贵州普安县蜂子岩组危岩稳定性分析.pdf

2023年第42 卷第4期511 518 页云南地质CN53-1041/PISSN1004-1885贵州普安县蜂子岩组危岩稳定性分析王宏青（贵州省有色金属和核工业地质勘查局五总队，贵州安顺56 10 0 0）摘要：本文对普安县小山坡村蜂子岩组后侧山体破碎发育的危岩体发展变化趋势进行预测分析，结合变形破坏模式，采用赤平投影定性分析与定量计算相结合方法分析研究区危岩体稳定性，天然工况下4处危岩体处于基本稳定到稳定状态，暴雨工况下为欠稳定到失稳破坏状态。根据危岩体基本特征，推荐采用被动防护网工程防治方案。关键词：危岩稳定性；赤平投影分析；治理措施；蜂子岩组危岩；贵州普安县中国分类号：P642.21危岩指被结构面切割，在陡崖或陡坡上稳定性较差的岩石块体，是山丘地区主要的地质灾害之二 。危岩其存在位置隐蔽，破坏具有突发性，致灾后果严重，引起众多学者关注，并从多种角度和多个学科分析 2-8 。分别运用断裂力学，通过现场试验建立崩塌地质灾害评判模型，应用灰色系统理论提出危岩块体稳定性的灰色聚类评价方法等多种手段，从不同方面研究边坡中拉应力和岩洞发育深度对不同风化危岩形成和破坏的影响，滚石质量、形状及斜坡长度等多个因素对滚石运动特征影响等。贵州普安县兴中镇小山坡村蜂子岩组危岩。近年该隐患点经常发生零星掉块，对陡崖下方蜂子岩组居民生命财产安全构成严重威胁。本文分析了危岩特征和地质环境等，重点对危岩体稳定性分析，提出相应的防治措施建议。1危岩区地质环境条件小山坡村蜂子岩组危岩分布于蜂子岩山体中部及顶部，坡度大于45，植被发育较差，基岩裸露。崩塌、掉块形成古崩塌堆积体使坡面凹凸不平。受地形和块石本身薄板形状控制，块石崩落后沿坡体滑落，运移距离短，大部分停滞于陡崖下方农户房屋上方缓坡处，为0.2 m6 m块石。区内陡崖地段危岩体发育，偶尔发生崩塌；陡斜坡地段，由于坡度大，崩塌不良地质现象发育。危岩区年平均降雨量1443.0 mm，年最大和最小降雨量分别18 41.3 mm、9 9 5.6 m m，日最大降雨量146.7mm，时最大降雨量3 8.7 mm，降雨主要集中于6 月至8 月，占全年降雨量8 2%，常出现大暴雨和特大暴雨，并伴有冰和大风；河流切割深，河道低，落差大，暴涨暴落具山区雨源河流特点。危岩区主要出露石炭系中统黄龙组（C,h）灰色、深灰色厚层状灰岩。微风化-中风化，岩溶裂隙、风化裂隙发育，易形成陡崖，陡壁在自重应力和地震作用下，底部强度较低的岩石压碎，顶部形成张拉裂缝，遭受雨水冲刷和掏蚀后，陡壁底部发展成岩腔，加大了上部岩体临空面，在风化应力、暴雨、地震及植物根劈作用下常发生小型崩塌、掉块。2危岩体基本特征蜂子岩组危岩带平面呈现条带状分布。后缘高程17 7 1m，前缘高程17 3 1m，相对高差40 m，地形坡度大于45，局部近于直立，坡度较陡。危岩母体为石炭系中统黄龙组（Czh）灰岩，产状2 10 乙48，斜交坡；危岩带主崩方向8 1，相对崖底高度约8 3 m，属小型高位危岩。危岩群共2 处危岩带，包含4收稿日期：2 0 2 3-6-2 1作者简介：王宏青（19 9 3），女，云南保山市人，助理工程师；从事水工环地质调查工作。文献标志码：A文章编号：10 0 4-18 8 5（2 0 2 3）4-511-8512个危岩单体及零星危岩单体组成，见图1。（1）WY 1危岩体：长约1.9 m，宽约1.8 m，厚约0.8m，分布高程17 18 m1722m。主崩方向8 5，主要裂隙2组：组：3 0 7 Z81，裂隙贯通长1.0 m2.0m，裂隙间距0.2 m0.5m，碎石或泥质充填；组：40/3 2，裂隙贯通长4.0 m6.0m，裂隙间距约2.0 m3.0m，块碎石或泥质充填（卸荷裂隙），前缘无临空。（2）WY 2 危岩体：长约1.7 m，宽约1.5m，厚约1.3m，分布高程17 42 m1756m，相对高差10 m，地形坡度陡，局部近于直立。