构破碎，岩溶中等发育，山体顶部为甚。山体表面产生溶蚀裂隙及溶蚀沟槽，沟槽宽0.2～0.5m，深1～3m。溶蚀深度0.1～5m，溶蚀裂隙宽5～13cm，局部达30cm，结构面将岩体分割成块体，部分悬空，部分已松动或产生位移，形成危岩[3]。

2 危岩带发育特征分析

2.1 危岩带基本特征

碧莲洞进洞口处危岩带WYD1 分布于穿山西峰山体西面的陡壁上，分布高程为140~154m，主崩方向210°~225°。危岩带最大宽度26m，最大顺坡长约14m，危岩带面积364m2，平均厚0.5m，危岩带所在斜坡坡度约为65°~90°。基岩中主要发育有两组节理裂隙，与岩层将岩体切割成大小不等块体，岩体破碎，为危岩带的形成创造了条件。①裂隙：52°∠65°，宽度2~8cm，可见长度为3~12m，裂隙率2 条/m；②裂隙：127°∠60°，宽度为3~9cm，可见长度为1~9m，裂隙率3 条/m。

2.2 危岩体的基本特征

危岩带中有2 处体积较大危岩体，共16.3m3，为典型危岩W1，W2，如图1。W1 危岩位于进洞口上方山体坡面，坡度约75°。危岩体呈不规则状，表面破碎，危岩体切割裂隙发育，岩体部分内嵌，重心外倾，底部有局部支撑，后缘被裂隙切割，仅部分与母岩连接，裂隙张开明显，岩体表面发育一组近垂直于岩面的节理裂隙。危岩体前缘部分悬空向前剪出，受后缘裂隙与底部裂隙的交叉切割，仅靠内嵌部分岩体支撑保持平衡，稳定性差，如遇较大振动、暴雨等作用，可能发生滑移式崩塌。

图1 典型危岩基本特征

W2 危岩位于进洞口上方山体坡面，坡度约79°。危岩体由多块岩体组成，呈不规则状，岩体破碎，后缘被裂隙切割，仅部分与母岩连接，裂隙张开明显，岩体表面发育一组近垂直于岩面的节理裂隙。危岩体前缘为陡壁，下部悬空，仅靠内嵌部分岩体支撑保持平衡，被分割的岩石块体，在重力作用下存在沿裂隙向临空面倾倒和滚落的趋势。如遇较大外部作用，危岩可能发生坠落式崩塌。W1、W2 基本情况如表1 所示。

表1 危岩基本情况一览表

3 电镜扫描分析

采用S4800 型场发射扫描电子显微镜观察危岩体风化程度，采用5k 倍放大电镜对处理后的危岩表层小块体进行微观结构观察和分析。未破坏岩体表面致密，岩体颗粒规则排布。图2（a）危岩风化表层较破碎，表面可见土颗粒及岩石碎屑颗粒；风化岩体表面如图2（b）风化较严重，表面出现架空结构，空隙较大、较深。

图2 危岩电镜扫描5k 实验图

可观察到部分岩体表面凹陷明显，可见危岩表层岩体碎屑较多，岩体破碎程度大，岩体表面由于风化剥蚀、地表水溶蚀及植被根劈作用等，岩体表层定向性十分差，紊乱无序，易产生不稳定破坏。

4 危岩体稳定性评价

采用赤平投影分析法对典型危岩的稳定性进行分析，根据现场调查，山体总体坡向约为6°，山体坡度30～75°，山体基岩裸露，岩层节理发育，分布浮石、被节理裂隙面切割成的危岩体，这些危岩处于基本稳定-欠稳定状态。调查区山体岩层产状288°∠5°，W1 号、W2 号危岩主要发育三组节理裂隙：J1：152°∠46°、J2：127°∠60°、J3：220°∠65°。根据危岩区的地形地貌、地层岩性、构造、岩土体工程地质特征。

根据广西地方标准（DB45T1696-2018）计算危岩稳定性。根据规范要求及本区大量工程实例，稳定性评价选择两种工况：①工况Ⅰ-现状工况：自重+裂隙水压力，②工况Ⅱ-暴雨工况：自重+暴雨时裂隙水压力+地下水。工况Ⅰ中坠落式和双结构面控制危岩稳定的滑移式危岩，不考虑裂隙水压力。危岩区防治工程安全等级为II 级，区内滑移式和坠落式危岩体稳定安全系数在工况Ⅰ、工况Ⅱ情况下取1.3、1.5（DB45T1696-2018）。综合选取折减后岩体计算力学参数见表2。

表2 岩体计算力学参数一览表

对各特征危岩体稳定性计算，稳定性系数取两种计算结果中的较小值。

4.1 滑移式危岩

危岩体后缘存在贯通的陡倾裂隙、滑面缓倾。危岩稳定性按岩体破碎的岩质滑坡稳定性计算，计算简图见图3（a），计算公式如下：

4.2 坠落式危岩

计算模型见图3（b），计算公式如下：

图3 危岩体稳定性计算模式图

方向沿滑移面斜向下，其中：

K—传递系数；

c—黏聚力；

Q—地震力，不考虑；

F—危岩稳定系数；

φ—危岩体后缘裂隙内摩擦角标准值（°）；

flk—危岩体抗拉强度标准值（kPa）；

ξ—危岩抗弯力矩计算系数。

根据危岩体形态、规模、结构特征及物理力学参数，按照公式进行计算，得各危岩体稳定性系数计算结果见表3、表4。危岩剩余下滑力计算公式为：剩余下滑（倾）力=下滑（倾）力×安全系数-抗滑（倾覆）力。

表3 滑移式危岩稳定性、剩余下滑（倾）力计算成果表

表4 坠落式危岩稳定性、剩余下滑（倾）力计算成果表

根据计算结果，在天然状况（工况Ⅰ）下，危岩体处于基本稳定状态；在暴雨状况（工况II）下，危岩体处于不稳定状态。

5 结论

危岩体位于陡崖及陡坡处，各危岩体突出矗立，受构造影响岩体较破碎，坚硬性脆，节理裂隙发育，且受裂隙水径流影响。温差、暴雨、风化溶蚀、剥蚀等作用产生的溶蚀裂隙和风化裂隙，使山体受裂隙切割。通过电镜扫描试验观察危岩表层岩体碎屑较多，凹陷明显，破碎程度大。岩体表面由于风化剥蚀、地表水溶蚀作用等，表层定向性差，紊乱无序，具备危岩表面特征。

进行定性与定量稳定性分析，采用赤平投影定性分析危岩体在各组优势节理切割形成三维切割体，稳定性差，处于稳定～不稳定状态。对危岩体进行稳定性评价，在天然状况（工况Ⅰ）下，W1 危岩、W2 危岩处于基本稳定状态；在暴雨状况（工况II）下，均处于不稳定状态。