桂林岩溶区胀裂式危岩稳定性分析

罗东生， 张　凯， 褚晶磊

(1. 广东省建筑设计研究院，广东广州510010； 2. 西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)

桂林作为我国著名的旅游城市，由于其奇特的喀斯特地形地貌，每年都吸引着大量国内外游客前往游玩。同时，桂林作为典型岩溶区，辖区内山峰林立且山体倾斜角度大，直立、反倾斜山体甚为常见，加之其特殊的石灰岩特性，造成了山体易发生危岩崩塌等自然灾害。其独特的地质环境孕育了桂林市地质灾害类型为危岩和岩溶地面塌陷[1-2]。上述灾害一旦发生，会对桂林景区的旅游业造成严重影响。为此，国内学者对桂林境内山体危岩开展了广泛研究。

文献[3]以伏波山某危岩体为研究对象，采用刚体极限平衡法对该危岩进行了定量验算,并针对该危岩体的情况提出相应防治措施。文献[4]以白岩山某危岩体为对象，采用极限平衡法对该危岩体稳定性进行了定量验算。文献[5]指出人为因素诱发的危岩多于自然条件下形成的危岩，并提出了以预防、加固为主的危岩防治原则。由于危岩的形成是十分复杂的动力过程，且崩塌类型众多，治理时不可一概而论。针对此本文以桂林市虞山景区W6号危岩为例，在类别上将其划分为胀裂式，并对其稳定性进行了计算并提出相应治理措施，研究结果可供有关单位对该类型危岩进行治理时参考。

1　地质条件及危岩基本特征

1.1　地形地貌

桂林地区为一向斜盆地，四面环山，气候湿热，夏季雨水较多，属亚热带季风气候。虞山景区位于城北孤峰平原区，地形较为平坦，地面标高148～255 m，孤峰平地拔起，耸立于平原之上，相对标高50～100 m，山体个体形态有宝塔状、骆驼状等。较大的地表河流从中穿越而过，如漓江、桃花江、良丰河等。第四系堆积物中常见塌陷等现象。研究区内出露的地层有晚古生界的石炭系、泥盆系和新生代的第四系，主要以上泥盆统为主。石炭系、泥盆系为一套碳酸盐岩和细碎屑岩互层构成的岩石；第四系主要为冲洪积物、残坡积物(图1)。

岩溶石峰出露的石灰岩，属硬质岩，强度较高，但岩性脆，岩石抗压强度可达100 MPa，而抗拉强度平均值仅5.74 MPa。石灰岩抗风化能力较强，但易溶蚀。在应力作用下产生节理裂隙，发生碎裂破坏。岩体，尤其是表层岩体中，节理裂隙、溶隙(缝)极为发育，岩体受多组结构面作用，为危岩崩塌提供物质来源。

图1　桂林市地质

1.2　地质构造与地震

研究区内有断裂、褶皱地质构造存在，区域构造大致可分为市西南、北东构造带两大体系。其走向基本上呈平行状态。根据调查量测资料，主要的褶皱构造有老人山背斜，近东西走向，叠彩山、老人山均受背斜影响，位于背斜一侧，岩层倾角在10～15°左右，倾向为72°；猴山向斜，主要影响区为甲山、橡胶机械厂一带；尧山背斜，南北走向，呈短轴状。

研究区主要的断裂构造有大河断裂、龙家断裂、芦笛岩断裂三条断裂，由于断裂形成过程中上下盘错动、产生相对位移，在交界处的岩体结构比较破碎，多呈碎块、散体状，极易形成危岩体。据GB 18306-2001《中国地震动参数区划图》[6]国家标准第1号修改单和GB 50011-2001(2008年版)《建筑抗震设计规范》[7]，地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期值为0.35 s，抗震设防烈度小于6度。

1.3　水文地质条件

桂林市内地表及地下水较为丰富，主要以南北贯穿的漓江为主干流域，还有多条支流融汇，如桃花江、小东江等。湖泊有“两江四湖”，如榕湖等。其中漓江作为桂林人的生命之源，市内地下水供给及地表水的排泄通道。研究区多年平均气温19 ℃，极端最高气温39.4 ℃，极端最低气温-4 ℃，多年平均年降水量1 929.9 mm。区内降水时间分布不均，主要集中在3～8月，占全年降水量的65 %左右，历年连续最大降水量247.7 mm。

