王福瑛 蘭素戀 郭慶 李侑軍

摘要：文章針對巖溶地貌特征及山區(qū)公路地質(zhì)特點，探討了巖溶山區(qū)公路危巖崩塌地質(zhì)災(zāi)害的分類，針對性地提出了相應(yīng)的防治措施。研究結(jié)果表明：巖溶山區(qū)公路危巖可以劃分為單體危巖與群體危巖兩個類別，前者包括壓剪滑移型、拉剪傾覆型及復(fù)合墜落型危巖，后者可分為上部啟裂失穩(wěn)型與下部啟裂失穩(wěn)型危巖；根據(jù)不同的危巖類型、人類活動情況與施工條件，可綜合采用清理、排水、錨固、支撐、嵌補(bǔ)、攔石墻和攔石網(wǎng)等工程措施，通過主、被動聯(lián)合防護(hù)治理的方式妥善解決巖溶山區(qū)公路危巖問題。

關(guān)鍵詞：危巖；巖溶；崩塌；山區(qū)公路

中圖分類號：U419.93 A 17 049 3

0 引言

危巖是指位于陡崖或高邊坡上，被多組巖體結(jié)構(gòu)面切割且穩(wěn)定性較差的巖石塊體及巖石塊體組合［1］，是巖溶地區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害類型與動力地貌現(xiàn)象。在巖溶山區(qū)，由于受到地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水文氣象條件和外動力作用，在地表形成了多種直立山體、陡壁甚至反坡景觀。由于巖溶所依附的主要巖石（如石灰?guī)r、白長石等）屬于脆硬性巖體，在地質(zhì)演化過程中裂隙較為發(fā)育，及易孕育危巖地質(zhì)災(zāi)害［2］。我國巖溶分布廣泛，據(jù)研究統(tǒng)計［3］，巖溶區(qū)占我國陸地面積的比例為35.8%，總面積達(dá)344.3×104 km2，其中裸露巖溶面積為90.7×104 km2。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進(jìn)，許多公路工程逐漸向巖溶山區(qū)延伸，天然巖溶危巖體的存在給公路建設(shè)和運營帶來了巨大的挑戰(zhàn)。同時，在公路切坡的過程中，坡體邊坡的局部陡峭程度增加，導(dǎo)致臨空面擴(kuò)大，人為地為危巖體的孕育創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。尤其在強(qiáng)降雨的沖刷和浸潤作用下，可溶于水的巖石的風(fēng)化裂隙面抗剪強(qiáng)度弱化，容易導(dǎo)致崩塌事故的發(fā)生，嚴(yán)重影響公路的建設(shè)和安全運營［4］。Braathen等［5］基于構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和巖石力學(xué)理論對歐洲挪威的巖質(zhì)邊坡坍塌機(jī)制進(jìn)行了研究。危巖體失穩(wěn)的本質(zhì)是其后緣主控結(jié)構(gòu)面的劣化導(dǎo)致貫通。陳洪凱等［6-7］對危巖體失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了研究，提出了危巖體主控結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的計算理論，并建立了主控結(jié)構(gòu)面的損傷演化模型。然而，目前關(guān)于巖溶危巖地質(zhì)災(zāi)害的研究較少。桂林作為典型巖溶地區(qū)，巖體陡峻、危巖多發(fā)，劉寶臣等［8］對桂林地區(qū)巖溶危巖體進(jìn)行了實地調(diào)查，基于極限平衡法對危巖體開展了穩(wěn)定性驗算，并分析了巖溶危巖體的發(fā)育規(guī)律。但是，現(xiàn)有研究對巖溶山區(qū)公路危巖類型認(rèn)識不清，失穩(wěn)機(jī)理不明，缺乏成熟的防治理論體系。因此，本文根據(jù)桂林地區(qū)巖溶山區(qū)公路的地質(zhì)環(huán)境特征，探討了巖溶危巖崩塌的幾種典型情況，并結(jié)合實際案例進(jìn)行防治措施剖析，為巖溶山區(qū)公路工程地質(zhì)災(zāi)害治理提供了一定的理論依據(jù)。

