许家美

(重庆市涪陵区地质环境监测站，重庆 涪陵 408099)

三峡库区典型危岩形成机制及治理技术研究

许家美

(重庆市涪陵区地质环境监测站，重庆 涪陵 408099)

危岩是三峡库区分布广、危害大的常见地质灾害类型。研究了典型危岩的基本特征、破坏方式及形成机制，指出其破坏方式有坠落式、滑塌式、倾倒式3种类型，且危岩体破坏模式中有链式反应的影响。砂岩及泥(页)岩的强度和抗风化性能差异大，泥(页)岩因强度低、易软化、易风化而成为软弱基座，且破碎松脱之后形成凹岩腔，上部砂岩即成为危岩。研究表明：在正确分析危岩形成机制的基础上，在此类地区采取“人工清方+点锚+挂网喷浆+主动防护网”技术对危岩进行工程治理，效果明显。

岩土工程；危岩；形成机制；治理

0 引 言

危岩是多组岩体结构面组合而构成，在重力、地震、水体等诱发因素作用下处于不稳定、欠稳定或极限平衡状态的结构体[1-2]。危岩体一般存在于高陡边坡及陡崖上，其失稳、运动而形成崩塌坠落，对周边建筑物及民众的生命财产安全构成威胁，是山区常见的地质灾害类型之一。近年来国内外学者对危岩的形成机理及治理技术等进行了研究。陈洪凯等[3]对石质山区的危岩崩塌灾害形成机制展开研究，运用地貌学方法揭示了红岩山崩塌灾害链式演化规律，发现岩腔的形成过程是崩塌灾害演绎关键环节。L.TUTLUOGLU等[4]、陈洪凯等[5]从断裂力学方面研究危岩的破坏机理。邓跃等[6]、刘海军等[7]研究了动力作用下危岩的稳定性及破坏模式。一些学者针对危岩提出了相应的治理措施，工程上取得了较好效果[8-10]。

重庆市涪陵区是三峡库区危岩发育较典型的地区，据近期排查，全区尚有26处危岩带，大小危岩体2 000多块，严重威胁该区人民群众生命财产安全，对该地区危岩的形成机制以及其科学防治研究已显得尤其重要和紧迫。创新计算机学校危岩位于重庆市涪陵区长江与乌江交汇处的乌江东岸，该危岩区历史上多次出现掉块、崩落等，危及学校师生安全，也影响崖顶村民的日常生产生活秩序，存在重大的安全隐患，危岩带属于中型危岩带，危岩体属于中型-大型危岩体。笔者以创新计算机学校危岩为例，研究危岩的形成机制和治理技术，为类似工程提供一定的借鉴意义。

1 自然环境背景

1.1 地形地貌

研究区地貌属构造剥蚀丘陵岸坡地貌，区域地貌特征明显受到地层岩性和地质构造的控制。研究区高程为240～350 m，地形总体北高南低，总体坡角20°～35°。该危岩位于创新计算机学校北侧的两级陡崖，危岩带主要发育17处危岩单体，且多发育于2级陡崖上。危岩带东西全长约310 m，南北宽约140 m，如图1。

图1 危岩治理前照片Fig.1 Photos of perilous rock before governance

斜坡上陡下缓，从下至上发育两级陡崖，第一级陡崖崖顶高程269.20～329.78 m，崖底高程约260.24～288.82 m，相对高差约9～20 m之间，发育危岩6块(W01、W02、W03、W04、W05、W06)。第二级陡崖高程299.13～346.23 m，崖底高程约286.9～334.74 m，相对高差约11～13 m之间，发育11个危岩单体(W07、W08、W09、W10、W11、W12、W13、W14、W15、W16、W17)。两级陡崖间存在35 m宽缓坡平台地带。陡崖坡角70°～80°，局部呈直立状，在陡崖的下部发育有岩腔。岩腔发育高0.5～1.0 m，深0.2～0.8 m。在斜坡下部为缓斜坡，坡角10°～20°。陡崖南部为重庆市涪陵区创新计算机学校，如图2。

