重慶萬盛區(qū)刀子巖危巖穩(wěn)定性分析及防治

廖云平，王小委

(1. 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400042；2. 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶研究中心，重慶 400042；3. 重慶交通大學(xué) 巖土工程研究所，重慶 400074)

0 引 言

危巖是山丘地區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害之一。它是指位于陡崖或陡坡上被結(jié)構(gòu)面切割，穩(wěn)定性較差的巖石塊體[1]。其存在部位隱蔽，破壞具有突發(fā)性，致災(zāi)后果嚴(yán)重，如巫山望霞危巖，2010年10月21日出現(xiàn)垮塌，2011年10月21日再次出現(xiàn)大變形，威脅巫峽長江航道，導(dǎo)致長江斷航30余小時[2]；2009年6月5日重慶市武隆縣雞尾山發(fā)生特大型山體崩塌，造成10人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8 000多萬元[3]。

作為一種嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，危巖引起了國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，并從多學(xué)科、多角度進(jìn)行了研究。陳洪凱，等[4-7]認(rèn)為危巖群發(fā)性機(jī)理滿足微觀鏈和宏觀鏈，并運(yùn)用斷裂力學(xué)求解了危巖主控結(jié)構(gòu)面的疲勞斷裂壽命及應(yīng)力強(qiáng)度因子；張永興，等[8]以洪崖洞危巖為例，研究了邊坡中張性地應(yīng)力和巖腔發(fā)育深度對差異風(fēng)化型危巖形成與破壞的影響；黃潤秋，等[9]通過現(xiàn)場試驗(yàn)，分析了滾石質(zhì)量、形狀及斜坡長度等6個因素對滾石運(yùn)動特征的影響；Qi S W，等[10]通過野外調(diào)查，分析了遠(yuǎn)程崩塌源區(qū)的特點(diǎn)；R.Sosio，等[11]運(yùn)用準(zhǔn)三維連續(xù)動態(tài)模型分析了意大利阿爾卑斯山中部的Thurwieser崩塌災(zāi)害；I. Manzella，等[12]基于試驗(yàn)，探討了巖石崩落過程的傳播機(jī)制并分析了影響崩塌速度和堆積特征的參數(shù)； V. Richefeu，等[13]運(yùn)用離散單元法模擬了巖石崩塌過程； V. Chiessi，等[14]利用樹木年輪估計(jì)比利牛斯山脈東部Solà d′Andorra地區(qū)的落石的發(fā)生頻率；M. Spadari，等[15]基于不同地區(qū)的落石試驗(yàn)結(jié)果，分析了落石的運(yùn)動特征。

基于上述研究成果，筆者以萬盛區(qū)刀子巖為研究對象，對地質(zhì)環(huán)境、危巖特征等作了分析，著重分析了危巖體的穩(wěn)定性，并提出了相應(yīng)的防治措施建議。

1 危巖區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 氣象、水文及植被

危巖區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候，四季分明，雨量充沛，常年平均氣溫18.4℃，極端最低氣溫為-3℃(1982-12-27)，極端最高氣溫為41.6℃(1981-08-27)。降水充沛，多年平均年降水量在1 038.5 mm左右，七、八月多暴雨，秋季多綿雨，持續(xù)時間一般在30～40 d。危巖區(qū)北側(cè)有常年性河流腰子河，在危巖區(qū)段常年水位306.20 m，常年洪水位約309.50 m，調(diào)查時流速0.70 m/s。

危巖區(qū)陡崖帶上方多數(shù)為荒山，局部生長有低矮灌木、竹林，高度一般3～5 m；陡崖下方斜坡地帶多數(shù)已被開墾成耕地，種植農(nóng)作物，局部生長有雜草，高度一般0.3～0.8 m。