1 巖溶地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境

巖溶的發(fā)育程度與巖溶危巖體的規(guī)模密切相關(guān)。在地表漫長的演化過程中，巖溶地區(qū)的可溶性巖石（主要是碳酸鹽和蒸發(fā)巖）在一系列物理和化學(xué)的作用下風(fēng)化、溶解，導(dǎo)致陡崖或高邊坡結(jié)構(gòu)面發(fā)育，孕育了大量的危巖體。其中，在地面抬升過程中形成的褶皺構(gòu)造是巖溶發(fā)育的優(yōu)良環(huán)境。桂林地區(qū)巖溶構(gòu)造類型豐富，褶皺構(gòu)造十分常見，背斜與向斜近似平行且相間分布，層位以下石炭統(tǒng)及上、中泥盆的碳酸鹽巖為主。區(qū)內(nèi)構(gòu)造類型以堯山背斜為主，東南有大龍門背斜、猴山背斜、甲山向斜及老人山背斜間歇分布。向斜相伴而生，多呈長袖狀，通常是背斜呈現(xiàn)出狹窄趨勢，而向斜表現(xiàn)為寬厚且平緩。在斷裂影響處巖層尤為陡峻，傾角可達(dá)50°～70°，接近直立水平。上述地質(zhì)構(gòu)造條件造就了七星巖、象鼻山和駱駝峰等一系列陡峭山體，同時還孕育類型多樣的巖溶危巖體。此外，桂林地區(qū)夏季炎熱多雨、冬季陰冷潮濕，陡峭的石灰?guī)r山體受當(dāng)?shù)貧夂蛴绊?，風(fēng)化及雨水侵蝕嚴(yán)重，巖體破碎程度高，加之邊坡不同巖層地質(zhì)條件的差異性風(fēng)化，最終孕育類型多樣的巖溶危巖體。

2 巖溶山區(qū)公路危巖崩塌類型

根據(jù)危巖崩塌發(fā)生的類型，現(xiàn)有規(guī)范一般將危巖體劃分為滑塌式、傾倒式及墜落式三種類型。結(jié)合桂林巖溶山區(qū)公路地質(zhì)選線結(jié)果，危巖體的發(fā)育情況及崩塌源的群發(fā)性特征，本文將桂林巖溶山區(qū)公路危巖劃分為兩大類別，即單體巖溶危巖與群體巖溶危巖，認(rèn)為后者是由前者堆疊組合而成。單體巖溶危巖的劃分與規(guī)范類似，可分為壓剪滑移型、拉剪傾覆型、復(fù)合墜落型3個類別。而群體巖溶危巖可劃分為頂部誘發(fā)破壞型和底部誘發(fā)破壞型兩個類別。

2.1 單體巖溶危巖

2.1.1 壓剪滑移型巖溶危巖

壓剪滑移型巖溶危巖如圖1（a）所示。危巖體的主控結(jié)構(gòu)面一般受邊坡內(nèi)緩傾角的地層弱面或卸荷張拉結(jié)構(gòu)面控制，中控結(jié)構(gòu)面的傾角很小，通?！?5°。對規(guī)則巖溶危巖體進(jìn)行簡單的受力分析可知，其重心位于主控結(jié)構(gòu)面內(nèi)側(cè)。主控結(jié)構(gòu)面主要受到巖溶危巖的自重荷載、裂隙水壓力及擾動荷載的作用，導(dǎo)致巖溶危巖體主控結(jié)構(gòu)面劣化貫通，逐漸出現(xiàn)滑移，整體上表現(xiàn)為壓剪失穩(wěn)。

2.1.2 拉剪傾覆型巖溶危巖

如圖1（b）所示，拉剪傾覆型巖溶危巖傾角變化范圍大，但通常＞25°，該類型巖溶危巖的主控結(jié)構(gòu)面為陡（邊）坡卸荷張拉型。主控結(jié)構(gòu)面的下端部相對于巖腔或臨空面靠后，由幾何與受力分析可知，在重力與外界荷載影響下，巖溶危巖體一般會繞著主控結(jié)構(gòu)面的低端或危巖體底部與臨空面的相交點發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而引起傾倒破壞，整體上表現(xiàn)為拉剪破壞模式。

