巖溶山區公路危巖分類及其防治對策探討

王福瑛 蘭素戀 郭慶 李侑軍

摘要：文章針對巖溶地貌特征及山區公路地質特點，探討了巖溶山區公路危巖崩塌地質災害的分類，針對性地提出了相應的防治措施。研究結果表明：巖溶山區公路危巖可以劃分為單體危巖與群體危巖兩個類別，前者包括壓剪滑移型、拉剪傾覆型及復合墜落型危巖，后者可分為上部啟裂失穩型與下部啟裂失穩型危巖；根據不同的危巖類型、人類活動情況與施工條件，可綜合采用清理、排水、錨固、支撐、嵌補、攔石墻和攔石網等工程措施，通過主、被動聯合防護治理的方式妥善解決巖溶山區公路危巖問題。

關鍵詞：危巖；巖溶；崩塌；山區公路

中圖分類號：U419.93 A 17 049 3

0 引言

危巖是指位于陡崖或高邊坡上，被多組巖體結構面切割且穩定性較差的巖石塊體及巖石塊體組合［1］，是巖溶地區常見的地質災害類型與動力地貌現象。在巖溶山區，由于受到地層巖性、地形地貌、地質構造、水文氣象條件和外動力作用，在地表形成了多種直立山體、陡壁甚至反坡景觀。由于巖溶所依附的主要巖石（如石灰巖、白長石等）屬于脆硬性巖體，在地質演化過程中裂隙較為發育，及易孕育危巖地質災害［2］。我國巖溶分布廣泛，據研究統計［3］，巖溶區占我國陸地面積的比例為35.8%，總面積達344.3×104 km2，其中裸露巖溶面積為90.7×104 km2。隨著我國基礎設施建設的推進，許多公路工程逐漸向巖溶山區延伸，天然巖溶危巖體的存在給公路建設和運營帶來了巨大的挑戰。同時，在公路切坡的過程中，坡體邊坡的局部陡峭程度增加，導致臨空面擴大，人為地為危巖體的孕育創造了基礎條件。尤其在強降雨的沖刷和浸潤作用下，可溶于水的巖石的風化裂隙面抗剪強度弱化，容易導致崩塌事故的發生，嚴重影響公路的建設和安全運營［4］。Braathen等［5］基于構造地質學和巖石力學理論對歐洲挪威的巖質邊坡坍塌機制進行了研究。危巖體失穩的本質是其后緣主控結構面的劣化導致貫通。陳洪凱等［6-7］對危巖體失穩機理進行了研究，提出了危巖體主控結構面抗剪強度參數的計算理論，并建立了主控結構面的損傷演化模型。然而，目前關于巖溶危巖地質災害的研究較少。桂林作為典型巖溶地區，巖體陡峻、危巖多發，劉寶臣等［8］對桂林地區巖溶危巖體進行了實地調查，基于極限平衡法對危巖體開展了穩定性驗算，并分析了巖溶危巖體的發育規律。但是，現有研究對巖溶山區公路危巖類型認識不清，失穩機理不明，缺乏成熟的防治理論體系。因此，本文根據桂林地區巖溶山區公路的地質環境特征，探討了巖溶危巖崩塌的幾種典型情況，并結合實際案例進行防治措施剖析，為巖溶山區公路工程地質災害治理提供了一定的理論依據。

1 巖溶地質構造環境

巖溶的發育程度與巖溶危巖體的規模密切相關。在地表漫長的演化過程中，巖溶地區的可溶性巖石（主要是碳酸鹽和蒸發巖）在一系列物理和化學的作用下風化、溶解，導致陡崖或高邊坡結構面發育，孕育了大量的危巖體。其中，在地面抬升過程中形成的褶皺構造是巖溶發育的優良環境。桂林地區巖溶構造類型豐富，褶皺構造十分常見，背斜與向斜近似平行且相間分布，層位以下石炭統及上、中泥盆的碳酸鹽巖為主。區內構造類型以堯山背斜為主，東南有大龍門背斜、猴山背斜、甲山向斜及老人山背斜間歇分布。向斜相伴而生，多呈長袖狀，通常是背斜呈現出狹窄趨勢，而向斜表現為寬厚且平緩。在斷裂影響處巖層尤為陡峻，傾角可達50°～70°，接近直立水平。上述地質構造條件造就了七星巖、象鼻山和駱駝峰等一系列陡峭山體，同時還孕育類型多樣的巖溶危巖體。此外，桂林地區夏季炎熱多雨、冬季陰冷潮濕，陡峭的石灰巖山體受當地氣候影響，風化及雨水侵蝕嚴重，巖體破碎程度高，加之邊坡不同巖層地質條件的差異性風化，最終孕育類型多樣的巖溶危巖體。