1.2 地形地貌

刀子巖危巖主要位于刀子巖山脊靠東側(cè)陡崖一帶，地貌總體上屬低山-丘陵巖溶地貌區(qū)，地面形態(tài)表現(xiàn)為溶溝、溶槽、石芽等類型，刀子巖陡崖帶呈南北走向，由北向南逐漸升高，陡崖頂高程340.94～481.38 m，崖腳高程332.50～429.78 m，陡崖相對高差8.44～51.60 m，陡崖面多數(shù)近于直立，部分反傾。陡崖下方為一自然斜坡，坡向主要為北東向，由北至南坡向逐漸轉(zhuǎn)為東，坡角一般為25～30°，局部較陡處達(dá)45～60°。

1.3 地層巖性

危巖體及基座的主要組成巖性為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)石灰?guī)r，為淺海相沉積的碳酸鹽巖，灰白至深灰色(偶帶淡紫色)，中-厚層狀構(gòu)造，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，夾少量硅質(zhì)團(tuán)塊及薄層硅質(zhì)層，局部含少量泥質(zhì)及方解石脈，下部夾有少量黑色薄層狀瀝青質(zhì)灰?guī)r。該組地層分布于斜坡中上部及陡崖地帶。該層巖石地表多見溶隙、溶孔發(fā)育。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造與地震

危巖區(qū)地處新華夏系第三隆起帶與沉降帶的過渡地帶，構(gòu)造位于半邊山背斜南端之西翼，巖層產(chǎn)狀為280°∠79～85°，未見斷層及次級褶皺，地質(zhì)構(gòu)造簡單。經(jīng)調(diào)繪發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)巖體中發(fā)育有構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙、溶蝕裂隙3類。構(gòu)造裂隙發(fā)育有3組：L1產(chǎn)狀5～25°∠68～82°，L2產(chǎn)狀350～360°∠18～32°，L3產(chǎn)狀160～175°∠5～12°。卸荷裂隙主要是陡崖應(yīng)力釋放回彈形成，沿陡崖帶邊緣斷續(xù)延伸，形成卸荷帶寬3～5 m，延伸長度一般3～15 m，可見深度一般0.5～2.5 m，最大達(dá)5.69 m，張開度為10～200 mm不等，底部有少量巖屑充填；溶蝕裂隙是沿原構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙的縫隙溶蝕作用進(jìn)一步加寬、加深所形成，空間特征隨時間呈動態(tài)變化，其發(fā)育方向無規(guī)律，一般同構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙的方向一致。危巖區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度。

1.5 水文地質(zhì)條件

危巖區(qū)所處位置相對較高，不易地下水的長期儲存，按地下水的儲存條件可以分為松散巖類孔隙水及基巖裂隙、溶隙及溶孔、溶洞水。

1)第四紀(jì)松散巖類孔隙水。該類地下水賦存于第四系松散堆積層中，接受大氣降雨補(bǔ)給，受季節(jié)性影響很大。從斜坡高處向低緩處多以井、泉形式排泄地表，透水性好、含水性弱，水量甚微。

2)基巖裂隙、溶隙及溶孔、溶洞水。基巖裂隙、溶隙既是地下水的補(bǔ)給通道，又可能成為地下水暫時儲存空間，其儲存條件受其發(fā)育程度的影響，根據(jù)調(diào)查各類裂隙延伸長度0.5～8 m，張開約0.5～200 mm不等，根據(jù)裂隙水文觀測，勘察期間危巖體后緣裂隙充水的7處，其充水深度一般0.2～1.1 m。基巖裂隙、溶隙水接受大氣降雨及松散層孔隙水補(bǔ)給向地下深部運(yùn)移，通過巖溶管道排泄。該類地下水分布不均，受降雨影響明顯。

1.6 巖溶發(fā)育特征

危巖區(qū)地層屬易溶性碳酸鹽巖類，受中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候的影響，其降雨充沛，石灰?guī)r巖溶較發(fā)育，宏觀上發(fā)育有溶溝、溶槽、石芽等地表形態(tài)，與危巖形成密切相關(guān)的巖溶現(xiàn)象有溶隙、溶孔、溶洞等類型。

