貴州普安縣蜂子巖組危巖穩定性分析

王宏青

(貴州省有色金屬和核工業地質勘查局五總隊，貴州 安順 561000)

危巖指被結構面切割，在陡崖或陡坡上穩定性較差的巖石塊體，是山丘地區主要的地質災害之一[1]。危巖其存在位置隱蔽，破壞具有突發性，致災后果嚴重，引起眾多學者關注，并從多種角度和多個學科分析[2-8]。分別運用斷裂力學，通過現場試驗建立崩塌地質災害評判模型，應用灰色系統理論提出危巖塊體穩定性的灰色聚類評價方法等多種手段，從不同方面研究邊坡中拉應力和巖洞發育深度對不同風化危巖形成和破壞的影響，滾石質量、形狀及斜坡長度等多個因素對滾石運動特征影響等。

貴州普安縣興中鎮小山坡村蜂子巖組危巖。近年該隱患點經常發生零星掉塊，對陡崖下方蜂子巖組居民生命財產安全構成嚴重威脅。本文分析了危巖特征和地質環境等，重點對危巖體穩定性分析，提出相應的防治措施建議。

1 危巖區地質環境條件

小山坡村蜂子巖組危巖分布于蜂子巖山體中部及頂部，坡度大于45°，植被發育較差，基巖裸露。崩塌、掉塊形成古崩塌堆積體使坡面凹凸不平。受地形和塊石本身薄板形狀控制，塊石崩落后沿坡體滑落，運移距離短，大部分停滯于陡崖下方農戶房屋上方緩坡處，為0.2m3～6m3塊石。區內陡崖地段危巖體發育，偶爾發生崩塌；陡斜坡地段，由于坡度大，崩塌不良地質現象發育。

危巖區年平均降雨量1443.0mm，年最大和最小降雨量分別1841.3mm、995.6mm，日最大降雨量146.7mm，時最大降雨量38.7mm，降雨主要集中于6月至8月，占全年降雨量82%，常出現大暴雨和特大暴雨，并伴有冰雹和大風；河流切割深，河道低，落差大，暴漲暴落具山區雨源河流特點。

危巖區主要出露石炭系中統黃龍組(C2h)灰色、深灰色厚層狀灰巖。微風化-中風化，巖溶裂隙、風化裂隙發育，易形成陡崖，陡壁在自重應力和地震作用下，底部強度較低的巖石壓碎，頂部形成張拉裂縫，遭受雨水沖刷和掏蝕后，陡壁底部發展成巖腔，加大了上部巖體臨空面，在風化應力、暴雨、地震及植物根劈作用下常發生小型崩塌、掉塊。

2 危巖體基本特征

蜂子巖組危巖帶平面呈現條帶狀分布。后緣高程1771m，前緣高程1731m，相對高差40m，地形坡度大于45°，局部近于直立，坡度較陡。危巖母體為石炭系中統黃龍組(C2h)灰巖，產狀210°∠48°，斜交坡；危巖帶主崩方向81°，相對崖底高度約83m，屬小型高位危巖。危巖群共2處危巖帶，包含4個危巖單體及零星危巖單體組成，見圖1。

圖1 研究區全景Fig 1. Panoramic View of The Research Area

(1)WY1危巖體：長約1.9m，寬約1.8m，厚約0.8m，分布高程1718m～1722m。主崩方向85°，主要裂隙2組：①組：307°∠81°，裂隙貫通長1.0m～2.0m，裂隙間距0.2m～0.5m，碎石或泥質充填；②組：40°∠32°，裂隙貫通長4.0m～6.0m，裂隙間距約2.0m～3.0m，塊碎石或泥質充填(卸荷裂隙)，前緣無臨空。

