桂林市典型危岩体稳定性分析及危险性评价2

桂林喀斯特危岩体发育特征及稳定性分析

刘宝臣1 ，郑金1

（1.桂林理工大学土建学院，桂林541004）

摘要：危岩体是由多组的结构面组合而形成，在地表风化作用、卸荷作用、重力、地震、降雨等诱发因素作用下处于不稳定、欠稳定或极限平衡状态的岩体。笔者对桂林市15座山的326块危岩体发育情况进行实地调查，测绘等手段得到几组重要数据，根据危岩体的结构特征和状态特征，将桂林市的危岩体类型分为悬挂式式、倾倒式、贴坡式、孤立式三种基本类型，本文以屏风山1号危岩体为对象进行研究，并采用极限平衡法对该危岩体稳定性进行定量验算，综合分析评价桂林市危岩体的发育特征及稳定性。

关键词：危岩；极限平衡状态；稳定性；定量验算

Stability analysis and risk assessment for three typical rocks

in the Guilin city

liuBao-chen1 Zheng-jin1

（1.Guilin University of Technology，Guilin 541004）

Abstract：Dangerous rock is combined to form groups of the structure surface ，In the Unstable, less stable or equilibrium state of the rock and the factors of Surface weathering, unloading, gravity, earthquake, rainfall and so on. Through the investigation and mapping on the 326 dangerous rocks of fifteen mountains of the Guilin city，the writer get some important data ,According to the structure and State features of dangerous rocks ，Guilin dangerous rocks are divided into Hanging-type , dumping-type、posted slope -type and Isolated style. using the three typical rocks as the research object and checking the stability of the dangerous rocks by Limit equilibrium method, analyze the stability of the dangerous rocks.

Key word：dangerous rock；Limit equilibrium；Stability；Quantitative Checking

0前言

危岩崩塌灾害是我国三大地质灾害之一，已成为我国山地开发和建设的重要制约因素。由于危岩崩塌灾害分布零散, 通常规模有限, 爆发随机性强,难以有一个准确的灾害统计数据,但是其危害程度并不亚于泥石流、滑坡等灾害。我区石灰岩出露面积广大，这些地区岩溶山峰和地下洞穴非常发育，形成了独特的喀斯特旅游风景名胜区。举世瞩目的桂林景区以其独特秀丽的风景吸引了广大的国内外游客参观，其中岩溶山峰和洞穴景观占景区主要部分。但其独特的喀斯特区山体岩石突露、奇峰林立，在特殊的地质条件下风化剥蚀已形成大量危岩，严

重威胁山体附近居民及游人的人身和财产安全，严重影响喀斯特景区特色旅游业的稳定快速发展。而国内外对此种危岩的研究甚少。为此，研究岩溶地区岩质边坡和洞穴危岩发生发展的机理、致灾因素，显得非常必要。本文通过地质灾害勘查、物探、室内模拟试验与计算机模拟等，确定危岩失稳破坏的过程与临界条件，提出桂林市危岩体的类型，确定危岩的稳定性判别指标，并对区内典型的危岩体作出稳定性评价，为后期区内危岩体的治理防控技术体系的研究创造条件。

1.1危岩体发育特征分析

地形地貌、地质构造、地层岩性、岩体结构、岩溶发育、重力、风化荷载、震动、植被、气候因素、以及开挖等对危岩体的形成均可能产生影响。但总的说来，危岩体的发育与地形地貌、地质构造、地层岩性、岩体结构、岩溶发育、风化荷载与植被的关系更为密切。

1.1与地形地貌的关系

地形条件是危岩体形成并造成崩塌、坠落的必要条件。危岩体在陡峭的斜坡地形以及人类工程活动形成的高陡边坡处最易发生。对桂林市15座山高边坡的危岩体的分布与地形坡度的关系进行统计，结果如表1。

