劉寶臣，鄭金，向志坤

（桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，桂林 541004）

桂林市屏風(fēng)山西側(cè)危巖成因及穩(wěn)定性分析

劉寶臣，鄭金，向志坤

（桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，桂林 541004）

研究區(qū)屬于典型的喀斯特巖質(zhì)邊坡。在調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析危巖體發(fā)育的內(nèi)因和外因，對危巖體進行分類。采用靜力解析法，對各類型危巖體進行受力模型分析和穩(wěn)定性計算，判斷各危巖體的穩(wěn)定情況。

喀斯特；發(fā)育成因；靜力解析；致災(zāi)因子

1 引言

桂林地處喀斯特地貌區(qū)，孤峰兀立、平地拔起，屬典型的亞熱帶峰林平原（市區(qū)）、峰叢洼地（漓江兩岸）地貌單元，區(qū)內(nèi)山體直立、陡壁甚至反坡較為常見，加之石灰?guī)r裸露及其質(zhì)硬性脆、裂隙發(fā)育等特性，決定了危巖發(fā)育，極易發(fā)生巖塊崩塌災(zāi)害。其獨特的地質(zhì)環(huán)境孕育了桂林市地質(zhì)災(zāi)害類型為危巖和巖溶地面塌陷［1］，給山體附近居民的生命財產(chǎn)安全帶來了威脅，嚴(yán)重影響了喀斯特景區(qū)特色旅游業(yè)的發(fā)展。由于其變形破壞是十分復(fù)雜的動力過程，發(fā)生突然且一次發(fā)生的規(guī)模及可能帶來的綜合損失不及典型的滑坡，從而使人們對這種災(zāi)害現(xiàn)象的研究不夠重視［2］。為此，本文以屏風(fēng)山西側(cè)危巖為例，對巖溶地區(qū)巖質(zhì)邊坡典型的危巖發(fā)育特征和致災(zāi)因素展開研究，判斷危巖體穩(wěn)定狀態(tài)。對于不穩(wěn)定或極限穩(wěn)定的危巖，建議后期采取一定的治理措施，例如，以錨固、清除和支撐為主的主動防護措施，以攔石墻（堤、柵欄）、被動柔性防護為主的被動防護措施等［3］。

2 危巖的分布特點及發(fā)育類型

2.1 危巖的分布特點

屏風(fēng)山位于桂林市七星區(qū)建干路東側(cè)，南、北、東三側(cè)被桂林電力電容器廠和桂林理工大學(xué)包圍，西側(cè)毗鄰建干路，山體下方分布有4個大小不等的人工防空洞，其中建干路一側(cè)的防空洞已經(jīng)封閉。此次研究的危巖主要位于屏風(fēng)山的西北角處，如圖1所示。

圖1 屏風(fēng)山西北角危巖體平面分布圖Fig.1 Dangerous rocks at the northwest corner of Screen Mount

在評估區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)11處危巖體，主要以塊狀、層狀、碎塊狀、片狀、柱狀等不規(guī)則形態(tài)存在于山體的陡壁中，危巖體大小為1～30m3，臨空高度10～35m。大部分危巖位置高、體積大，若產(chǎn)生崩塌，將會造成極大的災(zāi)害。

2.2 危巖的發(fā)育類型

研究區(qū)地形地貌及危巖體分布如圖2所示。根據(jù)危巖的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)特征，將其劃分為以下3種類型：

圖2 屏風(fēng)山建干路陡壁地形及危巖體分布Fig.2 Steep terrain and unstable rocks above the Jian'an road

（1）臨空型：此類型危巖一般兩面或三面臨空，另一面或兩面被構(gòu)造裂隙切割而與母巖脫離，前方臨空，下方懸空，后緣貫通度高。本次共發(fā)現(xiàn)1＃、3＃、5＃、6＃、7＃、8＃、9＃、10＃、11＃等臨空型危巖體9處，在山體的陡壁面及陡坎反坡的下方均有分布，裂縫寬度2～15cm，典型危巖體如圖3所示。

