桂林巖溶區脹裂式危巖穩定性分析

羅東生， 張　凱， 褚晶磊

(1. 廣東省建筑設計研究院，廣東廣州510010； 2. 西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

桂林作為我國著名的旅游城市，由于其奇特的喀斯特地形地貌，每年都吸引著大量國內外游客前往游玩。同時，桂林作為典型巖溶區，轄區內山峰林立且山體傾斜角度大，直立、反傾斜山體甚為常見，加之其特殊的石灰巖特性，造成了山體易發生危巖崩塌等自然災害。其獨特的地質環境孕育了桂林市地質災害類型為危巖和巖溶地面塌陷[1-2]。上述災害一旦發生，會對桂林景區的旅游業造成嚴重影響。為此，國內學者對桂林境內山體危巖開展了廣泛研究。

文獻[3]以伏波山某危巖體為研究對象，采用剛體極限平衡法對該危巖進行了定量驗算,并針對該危巖體的情況提出相應防治措施。文獻[4]以白巖山某危巖體為對象，采用極限平衡法對該危巖體穩定性進行了定量驗算。文獻[5]指出人為因素誘發的危巖多于自然條件下形成的危巖，并提出了以預防、加固為主的危巖防治原則。由于危巖的形成是十分復雜的動力過程，且崩塌類型眾多，治理時不可一概而論。針對此本文以桂林市虞山景區W6號危巖為例，在類別上將其劃分為脹裂式，并對其穩定性進行了計算并提出相應治理措施，研究結果可供有關單位對該類型危巖進行治理時參考。

1　地質條件及危巖基本特征

1.1　地形地貌

桂林地區為一向斜盆地，四面環山，氣候濕熱，夏季雨水較多，屬亞熱帶季風氣候。虞山景區位于城北孤峰平原區，地形較為平坦，地面標高148～255 m，孤峰平地拔起，聳立于平原之上，相對標高50～100 m，山體個體形態有寶塔狀、駱駝狀等。較大的地表河流從中穿越而過，如漓江、桃花江、良豐河等。第四系堆積物中常見塌陷等現象。研究區內出露的地層有晚古生界的石炭系、泥盆系和新生代的第四系，主要以上泥盆統為主。石炭系、泥盆系為一套碳酸鹽巖和細碎屑巖互層構成的巖石；第四系主要為沖洪積物、殘坡積物(圖1)。

巖溶石峰出露的石灰巖，屬硬質巖，強度較高，但巖性脆，巖石抗壓強度可達100 MPa，而抗拉強度平均值僅5.74 MPa。石灰巖抗風化能力較強，但易溶蝕。在應力作用下產生節理裂隙，發生碎裂破壞。巖體，尤其是表層巖體中，節理裂隙、溶隙(縫)極為發育，巖體受多組結構面作用，為危巖崩塌提供物質來源。

圖1　桂林市地質

1.2　地質構造與地震

研究區內有斷裂、褶皺地質構造存在，區域構造大致可分為市西南、北東構造帶兩大體系。其走向基本上呈平行狀態。根據調查量測資料，主要的褶皺構造有老人山背斜，近東西走向，疊彩山、老人山均受背斜影響，位于背斜一側，巖層傾角在10～15°左右，傾向為72°；猴山向斜，主要影響區為甲山、橡膠機械廠一帶；堯山背斜，南北走向，呈短軸狀。

研究區主要的斷裂構造有大河斷裂、龍家斷裂、蘆笛巖斷裂三條斷裂，由于斷裂形成過程中上下盤錯動、產生相對位移，在交界處的巖體結構比較破碎，多呈碎塊、散體狀，極易形成危巖體。據GB 18306-2001《中國地震動參數區劃圖》[6]國家標準第1號修改單和GB 50011-2001(2008年版)《建筑抗震設計規范》[7]，地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期值為0.35 s，抗震設防烈度小于6度。

1.3　水文地質條件

桂林市內地表及地下水較為豐富，主要以南北貫穿的漓江為主干流域，還有多條支流融匯，如桃花江、小東江等。湖泊有“兩江四湖”，如榕湖等。其中漓江作為桂林人的生命之源，市內地下水供給及地表水的排泄通道。研究區多年平均氣溫19 ℃，極端最高氣溫39.4 ℃，極端最低氣溫-4 ℃，多年平均年降水量1 929.9 mm。區內降水時間分布不均，主要集中在3～8月，占全年降水量的65 %左右，歷年連續最大降水量247.7 mm。