表1 危岩体的分布与地形坡度的关系

Table1 the relationship of distribution of dangerous rock and Terrain slope

边坡坡度30°~50°50°~70°70°~90°合计危岩数量 85 161 80 326 百分比26% 49.4% 24.6% 100%

可见有74%的危岩体发育在坡度大于50°的陡坡地形，小于50°的坡度只占26%。高程与危岩体的分布有密切的关系，危岩体场分布在边坡高高程部位的变形区。对桂林市15座山的危岩体的分布与高程的关系进行统计，如表2所示。

表2 危岩体的分布与边坡高程的关系

Table2 the relationship of distribution of dangerous rock and slope height

危岩体的相对高程（m）0~30m 30~60m 60~90m 90m以上合计危岩体数量60 112 120 34 326 百分比18.4% 34.4% 36.8% 10.4% 100%

说明：危岩体相对高程是以危岩体上、下边界的中心为准。

可见，30m以下的低高程危岩体分布60块，占

总危岩体的18.4%,30~90 m的中高程危岩体分布232

块，占总危岩体的71.2%，90m以上的高高程危岩体分布34块，占总危岩体的10.4%。发育在中高程的危岩体远大于高、低高程的危岩体。

1.2 与地层岩性的关系

区内危岩体主要分布于上泥盆统桂林组（D3g）、东村组（D3d）和融县组（D3r）灰岩，

如图1。

Fig .1 the stratum lithology of this area 1.3与地质构造的关系

背斜和向斜对危岩体的发育有一定的影响。具体来说：强烈弯曲的背斜核部岩层折断，同时在岩层法向发育张性结构面，使岩体破碎。破碎岩体在地质构造、风化卸荷、震动以及雨水等的作用下，即形成了危岩体；向斜核部岩层受挤压，褶皱总用强烈时，向斜核部岩层也会折断，并产生一系列压张结构面，使岩体破碎，就形成了危岩体。危岩体与断层、褶皱构造关系较为密切，多分布于构造裂隙、垂直节理、裂隙发育地段。

1.4与岩体结构的关系

危岩体发育与岩体结构关系紧密，不同类型岩体结构条件下危岩体发育的密度存在显著差别，表现为边坡结构类型、岩体结构类型不同，危岩体发育密度不同。经统计可得，顺坡向发育

危岩体230块，其中陡顺向坡发育岩体93块，缓顺向坡发育危岩体17块，近水平坡发育危岩体57块；逆向坡发育危岩体31块，其中斜切向发育26块。三者之间危岩体发育个数从小到大为逆坡向、

切向坡、顺向破。经统计可得，不规则块状危岩

体213块，板片状危岩体14块，层状危岩体4块，方块状危岩体60块，楔形危岩体7块，柱状危岩体22块，不同岩体结构中危岩体发育个数从大到小不规则块状、方块状、柱状、板片状、楔形体、层状。 1.5 与风化卸载的关系 风化、卸载是两个不同的概念，风化的本质为岩石矿物的蚀变与流失，卸载作用的本质为岩体应力松弛，但二者之间又存在者天然联系，是效应互动的统一体，岩体应力松弛为风化营力介入提供了通道，而风化作用从程度和范围上的日渐深入又不断地改变周围岩体的应力状态，迫使岩体不断进行应力调整以适应新环境，导致的结果是浅表岩体中应力场不断被削弱并进一步向深部扩展、破坏扰动其临近区域天然应力场从而将岩体卸荷逐步扩大。 在其他工程地质条件相似的情况下，危岩体发育随 着边坡强卸荷底界深度增大而增大。另外，在特定的情况下，工程开挖对危岩体的形成有重要影响。人工边坡开挖过高过陡，同时又未及时保护，为危岩体的形成提供良好的地形地貌条件，加速危岩体的发育，边坡开挖施工过程中，有时盲目为了节省人工，先挖下部，导致上部岩体悬空，形成危岩体；铜室和采矿的开挖，也可能使上部岩体悬空，形成危岩体。 1.6与岩溶发育的关系 桂林地处典型的热带岩溶地貌区，岩溶组合