圖3 典型臨空型危巖體Fig.3 Typical overhanging type unstable rock

（2）貼坡型：此類型危巖體后緣存在與邊坡傾斜方向一致，貫通或斷續(xù)貫通的貼于坡面上的危巖體［4］，巖層在邊坡強烈卸荷過程中，沿層面被拉開，產(chǎn)生裂縫，加上后期的重力、風(fēng)化作用及裂隙水的作用進一步使裂縫擴張，形成滑面，直至危巖體失穩(wěn)，完全脫離母巖下滑，4＃危巖體屬于該類型危巖體。典型危巖體如圖4所示。

圖4 典型貼坡型危巖體Fig.4 Typical slope－sticking type unstable rock

（3）孤石型：此類型位于較陡斜坡上，與母巖完全脫離，表面溶蝕現(xiàn)象明顯，下伏往往是松散的殘積土，殘積土極易被水沖刷而松散，摩擦力減小，導(dǎo)致危巖體重心偏移，最后在重力、地震力作用下滾落失穩(wěn)。典型危巖體如圖5所示。

圖5 典型孤石型危巖體Fig.5 Typical isolated type unstable rock

3 危巖發(fā)育的成因分析

3.1 巖性與構(gòu)造因素

3.1.1 地層巖性

工作區(qū)地層主要由泥盆系上統(tǒng)融縣組（D3r）組成，淺灰色至灰白色，中厚層構(gòu)造，巖性為灰?guī)r夾鮞粒灰?guī)r，巖石堅硬性脆，中等風(fēng)化，在應(yīng)力作用下容易形成裂隙?；鶐r大部呈裸露狀態(tài)，坡腳前方為漓江二級階地，上更新統(tǒng)（Qal3）沖積物；少量第四系殘坡積含碎石粉質(zhì)粘土覆蓋于坡頂或坡面相對凹平部位，或充填于縫隙中；坡頂巖體表面具有溶蝕現(xiàn)象，可見溶溝、溶槽、石牙發(fā)育。這些為危巖的發(fā)育提供了條件。

3.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)野外勘查發(fā)現(xiàn)，在山體陡坡部位有3組主要裂隙發(fā)育。第一組：走向近SN向，近直立，發(fā)育方向與陡坡走向大體一致，不利于巖體的穩(wěn)定，巖體遭到該組裂隙切割后，極易形成危巖體；第二組：走向NE50°，傾向NW，傾角70°；第三組：走向NW40°，傾向NE，傾角54°。工作區(qū)位于近東西向老人山背斜的南翼，無區(qū)域性斷裂通過，使得山體陡坡被3組裂隙所切割，在3組裂隙和層面組合下，巖體被切割，形成數(shù)量眾多的孤立巖塊，加之裂隙經(jīng)后期溶蝕加寬，進一步促進危巖體發(fā)育。

3.2 地形地貌因素及植物根系影響

工作區(qū)屬于巖溶孤峰平原地貌單元，地形呈現(xiàn)為南西－北東向延伸的陡坡，總體坡度75°左右，局部呈反坡，最大坡高達(dá)35m，底部寬約50m，靠近建干路一側(cè)，因為路基開挖，已形成陡坎，具備臨空面，在強烈的卸荷作用下，后緣拉裂，主控結(jié)構(gòu)面進一步貫通。同時，巖體周圍植被較發(fā)育，榕、樟等自然樹木根徑1～8cm，長達(dá)3m以上，沿節(jié)理裂隙不斷向里生長，對裂隙產(chǎn)生劈裂作用，使得巖石的裂縫、節(jié)理進一步張開，加劇了危巖體的形成。

3.3 氣象、水文因素

雨季是危巖失穩(wěn)的多發(fā)季節(jié)，降雨強度大，歷時長越容易發(fā)生［5］。工作區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，多年平均降雨量約1800mm，降雨集中在4～7月份，占全年降雨量的62%，每年均會有幾次大暴雨及強降雨過程，附近無地表河流，降水沿裂隙面下滲，一方面增加了巖體的重量，同時，短期內(nèi)產(chǎn)生裂隙水壓力［6］，這些都是危巖崩塌的致災(zāi)因素。