2 危巖特征

刀子巖陡崖帶經(jīng)調(diào)繪后分析認(rèn)為陡崖整體穩(wěn)定，但陡崖受在裂隙切割作用下易形成單個危巖體。筆者主要針對單個危巖體進(jìn)行論述。危巖體空間分布與陡崖帶一致呈帶狀分布，單個危巖體受裂隙及溶蝕作用的不同，在空間幾何形態(tài)上，表現(xiàn)為以下幾種狀態(tài)：

1)階梯狀。發(fā)育有W9、W10-1和W18，共3個危巖塊體，危巖體寬2.98～3.60 m，厚5～8.8 m，高3.75～4.90 m，體積69～113 m3，占危巖塊體總數(shù)的14%，總體積258 m3。

2)四方柱體。該區(qū)四方柱體危巖發(fā)育有W2、W4、W7、W8、W12、W13、W14、W15、W19和W20，危巖體寬1.59～5.94 m，厚1.40～6.00 m，高1.72～6.79 m，體積3.80～161 m3，共10個危巖塊體，占危巖塊體總數(shù)的48%，總體積572 m3。

3)板狀體。發(fā)育有W1、W3、W11、W16、W17，危巖體寬5.60～18.64 m，厚2.20～3.84 m，高4.80～13.86 m，體積165～723 m3，共5個危巖塊體，占危巖塊體總數(shù)的24%，總體積1 531 m3。

4)楔形體。發(fā)育有W5、W6，危巖體寬2.3 m、6.42 m，危巖體厚1.60 m、2.85 m，危巖體高2.96 m、3.07 m，體積11、56 m3，共2個危巖塊體，占危巖塊體總數(shù)的9%，總體積67 m3。

5)不規(guī)則體。發(fā)育有W10-2，危巖體寬2.95 m，危巖體厚3.5 m, 危巖體高2.97 m，體積31 m3，共1個危巖塊體，占危巖塊體總數(shù)的5%。

3 危巖體穩(wěn)定性評價(jià)

3.1 定性分析

根據(jù)勘察資料，按裂隙、巖溶發(fā)育的空間特征，作出單個危巖體的剖面及立面圖，找出危巖體的重心。發(fā)現(xiàn)多數(shù)危巖體已偏離傾覆點(diǎn)之外，且隨時間的增長，危巖重心位移將會偏離更遠(yuǎn)。以此類比已發(fā)生危巖崩塌的區(qū)域，定性分析得出：刀子巖危巖體，現(xiàn)多處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)，但受強(qiáng)降雨影響后，多數(shù)危巖體穩(wěn)定性都將處于欠穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 定量分析

根據(jù)各危巖體的受力情況及最可能的破壞形式，按DB 50/143—2003《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》、DB 50/5029—2004《地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，對可能存在多種破壞模式的危巖體，分別對其可能產(chǎn)生的破壞模式進(jìn)行計(jì)算，取最不利情況。

根據(jù)區(qū)內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境條件，計(jì)算時設(shè)計(jì)兩種工況：工況①為現(xiàn)狀(天然)工況；工況②為暴雨工況。現(xiàn)狀工況按勘察期間的狀態(tài)計(jì)算，計(jì)算時考慮自重和現(xiàn)狀裂隙水壓力；暴雨工況按20年一遇暴雨進(jìn)行計(jì)算，并考慮危巖自重和暴雨時裂隙水壓力。現(xiàn)狀工況下裂隙水充水高度根據(jù)野外調(diào)查裂隙的切割情況進(jìn)行確定；暴雨工況時，根據(jù)匯水面積、裂隙蓄水能力和降雨情況等綜合確定，當(dāng)匯水面積和蓄水能力較大時，取裂隙深度的1/3～1/2。計(jì)算相關(guān)參數(shù)取值根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，參照GB 50330—2002《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)采取。