主崩方向8 7，危岩体节理发育，节理及层面切割岩体，将危岩体切割成菱形碎块状，见两组裂缝，组：9 6 42，宽5cm15cm，长约13 m，贯通危岩体后缘，延深10 m，为卸荷裂缝；组：19 7 乙8 9，网状裂缝，宽1cm5c m，控制块体大小，危岩体所处地段地形坡度9 0，为陡崖，最大崩落高度7 2 m，该危岩体崩塌方式为零星掉块，部分前缘临空。（3）WY 3 危岩体：长约2.1m，宽约1.5m，厚约1.0 m，分布高程为17 3 8 m1750m，主崩方向89，危岩体节理发育，节理及层面切割岩体，将危岩体切割成菱形碎块状，见两组裂缝，组：6 3 L37，裂隙宽度1cm5cm；组：16 8 Z60，裂隙宽度3 cm6cm。（4）WY 4危岩体：长约2.7 m，宽约1.2 m，厚约0.9 m，分布高程为17 2 6 m1738m，主崩方向89，危岩体节理发育，见三组裂缝，组：47 Z72，裂隙宽度2 cm4cm，泥质充填，2 条 4条/m，延伸长度3 m7m；组：2 9 2/7 7，裂隙宽度5cm8cm，泥质充填，2 条 5条/m，延伸长度15m20m；组：16 8 7 0，裂隙宽度2 cm6cm。该危岩体崩塌方式为零星掉块。3危岩体稳定性评价3.1危岩稳定性定性分析通过现场调查及结合崩塌区工程地质条件，对其稳定条件逐项分析：（1）岩层倾向与斜坡倾向153斜交，大角度相交，为斜交坡，整体稳定性较好；（2）卸荷带深度3 m5m，在坡体外凸部位卸荷强烈，卸荷裂隙虽在坡体局部凸出部位贯通性较好，张开度较大，但整体贯通性较差，整体稳定性较好；（3）构造裂隙发育弱，间距较大，延伸短，贯通性较差，缺乏控制边坡整体稳定性的大断层及软弱面，整体稳定性较好；（4）岩层为中厚层状灰岩，表层风化裂隙发育，较破碎，主要表现为零星掉块，大规模整体失稳的可能性小。通过赤平投影对4个危岩体进行分析：WY1属岩质滑移，前缘陡立，岩性为灰岩。从图2 看，危岩带处于基本稳定-欠稳定状态。坡面、岩层、裂隙、裂隙相交形成欠稳定区1个，基本稳定区1个，稳定区4个。对边坡稳定性最不利的因素是裂隙结构面，其与坡向夹角较小，倾角较大且小于坡面角，危岩带处于欠稳定状态，裂隙为危岩体的危险主控结构面，在地震及降雨作用下，危岩体较易向40 方向发生滑动；WY2属岩质崩塌，前缘陡立，岩性为灰岩。从图3 看，危岩带处于欠稳定-不稳定状态。坡面、岩层、裂隙、裂隙相交形成欠稳定区1个，不稳定区1个，稳定区4个。对边坡稳定性最不利的因素是裂隙结构面，其与坡向夹角小，倾角较大且小于坡面角，危岩带处于不稳定状态，裂隙为危岩体的危险主控结构面，在地震及降雨作用下，危岩体较易向9 6 方向发生滑动；WY3属岩质崩塌，前缘陡立，岩性为灰岩。从图4看，危岩带处于欠稳定状态。坡面、岩层、裂隙、裂隙相交形成欠稳定区2 个，稳定区4个。对边坡稳定性最不利的因素是裂隙、裂隙切割体，其与坡向夹角小，倾角较大且小于坡面角，切割体下滑力较大，危岩带处于不稳定状态，裂隙与裂隙为危岩体的危险主控结构面，在地震及降雨作用下，危岩体较易向9 2 方向发生崩塌；WY4属岩质滑移，前缘陡立，岩性为灰岩。从图5看，危岩带处于不稳定状态。坡面、岩层、裂隙、裂隙、裂隙相交云南地质图1研究区全景Fig 1.Panoramic View of The Research Area42卷第4期形成不稳定区1个，稳定区9 个。对边坡稳定性最不利的因素是裂隙、裂隙切割体，其与坡向夹角小，倾角较大且小于坡面角，危岩带处于不稳定状态，裂隙与裂隙为危岩体的危险主控结构面，在地震及降雨作用下，危岩体较易向10 9 方向发生崩塌。