3.4 巖溶發(fā)育

工作區(qū)屬于純碳酸鹽巖巖溶發(fā)育強烈區(qū)，溶洞發(fā)育，地下巖溶呈管道狀、網(wǎng)絡(luò)狀，發(fā)育不均一。地表巖溶形態(tài)主要表現(xiàn)為石牙、溶蝕寬縫、溶槽等，在構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙作用下易形成孤石。

3.5 人為因素

建干路修建期間，曾在坡腳開鑿加寬，以及20世紀(jì)五、六十年代，山體內(nèi)開挖防空洞，均采用大劑量有聲爆破。另外，建干路每天來往的行人和車輛產(chǎn)生的震動，這些因素的作用機制和自然營力的改造作用類似［7］，但是相對而言，人類活動作用過程通常要比自然營力要快得多。這些人為因素打破了危巖的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，加劇了危巖失穩(wěn)。

4 危巖體穩(wěn)定性分析

4.1 臨空型危巖體穩(wěn)定性分析

1＃、3＃、5＃、6＃、7＃、8＃、9＃、10＃、11＃危巖屬于臨空型危巖體，其后緣部主控結(jié)構(gòu)面陡傾，貫通度較高，在受到自重、地震力、裂隙水壓力的作用下，主控結(jié)構(gòu)面卸荷，裂隙加深，直到主控結(jié)構(gòu)面全部貫通，從而危巖體與母巖分離，發(fā)生錯落失穩(wěn)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點進行受力分析，模型如圖6所示。

圖6 臨空型危巖體計算模型Fig.6 Calculation model of overhanging type unstable rock

運用靜力解析法，推導(dǎo)出穩(wěn)定系數(shù)計算公式如下：

式中，W為危巖體自重；P為地震力；Q為靜水壓力；c、φ為主控結(jié)構(gòu)面等效強度參數(shù)；β為裂隙面傾角。

通過對上述9塊臨空型危巖體進行實地調(diào)查測量，得出危巖體各項數(shù)據(jù)并進行穩(wěn)定性計算，其結(jié)果如表2所示，其中危巖體部分物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 危巖體物理力學(xué)參數(shù)設(shè)計值Table 1 Design value of physical mechanics for unstable rocks

表2 臨空型危巖體穩(wěn)定性計算結(jié)果Table 2 Stability calculations of overhanging type unstable rock

4.2 貼坡型危巖體穩(wěn)定性分析

4＃危巖體屬于貼坡型危巖體，其位于陡坡上，在卸荷過程中，巖層層面被拉開，出現(xiàn)張拉裂隙，在后期的自重、裂隙水等力的作用下，裂隙進一步擴大，形成潛在的滑移面，直到危巖體的下滑力超過結(jié)構(gòu)面的抗滑力時，發(fā)生失穩(wěn)?，F(xiàn)場調(diào)查，其主控結(jié)構(gòu)面為二維斜線型狀態(tài)，未完全貫通，受力模型如圖7所示。

圖7 貼坡型危巖體計算模型Fig.7 Calculation model of slope－sticking type unstable rock

運用靜力解析法，推導(dǎo)穩(wěn)定系數(shù)計算公式如下：

通過對4＃危巖體進行實地調(diào)查測量，得出危巖體各項數(shù)據(jù)，并進行穩(wěn)定性計算，其結(jié)果如表3所示。

表3 貼坡型危巖體穩(wěn)定性計算結(jié)果Table 3 Stability calculations of slope－sticking type unstable rock

4.3 孤石型危巖體穩(wěn)定性分析

2＃危巖體屬于孤石型危巖體，孤立于山坡上，其下部嵌入坡表土體內(nèi)，目前靠摩擦力、嵌入力保持平衡，在后期雨水的浸泡、沖刷作用下，下部土體松散，摩擦力和嵌入力降低，加上后期重力和地震力作用，當(dāng)由地震力產(chǎn)生的傾覆力矩大于由重力產(chǎn)生的抗傾覆力矩時，危巖體將繞傾覆點發(fā)生偏心滾落失穩(wěn)，其受力模型如圖8所示。

