三峡库区龙门寨危岩体稳定性评价研究

宋 刚，周福川

（1.重庆交通大学岩土工程研究所，重庆 400074；2.重庆工程职业技术学院，重庆 400037；3.重庆大学土木工程学院，重庆 400030）

0 引言

我国西南地区地质构造运动强烈，多呈现厚层-巨厚层陡崖地貌，三峡库区上硬下软的地质结构极其有利于单体塔柱状危岩的发育。塔柱状危岩构造上易发于褶皱核部或近核部，地层产状趋于平缓，被节理裂隙切割为相对独立的层状块体结构，其具有较大的高径比（通常大于3），横剖面呈圆形、三角形、矩形或不规则多边形等众多形态，且塔柱状危岩体崩塌具有突发性强、隐蔽性高、影响范围广以及成因复杂等特征［1-4］。

三峡库区危岩体的稳定性研究一直是库区灾害防治的重点任务。陈洪凯等［5-7］提出了危岩破坏失稳的三种类型并基于极限平衡法给出对应的稳定性计算方法，分析了三峡库区典型高位危岩的稳定性。丁王飞等［8］修正了三类危岩体危岩稳定系数计算方法，提出了包含主控结构面锁固段和贯通段的计算模型。合理的危岩稳定性评价结论影响崩塌灾害的布防。Lei等［9］研究了龙溪河危岩的形成机制和失稳模式，并对危岩进行了定性分析和解析分析。Wang等［10］基于对JDRM力学模型的推广，分析了箭穿洞危岩体的变形机制和评价危岩体的稳定性。唐红梅等［11］以川东南盆周山地灰岩地区为研究对象，选取9个危险性评价指标，建立贡献权重模型和熵值法耦合的崩塌评价模型。

本文以三峡库区龙门寨陡高塔柱状危岩体为研究对象，提出考虑危岩底部区域损伤劣化特征的稳定性计算方法，并与极限平衡理论获得的危岩稳定性系数进行对比，以期为塔柱状危岩体的稳定性评价提供新思路。

1 龙门寨危岩基本特征

龙门寨危岩位于重庆市巫山县大宁河小三峡的右岸，距巫山县城直线距离不足1km，扼守黄金水道关键位置，一旦危岩体发生失稳破坏，引起崩塌体入江激起的涌浪将会对过往船只和沿岸建筑物等造成破坏。

龙门寨危岩体主要由三叠系灰岩、泥灰岩和白云岩构成，位于龙门峡次级背斜的核部。从图1中清晰可见3条近纵向平行发育的裂缝，裂缝的延伸长度不一，使得整个危岩体呈现被结构面完整分割的结构，最长的裂缝长度约170m，上宽下窄，裂缝最宽处约2.3m，不规则条状块石充填于裂缝中。由于危岩体自重荷载的持续作用和裂缝的不断发育，危岩体已经出现岩块剥落或局部小型垮塌。

图1 龙门寨危岩体实物图与剖面图［12］Fig.1 Photography and section view of the Longmenzhai unstable rock mass［12］

龙门寨危岩体呈不规则多边形，是典型塔柱状危岩体。按照塔柱状危岩体的特征，可将其分为基座劣化区和非完全劣化区两部分［13］，其高宽比为4.75，具有“上硬下软”的二元易滑结构。危岩体基座主要为泥灰岩，其下部呈碎裂结构（图2a）。危岩后缘平均高程约350m，基座劣化区高程165～177m为泥灰岩，危岩体平均高度约190m，平均宽度和厚度均约40m，总体积约30.4×104m3。三峡库区水位的周期性涨落，为劣化区提供了干湿循环的外界条件，库区涉水危岩体的基座在长期自重荷载、干湿循环作用下，导致劣化区岩体强度持续下降。

图2 龙门寨危岩体底部劣化区和地质模型图Fig.2 Photography of deterioration area at the bottom of the Longmenzhai unstable rock and the geological model map of the Longmenzhai unstable rock mass