形态以洼地漏斗、落水洞、溶沟、溶槽、溶蚀塌陷最发育，局部形成孤峰或深30~40m 的深槽。地下河多发育于峰丛洼地和峰林的簇峰中。 2 危岩的成因类型及失稳机理研究 危岩体的分类应考虑满足两个方面的要求：○

1与变形失稳机理相结合；○2与防治措施相对应。通

过野外精细的调查，查明桂林市15座山体共发育326块危岩体，如表3所示，可能失稳模式及相应的危岩数量如表4所示。现场调查主要是查明潜在 表3 15座山危岩数量统计

Table3 the number of dangerous rock of fifty mountains 序号 山体名称 危岩数量（块） 1 凤凰山 18 2 九华山 15 3 观音阁山 20 4 鹦鹉山 24 5 青秀山 16 6 老人山 26 7 牛角山 18 8 独秀峰 12 9 屏风山 32 10 龙头山 29 11 相人山 23 12 铜鼓山 19 13 阳家山 25 14 溜马山 20 15 飞凤山 29 总结 326

危岩体的具体位置、几何特征、结构特征及边界条件等形态参数。因此，最可行的分类方式应该是根据几何特征、具体位置、岩体结构特征、临空条件、边界结构面，特别是后缘主控结构面方位、组合关系和特性的危岩体的失稳模式分类。基于这种考虑，在危岩体现场调查过程中不断地总结，结果如表3、4所示，分析总结出桂林市危岩体根据其失稳模式可以分为悬挂式、贴坡式、倾倒式、和孤立式等四种基本类型。

2.1悬挂式

危岩体附着于母岩上，以一定的角度的裂隙面相接，若裂隙面倾向与坡向相同时，在危岩体自重和地表水渗水裂隙等因素的作用下，危岩体沿母岩（或基座）向临空发生剪切滑移破坏。岩体重心一经滑出陡坡，突然崩塌就会产生，除重力外，连续大雨渗入岩体裂隙，产生静水压力和动水压力以及雨水软化弱面，都是岩体滑移的主要诱因；在某些条件下，地震可能引起这类崩塌。

2.2倾倒式

这种类型危岩体主要出现在临空面陡峭，甚至呈反坡状，岩层成直立状，层厚较薄或者陡峭坡内、坡外结构面非常发育的部位。伴随着强烈的卸荷作用，后缘陡峭结构面张开，在自重、水压力和震动等作用下，岩体向临空方向发生较强烈的倾倒变形，直至失稳，完全脱离母岩，造成危岩体灾害。

2.3贴坡式

陡倾坡外岩在强烈卸荷过程中，层面被拉开，产生张拉裂缝，后期的重力及渐进性风化作用促使裂隙扩展，岩体松弛，岩体力学性能降低，成为潜在的滑面。当滑移面向临空面方向倾角足以使上覆岩体的下滑力超过该结构面的实际抗滑力时，后缘裂缝面贯通，迅速滑落。

岩块突然崩落，危岩体失稳破坏。

2.4孤立式

水对基座的软化或溶蚀使其与坡面摩擦力、嵌合力降低，拦挡的植被折断，重心逐渐偏移失去支撑而失稳。当危岩体嵌入破表覆盖层或者悬挂于坡缘时，以滚落的形式失稳，当其停留在覆盖层未嵌入覆盖层，常以滑落形式破坏。

3危岩的稳定性分析方法

危岩稳定性方法很多，目前危岩体稳定性分析方法包括定性分析方法和定量分析方法两类。

定性分析法包括工程类比法和图解法，定量分析法主要由极限平衡法、数值分析法、可靠度分析法、模糊数学分析法、灰色理论分析法以及神经网格分析法等。本文以工程实际为主旨，采用了极限静力平衡法和运用模糊理论对危岩体稳定性进行分析评价。

3.1基本假定

由于岩体发育的工程地质条件千差万别，影响因素繁多，其中一些必须忽略，进而进行一些假设，如下：○1危岩体脱离母体前，将其视为整体○2除楔块危岩体外，其余都将空间运动问题转化为平面问题○3危岩体间，以及与稳定岩体间均无摩擦作用。