2　不稳定斜坡基本特征

虞山位于城北孤峰平原区，最高峰海拔高程263 m。山体坡度角10～25°，山体由西北向东南展布。危岩由岩性坚硬的灰岩、白云岩形成，长期受地质构造运动、降雨、风化、溶蚀等作用影响，岩体被切割得支离破碎

危岩失稳破坏的主要动力是自身重力，其作用方向始终向下和指向临空面。构成岩溶石峰的碳酸盐岩属可溶性硬质岩，地形上往往形成十分陡峭的石峰边坡，斜坡坡度多30～60°，陡坎、陡崖、峭壁处达70～80°，近直立的陡坎、陡崖、峭壁发育，局部甚至呈反坡，为危岩形成提供了有利的地形条件，不仅构成了危岩失稳临空面，同时，陡峭地形使得危岩崩塌后迅速坠落至坡脚，动能大、破坏性强，危害性更大。由于岩溶石峰危岩的形成受多种因素共同控制，其失稳破坏各不相同，破坏后的运动状态及产生的能量、危险性也不一致，因而岩溶石峰危岩的失稳模式分类也是多种多样的。

通过前期实地勘察，发现虞山W6号危岩(图2)后缘发育近垂向裂隙，下部尚未贯通，主要依靠下部未贯穿的岩石强度维持其稳定性，遂将其分类为胀裂式危岩。危岩高h=9.0 m，岩体后缘深度a=6.4 m，L=2.0 m，危岩体后缘结构面倾向100°，倾角60°。由于岩石的卸荷作用，后缘裂隙逐渐张开，呈“V”字形张开。在危岩体自身重力、后缘裂隙水压力和根劈等作用下，下部连接部位被劈裂，危岩易丧失其稳定性从而发生坠落破坏。

图2　虞山W6号危岩体

3　危岩稳定性分析

岩体的稳定性主要取决于岩体中结构面的空间分布及其组合关系、结构面内充填物质的物理力学性质、岩体所受的外力这三大因素。基于对危岩体稳定性分析研究，把研究区危岩体主要分成层状结构和块状结构两种，块状结构系由两组或两组以上不同倾角、倾向的结构面组合而成，危岩体多为不规则的多面体。虞山W6号危岩根据经验为块状结构系，可用赤平投影法对危岩体进行定性分析。

赤平投影法是解析空间平面与直线组合关系的一种图解方法，能简便、直观、准确的表示岩体中的结构面与临空面之间的组合关系，在危岩稳定性分析中应用极为广泛，但该方法只能对危岩体进行定性分析，不能反映结构面内充填物力学性质及岩体所受外力作用对岩体稳定性的影响。本文在采用赤平投影法定性分析的基础上，结合刚体极限平衡法对研究区危岩体进行稳定性分析，具体如下。

3.1　赤平投影法定性分析

采用赤平投影分析法对虞山W6号危岩体进行稳定性分析(图3)。

图3　W6号危岩体赤平投影

从图3可以定性看出，危岩体处于不稳定状态。

3.2　极限平衡法定量分析

根据相关计算公式，考虑裂隙的贯通程度、裂隙的填充程度及裂隙的结合情况，岩体力学性质按DB 50/143-2003《地质灾害防治工程勘察规范》[8]10.6要求进行折减，各参数乘以折减系数ζ，即可得岩体力学参数(表1)。

根据危岩体稳定性计算结果，可按照表2将危岩体的稳定状态分为不稳定、欠稳定、基本稳定及稳定4个等级。

按胀裂式危岩的破坏方式存在两种情况：一是危岩体根部的剪切破坏；二是危岩体根部(主控结构面端部)拉裂破坏，出现于危岩体重心在主控结构面外侧、危岩体遭受孔隙水压力或水平地震力的情况下。应分别计算，取其低值作为危岩体的稳定系数。