图2 危岩体分布图Fig.2 Perilous rock distribution

1.2 气象水文

研究区属亚热带湿润季风气候，温暖湿润，雨量充沛，具有春早夏长、秋雨连绵、冬季多雾的特点。多年平均气温18 ℃，极端最低气温-1.5 ℃(1978年1月15日)，最高气温44.1 ℃(1983年7月28日)。多年平均降雨量为1 210.20 mm，但雨量在时间上分布不均，一般集中在5～9月，降雨量约占全年的2/3，且多大雨、暴雨，最大年降雨量为1 408.3 mm，最小年降雨量为783.2 mm，平均日最大降雨量为125 mm。区内未见大型地表水体。在整个研究区内存在两处泉眼，水源以基岩裂隙水为主。经调查该泉眼四季常流水，流量约0.1～0.5 L/s。

1.3 地质岩性

研究场地的区域构造单元属扬子准地台四川台坳川东南褶皱束的珍溪场向斜南东翼，受地壳运动影响，南西翼近向斜末端掀斜抬升，表层岩体受剥蚀。研究区抗震设防烈度6度。岩层呈单斜产出，其产状为335°～349°∠10°～12°，主要发育两组裂隙：220°～227°∠75°～81°，120°～125°∠72°～87°。

研究场地主要由基岩组成，岩性为侏罗系下统自流井组砂岩、泥(页)岩互层结构，主要是陆相碎屑沉积；上覆第四系崩坡积土。

1.4 水文地质条件

研究区位于斜坡中上部地带，地形坡度大，大气降水沿坡面径流，向地势低洼处排泄，排泄条件良好，地下水主要为基岩裂隙水，靠大气降雨及地表水补给，通过基岩裂隙通道排泄于崖脚，最终排泄入乌江。

2 危岩基本特征及形成机制

研究范围包括整个危岩带并适当外延，在纵向延伸至后缘壁顶部以上50 m或卸荷裂隙带以外，向下包括其可能造成危害及次生灾害的范围。陡崖及斜坡构成上是由中厚层～厚层状砂岩组成，其间夹杂多层薄层状泥(页)岩。泥(页)岩由于易风化的特点，在陡崖底部及陡崖与斜坡交界处，泥(页)岩夹层位置多风化形成凹岩腔，在陡崖下斜坡上多覆盖崩坡积碎块石土，多见崩落块石。

2.1 危岩体形态特征

据调查，研究区内岩体主要发育有两组节理，其产状分别为①220°～227°∠75°～81°，②120°～125°∠72°～87°。研究区内危岩卸荷裂隙，裂隙发育程度强烈，裂隙泥质充填，部分裂隙受植物根系及构造作用张开宽度达到2 cm以上。两条卸荷裂隙成大角度相交切割岩体(砂岩)。裂隙间距20～45 cm，裂面较为平直，偶见锰、铁质斑块。两组节理及层面裂隙(产状335°～349°∠10°～12°)的不利组合，使该区陡崖处岩体整体性受到破坏，形成大小不等，形态各异的不规则状、柱(锥)状、块状、薄板状块体。个别危岩体已经脱离母体形成孤石。

2.2 危岩破坏方式

研究区内危岩体的破坏方式受多方面因素的影响，通过对危岩体形态特征规模、底界以及分布特点的分析，区内危岩体失稳破坏的模式具有鲜明特点，危岩带主要以砂泥(页)岩互层状中位于底部易风化泥(页)岩风化后形成岩腔为主，顶部形成危岩块体，该类危岩在外观上体量并不大，但经过探槽、探坑、钻探等手段调查后发现，裂隙切割深度较大，仅清除表面块体会引起危岩后部岩体卸荷进而形成新危岩。在位于陡崖一侧岩体受到层间裂隙发育影响，形成薄-中厚层状块体；在两组陡倾竖向裂隙切割下，陡崖岩体形成堆砌状，该类岩体下部受到侵蚀掉落后即形成大小不一岩腔。故在危岩破坏方式中不仅仅考虑坠落式、滑塌式、倾倒式3种类型(图3)，还应充分考虑此类危岩体破坏模式中上述链式反应的影响(图4)。坠落式破坏方式在研究区内可能发生的危岩有10个(W02、W03、W06、W08、W11、W13、W14、W15、W16、W17)。滑塌式破坏方式在区内可能发生的危岩有1个(W05)。区内可能产生倾倒式破坏的危岩统计有6个(W01、W04、W07、W09、W10、W12)。在整个研究区内还主要受到岩体链式反应影响的危岩主要为W03、W05、W06 、W07、W08、W09、W10、W11、W12、W13、W14、W15、W16、W17，在后续防治过程中应引起重视。