2.1.3 復(fù)合墜落型巖溶危巖

復(fù)合墜落型巖溶危巖受兩條主控結(jié)構(gòu)面的控制，如圖1（c）所示，包括一條接近水平的1#主控結(jié)構(gòu)面與一條傾角＜80°的2#主控結(jié)構(gòu)面。復(fù)合墜落型危巖的破壞形式比較復(fù)雜，1#主控結(jié)構(gòu)面破壞機(jī)理為拉裂破壞，而2#結(jié)構(gòu)面破壞機(jī)理則為壓剪損傷破壞。在自重與外界荷載的作用下，1#主控結(jié)構(gòu)面因受拉力影響，裂縫逐步擴(kuò)展，延伸到一定范圍后，巖溶危巖體開始沿2#主控結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑動變形。當(dāng)變形達(dá)到臨界值時，巖溶危巖體發(fā)生整體失穩(wěn)墜落。

2.2 群體巖溶危巖

2.2.1 上部啟裂失穩(wěn)型群體巖溶危巖

如圖2（a）所示給出了上部啟裂失穩(wěn)型巖溶危巖的示意圖。由圖2（a）可知，此類巖溶危巖的主控結(jié)構(gòu)面傾角較大，一般＞70°，而其下端部潛在于母巖體中。上部啟裂型群體危巖由多塊危巖體組合而成，危巖塊體之間以弱膠結(jié)的形式沿著主控結(jié)構(gòu)面方向相互堆疊，各塊體交界面近似于水平狀態(tài)。在幾何與受力情況方面，上部危巖塊體的重心一般位于主控結(jié)構(gòu)面內(nèi)側(cè)，從上往下，危巖塊體的重心逐漸向外偏移，以至于危巖底部的1～2塊危巖塊體的重心延伸至上部啟裂型群體危巖體的主控結(jié)構(gòu)面外側(cè)，具有傾倒破壞的趨勢。對于此類危巖，導(dǎo)致失穩(wěn)的關(guān)鍵在于上部危巖塊體，也稱關(guān)鍵塊體。其失穩(wěn)機(jī)制為主控結(jié)構(gòu)面劣化，上部關(guān)鍵塊體崩落，并壓迫下部危巖塊體，從而導(dǎo)致巖溶群體危巖的惡化甚至崩塌。

2.2.2 下部啟裂失穩(wěn)型群體巖溶危巖

相對上部啟裂失穩(wěn)型群體巖溶危巖，下部啟裂失穩(wěn)型群體巖溶危巖的主控結(jié)構(gòu)面傾角相對不大，通常＜70°，如圖2（b）所示。雖然危巖體同樣由若干危巖塊體沿主控結(jié)構(gòu)面走向相互堆疊而成，但其啟裂控制的關(guān)鍵危巖塊體位于群體危巖體的底部，并且在陡崖或邊坡的臨空面露出。與上部啟裂型巖溶群體危巖類似，下部啟裂型群體危巖各危巖塊體之間的交界面傾角很小，多以弱膠結(jié)形式連接。此類危巖的失穩(wěn)模式是主控結(jié)構(gòu)面劣化導(dǎo)致下部關(guān)鍵塊體失穩(wěn)墜落，剩余危巖塊體在臨空面露出，從而誘發(fā)鏈?zhǔn)阶冃伪浪?/p>

3 巖溶山區(qū)公路危巖的主要防治對策

無論是單體巖溶危巖還是群體巖溶危巖，都會給公路工程的建設(shè)和運營帶來極大的挑戰(zhàn)。在巖溶危巖的挖掘和爆破過程中，很容易產(chǎn)生坍塌、崩落，對公路施工人員的生命安全造成威脅，同時還影響施工進(jìn)度。由于巖溶危巖破碎、崩落的特性，運營過程中公路易受到危巖的沖擊導(dǎo)致?lián)p壞，進(jìn)而引發(fā)交通事故，給公路的安全運營和維護(hù)帶來一定的困難。陳洪凱等［9］研究了危巖的穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為可以將危巖的穩(wěn)定性按穩(wěn)定、基本穩(wěn)定及不穩(wěn)定3種狀態(tài)進(jìn)行劃分。對于穩(wěn)定狀態(tài)的危巖體，無須進(jìn)行工程防治；對于基本穩(wěn)定狀態(tài)的危巖體，需要加強(qiáng)地表排水和狀態(tài)監(jiān)測，而對于穩(wěn)定狀態(tài)欠佳的危巖體，除了采用地下、地表排水及狀態(tài)監(jiān)測以外，還需要在關(guān)鍵部位采取局部的工程防治措施；對于不穩(wěn)定狀態(tài)的危巖體，必須進(jìn)行系統(tǒng)的工程防治。對于巖溶區(qū)的基本地質(zhì)條件及山區(qū)公路的特點，巖溶山區(qū)公路工程所面臨的危巖可以采取的防治技術(shù)除排水、監(jiān)測與清除外，主要有錨固、支撐、攔石墻及攔石柵欄等工程措施。