编号结构面名称倾向倾角P坡面8555C产状1121403213装好京2L4蒙京3171819组合交校线快赖向倾角P-C15328EP-12P-13C-12C-L312-13王宏青，贵州普安县蜂子岩组危岩稳定性分析N.221045307193030391244226443132513编号结构面名称倾向倾角P坡面C产状112L3145919组合交楼线向倾角P-C15014827P-12P-13C-12C-1312-13L355210459842219731085215122871310841S图2 WY1结构面赤平投影图Fig 2.Stereographic Projection of WY1Structural Plane鼓面产状210C456337216860LA718L9组合交棱线向倾角EP-CP-12P-13C-12C-L312-L3S图3 Wy2结构面赤平投影图Fig 3.Stereographic Projection ofWY2 Structural Plane编号结构面名称倾向倾角N855515316271204913422499编号结构面名称倾向倾角P披面产状121055C4512装障1L45L7组合交棱线购向倾鱼EP-12P-CP-13P-L4C-12C-13C-1412-1312-L4L3-L489477229277166701613383651430120611332152404135863109223L3S图4Wy3结构面赤平投影图Fig 4.Stereographic Projection ofWY3 Structural Plane3.2危岩稳定性定量分析岩体及结构面抗压、抗剪强度参数选取结合野外岩石试验成果，并参考岩石力学参数手册9 等标准和相关经验值取值，对于灰岩各项参数结合类比法修正后取值；各结构面根据地质构造，岩土体结构类型，节理裂隙与裂隙及结构面组合关系，张闭程度、延展性及贯通情况等，按各自特征选取代表性断面进行稳定性计算，选取最不利结构面计算，对可能发生崩塌类型，途径及危害程度预测。Tab 1.List of Stability Calculation Parameters for Dangerous Rock Mass天然重度饱和重度类别kN/m3灰岩25根据区内地质环境条件，天然工况按勘察期间状态计算，计算时考虑自重和现状裂隙水压力；暴雨工况按2 0 年一遇暴雨，并考虑危岩自重和暴雨时岩体饱和重度。根据周围地区勘察结果及经验和规范综合确定危岩物理力学参数（表1）。3.2.1计算模型确定危岩体稳定性计算及评价采用岩土工程勘察设计手册 10 相关计算方法，分别对各危岩体按最S图5Wy4结构面赤平投影图Fig 5.Stereographic Projection ofWY4Structural Plane表1危岩体稳定性计算参数一览表单轴抗压单轴抗拉kN/m强度(Mpa)25.236.1结构面内聚力（Kpa)强度(Mpa)天然1.160结构面内摩擦角饱和天然5027饱和24514不利单体（平均体积）计算。（1）滑移式危岩体计算（WY1、WY 4）图6、图7。1）计算模型静水压力图6 滑移式危岩稳定性计算示意图(后缘无陡倾裂隙)图7 滑移式危岩稳定性计算示意图(后缘有陡倾裂隙)Fig 6.Schematic Diagram for Stability CalculationFig 7.Schematic Diagram for Stability Calculationof Sliding Dangerous Rock(With No Steep Inclinedof Sliding Dangerous Rock(With Steep InclinedCracks at The Trailing Edge)Cracks at The Trailing Edge)2）计算公式后缘无陡倾裂隙（滑面较缓）时按下式计算：式中：V-裂隙水压力（kN/m），根据不同工况按第12.1.10 条规定计算；Q-地震力（kN/m）；F-危岩稳定性系数；c-后缘裂隙粘聚力标准值（kPB）；当裂隙未贯通时，取贯通段和未贯通段粘聚力标准值按长度加权的加权平均值，未贯通段粘聚力标准值取岩石粘聚力标准值的0.4倍；-后缘裂隙内摩擦角标准值（）；当裂隙未贯通时，取贯通段和未贯通段内摩擦角标准值按长度加权的加权平均值，未贯通段内摩擦角标准值取岩石内摩擦角标准值0.9 5倍；-滑面倾角（）；W-危岩体自重（kN/m）；后缘有陡倾裂隙、滑面缓倾时，滑移式危岩稳定性按下式计算，式中符号同前。