3.2危岩体稳定性计算方法

（1）悬挂式：该危岩体的计算模型见图1。

图2 悬挂式危岩计算模型

Fig .2 the model of Hanging-type dangerous rock 稳定性系数F s为:

式中：W—危岩体的重量（KN）；P-危岩体承受的水平地震力（KN）取水平地震系数为δ则地震力为P=Wδ；H—危岩体的高度（m）；h为岩桥高度；β-结构面的倾角(°)；等效强度参数为C，?；Q—裂隙中静水压力（KN），e-滑面充水深度（m）。

（2

4。

β

β

β

?

cos

sin

sin

tan

)

sin

cos

(

P

W

H

c

Q

a

P

a

W

F

s+

+

-

-

=

倾覆

抗倾

M M F s =???? ??++=ββsin e -H sin 3e ph l 0Q M 倾覆ok b lk

f l e H f M +-+=βsin Wa 抗倾???? ??+++=ββsin e -H sin 3e ph l 0Q Wa M 倾覆ok b lk f l e H f M +-=βsin 抗倾下滑

抗滑

F F F s =

图3 第一类倾倒式危岩计算模型 Fig .3 the model of the first dumping-type dangerous rock

图4 第二类倾倒式危岩计算模型 Fig .4 the model of the second dumping-type dangerous rock

危岩稳定系数： Ⅰ：当危岩体重心在倾覆点内侧时，围绕可能倾覆点C,倾覆力矩为：

抗倾覆力矩为：

Ⅱ：当危岩体重心在倾覆点外侧时，围绕可能倾覆点C ，倾覆力矩为：

抗倾覆力矩为：

（3）贴坡式：该危岩体的计算 模型见图5，图6。 Ⅰ滑移面为单一结构面组合时的计算方法

图5 滑移面为单一结构面的计算模型

Fig 5 the model of the Single surface structure of

Slip plane

其稳定系数F s 为：

式中：F 抗滑为阻止危岩体下滑的抗滑力（KN ）；当滑面完全贯通时（如图5-a ），可由下式计算：

F 抗滑

=()β

?ββsin tan cos cos cH

P Q W +

-- 当滑面尚未完全贯通时（如图5-b ），可由下式计算

F 抗滑=()β

?ββsin tan cos cos 11H

c P Q W +

--，F 下滑 为危岩体下滑的下滑力（KN ）；无论是否贯通，都可由下式计算：ββcos sin P W F +=下滑

式中： 1,1?c 为滑移面上结构面与岩桥的粘聚力（kpa ）和内摩擦角（°）。分别有：

()H c h c h H c 0

001+-=

，()H

h h H 0001???+-=

（2）滑移面为两条结构面组合时的计算方法

图6 滑移面为两条结构面的计算模型 Fig 6 the model of the two surface structure of Slip plane 危岩体的稳定性系数为： 式中：

b H ()()θαθθθ?θθαθ-+++---+=cos cos sin sin tan )]sin sin cos [('111

1

111'1T P W H c p W T W F s K

H c p W W p G T θ?θθααsin tan )]sin cos [(cos sin 00000000'+--+

+=

（4）孤立式：该危岩体的计算模型见图7、8。 Ⅰ：偏心滚落式失稳危岩体稳定计算方法

4 危岩稳定性评价

根据危岩稳定系数将危岩稳定性分为不稳定、基本稳定和稳定三种状态(如表5)，一般地，处于稳定状态的危岩灾害体可以不采用工程防治措施，处于基本稳定状态的危岩体应加强监测并 程措施。采用地表排水，处于欠稳定状态的危岩除采用监测、地表及地下排水尚需在必要部位采用局部工程措施，处于不稳定状态的危岩应采用系统的工的工程措施。