图3 危岩破坏失稳的3种模式Fig.3 Three damage and failure modes of perilous rock

图4 危岩破坏链式反应Fig.4 Chain reaction diagram of perilous rock damage

2.3 危岩形成的影响因素

当组成陡崖斜坡的岩性不同或岩性组合不同时，斜坡变形破坏形式有较大的差异。从岩体结构控制论的观点来看，岩体结构节理面是控制斜坡变形破坏的最主要因素之一。针对创新计算机学校危岩带的危岩体(岩层倾角不大且为反倾向)，两组节理共同作用于岩体，致使岩体被切割得较为破碎，节理面成为控制变形破坏的主要结构面。

危岩变形破坏的成因是多种多样的，斜坡本身的物质成分和岩性组合不同，结构面性质及空间发育规律不同，其变形破坏模式也不同，这是危岩产生变形的内在因素。通过分析，认为创新计算机学校危岩的主要影响因素有以下几个方面。

2.3.1 临空面

受褶皱地质构造影响，研究区域处于单斜构造，在地貌上即为丘陵区域，地形上存在着一定高差，为岩崩发育提供了良好的临空面，由于风化差异还形成两级陡崖，临空面导致卸荷裂隙生成，成为一组主要结构面。

2.3.2 构造节理

研究区位于珍溪场向斜南西翼，在该区域内由于地壳褶皱挤压作用，上部岩层受到张拉，易形成拉张裂隙，下部挤压，内应力增大，陡崖形成卸荷后，下部岩层易挤压破碎，致使节理裂隙密度大，延伸长，切入深，使岩体较破碎松散。

2.3.3 岩性组合特征

研究区内主要出露的基岩为侏罗系下统自流井组砂、泥(页)岩，砂岩呈中厚～厚层状，在第一级危岩带中砂岩与泥(页)岩互层，泥(页)岩主要以多层薄层状为主。由于砂岩岩质较硬，泥岩(页)岩质软，泥(页)岩易风化等因素的影响，在上部砂岩重力作用下，夹层泥(页)岩处多形成凹岩腔，此种岩体组合最易形成岩体崩落掉块。

第二级危岩岩性以砂岩为主，由于陡崖裂隙发育，在卸荷作用下，陡崖底部砂岩崩落形成岩腔，顶部形成凸出的危岩体，危岩破坏以坠落式为主。

2.3.4 大气降水

本区降水丰富，尤其是在高差较大地区，气流抬升山顶易成云雾致雨。暴雨袭击、雨水下渗入裂隙，不仅产生动静水压力等外加荷载，而且降低结构面的物理力学性能，软化泥(页)岩，成为岩体发生位移的润滑剂和膨松剂，是直接导致岩崩的重要原因。

2.3.5 生物作用

本区陡崖顶和裂缝处植被发育，多为灌木，由于裂隙处往往被黏土充填，植被常沿裂隙生长，植物的根劈以及生物腐蚀作用都会使裂隙发育加剧，风化剥落，逐渐形成危岩。

2.3.6 人类工程活动

该区域存在的直接作用于危岩体上及对危岩体造成间接作用的人类工程活动主要有3部分：① 第二级危岩顶部村道及房屋修建对危岩顶部荷载有一定影响，并加速了危岩顶部卸荷裂隙的发育；② 学校在第一级台阶陡崖及下部边坡种植植被与部分陡崖基脚浆砌片石进行的砌筑活动；③ 在山坡坡脚处的学校用地范围内学校修建两级浆砌条石挡墙及道路与操场等构筑物，在陡崖底部斜坡开挖对陡崖中危岩发育起到了促进作用。