(2)WY2危巖體：長約1.7m，寬約1.5m，厚約1.3m，分布高程1742m～1756m，相對高差10m，地形坡度陡，局部近于直立。主崩方向87°，危巖體節理發育，節理及層面切割巖體，將危巖體切割成菱形碎塊狀，見兩組裂縫，①組：96°∠42°，寬5cm～15cm，長約13m，貫通危巖體后緣，延深10m，為卸荷裂縫；②組：197°∠89°，網狀裂縫，寬1cm～5cm，控制塊體大小，危巖體所處地段地形坡度90°，為陡崖，最大崩落高度72m，該危巖體崩塌方式為零星掉塊，部分前緣臨空。

(3)WY3危巖體：長約2.1m，寬約1.5m，厚約1.0m，分布高程為1738m～1750m，主崩方向89°，危巖體節理發育，節理及層面切割巖體，將危巖體切割成菱形碎塊狀，見兩組裂縫，①組：63°∠37O，裂隙寬度1cm～5cm；②組：168°∠60O，裂隙寬度3cm～6cm。

(4)WY4危巖體：長約2.7m，寬約1.2m，厚約0.9m，分布高程為1726m～1738m，主崩方向89°，危巖體節理發育，見三組裂縫，①組：47°∠72°，裂隙寬度2cm～4cm，泥質充填，2條～4條/m，延伸長度3m～7m；②組：292°∠77°，裂隙寬度5cm～8cm，泥質充填，2條～5條/m，延伸長度15m～20m；③組：168°∠70°，裂隙寬度2cm～6cm。該危巖體崩塌方式為零星掉塊。

3 危巖體穩定性評價

3.1 危巖穩定性定性分析

通過現場調查及結合崩塌區工程地質條件，對其穩定條件逐項分析：(1)巖層傾向與斜坡傾向153°斜交，大角度相交，為斜交坡，整體穩定性較好；(2)卸荷帶深度3m～5m，在坡體外凸部位卸荷強烈，卸荷裂隙雖在坡體局部凸出部位貫通性較好，張開度較大，但整體貫通性較差，整體穩定性較好；(3)構造裂隙發育弱，間距較大，延伸短，貫通性較差，缺乏控制邊坡整體穩定性的大斷層及軟弱面，整體穩定性較好；(4)巖層為中厚層狀灰巖，表層風化裂隙發育，較破碎，主要表現為零星掉塊，大規模整體失穩的可能性小。

通過赤平投影對4個危巖體進行分析：WY1屬巖質滑移，前緣陡立，巖性為灰巖。從圖2看，危巖帶處于基本穩定-欠穩定狀態。坡面、巖層、裂隙①、裂隙②相交形成欠穩定區1個，基本穩定區1個，穩定區4個。對邊坡穩定性最不利的因素是裂隙②結構面，其與坡向夾角較小，傾角較大且小于坡面角，危巖帶處于欠穩定狀態，裂隙②為危巖體的危險主控結構面，在地震及降雨作用下，危巖體較易向40°方向發生滑動；WY2屬巖質崩塌，前緣陡立，巖性為灰巖。從圖3看，危巖帶處于欠穩定-不穩定狀態。坡面、巖層、裂隙①、裂隙②相交形成欠穩定區1個，不穩定區1個，穩定區4個。對邊坡穩定性最不利的因素是裂隙②結構面，其與坡向夾角小，傾角較大且小于坡面角，危巖帶處于不穩定狀態，裂隙②為危巖體的危險主控結構面，在地震及降雨作用下，危巖體較易向96°方向發生滑動；WY3屬巖質崩塌，前緣陡立，巖性為灰巖。從圖4看，危巖帶處于欠穩定狀態。坡面、巖層、裂隙①、裂隙②相交形成欠穩定區2個，穩定區4個。對邊坡穩定性最不利的因素是裂隙①、裂隙②切割體，其與坡向夾角小，傾角較大且小于坡面角，切割體下滑力較大，危巖帶處于不穩定狀態，裂隙①與裂隙②為危巖體的危險主控結構面，在地震及降雨作用下，危巖體較易向92°方向發生崩塌；WY4屬巖質滑移，前緣陡立，巖性為灰巖。從圖5看，危巖帶處于不穩定狀態。坡面、巖層、裂隙①、裂隙②、裂隙③相交形成不穩定區1個，穩定區9個。對邊坡穩定性最不利的因素是裂隙①、裂隙③切割體，其與坡向夾角小，傾角較大且小于坡面角，危巖帶處于不穩定狀態，裂隙①與裂隙③為危巖體的危險主控結構面，在地震及降雨作用下，危巖體較易向109°方向發生崩塌。