稳定系数

h p

m W k ??= 式中：m 为转点A 至重力延长线的垂

kpa ）。

dangerous rock’s steady

危岩破坏模式 不稳定 基本稳定 稳定

悬挂式危岩 ＜1.25 1.25~1.50 ＞1.50 倾倒式危岩 ＜1.25 1.25~1.30 ＞1.50 贴坡式危岩 ＜1.15 1.15~1.30 ＞1.30 孤立式危岩 ＜1.25 1.25~1.50 ＞1.50

注：表中数据为危岩体稳定系数

5 研究桂林市内典型危岩体（以屏风山1号危岩体为例）稳定性评价

（1）边界条件及类型

屏风山1号危岩体为滑塌式危岩体。下部岩体因卸荷风化而沿层面崩落，致使其底部悬空，形成危岩体的额底部边界；后缘主控结构面近直立，构成后缘结构面两侧临空，构成危岩体的侧边界 （2）危岩体的可能失稳模式

该危岩体的整体稳定性主要受后缘近直立的结构面控制，当此结构面在水、地震等作用下，继续发展达到一定的程度时，危岩体将失稳，可能失稳方式为滑塌模式，现场调查表明，该结构的连通率约为79%。

(3)危岩体的稳定性计算

在稳定性计算时，考虑各种可能的附加力的最不利组合。在雨季张开裂缝可能为暴雨1/2,应考虑水压力；Ⅶ度以上地震区，地震力的机率问题也可以考虑。因此，危岩体的计算模型如图6所示。在长度方向上按单位长度考虑。

图9 屏风山1号危岩体计算模型

Fig .9 the model of the number 1 dangerous rock of

Pingfeng mountain

稳定性系数：

式中：W-危岩体的体重（KN ），按单位长度计算，W=γV=27.4×240=11508KN ；P-危岩体承受的水平地震力（KN ），取水平地震系数为δ，本区地震烈度为Ⅶ度，查表可得δ=0.1，则地震力为P= G δ=1150.8KN ；H-危岩体的高度=75.2m ；e-滑面充水深度=24.2m ；Q-滑面内静水压力（KN ），γw 为水的重度=10KN/m 3，有：Q=kN e w 13.2931sin 212

=βγ，等效强度参数C=182.61，30=?。

（4）稳定性评价

由此可得F s =1.0，根据稳定性评价标准，屏风山1号危岩体为不稳定危岩体。

由调查报告可知，桂林市内15座山体共发现326块危岩体，运用本文介绍的危岩稳定性计算方法计算，计算结果表明，多数危岩体处于基本稳定状态，少数处于不稳定状态，与实际情况基本吻合。 6 结 语

（1）通过对桂林市地形地貌特征分析得出危岩体分布在边坡高高程部位的变形区；发育在中高程 的危岩体远大于高、低高程的危岩体；危岩体与断层、褶皱构造关系较为密切，多分布于构造裂隙、垂直节理、裂隙发育地段；区内不同岩体结构中危岩体发育个数从大到小不规则块状、方块状、柱状、板片状、楔形体、层状。

（2）根据区内危岩体几何特征、具体位置、岩体结构特征、临空条件、边界结构面，特别是后缘主控结构面方位、组合关系和特性的危岩体失稳模式分析总结出桂林市危岩体的四种基本类型，即悬挂式、倾倒式、贴坡式、孤立式。

（3）本文对危岩体的稳定性进行基于静力解析法和极限平衡法定量评价，根据危岩体成因类型和变形失稳机理，采用了极限平衡法对危岩体稳定性进行定量评价，大致上能反映桂林市内危岩

β

ββ?ββττcos sin sin tan )sin cos (P W H c

Q P W f F s ++--=

=

体的稳定情况，但是，由于目前危岩勘查精度不高，尤其是危岩体深部主控裂隙面( 带) 在剖面上的贯通程度、张开度、充填度、粗糙度、含水及渗水性能难于准确量化，况且主控裂隙面在危岩体内部的出现位置及沿陡崖方向的面状贯通度无法确定，给危岩的研究带来了极大的难度，所得到的一些数据可靠度不高，因此，后期对于危岩稳定性的研究大量的工作仍待解决。

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