3.1 主動防護(hù)技術(shù)

3.1.1 巖溶危巖錨固

對于規(guī)模較大、裂縫較寬的拉剪傾覆型巖溶危巖，巖溶陡坡危巖的下部存在穩(wěn)定性好、完整性高的巖體，可以采用錨固技術(shù)，將危巖與母巖形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)以達(dá)到加固的目的，防止崩塌災(zāi)害的發(fā)生。根據(jù)圍巖體完整性合理選用錨固結(jié)構(gòu)是達(dá)到良好加固效果的關(guān)鍵：若危巖體的完整性較好，可以采用點錨進(jìn)行加固；而對于完整性差的危巖體，則應(yīng)利用格構(gòu)或豎梁進(jìn)行整體性加固。錨桿的數(shù)量、尺寸及布置間距等，應(yīng)按照巖溶危巖的幾何物理信息確定的下滑力進(jìn)行計算，通常還應(yīng)考慮錨桿承擔(dān)危巖所施加的剪力作用。

3.1.2 巖溶危巖支撐和嵌補(bǔ)

由于不同巖性的巖溶巖體存在抗風(fēng)化及抗侵蝕能力的差異，可能會導(dǎo)致部分巖層之間形成一定范圍的凹進(jìn)，也被稱為巖腔。巖腔的底部為承載力較好的基巖，其上部的較硬巖體可能會因為抗剪強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的不足而導(dǎo)致裂縫發(fā)育，進(jìn)而形成危巖體。當(dāng)危巖體的重心在巖腔中心線內(nèi)側(cè)，且有足夠大的懸空面積的情況下，使用支撐技術(shù)處理可以獲得良好的加固效果。常用的危巖支撐技術(shù)包括柱支撐或墻支撐兩種類型，在必要的時候，還可以輔之以錨索或錨桿與母巖巖體進(jìn)行串聯(lián)，以保證支撐體本身的穩(wěn)定性。當(dāng)巖腔或危巖體的懸空面積不足時，可采用混凝土或漿砌片對巖腔進(jìn)行填充或嵌補(bǔ)。

3.2 被動防護(hù)技術(shù)

3.2.1 攔石墻

巖溶山區(qū)接近直立的山體眾多，由于巖體易于風(fēng)化和侵蝕，巖溶山區(qū)公路邊坡及陡崖上經(jīng)常存在危巖數(shù)量多，勘察及處治困難的情況。在自然邊坡坡腳為25°～35°的較寬緩坡，可在公路與危巖之間采用擋石墻對崩塌危巖體進(jìn)行攔截。重力式擋石墻可以對直徑為1.5～2 m的滾動或滑動式崩塌危巖體進(jìn)行有效捕獲，而且具有一定的崩塌危巖體存儲空間，可以有效地減少崩塌危巖的清理次數(shù)。擋石墻的建設(shè)一般遵循就地取材原則，也可充分利用公路沿線運輸便利的特點從沿線經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)運。攔石墻可采用土堤擋墻、石籠擋墻、漿砌石擋墻及鋼筋混凝土擋墻等多種形式。在設(shè)計時，擋石墻的高度及布設(shè)位置應(yīng)該按照現(xiàn)場試驗或滾石跳躍試驗進(jìn)行確定，墻體的厚度則需要按照崩塌危巖體的沖擊力進(jìn)行設(shè)計。