2 龙门寨危岩稳定性分析

2.1 危岩体稳定性分析计算

倾倒破坏和滑移破坏是三峡库区陡高塔柱状危岩体常见的失稳模式，依据陈洪凯［5］对三峡库区危岩体稳定性计算方法，龙门寨危岩体稳定性计算时选择自重＋孔隙水压力（地下水流出通道堵塞工况）的荷载组合，对两种危岩体破坏模式进行稳定性计算（图3）。

图3 陡高危岩稳定性计算模式示意图Fig.3 Schematic diagram of calculation model for the stability of steep-high unstable rock mass

（1）倾倒式（危岩体重心在倾覆点内侧）：

（2）滑移式：

式中，flk为岩体抗拉强度标准值（MPa）；b为后缘裂隙到倾覆点的位置（m）；W 为危岩体自重（kN／m）；a为危岩重心到倾覆点的水平距离（m）；hw为裂隙充水高度（m），天然状态下取主控结构面的1／3长度，约60m；Q为裂隙后缘水压力（kN／m）；β为后缘裂隙倾角（°）；α为滑面倾角（°）；U为扬压力（k N／m）；φ为滑面内摩擦角标准值（°）；c为滑面黏聚力标准值（MPa）；l为滑动面长度（m）；Fs-t为危岩倾倒式稳定性系数；Fs-s为危岩滑移式稳定性系数。

极限平衡法稳定性计算方法几何参数取值见表1。根据文献［14］的研究，可得本文危岩体部分相关参数的取值（表2），采用上述方法对龙门寨危岩体开展稳定性计算，为方便计算，假定危岩体后缘主控结构面垂直于危岩体基座。

表1 计算模型几何参数取值Tab.1 Values of geometric parameters of the calculation model

表2 龙门寨危岩体相关参数取值Tab.2 Values of related parameters of the Longmenzhai unstable rock mass

根据危岩体稳定系数大小，可将危岩体划分为稳定、基本稳定和不稳定三种状态。稳定的危岩体可不采取措施，基本稳定的危岩体需加强危岩体的监测，不稳定的危岩体需及时进行防治处理。

通过对龙门寨危岩体可能发生的两种破坏模式的计算，按危岩体倾倒破坏失稳模式计算时稳定系数Fs-t：7.25；按危岩体滑移失稳模式计算时稳定系数Fs-s：2.75。根据危岩稳定性评价标准［5］，两个模式的稳定性系数均大于安全系数，危岩体不采取工程治理措施，但需加强监测。

2.2 考虑岩体损伤的稳定性分析

库区陡高岩体在长期的自重荷载和库水周期性作用下，导致底部区域岩体劣化日益明显。底部劣化区岩体的承载能力减弱，使得底部岩体的有效承载面积减少。因此作用在底部劣化岩体上的有效荷载随着岩体的损伤加速而增大。有效承载面积的变化会影响底部岩体承载力的计算结果，将损伤变量加入岩体承载力与荷载的计算中，进而获得底部基座岩体破碎时的受力情况，再对陡高危岩破坏模式进行分析。为了计算方便，本文将龙门寨危岩体的力学模型概化为上部非完全劣化区与基座劣化区进行受力分析（图4）。

图4 陡高岩体底部压裂失稳概化力学模型［13］Fig.4 Generalized mechanical model of fracturing instability at the bottom of steep-high unstable rock mass［13］

对龙门寨危岩体进行力学分析可得，基座劣化区压裂溃屈的主要原因是受到非完全劣化区施加的持续性荷载，类似单轴加载。因此，基座岩体的持续的损伤演化是底部区域块体失稳破坏的主要因素。本文引入塔柱状岩体崩塌理论对龙门寨危岩的底部岩体劣化损伤规律与破坏模式进行分析。根据贺凯［14］对塔柱状危岩体损伤劣化引起的崩塌研究得到的结论，引入公式：