3.2.1 滑移式危巖體計(jì)算

后緣無陡傾裂隙時：

(1)

后緣有陡傾裂隙、滑面緩傾時：

(2)

筆者僅對滑移式危巖體W1、W7、W9進(jìn)行計(jì)算(圖1)，計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見表1。

圖1 滑移式危巖穩(wěn)定性計(jì)算示意Fig.1 Schematic diagrams of the calculation of the stability for sliding unstable rock blocks

表1 滑移式危巖穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

3.2.2 傾倒式危巖體計(jì)算

1)由后緣巖體抗拉強(qiáng)度控制時，危巖體重心在傾覆點(diǎn)之外時，采用式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

2)由后緣巖體抗拉強(qiáng)度控制時，危巖體重心在傾覆點(diǎn)之內(nèi)時，采用式(4)進(jìn)行計(jì)算：

(4)

3)由底部巖體抗拉強(qiáng)度控制時，按式(5)計(jì)算：

(5)

式中：fl為危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；a為危巖體重心到傾覆點(diǎn)的水平距離，m；b為后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點(diǎn)之間的水平距離，m；α為危巖體與基座接觸面傾角，(°)，外傾時取正值，內(nèi)傾時取負(fù)值；β為后緣裂隙傾角，(°)；其余符號意義同前。

針對以上3種情況，筆者分別選取W3、W16和W6進(jìn)行計(jì)算說明(圖2)，計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見表2。

圖2 傾倒式危巖穩(wěn)定性計(jì)算示意Fig.2 Schematic diagram of the calculation of the stability for toppling unstable rock block

危巖編號工況W/(kN·m-1)H/mh/mhw/mV/(kN·m-1)β/(°)α/(°)a/mb/mfl/kPaFW3現(xiàn)狀(天然)705．418．948．940．501．25780．051．244085．840暴雨705．418．948．944．1084．05780．051．243461．017W16現(xiàn)狀(天然)1294．3217．9517．953．0045．0083-0．322．684082．265暴雨1296．7417．9517．956．00180．0083-0．322．683460．982W6現(xiàn)狀(天然)182．233．232．600．200．207450．330．924081．701暴雨182．573．232．601．308．457450．330．923461．203

3.2.3 墜落式危巖體計(jì)算

穩(wěn)定性系數(shù)按式(6)、式(7)進(jìn)行計(jì)算，取兩者的較小值：

(6)

(7)

式中：ξ為危巖抗彎力矩計(jì)算系數(shù)，依據(jù)潛在破壞面取值，一般可取1/12～1/6，當(dāng)潛在破壞面為矩形時可取1/6；a0為危巖體重心到潛在破壞面的水平距離，m。

選取W2進(jìn)行計(jì)算說明(圖4)，計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見表3。

圖3 墜落式危巖W2穩(wěn)定性計(jì)算示意Fig.3 Schematic diagram of the calculation of the stability for falling unstable rock block W2

危巖編號工況W/(kN·m-1)H/mh/mV/(kN·m-1)a0/mc/kPafl/kPaF1F2FW2現(xiàn)狀(天然)64．660．800．000．56144040817．8161．2021．202暴雨64．780．800．000．56115234614．2261．0171．017

3.3 危巖穩(wěn)定性綜合評價(jià)

通過危巖體穩(wěn)定性計(jì)算，得到本次劃分的21處危巖體的穩(wěn)定性，其定性評價(jià)與定量評價(jià)基本一致，根據(jù)F按表4判別危巖穩(wěn)定性。

表4 危巖穩(wěn)定性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

注：*防治工程等級為2級。

通過評價(jià)得到：暴雨工況下穩(wěn)定的危巖體有W20，共1處，占危巖體總數(shù)的5%；基本穩(wěn)定的有W4、W8、W7、W10-1、W14、W15、W18，共7處，占危巖體總數(shù)的33%；欠穩(wěn)定的有W1、W2、W3、W5、W6、W9、W10-2、W11、W12、W13、W17和W19，共12處，占危巖體總數(shù)的57%；不穩(wěn)定的有W16，共1處，占危巖體總數(shù)的5%。