3.2.2 攔石柵欄

在巖溶陡崖或邊坡下端部分坡角較大（＞35°）并且平臺寬度較為狹窄的地形條件下，沒有足夠的空間可用于建設(shè)攔石墻，此時可采用攔石柵欄對崩塌危巖進(jìn)行阻擋?，F(xiàn)有的攔石柵欄技術(shù)主要分為半剛性與柔性兩個類別。典型的半剛性攔石柵欄以木質(zhì)攔石柵欄為主，其主要構(gòu)成為立柱，采用角鋼、鋼軌、型鋼等作為橫梁互相焊接而成。柔性攔石柵欄則以攔石網(wǎng)為代表，其組成包括立柱或支桿、緩沖鋼索及桿間鋼索網(wǎng)，通過將鋼柱與坡體連接形成鉸支，并利用拉錨繩進(jìn)行錨固，形成金屬網(wǎng)片的支撐結(jié)構(gòu)。其防護(hù)原理是通過自身的被動變形、位移及振動等手段，消散巖溶崩塌危巖體的動力勢能。攔石網(wǎng)整體呈柔性，地形適用范圍較廣，兼顧了環(huán)保與美觀要求，并且具有施工擾動小、施工周期短、維護(hù)便利的優(yōu)點，因此在巖溶山區(qū)危巖防治中得到廣泛應(yīng)用。

4 巖溶山區(qū)公路典型危巖防治研究

圖3所示為廣西桂林市某公路巖溶山體危巖點，山腳有一條二級公路穿過，該危巖點共8處，包括3處未崩塌山頂危巖體和65處山坡滾石危巖破碎區(qū)，山頂危巖體的存在為滾石危巖破碎區(qū)提供物質(zhì)來源。山腳下方居民總戶數(shù)87戶，受威脅人數(shù)達(dá)369人，潛在威脅財產(chǎn)＞1 300萬元。治理區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，植被茂密且坡度較陡，分布在坡頂3 處的未崩塌山頂危巖體屬群體危巖，破壞模式以復(fù)合墜落型為主，由于地形險峻，山體近似直立，既有危巖體易于風(fēng)化和侵蝕，對復(fù)合墜落型危巖的關(guān)鍵塊直接進(jìn)行錨固、支撐、嵌補(bǔ)存在極大施工安全風(fēng)險，對山腳周邊村落造成潛在安全隱患。根據(jù)模擬落石崩塌軌跡、彈跳高度及滾落距離和現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)的坡腳崩塌堆積情況，采用被動防護(hù)技術(shù)時，攔石墻或攔石柵欄設(shè)計高度為4～6 m，長度為50～200 m?？紤]到危巖區(qū)域地勢陡峭，建設(shè)高4～6 m、底部寬8～10 m的梯形攔石墻工期慢、效率低，綜合對比后選擇被動防護(hù)網(wǎng)預(yù)防落石、滾石崩塌。被動防護(hù)網(wǎng)分為三道，最上面一道為3 000 kJ被動防護(hù)網(wǎng)，中間一道為1 500 kJ被動防護(hù)網(wǎng)，下面一道為1 000 kJ被動防護(hù)網(wǎng)，三道防護(hù)長度均為190 m，間距為12～32 m，被動網(wǎng)設(shè)網(wǎng)的位置及抗沖擊能量和高度見表1。

在現(xiàn)場復(fù)雜的工況條件下，一般面臨的是多個危巖單體共生的情況，多種危巖類型整體表現(xiàn)出復(fù)合特性，同時需兼顧現(xiàn)場施工條件，綜合選擇較好的防治對策，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)成本低、防治效果佳的目的。

5 結(jié)語

（1）桂林地區(qū)巖溶構(gòu)造造就了眾多陡峻山體，為各類危巖體的孕育提供了空間條件。

（2）桂林巖溶山區(qū)公路危巖崩塌類型可分為單體危巖與群體危巖兩大類，前者包括壓剪滑移型、拉剪傾覆型及復(fù)合墜落型巖溶危巖，后者包括上部啟裂失穩(wěn)型和下部啟裂失穩(wěn)型群體巖溶危巖。

（3）本文結(jié)合危巖體特點、現(xiàn)場人類活動情況與施工條件，提出了適用于桂林巖溶山區(qū)公路危巖的防治技術(shù)。在具體的危巖防治工程中，需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況，綜合選擇合適技術(shù)進(jìn)行危巖防治，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)成本低、防治效果佳的目的。

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收稿日期：2023-06-15