式中，σDL为等效荷载应力（MPa）；H为岩体高度（m）；h为底部损伤区域高度（m）；γ为上部非劣化区岩体重度（kN·m-3）；D为岩体损伤变量；σc为岩石单轴抗压强度（MPa）；φ为岩内摩擦角（°）；c为岩体黏聚力（k Pa），根据周边危岩体研究数据取值1000kPa；σ3为岩体实际围压（MPa），根据岩体高度与重度计算取4.3MPa；μ为岩体破裂时的泊松比；σDt为岩体压张破坏应力阈值（MPa）；σDτ为岩体压剪破坏应力阈值（MPa）。

根据三峡库区巫峡段周边已进行防治加固的工程经验值和相关文献研究［14-16］，可得到上述式（3）～（6）中参数的取值，见表3。

表3 岩体损伤劣化的计算参数取值Tab.3 Values of calculation parameters of rock mass damage and deterioration

根据贺凯［14］岩体损伤理论的经验以及龙门寨危岩体现阶段的损伤情况，假定当损伤变量达到0.45时可能发生压裂溃屈破坏。根据式（3）～（8）得到考虑底部区域岩体损伤劣化的稳定性系数计算结果，见表4。

表4 稳定性计算结果Tab.4 Stability coefficients calculated by the method of considering the deterioration in the bottom region of unstable rock mass

根据上述计算结果和危岩稳定性评价标准［5］，可判断危岩体目前处于基本稳定-稳定状态，且危岩体极有可能发生压剪破坏失稳，黄波林［17］计算得到龙门寨危岩体稳定性系数K为1.27，本文考虑损伤的稳定性计算方法获得危岩压剪破坏的稳定性系数与之接近，表明极限平衡法计算得到的结果过于安全且与现实情况不符合，也验证了考虑劣化区损伤的稳定性计算方法的适用性。

3 危岩体的防治措施

三峡库区陡高塔柱状危岩体的防治需要根据危岩所处的地质环境，对危岩体裂隙的发育情况、结构面和软弱夹层的分布等调查清楚，全面分析危岩体的失稳机制与失稳模式，再结合施工条件，才能对具体的危岩体采取针对性的防治措施。根据龙门寨危岩体的形态特征、地理环境和底部区域岩体的劣化损伤等，建议采取以下措施：

（1）底部劣化区域。这部分岩体由于持续自重荷载的作用，加之库水涨落对基座提供的干湿循环的水环境，导致岩体损伤度高，宜对基座软弱岩体采取注浆填充裂隙补强加固和预应力锚杆加固。

（2）中上部岩体。这部分岩体表面风化程度高且卸荷裂隙较发育，全部清理工程量较大，故采用预应力锚索加挂网喷浆锚固崩塌危岩体，阻止上部岩体的掉落以及卸荷裂隙发育，以达到治理效果。

4 结论

三峡库区涉水区域陡高单体危岩的稳定性影响着黄金水道的安全运行和沿岸居民的生命财产安全，恰当的危岩体稳定性计算方法和经济的防护加固措施，为维持三峡库区的安全运行提供了极大便利。

（1）三峡库区大型陡高危岩受自身形态与地质环境影响较大，自重荷载以及人类活动因素耦合作用下，底部区域岩体劣化演变速度更快，致使底部区域成为危岩溃屈失稳的关键性区域。

（2）使用极限平衡理论的稳定性计算方法获得的计算结果，由于未考虑陡高危岩体各部分的损伤劣化差异而导致计算结果可能失真。基于考虑岩体损伤劣化的稳定性计算方法，从力学角度更加贴合的分析了危岩体的失稳模式与破坏模式，结果显示龙门寨危岩体目前处于基本稳定-稳定状态。

（3）根据不同危岩体的失稳破坏机理，围绕关键区域开展监测或治理工作，采取有针对性的防治工程措施，根据岩体具体情况制定相应的治理措施，以保证危岩防护治理的安全可靠性，供相关决策部门参考。