2.4 危岩形成机制分析

根据岩体的破坏理论，该崩塌区的危岩体是由于斜坡体位于高地势，岩体长期处于卸荷回弹状态，在陡崖顶部产生拉应力，沿构造结构面产生卸荷裂隙；而在陡崖中间分阶处及底部产生压应力集中，两方面应力的作用结果，致使岩体遭受破坏。

区内的危岩岩性主要为砂岩及泥(页)岩，基座泥(页)岩为薄层～中厚层状，泥(页)岩因其抗压强度相对较小、遇水易软化、易风化等特性，故为该危岩带的软弱基座，且破碎松脱之后形成凹岩腔，在砂岩层间裂隙、结构裂隙和卸荷裂隙的共同作用下，致使凹岩腔局部发育较深较高，从而进一步影响上部危岩体的稳定性。

研究区的两级陡崖延伸方向近于平行。陡崖倾向180°～200°，陡崖倾角约53°～80°，发育两组构造裂隙，即第①组123°∠80°、第②组223°∠81°。第②组为外倾裂隙，通过对陡崖带顶部及陡崖岩体调查并利用极射赤平投影分析可知：陡崖带坡向与第②组裂隙顺向外倾，陡崖坡向与第①组裂隙及岩层产状切向相交，陡崖带稳定性受裂隙②的外倾影响。陡崖存在顺向结构面，大部分结构面并不临空，陡崖整体稳定，但局部顺向临空陡崖形成危岩，危岩体可能出现失稳，现状属于欠稳定至基本稳定。

在现有危岩体中，危岩多数岩体变形均为坠落破坏，分析陡崖岩体目前整体稳定，受结构面及差异风化的影响，局部处于变形破坏阶段。

在变形破坏阶段，要分析危岩体的稳定性，关键是掌握裂隙的空间组合特征，现阶段多数坠落型危岩体由于凹岩腔已形成，且后缘卸荷裂隙多贯通且较深，大多数的稳定性较低，现状多处于欠稳定至基本稳定状态；其余滑移型及倾倒型危岩体由于其变形破坏条件已成熟，在受强降雨及地震的影响下危岩体易破坏崩塌，处于欠稳定至基本稳定状态。

通过对危岩顶部及底部岩腔的调查发现，虽然危岩体岩腔与顶部突出块体体积较小，但由于危岩顶部后缘裂隙发育，裂隙间距小，切割深度较深，且多数岩腔内受裂隙切割充分，故在现有块体崩落后会形成新的危岩体，危岩块体破坏模式属于链式破坏，危岩岩体实际需要治理体积远大于现有调查出现危岩岩体体积，应根据危岩带顶部后缘裂隙最大宽度与危岩体卸荷裂隙切割深度控制危岩块体崩落体量。

研究表明，对于坠落式的危岩单体，由于大多裂缝发育深度较深，且底部凹岩腔已具一定规模，呈现深且高的形态，对该类危岩体的稳定性影响极大，在不利工况的情况下，该类危岩体极易发生坠落式的崩塌破坏。对于滑移式的危岩单体，虽然后缘裂缝发育多贯通，但由于陡崖呈现切向坡的形态，其底部接触面的倾角较缓，其下滑力较抗滑力多数小得多，目前绝大多数该类危岩体能保持稳定，但由于底座多为薄层泥(页)岩，在未来的几年内泥(页)岩的风化脱落会很明显，底部凹岩腔进一步发育，会造成该类危岩体由滑移式向倾倒式发育破坏。对于倾倒式危岩单体，目前能在天然工况下保持较好的稳定性，但在不利工况下危岩体可能会出现失稳破坏，该类危岩体目前底部凹岩腔也处于继续发育的一个态势，且由于岩体的风化速度较快，凹岩腔进一步发育加深加高，故该类危岩在不利工况下均处于欠稳定状态。

