庞伟军，高 剑，焦海平，张雄伟

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000； 2.中国铁路兰州局集团有限公司中卫工务段，宁夏 中卫 755000)

危岩是指发育于陡崖或陡坡上由结构面切割且稳定性差的岩石块体及其组合，产生过程具有发育渐进性和失稳突变性[1-3]。软弱基座型危岩是危岩崩塌的最常见类型[4]，成因机制为下伏软层的压缩、塑性挤出、滑移等诱发顶部硬质岩的崩塌破坏，通常变形规模大，灾害性强。

目前，针对软弱基座危岩体已有较多的研究成果。如黄润秋[5]从应力和变形的角度提出了缓倾软弱基座型斜坡具有蠕滑-拉裂-剪断的三段式破坏模式；唐红梅等[6]从力学的角度研究了软弱基座式危岩崩塌序列和简化单体危岩的崩塌机理，验证了危岩链式发育规律；兰志勇等[7]采用数值和模型相结合的方法分析了某斜坡坡体内应力、变形分布特征和发展过程，认为缓倾内具软弱基座的斜坡变形破坏机制表现为压缩-拉裂-剪断三段式；周新等以重庆甄子岩为例，认为基座岩体的压缩流变和剪切流变是引发危岩体滑移垮塌的主要原因；黄达等[8]通过巫山县望霞危岩的研究，提出该软弱基座危岩变形失稳过程可分为稳定、累积损伤、座落及折断四个阶段等等。

山西S331省道在沁水县境内多沿县河、沁河河谷布设，沿线上硬下软和软硬互层结构岩质边坡大量分布，为软弱基座型危岩崩塌的孕育产生奠定了良好的地质条件和变形依附体，发育数量多，规模体积大，危害程度高，给线路的维护和行车安全造成了长期性影响和威胁。本文借助既有研究成果，以沁水S331省道某边坡典型的软弱基座型危岩崩塌为例，分析病害发育过程、破坏模式、成因机制及发展趋势等，提出合理有效的针对性防治措施，为沿线类似危岩体的正确认识和工程治理提供参考。

1 研究区工程地质概况

研究区位于山西省晋城市沁水县东部县河河谷区，处于沁水凹陷核部地带，地貌形态以侵蚀性中低山和堆积河谷平地为主。区内地层岩性主要为二叠系中统(P2)砂、泥岩及互层，在河谷区上覆厚度较大的卵砾石层。区域岩层基本呈水平状，但经构造挤压作用，岩体内发育两组大角度相交的竖向优势结构面，连续贯通性较好，切割岩体呈块体状。S331省道在区内多布设于县河左岸山体斜坡脚，受地形条件控制和开挖影响，于线路内侧形成长距离、大段落的路堑边坡体，坡度多70°以上，高度10 m～50 m不等。坡顶自然斜坡平均坡度20°左右，坡面植被茂密。

研究危岩体发育边坡紧邻县河河岸分布，平面上沿道路呈北东-南西向展布，长度约125 m。坡体开挖高度18 m～22 m之间，坡度75°～90°，坡面平整度较差，反坡、陡坎、凹槽等大量发育(见图1)，坡脚于泥岩顶部可见空腔，最大深度0.5 m。

该边坡为典型的上硬下软结构岩质边坡体(见图2)。上部二叠系中统砂岩为边坡的主要物质组成体，岩层水平状分布，中厚～厚层，中风化为主，岩体质较硬。岩体内发育两组优势结构面：1)N65°E∠NW84°，连续贯通，微张，面理较粗糙，局部泥质充填，间距0.2 m～0.5 m；2)N45°W∠⊥，连续贯通，面理较平整，闭合状，局部张开，间距0.2 m～1.5 m。受结构面切割，砂岩整体较破碎，呈块体状和镶嵌碎块石状。下部泥岩在坡脚呈条带状出露，可见厚度2.0 m～3.5 m不等，薄～中厚层，风化强烈，岩体质软，浅表层风化为碎裂、散体状。泥岩顶部与砂岩接触带发育数处溪流状渗水泉眼，渗水量受降雨明显控制，旱季多为干涸状。