2　不穩定斜坡基本特征

虞山位于城北孤峰平原區，最高峰海拔高程263 m。山體坡度角10～25°，山體由西北向東南展布。危巖由巖性堅硬的灰巖、白云巖形成，長期受地質構造運動、降雨、風化、溶蝕等作用影響，巖體被切割得支離破碎

危巖失穩破壞的主要動力是自身重力，其作用方向始終向下和指向臨空面。構成巖溶石峰的碳酸鹽巖屬可溶性硬質巖，地形上往往形成十分陡峭的石峰邊坡，斜坡坡度多30～60°，陡坎、陡崖、峭壁處達70～80°，近直立的陡坎、陡崖、峭壁發育，局部甚至呈反坡，為危巖形成提供了有利的地形條件，不僅構成了危巖失穩臨空面，同時，陡峭地形使得危巖崩塌后迅速墜落至坡腳，動能大、破壞性強，危害性更大。由于巖溶石峰危巖的形成受多種因素共同控制，其失穩破壞各不相同，破壞后的運動狀態及產生的能量、危險性也不一致，因而巖溶石峰危巖的失穩模式分類也是多種多樣的。

通過前期實地勘察，發現虞山W6號危巖(圖2)后緣發育近垂向裂隙，下部尚未貫通，主要依靠下部未貫穿的巖石強度維持其穩定性，遂將其分類為脹裂式危巖。危巖高h=9.0 m，巖體后緣深度a=6.4 m，L=2.0 m，危巖體后緣結構面傾向100°，傾角60°。由于巖石的卸荷作用，后緣裂隙逐漸張開，呈“V”字形張開。在危巖體自身重力、后緣裂隙水壓力和根劈等作用下，下部連接部位被劈裂，危巖易喪失其穩定性從而發生墜落破壞。

圖2　虞山W6號危巖體

3　危巖穩定性分析

巖體的穩定性主要取決于巖體中結構面的空間分布及其組合關系、結構面內充填物質的物理力學性質、巖體所受的外力這三大因素。基于對危巖體穩定性分析研究，把研究區危巖體主要分成層狀結構和塊狀結構兩種，塊狀結構系由兩組或兩組以上不同傾角、傾向的結構面組合而成，危巖體多為不規則的多面體。虞山W6號危巖根據經驗為塊狀結構系，可用赤平投影法對危巖體進行定性分析。

赤平投影法是解析空間平面與直線組合關系的一種圖解方法，能簡便、直觀、準確的表示巖體中的結構面與臨空面之間的組合關系，在危巖穩定性分析中應用極為廣泛，但該方法只能對危巖體進行定性分析，不能反映結構面內充填物力學性質及巖體所受外力作用對巖體穩定性的影響。本文在采用赤平投影法定性分析的基礎上，結合剛體極限平衡法對研究區危巖體進行穩定性分析，具體如下。

3.1　赤平投影法定性分析

采用赤平投影分析法對虞山W6號危巖體進行穩定性分析(圖3)。

圖3　W6號危巖體赤平投影

從圖3可以定性看出，危巖體處于不穩定狀態。

3.2　極限平衡法定量分析

根據相關計算公式，考慮裂隙的貫通程度、裂隙的填充程度及裂隙的結合情況，巖體力學性質按DB 50/143-2003《地質災害防治工程勘察規范》[8]10.6要求進行折減，各參數乘以折減系數ζ，即可得巖體力學參數(表1)。

根據危巖體穩定性計算結果，可按照表2將危巖體的穩定狀態分為不穩定、欠穩定、基本穩定及穩定4個等級。

按脹裂式危巖的破壞方式存在兩種情況：一是危巖體根部的剪切破壞；二是危巖體根部(主控結構面端部)拉裂破壞，出現于危巖體重心在主控結構面外側、危巖體遭受孔隙水壓力或水平地震力的情況下。應分別計算，取其低值作為危巖體的穩定系數。

