环境边坡危岩体稳定性定性评价研究

刘冲平，王吉亮，黄孝泉，白 伟

(长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，湖北 武汉 430074)

0 引 言

西南地区河谷深切狭窄、自然边坡高陡、卸荷作用强烈、地质条件复杂，可能存在环境边坡危岩体高位失稳的风险，危害工程与人员安全。在危岩体稳定性评价中，因高陡边坡存在“靠不近、看不清”的问题，结构面力学参数难以确定，定量评价较为困难，更难以快速定性评价边坡稳定性。陈爱云等[1]基于三维激光扫描技术，研究了危岩体特征快速识别方法及稳定性评价；廖斌等[2]基于无人机技术，研究了高陡边坡危岩体参数获取及稳定性评价；高相波等[3]基于逆向工程建模方法，对危岩体稳定性进行了数值模拟分析；谌玉萍[4]以重庆万州首立山滑塌式危岩体为例，对该滑塌式危岩体的稳定性进行了分析；黄道刚等[5]分析了高陡岩质边坡局部危岩体稳定性；杨智翔等[6]分析了高陡边坡危岩体孤石的稳定性。虽然滑移型危岩体稳定性定量计算方法较成熟，但是倾倒型、坠落型危岩体稳定性定量计算方法尚不成熟，仍需进行定性评价。

本文对金沙江乌东德水电站、旭龙水电站等[7-8]高山峡谷坝址区环境边坡大量危岩体稳定性的定性评价方法进行了总结，对比了定性评价与定量评价结果，提出了环境边坡危岩体稳定性的定性评价标准，可供同类工程借鉴。

1 危岩体分类

危岩体是指环境边坡上结构面切割组合形成的可能失稳的岩体[9]。根据力学机制与失稳模式，环境边坡危岩体按破坏模式分为滑移型、倾倒型、坠落型3种类型，如图1～3所示。滑移型危岩体沿底滑面发生剪切破坏，根据底滑面形态分为单滑面、双滑面(楔形体)、基本贯通长大滑面3个亚类；倾倒型危岩体沿后缘近直立结构面发生倾倒破坏，根据形态分为底面部分悬空型、薄板型(高厚比大)2个亚类；坠落型危岩体凸出于陡崖或峻坡，底面完全悬空，沿后缘近直立结构面发生拉裂破坏而自由坠落。

图1 滑移型危岩体示意Fig.1 Schematic diagram of sliding dangerous-rock

注：(a)～(b)属于倾倒型危岩体，h为高度，d为厚度；(c)属于坠落型危岩体。图2 倾倒型、坠落型危岩体示意Fig.2 Schematic diagram of toppling and falling dangerous-rock

图3 危岩体典型实例Fig.3 Typical cases of dangerous-rock

不同破坏模式危岩体因破坏力学机制差异，稳定性分析所采用的定性或定量评价方法不同。危岩体稳定性的定性分级包括稳定性差、较差、基本稳定、稳定4个级别[10]。

2 定性评价

2.1 滑移型危岩体

滑移型危岩体沿底滑面发生剪切破坏，其根据底滑面形态分为单滑面、双滑面(楔形体)、基本贯通长大滑面3个亚类。① 单滑面：主要发生在倾坡外结构面控制的岩体中，破坏方式为沿外倾结构面发生单面滑移。② 双滑面(楔形体)：受两组与坡面斜交且交棱线倾向坡外(倾角小于坡角)的结构面控制，破坏方式为沿两条底滑面组合的交棱线向临空方向滑移。③ 基本贯通长大滑面：虽未完全贯通但基本贯通或大部分贯通、倾向坡外的长大结构面，因危岩体方量巨大，下滑力大，其还可能剪断残留岩桥发生滑移破坏。

滑移型危岩体稳定性主要取决于以下3个方面因素，其定性评价标准见表1。

表1 滑移型危岩体稳定性定性评价标准Tab.1 Qualitative evaluation criteria for stability of sliding dangerous-rock

(1) 滑面几何特征(产状和连通性等)。滑面的陡缓对滑移型危岩体稳定性起控制作用。单滑面或双滑面的交棱线倾向坡外，倾角小于边坡坡角，倾角越陡，危岩体稳定性越差；基本贯通长大滑面形成的大方量危岩体的滑面连通性越好，稳定性越差。

(2) 滑面性状(张开度、充填物、粗糙起伏程度等)。软弱结构面滑面抗剪断强度越小、危岩体稳定性越差、滑面充填物泥质含量越高、抗剪断强度(内摩擦角φ)越小，危岩体稳定性越差；滑面张开度越大、抗剪断强度(黏聚力c)越小，危岩体稳定性越差；滑面为张开结构面比闭合结构面所形成的危岩体稳定性差。此外，危岩体的重量与滑面面积比越大，内摩擦角φ对危岩体稳定性越敏感；危岩体的重量与滑面面积比越小，黏聚力c对危岩体稳定性越敏感。