2 危岩发育特征

长期以来，研究段边坡块状岩体的错断掉块和镶嵌碎块石状岩体的错落坍塌变形时常发生，虽单次变形规模、体积较小，但变形破坏频率较高，每年雨季均产生数次的危岩落石和崩塌。2020年8月份，受沁水地区连续强降雨影响，研究区S331省道再次发育产生多处边坡危岩险情，其中以研究段路堑边坡的危岩变形和破坏最为严重，造成区间交通中断数日，危岩潜在变形规模快速扩大，对道路行车安全形成了严重威胁和隐患。

踏勘调查，本次研究段边坡危岩的发育变形特征主要体现在三个方面：

1)危岩的崩塌变形：以图2中平行坡面的贯通裂隙为后部控制界面，在垂直于坡面的节理切割下，坡面被分割岩体孕育产生多处崩塌破坏，破坏模式以错落坍塌和倾倒为主(见图3)。变形危岩体厚度1 m～3 m不等，高度多贯穿整个坡面，平行道路宽度5 m～15 m之间，整体变形规模差异较大，最大方量达500 m3。变形体直接冲击、压埋线路，导致交通严重受阻。

2)母岩的卸荷变形：表现为坡体基岩内平行坡面向的节理裂隙的进一步拉张和延伸贯通，在危岩体崩塌侧界反映最为明显。裂隙连续贯通性较好，具一定量的张开度，泥质充填较少，多具上宽下窄、外宽内窄特征。顺延已破坏危岩体后部界面的裂隙张开量最大，可见宽度5 cm以上，且上下全部贯通，为坡体危岩的潜在破坏变形提供了有利的边界控制条件。

3)软化压缩变形：发育在边坡坡脚泥岩中。因长期裸露，岩体风化严重，破碎程度高，质较软，连续强降雨期在顶部基岩裂隙水的大量下渗下，泥岩被进一步软化，并随上部卸荷裂隙控制危岩体的重压而产生压缩变形。现场在岩体接触带可见较明显的软弱泥岩挤出和泥岩坡面的剪错滑移，但变形规模和程度较小，且呈不连续状分布。

3 危岩成因机制

3.1 危岩变形原因分析

3.1.1 内部地质条件

研究段路堑边坡处于县河左岸中低山区，经省道的开挖修建，道路内侧边坡高陡，地势差明显，满足危岩体产生的依附和动力条件。地质岩层方面，研究段边坡为典型的上硬下软结构岩质坡体，其上部砂岩质地坚硬，自稳性能良好，适宜于岩体变形能量的积累和突然释放，是控制危岩体孕育、变形及破坏的良好载体[9-10]；下部泥岩质地较软，易风化、软化并产生压缩变形，进而引发上部砂岩卸荷变形的持续产生和变形能量的逐步积累，形成了危岩体从孕育形成到变形破坏的全过程直接导火索。地质构造方面，边坡岩层整体近水平，利于坡体的稳定。但受构造挤压作用，岩体内发育了两组大角度相交优势结构面，其中一组与边坡面近平行，顺坡向切割岩体呈陡倾层状，直接将危岩与母岩逐层分离，另一组与边坡面近垂直，横向切割岩体呈条带状，为危岩体的产生提供了充分边界条件。因此，在地质背景条件的内部作用下，坡体危岩的孕育产生是一种必然结果。

