羅東生， 張　凱， 褚晶磊

(1. 廣東省建筑設(shè)計研究院，廣東廣州510010； 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)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(nèi)外游客前往游玩。同時，桂林作為典型巖溶區(qū)，轄區(qū)內(nèi)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?guī)r特性，造成了山體易發(fā)生危巖崩塌等自然災(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[1-2]。上述災(zāi)害一旦發(fā)生，會對桂林景區(qū)的旅游業(yè)造成嚴重影響。為此，國內(nèi)學(xué)者對桂林境內(nèi)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(yīng)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(wěn)定性進行了定量驗算。文獻[5]指出人為因素誘發(fā)的危巖多于自然條件下形成的危巖，并提出了以預(yù)防、加固為主的危巖防治原則。由于危巖的形成是十分復(fù)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(qū)W6號危巖為例，在類別上將其劃分為脹裂式，并對其穩(wěn)定性進行了計算并提出相應(yīng)治理措施，研究結(jié)果可供有關(guān)單位對該類型危巖進行治理時參考。

1　地質(zhì)條件及危巖基本特征

1.1　地形地貌

桂林地區(qū)為一向斜盆地，四面環(huán)山，氣候濕熱，夏季雨水較多，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。虞山景區(qū)位于城北孤峰平原區(qū)，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(tài)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(xiàn)象。研究區(qū)內(nèi)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(tǒng)為主。石炭系、泥盆系為一套碳酸鹽巖和細碎屑巖互層構(gòu)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?guī)r，屬硬質(zhì)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?guī)r抗風(fēng)化能力較強，但易溶蝕。在應(yīng)力作用下產(chǎn)生節(jié)理裂隙，發(fā)生碎裂破壞。巖體，尤其是表層巖體中，節(jié)理裂隙、溶隙(縫)極為發(fā)育，巖體受多組結(jié)構(gòu)面作用，為危巖崩塌提供物質(zhì)來源。

圖1　桂林市地質(zhì)

1.2　地質(zhì)構(gòu)造與地震

研究區(qū)內(nèi)有斷裂、褶皺地質(zhì)構(gòu)造存在，區(qū)域構(gòu)造大致可分為市西南、北東構(gòu)造帶兩大體系。其走向基本上呈平行狀態(tài)。根據(jù)調(diào)查量測資料，主要的褶皺構(gòu)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(cè)，巖層傾角在10～15°左右，傾向為72°；猴山向斜，主要影響區(qū)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(qū)主要的斷裂構(gòu)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(chǎn)生相對位移，在交界處的巖體結(jié)構(gòu)比較破碎，多呈碎塊、散體狀，極易形成危巖體。據(jù)GB 18306-2001《中國地震動參數(shù)區(qū)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(shè)計規(guī)范》[7]，地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期值為0.35 s，抗震設(shè)防烈度小于6度。

1.3　水文地質(zhì)條件

桂林市內(nèi)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(nèi)地下水供給及地表水的排泄通道。研究區(qū)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(qū)內(nèi)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(xù)最大降水量247.7 mm。

2　不穩(wěn)定斜坡基本特征

虞山位于城北孤峰平原區(qū)，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?guī)r、白云巖形成，長期受地質(zhì)構(gòu)造運動、降雨、風(fēng)化、溶蝕等作用影響，巖體被切割得支離破碎

危巖失穩(wěn)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(gòu)成巖溶石峰的碳酸鹽巖屬可溶性硬質(zhì)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(fā)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(gòu)成了危巖失穩(wěn)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(wěn)破壞各不相同，破壞后的運動狀態(tài)及產(chǎn)生的能量、危險性也不一致，因而巖溶石峰危巖的失穩(wěn)模式分類也是多種多樣的。

通過前期實地勘察，發(fā)現(xiàn)虞山W6號危巖(圖2)后緣發(fā)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(wěn)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(jié)構(gòu)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(wěn)定性從而發(fā)生墜落破壞。