（2）倾倒式危岩体计算（WY3）图8、图9。1）计算模型云南地质危岩后缘后缘裂隙地下水位危岩体Wcos8软弱结构面扬压加(Wco.0-Qsino-U)tgp+clK=Wsing+Qcoso(Weos0-Qsing-Vsing-U)tgp+c lK=Wsin+Qcoso+Vcosd42卷Wsin危岩前缘图8 倾到式危岩稳定性计算示意图（后缘抗拉强度控制）Fig 8.Schematic Diagram for Stability Calculationof Inclined Dangerous Rock(Trailing Edge Tensile2）计算公式危岩破坏由后缘岩体抗拉强度控制时，按下式计算：危岩体重心在倾覆点之外时：图9 倾倒式危岩稳定性计算示意图（底部抗拉强度控制）Fig 9.Schematic Diagram for Stability Calculationof Inclined Dangerous Rock(Bottom TensileStrength Control)Strength Control)第4期王宏青，贵州普安县蜂子岩组危岩稳定性分析1H2H2sin3sinKH-Wa+Qbo+Vsin3sinCOSOCOs(B5156cOs(B危岩体重心在倾覆点之内时：12K:Qb。+Vsin3sincOS式中：h-后缘裂隙深度（m）；h u-后缘裂隙充水高度（m）；H-后缘裂隙上端到未贯通段下端的垂直距离（m）；-危岩体重心到倾覆点的水平距离（m）；b-后缘裂隙未贯通段下端到倾覆点之间的水平距离（m）；h o-危岩体重心到倾覆点的垂直距离（m）；f i s-危岩体抗拉强度标准值（kPa），根据岩石抗拉强度标准值乘以0.4的折减系数确定：-危岩体与基座接触面倾角（），外倾时取正值，内倾时取负值；-后缘裂隙倾角（）。其它符号意义同前。当危岩的破坏由底部岩体抗拉强度控制时，按下式计算，式中各符号意义同前。Q b。+V33sin对于孤立具有缓倾软弱结构面的危岩体，后缘无裂隙水压力，其计算时要考虑风力作用，稳定性按下式计算：式中：F为风力，F=pS（Vs i n），p 为空气密度，标准状态下p=1.293kg/m，S为迎风面积，V为风速，计算时取v=10m/s，为风向与迎风面积间的夹角。（3）坠落式危岩计算（WY2）图10、图11。1）计算模型Hsin3sinH-fib2+WaK：2K(Q+F风)b。2H一万b+bcos).b?+Wa6cos(6cos(-)WaaaW图10 坠落式危岩稳定性计算示意图（后缘有陡倾裂隙）Fig 10.Schematic Diagram for Stability Calculationof Falling Dangerous Rock(With Steep InclinedCracks at The Trailing Edge)2）计算公式后缘有陡倾裂隙的悬挑式危岩按以下二式计算，稳定性系数取两种计算结果中的较小值：式中：-危岩抗弯力矩计算系数，依据潜在破坏面形态取值，一般取1/12 1/6，当潜在破坏面为矩形时可取1/6；o-危岩体重心到潜在破坏面的水平距离（m）；b o-危岩体重心到过潜在破坏面形心图11坠落式危岩稳定性计算示意图（后缘无陡倾裂隙）Fig 11.Schematic Diagram for StabilityCalculation of Falling Dangerous Rock(With No Steep Inclined Cracks at The Trailing Edge)c(H-h)-Qtg F=WF=S:fu(H-b)2Wa。+Q b。516的铅垂距离（m）；f i s-危岩体抗拉强度标准值（kPB），根据岩石抗拉强度标准值乘以0.2 0 的折减系数确定；c-危岩体粘聚力标准值（kPB）；-危岩体内摩擦角标准值（）。其它符号意义同前。对后缘无陡倾裂隙的悬挑式危岩按以下二式计算，稳定性系数取两种计算结果的较小值：式中：H。-危岩体后缘潜在破坏面高度【m】；f i s-危岩体抗拉强度标准值（kPB），根据岩石抗拉强度标准值乘以0.3 0 的折减系数确定；其它符号意义同前。