3.1.2 外部诱发因子

1)风化作用：以雨水的浸泡、软化和冲蚀风化为主，为长期的渐进性地质作用。

a.坡体砂岩节理裂隙发育，利于雨水的下渗和径流，经长期循环浸水，岩体结构面的力学强度逐渐损伤，特性从闭合结构面逐渐发展为贯通裂隙，并伴随雨水携带泥质成分的充填和润滑，最终因结构面强度的损失引发坡体块状岩体的错落坍塌。该作用诱发的危岩体规模通常较小，但具高频特征。

b.因砂岩节理的导水作用，坡脚泥岩被雨水浸泡时间普遍较长，加之其成岩性较差，泥岩的软化和流失速度明显快于砂岩。这种差异风化一方面在软、硬岩接触带形成了空腔，造成泥岩受力面积减小，应力集中，另一方面加速了泥岩的压缩变形，导致砂岩卸荷，裂隙扩展，岩块进一步松动，最终诱发危岩体的产生。该作用诱发的危岩体规模相对较大，具高频特征。

2)降雨作用：研究段边坡危岩体的孕灾过程中，降雨作用一般情况体现为对风化作用的促进和加速，强降雨时转化为直接诱发因素，以触发危岩的突变破坏。如2020年8月份，连续数次的强降雨过程中，大量雨水沿卸荷裂隙下渗，在砂岩裂隙内形成短暂静、动水压力，并软化润滑结构面，同时坡脚泥岩软弱基座因浸泡快速软化，产生过大压缩变形，进而引起块状砂岩的支撑力减弱和快速卸荷，最终在结构面力学损伤、裂隙水压力等共同作用下诱发了危岩体的大规模、大体积突变性错落坍塌和倾倒变形。结合危岩破坏实际情况，降雨下渗→软岩软化→软岩压缩变形(支撑力减弱)→硬岩卸荷坍塌是本次危岩孕育产生的主导过程。

3.2 数值模型分析

以图2典型断面为例，采用Plaxis-2D有限元软件进行建模和数值分析。模型中对岩层面等厚度简化后采用界面单元进行模拟，竖向张开卸荷裂隙采用接触单元进行模拟，共划分单元6 232个，计算节点51 586 个。计算参数取值及模拟结果如表1所示。

表1 岩体计算参数

图4(a)反映出，坡体的变形以坡脚泥岩为核心向四周呈递减状态发育，在泥-砂岩接触面具明显的突变特征。坡脚泥岩产生了较大的压缩变形，向坡内2 m～3 m深度内变形量最大。坡面砂岩的变形以贯通裂隙为界同样具突变特征，裂隙分割危岩的变形量明显大于裂隙内部岩体。因节理裂隙连续贯通性较差，裂隙内部岩体变形量在逐渐减小的情况下突变迹象不明显。图4(b)反映出，贯通裂隙切割控制的危岩块体具明显的整体性下错变形，与图4(a)相同在裂隙界面处产生了位移突变。坡脚软弱泥岩在对应危岩的接触面出现了与危岩下错量相同的压缩变形，其他岩体变形量不明显。图4(c)反映出，坡脚泥岩在浅表层2 m～3 m深度内产生了大量的弹塑性点，即产生了明显的弹塑性变形，这与图4(a)中泥岩的变形分布具相似特征。砂岩中弹塑性点主要沿裂隙分布，表明该裂隙是目前危岩变形的主要切割界面及变形依附面。

综合分析，在现状坡体结构条件下，边坡模型的变形主要以坡脚泥岩的压缩、剪错滑移和坡面贯通裂隙分割的危岩体的下错坍塌为主，且泥岩的压缩、剪错变形是边坡危岩体突变破坏的充分条件。同时，坡体危岩的发育基本以既有贯通裂隙为切割界限，在裂隙内部暂未产生明显的危岩变形体。该种结果与现场实际情况基本一致。

3.3 危岩变形发展趋势

结合坡体既有变形特征和数值分析结果，研究段边坡危岩体的变形破坏具明显的间断性循环发展特征，即坡脚泥岩不断软化压缩，顶部砂岩浅层顺坡向结构面逐渐张开延伸，至结构面全部贯通且泥岩经软化压缩而无法支撑砂岩重压时，坡体产生的浅层结构面控制的危岩崩塌便为研究段边坡危岩变形破坏的一个循环体。因危岩体破坏后，内部危岩体的孕育产生需经历结构面的卸荷张开→降雨的下渗软化→软岩的压缩变形→结构面的拉裂贯通，其发展过程表现出了明显的间断性。调查与访问，危岩体循环变形厚度通常处于0.5 m～2.5 m之间，主要受坡体顺坡向结构面发育程度和连续贯通性的控制，连续性好、贯通性强的节理面优先发展为循环危岩体的背部分割裂隙。循环间隔时间具不确定性。

