岩溶山区公路危岩分类及其防治对策探讨

王福瑛 兰素恋 郭庆 李侑军

摘要：文章针对岩溶地貌特征及山区公路地质特点，探讨了岩溶山区公路危岩崩塌地质灾害的分类，针对性地提出了相应的防治措施。研究结果表明：岩溶山区公路危岩可以划分为单体危岩与群体危岩两个类别，前者包括压剪滑移型、拉剪倾覆型及复合坠落型危岩，后者可分为上部启裂失稳型与下部启裂失稳型危岩；根据不同的危岩类型、人类活动情况与施工条件，可综合采用清理、排水、锚固、支撑、嵌补、拦石墙和拦石网等工程措施，通过主、被动联合防护治理的方式妥善解决岩溶山区公路危岩问题。

关键词：危岩；岩溶；崩塌；山区公路

中图分类号：U419.93 A 17 049 3

0 引言

危岩是指位于陡崖或高边坡上，被多组岩体结构面切割且稳定性较差的岩石块体及岩石块体组合［1］，是岩溶地区常见的地质灾害类型与动力地貌现象。在岩溶山区，由于受到地层岩性、地形地貌、地质构造、水文气象条件和外动力作用，在地表形成了多种直立山体、陡壁甚至反坡景观。由于岩溶所依附的主要岩石（如石灰岩、白长石等）属于脆硬性岩体，在地质演化过程中裂隙较为发育，及易孕育危岩地质灾害［2］。我国岩溶分布广泛，据研究统计［3］，岩溶区占我国陆地面积的比例为35.8%，总面积达344.3×104 km2，其中裸露岩溶面积为90.7×104 km2。随着我国基础设施建设的推进，许多公路工程逐渐向岩溶山区延伸，天然岩溶危岩体的存在给公路建设和运营带来了巨大的挑战。同时，在公路切坡的过程中，坡体边坡的局部陡峭程度增加，导致临空面扩大，人为地为危岩体的孕育创造了基础条件。尤其在强降雨的冲刷和浸润作用下，可溶于水的岩石的风化裂隙面抗剪强度弱化，容易导致崩塌事故的发生，严重影响公路的建设和安全运营［4］。Braathen等［5］基于构造地质学和岩石力学理论对欧洲挪威的岩质边坡坍塌机制进行了研究。危岩体失稳的本质是其后缘主控结构面的劣化导致贯通。陈洪凯等［6-7］对危岩体失稳机理进行了研究，提出了危岩体主控结构面抗剪强度参数的计算理论，并建立了主控结构面的损伤演化模型。然而，目前关于岩溶危岩地质灾害的研究较少。桂林作为典型岩溶地区，岩体陡峻、危岩多发，刘宝臣等［8］对桂林地区岩溶危岩体进行了实地调查，基于极限平衡法对危岩体开展了稳定性验算，并分析了岩溶危岩体的发育规律。但是，现有研究对岩溶山区公路危岩类型认识不清，失稳机理不明，缺乏成熟的防治理论体系。因此，本文根据桂林地区岩溶山区公路的地质环境特征，探討了岩溶危岩崩塌的几种典型情况，并结合实际案例进行防治措施剖析，为岩溶山区公路工程地质灾害治理提供了一定的理论依据。

1 岩溶地质构造环境

岩溶的发育程度与岩溶危岩体的规模密切相关。在地表漫长的演化过程中，岩溶地区的可溶性岩石（主要是碳酸盐和蒸发岩）在一系列物理和化学的作用下风化、溶解，导致陡崖或高边坡结构面发育，孕育了大量的危岩体。其中，在地面抬升过程中形成的褶皱构造是岩溶发育的优良环境。桂林地区岩溶构造类型丰富，褶皱构造十分常见，背斜与向斜近似平行且相间分布，层位以下石炭统及上、中泥盆的碳酸盐岩为主。区内构造类型以尧山背斜为主，东南有大龙门背斜、猴山背斜、甲山向斜及老人山背斜间歇分布。向斜相伴而生，多呈长袖状，通常是背斜呈现出狭窄趋势，而向斜表现为宽厚且平缓。在断裂影响处岩层尤为陡峻，倾角可达50°～70°，接近直立水平。上述地质构造条件造就了七星岩、象鼻山和骆驼峰等一系列陡峭山体，同时还孕育类型多样的岩溶危岩体。此外，桂林地区夏季炎热多雨、冬季阴冷潮湿，陡峭的石灰岩山体受当地气候影响，风化及雨水侵蚀严重，岩体破碎程度高，加之边坡不同岩层地质条件的差异性风化，最终孕育类型多样的岩溶危岩体。