表1　危岩体稳定性计算参数

(1)情况一：计算模型见图4。

图4　胀裂式危岩计算模型

危岩体后缘发育近垂向裂隙，下部尚未贯通，在危岩体自身重力、孔隙水压力以及地震力作用下，下部连接部位劈裂，危岩破坏坠落。如果不考虑孔隙水压力、地震力等附加力，在危岩体自重作用下，与铅直方向呈45°角的EC面上将产生最大剪应力。

危岩体ABCD的重量：W=a(h-a/2)γ

在EC面上的最大剪应力：

(1)

危岩体稳定系数：

(2)

式中：

a为危岩体宽度；

h为危岩体高度；

γ为岩石容重；

[τ]为岩体容许抗剪强度。

叠加不同工况下的水压力和地震力，即可以计算不同组合下EC面所受的最大剪应力，进而计算其稳定系数。

(2)情况二：其破坏力学机理与帽落式相同，即裂隙下部端点所受的拉应力为：

(3)

危岩体稳定系数：

(4)

式中：

L为危岩体突出坡面的长度；

h为危岩体的高度；

γ为容重；

a为后缘裂隙深度；

[σla]为危岩体根部岩石的容许抗拉强度。

叠加不同工况下的孔隙水压力和水平地震力，即可以计算不同荷载组合下裂隙端点所受的拉应力，进而计算其稳定系数。

根据上述情况一、情况二，运用上述式(2)、式(4)对危岩体进行计算。在情况一下其稳定系数为1.80，情况二下为0.75，最终结果取小值0.75。根据表2危岩稳定状态划分标准可知，该危岩体处于不稳定状态，岩体极可能失稳坠落，与赤平投影法得出的定性结论一致。

4　治理方案设计

经上述稳定性分析，情况二下虞山景区W6号危岩稳定性系数为0.75，该危岩体处于不稳定状态。据此，需对该危岩体进行治理。

岩溶区石峰以“奇”、“秀”、“美”等特点具有较高的观赏价值，石峰上的危岩体更是千姿百态。因而在防治方案选择时应当全面考虑经济、技术及环境等因素的影响，岩溶区危岩体防治方案有以下两种：

(1)排除为主，加固为辅，因地制宜，经济有效地进行防治方案及施工图设计；

(2)加固为主，排除为辅。

危岩的形成与崩塌是岩溶地形地貌演化的具体表现和必然产物，其治理工程若采用方案二以加固为主，不仅费用高，而且在加固过程中容易扰动相邻岩体，产生新的危岩。据调查资料显示，危岩多发育于山体的风化壳上，母岩多已风化剥蚀，其稳定性已大幅降低，若采用方案二将危岩体加固其上，不仅工程代价高，而且其整体稳定性也不高。加之危岩体本身多为中小规模，本着“安全、技术、经济、环保”的原则，岩溶区危岩治理工程宜采用方案一。

针对本文中胀裂式危岩，结合目前国内外对危岩防治技术的研究成果，提出防治在遵守方案一要求的前提下，采用主动+被动防护。主动防治措施为注浆、封填、清除；被动防治措施为SNS被动防护网、树林防护。

5　结论及建议

5.1　结论

通过对桂林虞山风景区W6号危岩的实地调查，在类别上将其定为胀裂式危岩，并采用赤平投影法定性分析、极限平衡法定量分析，得出以下结论：

(1)虞山景区W6号危岩稳定性系数为0.75，该危岩体处于不稳定状态，需对该危岩体进行治理；

(2)在遵循“排除为主，加固为辅，因地制宜，经济有效地进行防治方案及施工图设计”的前提下，提出采用主动+被动防护。主动防治措施为注浆、封填、清除；被动防治措施为SNS被动防护网、树林防护。

5.2　建议

本文虽然对危岩体的稳定性进行了定性和定量的分析计算，但采取的都是平面二维的计算模型。危岩体的外观形态千姿百态，形态大小不一，仅仅是简化为二维的计算模式，与实际情况有些不符。因而，在危岩体稳定性分析中应用三维空间计算是今后研究的重点，这种方法能实际地反映危岩体的尺寸效应，与实际情况更为吻合。