(3) 结构面卸荷松弛张开特征。边坡卸荷松弛越强烈，岩体松弛程度越高，结构面张开越多，张开宽度越大，这是因为：① 滑面卸荷松弛张开宽度越大，地表水进入滑面软化充填物，滑面抗剪断强度越小，危岩体稳定性越差；② 后缘结构面卸荷松弛张开宽度越大，地表水充于后缘结构面形成的静水压力越大，危岩体稳定性越差。

此外，特殊的地形特征也会影响危岩体稳定性，如危岩体凸出于陡崖，侧面或顶面不受约束，危岩体稳定性差；危岩体顶面或侧面存在汇集水流沟槽，或位于陡缓相间部位，则地表水易进入结构面，降低危岩体稳定性。

2.2 倾倒型危岩体

倾倒型危岩体沿后缘近直立结构面发生倾倒破坏，其根据形态分为底面部分悬空型、薄板型(高厚比大)2个亚类。倾倒型危岩体稳定性主要取决于以下3个方面因素，其定性评价标准见表2。

表2 倾倒型危岩体稳定性定性评价标准Tab.2 Qualitative evaluation criteria for stability of toppling dangerous-rock

(1) 底面悬空程度。危岩体底面悬空程度越大，重心越往外移动，越可能发生转动倾倒破坏。危岩体悬空超过一半(危岩体重心位于悬空点外侧)则可能发生倾倒破坏；危岩体悬空小于一半(危岩体重心位于悬空点内侧)，只有高厚比很大(薄板状)的情况下才可能发生倾倒破坏。

(2) 后缘结构面特征(张开度、连通性)。后缘结构面贯通性越好(后缘结构面岩桥比例越小)，岩体拉力越小，越易倾倒破坏，即危岩体稳定性越差；后缘结构面张开比例越大或张开宽度越大，地表水充于后缘结构面形成的静水压力越大，危岩体稳定性越差。

(3) 危岩体高厚比。对于薄板状倾倒型危岩体，只有高厚比很大的情况下才可能发生倾倒破坏。高厚比越大，在静水压力或水平地震力作用下倾倒的可能性越大，即危岩体稳定性越差。

2.3 坠落型危岩体

坠落型危岩体凸出于陡崖或峻坡，底面完全悬空，后缘结构面近直立，沿后缘结构面发生拉裂破坏而自由坠落。坠落型危岩体稳定性主要取决于以下3个方面因素，其定性评价标准见表3。

表3 坠落型危岩体稳定性定性评价标准Tab.3 Qualitative evaluation criteria for stability of falling dangerous-rock

(1) 凸出程度。危岩体凸出程度(后缘结构面水平深度)越大，危岩体越可能在重力作用下发生拉裂破坏，即危岩体稳定性越差。

(2) 后缘结构面特征(连通性、张开度)。后缘结构面贯通性越好，即后缘结构面岩桥比例越小，后缘结构面高度越大，危岩体稳定性越差；后缘结构面张开比例越大或张开宽度越大，地表水充于后缘结构面形成的静水压力越大，危岩体稳定性越差。

(3) 坚硬程度及完整性。坠落型危岩体多发育于上硬下软岩体或硬岩内，单一软岩很难形成陡崖或峻坡而发育坠落型危岩体。下部岩石越软弱、完整性越差，抗拉强度越小，危岩体稳定性越差。

3 半定量评价

根据大量危岩体特征与稳定性关系研究成果，提出了危岩体稳定性半定量评价标准和方法，即通过对块体结构面产状、松弛张开特征、底部临空情况、附近变形破坏迹象等要素进行分项按权重赋分，将各项赋分相加后求得总分，再按照相应的标准进行半定量评价，具体评价标准见表4。

表4 危岩体稳定性半定量评价赋分标准Tab.4 Semi qualitative macro evaluation criteria for stability of dangerous-rock

4 定性与定量评价关系

危岩体稳定性的定性评价结果可与规范中稳定系数或安全系数标准对应(表5)。通过对照定性评价与定量评价，可反算结构面力学参数，解决因环境边坡高陡难以靠近[11]而导致结构面力学参数难以确定的难题。根据需要达到的安全系数，可计算危岩体所需锚固力，从而设计锚固措施。

表5 危岩体稳定性定性评价与定量评价对应关系Tab.5 Correspondence of qualitative and quantitative evaluation for stability of dangerous-rock

5 结 论

本文建立了环境边坡危岩体稳定性的定性评价标准，得出如下结论。

(1) 危岩体按破坏模式分为滑移型、倾倒型、坠落型危岩体。滑移型危岩体的稳定性通过滑面几何特征、滑面性状、结构面卸荷松弛张开特征确定；倾倒型危岩体的稳定性通过底面悬空程度、后缘结构面特征、高厚比确定；坠落型危岩体的稳定性通过其凸出程度、后缘结构面特征、坚硬程度及完整性确定。

(2) 提出了危岩体稳定性的半定量评价标准和方法，即通过对块体结构面产状、松弛张开特征、底部临空情况、附近变形破坏迹象等要素分项按权重赋分，各项赋分相加后求得总分，按照相应的标准进行半定量评价。

(3) 将稳定性定性评价与稳定系数对应，可反算结构面力学参数，并确定危岩体所需锚固力。