2 岩溶山区公路危岩崩塌类型

根据危岩崩塌发生的类型，现有规范一般将危岩体划分为滑塌式、倾倒式及坠落式三种类型。结合桂林岩溶山区公路地质选线结果，危岩体的发育情况及崩塌源的群发性特征，本文将桂林岩溶山区公路危岩划分为两大类别，即单体岩溶危岩与群体岩溶危岩，认为后者是由前者堆叠组合而成。单体岩溶危岩的划分与规范类似，可分为压剪滑移型、拉剪倾覆型、复合坠落型3个类别。而群体岩溶危岩可划分为顶部诱发破坏型和底部诱发破坏型两个类别。

2.1 单体岩溶危岩

2.1.1 压剪滑移型岩溶危岩

压剪滑移型岩溶危岩如图1（a）所示。危岩体的主控结构面一般受边坡内缓倾角的地层弱面或卸荷张拉结构面控制，中控结构面的倾角很小，通常≤45°。对规则岩溶危岩体进行简单的受力分析可知，其重心位于主控结构面内侧。主控结构面主要受到岩溶危岩的自重荷载、裂隙水压力及扰动荷载的作用，导致岩溶危岩体主控结构面劣化贯通，逐渐出现滑移，整体上表现为压剪失稳。

2.1.2 拉剪倾覆型岩溶危岩

如图1（b）所示，拉剪倾覆型岩溶危岩倾角变化范围大，但通常＞25°，该类型岩溶危岩的主控结构面为陡（边）坡卸荷张拉型。主控结构面的下端部相对于岩腔或临空面靠后，由几何与受力分析可知，在重力与外界荷载影响下，岩溶危岩体一般会绕着主控结构面的低端或危岩体底部与临空面的相交点发生转动，从而引起倾倒破坏，整体上表现为拉剪破坏模式。

2.1.3 复合坠落型岩溶危岩

复合坠落型岩溶危岩受两条主控结构面的控制，如图1（c）所示，包括一条接近水平的1#主控结构面与一条倾角＜80°的2#主控结构面。复合坠落型危岩的破坏形式比较复杂，1#主控结构面破坏机理为拉裂破坏，而2#结构面破坏机理则为压剪损伤破坏。在自重与外界荷载的作用下，1#主控结构面因受拉力影响，裂缝逐步扩展，延伸到一定范围后，岩溶危岩体开始沿2#主控结构面发生滑动变形。当变形达到临界值时，岩溶危岩体发生整体失稳坠落。

2.2 群体岩溶危岩

2.2.1 上部启裂失稳型群体岩溶危岩

如图2（a）所示给出了上部启裂失稳型岩溶危岩的示意图。由图2（a）可知，此类岩溶危岩的主控结构面倾角较大，一般＞70°，而其下端部潜在于母岩体中。上部启裂型群体危岩由多块危岩体组合而成，危岩块体之间以弱胶结的形式沿着主控结构面方向相互堆叠，各块体交界面近似于水平状态。在几何与受力情况方面，上部危岩块体的重心一般位于主控结构面内侧，从上往下，危岩块体的重心逐渐向外偏移，以至于危岩底部的1～2块危岩块体的重心延伸至上部启裂型群体危岩体的主控结构面外侧，具有倾倒破坏的趋势。对于此类危岩，导致失稳的关键在于上部危岩块体，也称关键块体。其失稳机制为主控结构面劣化，上部关键块体崩落，并压迫下部危岩块体，从而导致岩溶群体危岩的恶化甚至崩塌。