因此，在既有地质条件基础上，研究段边坡产生大厚度、大规模岩体变形破坏的可能性小。经不断风化和连续降雨的诱发作用，研究边坡的变形主要以危岩体的形式逐层向坡体深部循环发展，每循环危岩体的孕育产生机理、变形破坏模式、变形体积规模具相似特性。

4 防治措施

针对危岩体变形发育特征和形成机制，采用“坡脚支挡+坡面防护”为主的综合治理措施(如图5所示)对研究段边坡进行加固处理。主要措施布置为：

1)危岩清理：对坡面松动危石和切割裂隙全部贯通的危岩体进行人工清除。

2)护脚墙：沿坡脚泥岩出露带布设一道C25混凝土护脚墙。墙体高度以覆盖全部泥岩面为宜，基础埋深1.5 m，顶宽0.5 m～1.0 m，底宽0.9 m～1.8 m(具体根据墙体斜高度调整)，面坡坡率1∶0.3，背坡坡率1∶0.2。墙身设两排φ10 cm的PVC泄水管，梅花形布置，间距2.0 m，底排出水口高出路面0.5 m。同时，护脚墙实施前对泥岩顶部的全部空腔进行排查，对体积较大者采用浆砌石进行嵌补，对体积较小者采用罐、压浆的方式处理。

3)SNS主动防护网。于危岩体发育边坡面布设SNS主动防护网，网体采用3 m长全黏结性锚杆锚固，以达到同时加固浅层危岩体的目的，在潜在危岩体发育明显、规模较大区锚杆长度增加至6 m。锚杆的立面布设以梅花形为主。

4)裂缝灌注。排查危岩发育边坡坡顶裂缝，在主体防护工程实施完成后，对明显卸荷裂隙进行灌浆处理，浆液采用水灰比(质量比)0.5的水泥砂浆。

5 结语

1)研究段边坡为典型的上硬下软结构岩质坡体，中上部硬质砂岩发育垂直坡面和平行坡面两组陡倾角优势节理面，且受其切割影响，岩体具块状分布和平行坡面层层分布的基本特征，底部泥岩质较软，雨水易软化，风化速度快，差异风化明显。加之显著的地势差，该边坡为软弱基座型危岩体的孕育产生奠定了有利的地质条件，坡体危岩体的变形破坏成了地质过程中的必然结果。

2)差异风化和裂隙渗水软化是边坡危岩体产生的主要诱发因素。受其影响，研究段边坡危岩体的变形破坏具明显的间断性循环发展特征，循环体变形厚度处于0.5 m～2.5 m之间，主要受坡体平行坡向结构面发育程度和连续贯通性的控制，循环间隔时间具不确定性。

3)每循环危岩体的变形主要体现在底部软岩的压缩变形、顶部硬岩的坍塌变形和后部母岩的卸荷变形三个方面，其孕育产生机理、变形破坏模式、变形体积规模具相似特性。

4)降雨下渗→软岩软化→软岩压缩变形→硬岩卸荷坍塌是危岩孕育产生的主导过程，软质泥岩的压缩、剪错变形是危岩体突变破坏的充分条件。

5)采用“坡脚软岩支挡、坡面危岩挂网锚固为主，危岩清理、灌缝、排水相结合”的综合措施可有效加固坡体危岩。

6)经诱发因素长期作用，研究边坡危岩体逐层向坡体深部循环发展的趋势明显，对研究边坡和类似性质边坡危岩体可采用(4)的加固措施及时处理，以保障坡体的基本稳定和线路的通畅安全运营。