圖2　虞山W6號危巖體

3　危巖穩(wěn)定性分析

巖體的穩(wěn)定性主要取決于巖體中結(jié)構(gòu)面的空間分布及其組合關(guān)系、結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填物質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)、巖體所受的外力這三大因素?；趯ξr體穩(wěn)定性分析研究，把研究區(qū)危巖體主要分成層狀結(jié)構(gòu)和塊狀結(jié)構(gòu)兩種，塊狀結(jié)構(gòu)系由兩組或兩組以上不同傾角、傾向的結(jié)構(gòu)面組合而成，危巖體多為不規(guī)則的多面體。虞山W6號危巖根據(jù)經(jīng)驗為塊狀結(jié)構(gòu)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(guān)系的一種圖解方法，能簡便、直觀、準確的表示巖體中的結(jié)構(gòu)面與臨空面之間的組合關(guān)系，在危巖穩(wěn)定性分析中應(yīng)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(jié)構(gòu)面內(nèi)充填物力學(xué)性質(zhì)及巖體所受外力作用對巖體穩(wěn)定性的影響。本文在采用赤平投影法定性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合剛體極限平衡法對研究區(qū)危巖體進行穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定狀態(tài)。

3.2　極限平衡法定量分析

根據(jù)相關(guān)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(jié)合情況，巖體力學(xué)性質(zhì)按DB 50/143-2003《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》[8]10.6要求進行折減，各參數(shù)乘以折減系數(shù)ζ，即可得巖體力學(xué)參數(shù)(表1)。

根據(jù)危巖體穩(wěn)定性計算結(jié)果，可按照表2將危巖體的穩(wěn)定狀態(tài)分為不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定、基本穩(wěn)定及穩(wěn)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(jié)構(gòu)面端部)拉裂破壞，出現(xiàn)于危巖體重心在主控結(jié)構(gòu)面外側(cè)、危巖體遭受孔隙水壓力或水平地震力的情況下。應(yīng)分別計算，取其低值作為危巖體的穩(wěn)定系數(shù)。

表1　危巖體穩(wěn)定性計算參數(shù)

(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(fā)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(chǎn)生最大剪應(yīng)力。

危巖體ABCD的重量：W=a(h-a/2)γ

在EC面上的最大剪應(yīng)力：

(1)

危巖體穩(wěn)定系數(shù)：

(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(yīng)力，進而計算其穩(wěn)定系數(shù)。

(2)情況二：其破壞力學(xué)機理與帽落式相同，即裂隙下部端點所受的拉應(yīng)力為：

(3)

危巖體穩(wěn)定系數(shù)：

(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(yīng)力，進而計算其穩(wěn)定系數(shù)。

根據(jù)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(wěn)定系數(shù)為1.80，情況二下為0.75，最終結(jié)果取小值0.75。根據(jù)表2危巖穩(wěn)定狀態(tài)劃分標準可知，該危巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，巖體極可能失穩(wěn)墜落，與赤平投影法得出的定性結(jié)論一致。

4　治理方案設(shè)計

經(jīng)上述穩(wěn)定性分析，情況二下虞山景區(qū)W6號危巖穩(wěn)定性系數(shù)為0.75，該危巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。據(jù)此，需對該危巖體進行治理。

巖溶區(qū)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(tài)。因而在防治方案選擇時應(yīng)當(dāng)全面考慮經(jīng)濟、技術(shù)及環(huán)境等因素的影響，巖溶區(qū)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(jīng)濟有效地進行防治方案及施工圖設(shè)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(xiàn)和必然產(chǎn)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(chǎn)生新的危巖。據(jù)調(diào)查資料顯示，危巖多發(fā)育于山體的風(fēng)化殼上，母巖多已風(fēng)化剝蝕，其穩(wěn)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(wěn)定性也不高。加之危巖體本身多為中小規(guī)模，本著“安全、技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)保”的原則，巖溶區(qū)危巖治理工程宜采用方案一。

針對本文中脹裂式危巖，結(jié)合目前國內(nèi)外對危巖防治技術(shù)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(wǎng)、樹林防護。

5　結(jié)論及建議

5.1　結(jié)論

通過對桂林虞山風(fēng)景區(qū)W6號危巖的實地調(diào)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(jié)論：

(1)虞山景區(qū)W6號危巖穩(wěn)定性系數(shù)為0.75，該危巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，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(jīng)濟有效地進行防治方案及施工圖設(shè)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(wǎng)、樹林防護。

5.2　建議

本文雖然對危巖體的穩(wěn)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(tài)千姿百態(tài)，形態(tài)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(wěn)定性分析中應(yīng)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(yīng)，與實際情況更為吻合。