表1　危巖體穩定性計算參數

(1)情況一：計算模型見圖4。

圖4　脹裂式危巖計算模型

危巖體后緣發育近垂向裂隙，下部尚未貫通，在危巖體自身重力、孔隙水壓力以及地震力作用下，下部連接部位劈裂，危巖破壞墜落。如果不考慮孔隙水壓力、地震力等附加力，在危巖體自重作用下，與鉛直方向呈45°角的EC面上將產生最大剪應力。

危巖體ABCD的重量：W=a(h-a/2)γ

在EC面上的最大剪應力：

(1)

危巖體穩定系數：

(2)

式中：

a為危巖體寬度；

h為危巖體高度；

γ為巖石容重；

[τ]為巖體容許抗剪強度。

疊加不同工況下的水壓力和地震力，即可以計算不同組合下EC面所受的最大剪應力，進而計算其穩定系數。

(2)情況二：其破壞力學機理與帽落式相同，即裂隙下部端點所受的拉應力為：

(3)

危巖體穩定系數：

(4)

式中：

L為危巖體突出坡面的長度；

h為危巖體的高度；

γ為容重；

a為后緣裂隙深度；

[σla]為危巖體根部巖石的容許抗拉強度。

疊加不同工況下的孔隙水壓力和水平地震力，即可以計算不同荷載組合下裂隙端點所受的拉應力，進而計算其穩定系數。

根據上述情況一、情況二，運用上述式(2)、式(4)對危巖體進行計算。在情況一下其穩定系數為1.80，情況二下為0.75，最終結果取小值0.75。根據表2危巖穩定狀態劃分標準可知，該危巖體處于不穩定狀態，巖體極可能失穩墜落，與赤平投影法得出的定性結論一致。

4　治理方案設計

經上述穩定性分析，情況二下虞山景區W6號危巖穩定性系數為0.75，該危巖體處于不穩定狀態。據此，需對該危巖體進行治理。

巖溶區石峰以“奇”、“秀”、“美”等特點具有較高的觀賞價值，石峰上的危巖體更是千姿百態。因而在防治方案選擇時應當全面考慮經濟、技術及環境等因素的影響，巖溶區危巖體防治方案有以下兩種：

(1)排除為主，加固為輔，因地制宜，經濟有效地進行防治方案及施工圖設計；

(2)加固為主，排除為輔。

危巖的形成與崩塌是巖溶地形地貌演化的具體表現和必然產物，其治理工程若采用方案二以加固為主，不僅費用高，而且在加固過程中容易擾動相鄰巖體，產生新的危巖。據調查資料顯示，危巖多發育于山體的風化殼上，母巖多已風化剝蝕，其穩定性已大幅降低，若采用方案二將危巖體加固其上，不僅工程代價高，而且其整體穩定性也不高。加之危巖體本身多為中小規模，本著“安全、技術、經濟、環?！钡脑瓌t，巖溶區危巖治理工程宜采用方案一。

針對本文中脹裂式危巖，結合目前國內外對危巖防治技術的研究成果，提出防治在遵守方案一要求的前提下，采用主動+被動防護。主動防治措施為注漿、封填、清除；被動防治措施為SNS被動防護網、樹林防護。

5　結論及建議

5.1　結論

通過對桂林虞山風景區W6號危巖的實地調查，在類別上將其定為脹裂式危巖，并采用赤平投影法定性分析、極限平衡法定量分析，得出以下結論：

(1)虞山景區W6號危巖穩定性系數為0.75，該危巖體處于不穩定狀態，需對該危巖體進行治理；

(2)在遵循“排除為主，加固為輔，因地制宜，經濟有效地進行防治方案及施工圖設計”的前提下，提出采用主動+被動防護。主動防治措施為注漿、封填、清除；被動防治措施為SNS被動防護網、樹林防護。

5.2　建議

本文雖然對危巖體的穩定性進行了定性和定量的分析計算，但采取的都是平面二維的計算模型。危巖體的外觀形態千姿百態，形態大小不一，僅僅是簡化為二維的計算模式，與實際情況有些不符。因而，在危巖體穩定性分析中應用三維空間計算是今后研究的重點，這種方法能實際地反映危巖體的尺寸效應，與實際情況更為吻合。