3.2.2稳定性计算结果与分析根据地质灾害防治工程勘察规范（DB50/143-2019）112.2.14表14，区内各危岩体稳定性评价标准见表2。各危岩稳定系数计算结果及稳定性评价统计见表3。表2 危岩稳定状态评价标准Tab 2.Evaluation Criteria for Stable State of Dangerous Rocks危岩稳定状态危岩类型不稳定滑移式危岩F1.0倾倒式危岩F1.0坠落式危岩F1.0表3 危岩体稳定系数计算结果及稳定性评价Tab 3.Calculation Results and Stability Evaluation of The Stability Coefficient of Dangerous Rock Mass稳定性系数危岩体编号主要破坏模式稳定性系数WY1滑移式WY2坠落式WY3倾倒式WY4滑移式云南地质F=.Ho-Qig?F=5fH。2WWa。+Q bo欠稳定基本稳定1.00 F1.151.15 F1.2 1.00F1.251.25 F1.31.00F1.351.35 F1.4 天然工况状态1.27稳定1.43稳定1.29基本稳定1.16基本稳定42卷稳定F1.2F1.3F1.4暴雨工况稳定性系数状态1.12欠稳定1.23欠稳定1.16欠稳定1.05欠稳定3.3崩塌危岩破坏模式及运动计算根据RMSpang（19 7 8）研究成果，崩落体只有坡度角小于一定临界值（约2 7）时，才停积于崖脚，随坡度角增大，可分别表现为滑动、滚动、跳跃和自由崩落等方式，大部分或全部堆积于坡脚。区内危石崩落、运动的斜坡坡度区间值3 0 7 0，因此岩体在产生变形破坏后，其运动方式表现为滚动、跳跃方式向坡脚运动，最后堆积于坡脚缓坡地带，直接影响坡下居民住房及行人的安全。根据运动学原理、能量守恒定律和苏联尼米罗依尼什维里教授提出的落石运动速度计算方法，分别以各危岩体剖面建立计算模型，采用RocFall软件对岩石块体逐次计算在任意一条剖面上落石运动轨迹及能量、弹跳高度、速度模拟，结果如表4所示。第4期序号地灾点名称1小山坡村蜂子岩组危岩2小山坡村蜂子岩组危岩3小山坡村蜂子岩组危岩4小山坡村蜂子岩组危岩王宏青，贵州普安县蜂子岩组危岩稳定性分析表4落石模拟弹跳计算结果统计表Tab 4.Statistics of Simulation Bounce Calculation Results for Falling Rocks落石体积落石运动最大危岩体(m)WY12.74WY23.32WY33.15WY42.92517设置被动网拦截处水平距离(m)平均弹跳高度（m）592.60752.88683.15622.95平均总能量(KJ)662.11025.2920.1820.33.4危岩稳定性综合评价通过对4处危岩体定性分析和定量计算，危岩体现状处于稳定-基本稳定状态，在暴雨工况下大部分灾害体处于欠稳定状态，稳定性会加剧下降，发生崩塌落石现象。各危岩体具有较大的不确定性和不可预知性，将来在各种诱发因素影响下，发生崩塌掉块可能性较大。建议尽快对危岩体进行治理，针对其整体失稳可能性不大，主要为零星掉块的方式，结合崩塌危岩破坏模式及运动计算结果，最大冲击能量为10 2 5.2 KJ，最大腾跃高度为3.15 m，从技术、经济上比选，推荐采用RXI-150型被动防护网工程治理，网高 4m。4结论（1）蜂子岩危岩体包含4个危岩单体及局部零星危岩单体，山体不同地段有不同规模孤石等松散岩体。破坏方式主要为滑移式、倾倒式和坠落式3 种类型。（2）影响该危岩体变形破坏的主要因素包括地质构造、岩体结构特征、地形地貌等控制性作用内在因素和降雨活动等激发危岩体失稳外在因素2 个方面。（3）危岩体稳定性，天然工况下处于基本稳定-稳定状态，暴雨工况下欠稳定-失稳破坏状态。（4）危岩防治方案建议采用RXI-150型被动防护网工程治理。