3.2 危巖穩定性定量分析

巖體及結構面抗壓、抗剪強度參數選取結合野外巖石試驗成果，并參考《巖石力學參數手冊》[9]等標準和相關經驗值取值，對于灰巖各項參數結合類比法修正后取值；各結構面根據地質構造，巖土體結構類型，節理裂隙與裂隙及結構面組合關系，張閉程度、延展性及貫通情況等，按各自特征選取代表性斷面進行穩定性計算，選取最不利結構面計算，對可能發生崩塌類型，途徑及危害程度預測。

根據區內地質環境條件，天然工況按勘察期間狀態計算，計算時考慮自重和現狀裂隙水壓力；暴雨工況按20年一遇暴雨，并考慮危巖自重和暴雨時巖體飽和重度。根據周圍地區勘察結果及經驗和規范綜合確定危巖物理力學參數(表1)。

表1 危巖體穩定性計算參數一覽表Tab 1. List of Stability Calculation Parameters for Dangerous Rock Mass

3.2.1 計算模型確定

危巖體穩定性計算及評價采用《巖土工程勘察設計手冊》[10]相關計算方法，分別對各危巖體按最不利單體(平均體積)計算。

(1)滑移式危巖體計算(WY1、WY4)圖6、圖7。

1)計算模型

2)計算公式

①后緣無陡傾裂隙(滑面較緩)時按下式計算：

式中：V-裂隙水壓力(kN/m)，根據不同工況按第12.1.10條規定計算；Q-地震力(kN/m)；F-危巖穩定性系數；c-后緣裂隙粘聚力標準值(kPB)；當裂隙未貫通時，取貫通段和未貫通段粘聚力標準值按長度加權的加權平均值，未貫通段粘聚力標準值取巖石粘聚力標準值的0.4倍；φ-后緣裂隙內摩擦角標準值(°)；當裂隙未貫通時，取貫通段和未貫通段內摩擦角標準值按長度加權的加權平均值，未貫通段內摩擦角標準值取巖石內摩擦角標準值0.95倍；α-滑面傾角(°)；W-危巖體自重(kN/m)；

②后緣有陡傾裂隙、滑面緩傾時，滑移式危巖穩定性按下式計算，式中符號同前。

(2)傾倒式危巖體計算(WY3)圖8、圖9。

1)計算模型

2)計算公式

①危巖破壞由后緣巖體抗拉強度控制時，按下式計算：

危巖體重心在傾覆點之外時：

危巖體重心在傾覆點之內時：

式中：h-后緣裂隙深度(m)；hw-后緣裂隙充水高度(m)；H-后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距離(m)；α-危巖體重心到傾覆點的水平距離(m)；b-后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點之間的水平距離(m)；h0-危巖體重心到傾覆點的垂直距離(m)；flk-危巖體抗拉強度標準值(kPa)，根據巖石抗拉強度標準值乘以0.4的折減系數確定：θ-危巖體與基座接觸面傾角(°)，外傾時取正值，內傾時取負值；β-后緣裂隙傾角(°)。其它符號意義同前。

②當危巖的破壞由底部巖體抗拉強度控制時，按下式計算，式中各符號意義同前。

③對于孤立具有緩傾軟弱結構面的危巖體，后緣無裂隙水壓力，其計算時要考慮風力作用，穩定性按下式計算：

式中：F為風力，F=ρS(Vsinω)2，ρ為空氣密度，標準狀態下ρ=1.293kg/m3，S為迎風面積，ν為風速，計算時取ν=10m/s，ω為風向與迎風面積間的夾角。