圖8 孤石型危巖體計算模型Fig.8 Calculation model of isolated type unstable rocks

運用靜力解析法，推導(dǎo)穩(wěn)定系數(shù)計算公式如下：

式中，m為轉(zhuǎn)點A至重力延長線的垂直距離（m）；h為轉(zhuǎn)點A至水平地震力延長線垂直距離（m）。

通過現(xiàn)場測量，得出危巖體各項數(shù)據(jù)，并進行穩(wěn)定性計算，其結(jié)果如表4所示。

表4 孤石型危巖體穩(wěn)定性計算結(jié)果Table 4 Stability calculations of isolated type unstable rock

根據(jù)危巖體穩(wěn)定性判據(jù)，當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)＞1.1時，為基本穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)在1.0～1.1時，為極限穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)＜1.0時，為不穩(wěn)定狀態(tài)［8］。11塊危巖體的穩(wěn)定狀態(tài)分別見各穩(wěn)定性計算結(jié)果表。

5 結(jié)論

（1）工作區(qū)內(nèi)存在著對建干路構(gòu)成威脅的11塊危巖，其大小在1～30m3，大部分分布在較高且陡峭的位置，若產(chǎn)生崩塌，將會有很大的破壞力。本文根據(jù)危巖體的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)特征，將其劃分為臨空型、貼坡型、孤石型等3種基本類型。

（2）工作區(qū)屬巖溶孤峰平原地貌單元，山體陡峭，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，山體表面巖體溶蝕強烈，較破碎，加上暴雨、大風(fēng)、地震都是危巖發(fā)育的主導(dǎo)因素，導(dǎo)致部分巖體處于脆弱的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。而后期風(fēng)化作用，如卸荷、植物根系劈裂、裂隙水壓力以及人類工程活動則是危巖體失穩(wěn)破壞的主要激發(fā)因素。

（3）采用靜力解析法，對3種類型的危巖體進行受力分析和穩(wěn)定性計算，得出8＃、10＃危巖體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；1＃、5＃、6＃、7＃危巖體處于極限穩(wěn)定狀態(tài)；2＃、3＃、4＃、9＃、11＃危巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

［1］覃蘭麗，曾憲賓，張云良.桂林巖溶區(qū)典型地質(zhì)災(zāi)害危險性評估［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2009，20（3）：28－33.

［2］趙允輝.危巖崩塌地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價與防治［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2004，15（增刊）：33－38.

［3］黃潤秋，劉衛(wèi)華.平臺對滾石停積作用試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（3）：516－524.

［4］劉衛(wèi)華.高陡邊坡危巖體穩(wěn)定性、運動特征及防治對策研究［D］.成都理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.

［5］董好剛，陳立德，黃長生.三峽庫區(qū)云陽－江陰段危巖形成的影響因素及穩(wěn)定性評價［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2010，18（5）：645－650.

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［7］黃小剛.危巖發(fā)展破壞機理與防治措施的可靠性研究［D］.重慶交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

［8］宋飛.桂林市獨秀峰危巖穩(wěn)定性分析［J］.黑龍江科技信息，2010，（11）：290－291.

FORMATION AND STABILITY OF UNSTABLE ROCKS AT THE WEST SLOPE OF SCREEN MOUNT IN GUILIN CITY

Liu Bao－chen，Zheng Jin，Xiang Zhi－kun
（College of Civil Engineering of the Guilin University of Technology，Guilin 541004，China）

The study area is a typical Karst rock slope.Based on the investigation，the internal and external causes of the unstable rocks are analyzed，and they are classified.The static analysis method is used to study each type with a force model，calculate their stability coefficients for all types of dangerous rock masses，and determine their stability.

Karst；formation；static analysis；hazard－causing factor

TU457；P642.21

:A

1006－4362（2012）02－0060－05

劉寶臣（1968－ ），男，教授，主要從事巖土工程教學(xué)、科研及原位測試工作。

2011－12－20改回日期:2012－05－17

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目“廣西喀斯特區(qū)域危巖災(zāi)害防控技術(shù)研究”（桂科攻0992027－8）