推测创新计算机学校危岩体落石运动形式应为复合式，包含坠落、滑移、滚动及滑动等形式，其运动形式与山坡坡度关系密切，参考相关研究资料，可将引起危岩运动形式变化的边坡形态分成3种代表性的地带：① 自由坠落地带，边坡坡度角60°～90°，本崩塌代表坡面长度约15 m(分别位于第二级危岩下坡地与第一级危岩下部计算机学校)；② 加速运动地带，山坡坡度角度30°～60°之间，本崩塌代表坡面长度20～40 m；③ 减速运动地带山坡坡度小于30°，本危岩代表剖面至威胁对象距离为95～280 m。

3 危岩治理措施

依据DB 50/143—2003《重庆市地质灾害防治工程勘察规范》及相关规范，重庆市涪陵区创新计算机学校危岩地质环境复杂等级为中等复杂，根据致灾地质体成灾后可能造成的损失大小和危害对象重要性，危岩的地质灾害防治工程等级确定为2级。根据本工程特点，危岩采取“人工清方+点锚+挂网喷浆+主动防护网”的治理方案。治理工程于2014年9月实施，已经历2个水文年考验，如图5。

图5 危岩治理后照片Fig.5 Photos of perilous rock after governance

3.1 危岩清除

对于危岩带范围内W1～W17危岩单体，表部约1～3 m厚的岩体已松动解体或接近脱离母岩或仅局部支撑，大多呈单个散体状，这些单个松散体在自身重力下，随时都有可能向下坠落或向低处倾倒，应将表部极破碎岩体进行清除，清除的标准按后缘陡倾结构面张开度大于5 cm、连通率大于80%、长度大于5 m的结构面进行控制。危岩清除前应在坡底设临时拦石排架等拦截设施，以防止因施工引起的落石及未发现的或新发育的危岩体沿坡面滚落威胁创新计算机学校安全。危岩清除采用人工静态清除，清除顺序为由上至下，由外至内，清除过程中利用人工及适当的电动工具将危岩体切割为不大于0.2 m3的单体或条石，由安全路径运出，禁止沿坡面抛下，测算出清方量约465 m3。除17块主要危岩单体外，陡崖壁存在零散小块体，在清除以上危岩时应适当扩大清除范围以确保彻底清除危岩(含孤石)。

3.2 点 锚

经稳定性判定，除W5危岩外，其余各危岩单体范围内应设置锚固工程。锚墩水平间距2 m，竖向间距2.5 m，采用C30钢筋混凝土，锚固段采用M30砂浆注浆，锚杆倾角为20°，锚孔直径90 mm，采用1根25 mm(HRB400)锚筋，锚固段应穿过外倾裂隙面不少于2 m。锚杆长4～7 m不等，共设置锚杆283根。

对倾倒式危岩W5范围内设置锚固工程，锚墩水平间距2 m，竖向间距2 m，采用C30钢筋混凝土，锚固段采用M30砂浆注浆，锚杆倾角为20°，锚孔直径110 mm，采用2根28 mm(HRB400)锚筋，锚固段应穿过外倾裂隙面不少于3 m。锚杆长5.5～6.5 m不等，共设置锚杆32根。

3.3 挂网喷浆

对于第一级陡崖带下方部分校园公路边裸露岩壁、第一级陡崖带和第二级陡崖带W10、W12危岩体存在的泥岩夹层进行喷射素砼封闭处理。按GB 50330—2002《建筑边坡工程技术规范》中岩石锚喷支护构造要求设计，挂网喷浆采用φ90锚钉，钢筋采用1φ22，全黏结锚杆，长度为3 m，入射角为20°，间距2.0 m×2.0 m，梅花型布置，喷射砼采用C25混凝土，厚度为100 mm。另外，在挂网喷浆前，需对坡面破碎岩体进行清除，清方量约1 000 m3。