(3)墜落式危巖計算(WY2)圖10、圖11。

1)計算模型

2)計算公式

①后緣有陡傾裂隙的懸挑式危巖按以下二式計算，穩定性系數取兩種計算結果中的較小值：

式中：ζ-危巖抗彎力矩計算系數，依據潛在破壞面形態取值，一般取1/12～1/6，當潛在破壞面為矩形時可取1/6；a0-危巖體重心到潛在破壞面的水平距離(m)；b0-危巖體重心到過潛在破壞面形心的鉛垂距離(m)；flk-危巖體抗拉強度標準值(kPB)，根據巖石抗拉強度標準值乘以0.20的折減系數確定；c-危巖體粘聚力標準值(kPB)；φ-危巖體內摩擦角標準值(°)。其它符號意義同前。

②對后緣無陡傾裂隙的懸挑式危巖按以下二式計算，穩定性系數取兩種計算結果的較小值：

式中：H0-危巖體后緣潛在破壞面高度〔m〕；flk-危巖體抗拉強度標準值(kPB)，根據巖石抗拉強度標準值乘以0.30的折減系數確定；其它符號意義同前。

3.2.2 穩定性計算結果與分析

根據《地質災害防治工程勘察規范》(DB50/143-2019)[11]12.2.14表14，區內各危巖體穩定性評價標準見表2。各危巖穩定系數計算結果及穩定性評價統計見表3。

表2 危巖穩定狀態評價標準Tab 2. Evaluation Criteria for Stable State of Dangerous Rocks

表3 危巖體穩定系數計算結果及穩定性評價Tab 3. Calculation Results and Stability Evaluation of The Stability Coefficient of Dangerous Rock Mass

3.3 崩塌危巖破壞模式及運動計算

根據R·M·Spang(1978)研究成果，崩落體只有坡度角小于一定臨界值(約27°)時，才停積于崖腳，隨坡度角增大，可分別表現為滑動、滾動、跳躍和自由崩落等方式，大部分或全部堆積于坡腳。區內危石崩落、運動的斜坡坡度區間值30°～70°，因此巖體在產生變形破壞后，其運動方式表現為滾動、跳躍方式向坡腳運動，最后堆積于坡腳緩坡地帶，直接影響坡下居民住房及行人的安全。

根據運動學原理、能量守恒定律和蘇聯尼.米.羅依尼什維里教授提出的落石運動速度計算方法，分別以各危巖體剖面建立計算模型，采用RocFall軟件對巖石塊體逐次計算在任意一條剖面上落石運動軌跡及能量、彈跳高度、速度模擬，結果如表4所示。

表4 落石模擬彈跳計算結果統計表Tab 4. Statistics of Simulation Bounce Calculation Results for Falling Rocks

3.4 危巖穩定性綜合評價

通過對4處危巖體定性分析和定量計算，危巖體現狀處于穩定-基本穩定狀態，在暴雨工況下大部分災害體處于欠穩定狀態，穩定性會加劇下降，發生崩塌落石現象。各危巖體具有較大的不確定性和不可預知性，將來在各種誘發因素影響下，發生崩塌掉塊可能性較大。建議盡快對危巖體進行治理，針對其整體失穩可能性不大，主要為零星掉塊的方式，結合崩塌危巖破壞模式及運動計算結果，最大沖擊能量為1025.2KJ，最大騰躍高度為3.15m，從技術、經濟上比選，推薦采用RXI-150型被動防護網工程治理，網高4m。

4 結 論

(1)蜂子巖危巖體包含4個危巖單體及局部零星危巖單體，山體不同地段有不同規模孤石等松散巖體。破壞方式主要為滑移式、傾倒式和墜落式3種類型。

(2)影響該危巖體變形破壞的主要因素包括地質構造、巖體結構特征、地形地貌等控制性作用內在因素和降雨活動等激發危巖體失穩外在因素2個方面。

(3)危巖體穩定性，天然工況下處于基本穩定-穩定狀態，暴雨工況下欠穩定-失穩破壞狀態。

(4)危巖防治方案建議采用RXI-150型被動防護網工程治理。