本次穩(wěn)定性評價(jià)未考慮地震工況，若發(fā)生地震時，處于基本穩(wěn)定和欠穩(wěn)定的危巖體穩(wěn)定性將降為不穩(wěn)定。

4 危巖防治措施

根據(jù)刀子巖危巖特征，其分布范圍廣，所處的地勢較高，采取一般工程措施難以達(dá)到治理效果，故治理時采用被動防治與主動防治相結(jié)合的綜合處理方案。被動防治要針對難以治理且具有突發(fā)性的危巖體，在其下方設(shè)置落石槽及攔石墻；主動防治針對單個穩(wěn)定性差的危巖體，采用襯砌、封閉、錨固、清除以及地表排水等綜合治理措施(圖4)。

圖4 封閉、襯砌及清除和錨固Fig.4 Closing, lining, clearing and anchorage

1)襯砌。當(dāng)危巖下部發(fā)育有較大高度的巖腔，危巖體積大，對巖腔頂部危巖建議采用襯砌措施。建議主要工程措施采用襯砌的危巖體有W3、W4、W6和W8，見圖4(a)。

2)封閉。對于危巖體由于溶蝕差異形成規(guī)模不大的巖腔采取充填、封閉處理，對危巖體穩(wěn)定不利的裂隙、溶隙采取水泥漿灌漿封閉處理措施。建議主要工程措施采用封閉的危巖體有W9、W10-1、W10-2、W12、W13、W14、W15和W20,見圖4(a)。

3)清除、嵌補(bǔ)。對危巖體上部的懸?guī)r、探頭石采取清除措施，對中部崩塌殘留的孤石，采取先清除后嵌補(bǔ)的措施。建議主要工程措施采用清除的危巖體有W2、W5、W17，詳見圖4(b)。

4)錨固。對位于坡頂，體積大，不可采取清除措施的危巖體，建議采取錨固措施，采用錨桿或錨釘。建議主要工程措施采用錨固的危巖體有W1、W7、W11、W16、W18、W19，見圖4(c )。

5)排水。做好陡崖頂部卸荷帶范圍的地表雨水的排放工作，修筑截排水溝，不可亂排亂放，避免地表水長期對陡崖浸潤、沖刷而對危巖穩(wěn)定性造成不利影響。

6)攔石。在崖腳相對平緩地帶，修筑落石槽或攔石墻。防止危巖在治理過程中落石對坡下建筑物影響，另外對較隱蔽突發(fā)性的危巖體有被動防治作用。

5 結(jié) 論

1)萬盛區(qū)刀子巖陡崖經(jīng)調(diào)繪發(fā)育有21處危巖體，其形態(tài)有階梯狀、四方柱體、板狀體、楔形體以及不規(guī)則體。危巖的失穩(wěn)與裂隙及巖溶發(fā)育程度關(guān)系密切，破壞方式主要為滑移式、傾倒式和墜落式3種類型。

2)根據(jù)規(guī)范，對3種危巖穩(wěn)定性進(jìn)行了定性和定量分析，得到天然條件下，危巖體現(xiàn)多處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況下，穩(wěn)定的危巖體有1處，占危巖體總數(shù)的5%；危巖體基本穩(wěn)定的有7處，占危巖體總數(shù)的33%；欠穩(wěn)定的有12處，占危巖體總數(shù)的57%；不穩(wěn)定的有1處，占危巖體總數(shù)的5%，具有很大的潛在危險(xiǎn)。

3)危巖防治方案建議采用主動防治與被動防治相結(jié)合的綜合方案，針對具體的危巖體選擇采用：襯砌、封閉、錨固、清除、地表排水和攔石等措施。

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