2.2.2 下部启裂失稳型群体岩溶危岩

相对上部启裂失稳型群体岩溶危岩，下部启裂失稳型群体岩溶危岩的主控结构面倾角相对不大，通常＜70°，如图2（b）所示。虽然危岩体同样由若干危岩块体沿主控结构面走向相互堆叠而成，但其启裂控制的关键危岩块体位于群体危岩体的底部，并且在陡崖或边坡的临空面露出。与上部启裂型岩溶群体危岩类似，下部启裂型群体危岩各危岩块体之间的交界面倾角很小，多以弱胶结形式连接。此类危岩的失稳模式是主控结构面劣化导致下部关键块体失稳坠落，剩余危岩块体在临空面露出，从而诱发链式变形崩塌。

3 岩溶山区公路危岩的主要防治对策

无论是单体岩溶危岩还是群体岩溶危岩，都会给公路工程的建设和运营带来极大的挑战。在岩溶危岩的挖掘和爆破过程中，很容易产生坍塌、崩落，对公路施工人员的生命安全造成威胁，同时还影响施工进度。由于岩溶危岩破碎、崩落的特性，运营过程中公路易受到危岩的冲击导致损坏，进而引发交通事故，给公路的安全运营和维护带来一定的困难。陈洪凯等［9］研究了危岩的稳定性评价标准，认为可以将危岩的稳定性按稳定、基本稳定及不稳定3种状态进行划分。对于稳定状态的危岩体，无须进行工程防治；对于基本稳定状态的危岩体，需要加强地表排水和状态监测，而对于稳定状态欠佳的危岩体，除了采用地下、地表排水及状态监测以外，还需要在关键部位采取局部的工程防治措施；对于不稳定状态的危岩体，必须进行系统的工程防治。对于岩溶区的基本地质条件及山区公路的特点，岩溶山区公路工程所面临的危岩可以采取的防治技术除排水、监测与清除外，主要有锚固、支撑、拦石墙及拦石栅栏等工程措施。

3.1 主动防护技术

3.1.1 岩溶危岩锚固

对于规模较大、裂缝较宽的拉剪倾覆型岩溶危岩，岩溶陡坡危岩的下部存在稳定性好、完整性高的岩体，可以采用锚固技术，将危岩与母岩形成串联结构以达到加固的目的，防止崩塌灾害的发生。根据围岩体完整性合理选用锚固结构是达到良好加固效果的关键：若危岩体的完整性较好，可以采用点锚进行加固；而对于完整性差的危岩体，则应利用格构或竖梁进行整体性加固。锚杆的数量、尺寸及布置间距等，应按照岩溶危岩的几何物理信息确定的下滑力进行计算，通常还应考虑锚杆承担危岩所施加的剪力作用。

3.1.2 岩溶危岩支撑和嵌补

由于不同岩性的岩溶岩体存在抗风化及抗侵蚀能力的差异，可能会导致部分岩层之间形成一定范围的凹进，也被称为岩腔。岩腔的底部为承载力较好的基岩，其上部的较硬岩体可能会因为抗剪强度及抗拉强度的不足而导致裂缝发育，进而形成危岩体。当危岩体的重心在岩腔中心线内侧，且有足够大的悬空面积的情况下，使用支撑技术处理可以获得良好的加固效果。常用的危岩支撑技术包括柱支撑或墙支撑两种类型，在必要的时候，还可以辅之以锚索或锚杆与母岩岩体进行串联，以保证支撑体本身的稳定性。当岩腔或危岩体的悬空面积不足时，可采用混凝土或浆砌片对岩腔进行填充或嵌补。

3.2 被动防护技术

3.2.1 攔石墙

岩溶山区接近直立的山体众多，由于岩体易于风化和侵蚀，岩溶山区公路边坡及陡崖上经常存在危岩数量多，勘察及处治困难的情况。在自然边坡坡脚为25°～35°的较宽缓坡，可在公路与危岩之间采用挡石墙对崩塌危岩体进行拦截。重力式挡石墙可以对直径为1.5～2 m的滚动或滑动式崩塌危岩体进行有效捕获，而且具有一定的崩塌危岩体存储空间，可以有效地减少崩塌危岩的清理次数。挡石墙的建设一般遵循就地取材原则，也可充分利用公路沿线运输便利的特点从沿线经济范围内进行调运。拦石墙可采用土堤挡墙、石笼挡墙、浆砌石挡墙及钢筋混凝土挡墙等多种形式。在设计时，挡石墙的高度及布设位置应该按照现场试验或滚石跳跃试验进行确定，墙体的厚度则需要按照崩塌危岩体的冲击力进行设计。