参考文献1陈洪凯，唐红梅，叶四桥.DAMAGEMODEL OF CONTROLFISSURE IN PERILOUS ROCKJ.Applied Mathematicsand Mechanics（En g l i s h Ed i t i o n),2 0 0 6 (0 7):96 7 97 4.2张永兴，卢黎，张四平，等.差异风化型危岩形成和破坏机理J土木建筑与环境工程，2 0 10，3 2（0 2）：16.【3 黄润秋，刘卫华基于正交设计的滚石运动特征现场试验研究J岩石力学与工程学报，2 0 0 9，2 8（0 5）：8 8 2891.4】陈洪凯，等三峡库区危岩群发性机理与防治-以万州太白岩为例J重庆大学学报，2 0 0 8，3 1（10）：117 81184.5陈洪凯，张祎考虑渗透力作用的危岩主控结构面断裂力学求解J重庆建筑大学学报，2 0 0 8（0 5）：7 7 8 0.6 杨培奇.崩塌地质灾害评判模型设计与应用-以辽宁省绥中县研究区为例J.化工矿产地质，2 0 14（1）：43 47.7 召邵跃章，张琦.辽宁绥中县地质灾害发育特征及成因分析 J化工矿产地质，2 0 0 7，2 9（4）：5.8 谢全敏，夏元友，危岩块体稳定性的综合评价方法分析 J.岩土力学，2 0 0 2，2 3（6)：4.9水利水电科学研究院.岩石力学参数手册【M水利电力出版社，1991.10 林宗元.岩土工程勘察设计手册【M辽宁科学技术出版社，1996.11地质灾害防治工程勘察规范S.DB50143-2 0 19518云南地质42卷STABILITY ANALYSIS OF DANGEROUS ROCKS INFENGZIYAN FORMATION,PUAN COUNTY,GUIZHOU PROVINCEWANG Hong-qing(Team 5,Guizhou Nonferrous Metals and Nuclear Industry Geological Exploration Bureau,Anshun 561000)Abstract:In this paper,the developing trend of the dangerous rocks formed by the fragmentation of themountain behind the Fengziyan Formation in Xiaoshanpo Village,Puan County was predicted and analyzed.Incombination with the deformation and failure mode,the stability of the dangerous rock mass in the study area wasanalyzed by the method combining qualitative analysis and quantitative calculation of stereographic projection.The four dangerous rock masses are basically stable to stable under natural conditions,while they are unstable tounstable and damaged under rainstorm conditions.Based on the basic characteristics of the dangerous rock mass,the passive protective net engineering prevention and control planis recommended.Key Words:Stability of Dangerous Rocks;Stereographic Projection Analysis;Governance Measures;Fengziyan Formation Dangerous Rock;Puan County,Guizhou Province