3.4 主动防护网

第二级陡崖表面松动岩块进行人工清除后，在该陡崖设置主动防护网进行坡面整体防护。将防护范围适当向外扩展，防护网沿陡崖走向方向设置长度约300 m，上边界至陡崖顶部，下边界设置于陡崖下部高程300.53～347.21 m一带，左边界为W17危岩单体以西37 m处，右边界为W7危岩单体以东25 m处，布设GPS2型主动防护网面积约2 336 m3。主动防护网选用GPS2型主动防护网，除能有效防止岩体掉块以外，还能起到防止局部滑塌的作用，该防护网系统锚杆可与陡崖锚固的锚杆结合装载，可加强主动防护网防护能力。采用GPS2型纵横交错的φ16横向支撑绳和φ12纵向支撑绳，采用2.5 m×3 m及3 m×4 m矩形模式防护网防护，布置的钢丝绳锚杆相连接并进行预张拉，支撑绳构成的每个2.5 m×3 m或3 m×4 m挂网单元内铺设一张DO/08/300/2.5×3 m或3 m×4 m型钢丝绳网，每张钢丝绳网与四周支撑绳间用缝合绳缝合连接并拉紧。该预张拉工艺的优点是使系统对坡面施以一定的法向预紧压力，从而提高表层岩土体的稳定性，尽可能地限制表层岩土体在一定的空间内运动，同时，在钢绳网下铺设小网孔的SO/2.2/50型格栅网，以阻止小尺寸岩块的崩落或限制局部岩土体的破坏。

3.5 效果监测

治理工程完成后，开展运行效果监测，并且根据监测资料分析危岩体所处状态，提出险情预告，及时采取必要的措施。该治理工程建成运行2年来，该危岩带未出现变形现象，稳定安全，发挥了良好作用。

4 结 语

创新计算机学校危岩位于学校北侧的两级陡崖带，陡崖下部局部发育有岩腔，危岩体落石运动形式包含坠落、滑塌、倾倒等形式，也有链式反应的影响。由于差异风化，凹岩腔进一步发育，裂隙扩大，危岩稳定性极差，在不利工况下处于欠稳定状态。随着降雨的冲刷和地下水位变幅的影响，软弱基座差异性风化进一步发展，崖腔进一步扩大，裂隙逐渐连续贯通，危岩体将失去稳定产生崩塌，直接威胁学校4 000余名师生安全。因此，对危岩采取“人工清方+点锚+挂网喷浆+主动防护网”的综合治理措施进行治理，是非常必要和可行的。通过2个水文年的监测显示，该治理工程在经历汛期降雨考验后，各监测点都是稳定的，危岩整治效果明显，保护了广大师生和村民安全，治理工程发挥了重要作用。

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(责任编辑：谭绪凯)

Formation Mechanism and Control Technology of Typical Perilous Rock in Three Gorges Reservoir Area

XU Jiamei

(Geological Environment Monitoring Station of Fuling District，Fuling 408099，Chongqing，P. R. China)

Perilous rock is a kind of common geological disaster with great harm，which is widely distributed in the Three Gorges Reservoir area.The basic features，the damage ways and the formation mechanism of typical perilous rock were studied.It was pointed out that there were three damage types，including falling type，sliding type and dumping type；and the chain reaction had influence on the damage modes of perilous rock.There was a great difference on the strength and weathering resistance between sandstone and mudstone (shale).The mudstone (shale) was easy to become a weak base because of its low strength，its easiness to be softened and weathered.Therefore，the mudstone (shale) became concave rock cavity because it was shattered and loosened；and the upper sandstone became perilous rock.The research shows that based on the correct analysis on the formation mechanism of perilous rock，the “artificial removing + point anchoring + suspended spray anchor + active protective net” technology is adopted to control the perilous rock in such areas，and the effect is obvious.

geotechnical engineering；perilous rock；formation mechanism；governance

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.08.13

2015-11-07；

2016-05-23

重庆市国土资源和房屋管理局2013年地质灾害防治项目(渝国土房管〔2012〕355号文批准)

许家美(1969—)，男，重庆垫江人，教授级高工，主要从事地质灾害防治和工程地质方面的研究。E-mail：xjm6666@163.com。

X43；TU94+3.2

A

1674-0696(2017)08-070-06