3.2.2 拦石栅栏

在岩溶陡崖或边坡下端部分坡角较大（＞35°）并且平台宽度较为狭窄的地形条件下，没有足够的空间可用于建设拦石墙，此时可采用拦石栅栏对崩塌危岩进行阻挡。现有的拦石栅栏技术主要分为半刚性与柔性两个类别。典型的半刚性拦石栅栏以木质拦石栅栏为主，其主要构成为立柱，采用角钢、钢轨、型钢等作为横梁互相焊接而成。柔性拦石栅栏则以拦石网为代表，其组成包括立柱或支杆、缓冲钢索及杆间钢索网，通过将钢柱与坡体连接形成铰支，并利用拉锚绳进行锚固，形成金属网片的支撑结构。其防护原理是通过自身的被动变形、位移及振动等手段，消散岩溶崩塌危岩体的动力势能。拦石网整体呈柔性，地形适用范围较广，兼顾了环保与美观要求，并且具有施工扰动小、施工周期短、维护便利的优点，因此在岩溶山区危岩防治中得到广泛应用。

4 岩溶山区公路典型危岩防治研究

图3所示为广西桂林市某公路岩溶山体危岩点，山脚有一条二级公路穿过，该危岩点共8处，包括3处未崩塌山顶危岩体和65处山坡滚石危岩破碎区，山顶危岩体的存在为滚石危岩破碎区提供物质来源。山脚下方居民总户数87户，受威胁人数达369人，潜在威胁财产＞1 300万元。治理区地质条件较为复杂，植被茂密且坡度较陡，分布在坡顶3 处的未崩塌山顶危岩体属群体危岩，破坏模式以复合坠落型为主，由于地形险峻，山体近似直立，既有危岩体易于风化和侵蚀，对复合坠落型危岩的关键块直接进行锚固、支撑、嵌补存在极大施工安全风险，对山脚周边村落造成潜在安全隐患。根据模拟落石崩塌轨迹、弹跳高度及滚落距离和现场调查发现的坡脚崩塌堆积情况，采用被动防护技术时，拦石墙或拦石栅栏设计高度为4～6 m，长度为50～200 m。考虑到危岩区域地势陡峭，建设高4～6 m、底部宽8～10 m的梯形拦石墙工期慢、效率低，综合对比后选择被动防护网预防落石、滚石崩塌。被动防护网分为三道，最上面一道为3 000 kJ被动防护网，中间一道为1 500 kJ被动防护网，下面一道为1 000 kJ被动防护网，三道防护长度均为190 m，间距为12～32 m，被动网设网的位置及抗冲击能量和高度见表1。

在现场复杂的工况条件下，一般面临的是多个危岩单体共生的情况，多种危岩类型整体表现出复合特性，同时需兼顾现场施工条件，综合选择较好的防治对策，以达到经济成本低、防治效果佳的目的。

5 结语

（1）桂林地区岩溶构造造就了众多陡峻山体，为各类危岩体的孕育提供了空间条件。

（2）桂林岩溶山区公路危岩崩塌类型可分为单体危岩与群体危岩两大类，前者包括压剪滑移型、拉剪倾覆型及复合坠落型岩溶危岩，后者包括上部启裂失稳型和下部启裂失稳型群体岩溶危岩。

（3）本文结合危岩体特点、现场人类活动情况与施工条件，提出了适用于桂林岩溶山区公路危岩的防治技术。在具体的危岩防治工程中，需要根据现场实际情况，综合选择合适技术进行危岩防治，以达到经济成本低、防治效果佳的目的。

参考文献

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收稿日期：2023-06-15