2 巖溶山區公路危巖崩塌類型

根據危巖崩塌發生的類型，現有規范一般將危巖體劃分為滑塌式、傾倒式及墜落式三種類型。結合桂林巖溶山區公路地質選線結果，危巖體的發育情況及崩塌源的群發性特征，本文將桂林巖溶山區公路危巖劃分為兩大類別，即單體巖溶危巖與群體巖溶危巖，認為后者是由前者堆疊組合而成。單體巖溶危巖的劃分與規范類似，可分為壓剪滑移型、拉剪傾覆型、復合墜落型3個類別。而群體巖溶危巖可劃分為頂部誘發破壞型和底部誘發破壞型兩個類別。

2.1 單體巖溶危巖

2.1.1 壓剪滑移型巖溶危巖

壓剪滑移型巖溶危巖如圖1（a）所示。危巖體的主控結構面一般受邊坡內緩傾角的地層弱面或卸荷張拉結構面控制，中控結構面的傾角很小，通?！?5°。對規則巖溶危巖體進行簡單的受力分析可知，其重心位于主控結構面內側。主控結構面主要受到巖溶危巖的自重荷載、裂隙水壓力及擾動荷載的作用，導致巖溶危巖體主控結構面劣化貫通，逐漸出現滑移，整體上表現為壓剪失穩。

2.1.2 拉剪傾覆型巖溶危巖

如圖1（b）所示，拉剪傾覆型巖溶危巖傾角變化范圍大，但通常＞25°，該類型巖溶危巖的主控結構面為陡（邊）坡卸荷張拉型。主控結構面的下端部相對于巖腔或臨空面靠后，由幾何與受力分析可知，在重力與外界荷載影響下，巖溶危巖體一般會繞著主控結構面的低端或危巖體底部與臨空面的相交點發生轉動，從而引起傾倒破壞，整體上表現為拉剪破壞模式。

2.1.3 復合墜落型巖溶危巖

復合墜落型巖溶危巖受兩條主控結構面的控制，如圖1（c）所示，包括一條接近水平的1#主控結構面與一條傾角＜80°的2#主控結構面。復合墜落型危巖的破壞形式比較復雜，1#主控結構面破壞機理為拉裂破壞，而2#結構面破壞機理則為壓剪損傷破壞。在自重與外界荷載的作用下，1#主控結構面因受拉力影響，裂縫逐步擴展，延伸到一定范圍后，巖溶危巖體開始沿2#主控結構面發生滑動變形。當變形達到臨界值時，巖溶危巖體發生整體失穩墜落。

2.2 群體巖溶危巖

2.2.1 上部啟裂失穩型群體巖溶危巖

如圖2（a）所示給出了上部啟裂失穩型巖溶危巖的示意圖。由圖2（a）可知，此類巖溶危巖的主控結構面傾角較大，一般＞70°，而其下端部潛在于母巖體中。上部啟裂型群體危巖由多塊危巖體組合而成，危巖塊體之間以弱膠結的形式沿著主控結構面方向相互堆疊，各塊體交界面近似于水平狀態。在幾何與受力情況方面，上部危巖塊體的重心一般位于主控結構面內側，從上往下，危巖塊體的重心逐漸向外偏移，以至于危巖底部的1～2塊危巖塊體的重心延伸至上部啟裂型群體危巖體的主控結構面外側，具有傾倒破壞的趨勢。對于此類危巖，導致失穩的關鍵在于上部危巖塊體，也稱關鍵塊體。其失穩機制為主控結構面劣化，上部關鍵塊體崩落，并壓迫下部危巖塊體，從而導致巖溶群體危巖的惡化甚至崩塌。

2.2.2 下部啟裂失穩型群體巖溶危巖

相對上部啟裂失穩型群體巖溶危巖，下部啟裂失穩型群體巖溶危巖的主控結構面傾角相對不大，通常＜70°，如圖2（b）所示。雖然危巖體同樣由若干危巖塊體沿主控結構面走向相互堆疊而成，但其啟裂控制的關鍵危巖塊體位于群體危巖體的底部，并且在陡崖或邊坡的臨空面露出。與上部啟裂型巖溶群體危巖類似，下部啟裂型群體危巖各危巖塊體之間的交界面傾角很小，多以弱膠結形式連接。此類危巖的失穩模式是主控結構面劣化導致下部關鍵塊體失穩墜落，剩余危巖塊體在臨空面露出，從而誘發鏈式變形崩塌。

3 巖溶山區公路危巖的主要防治對策

無論是單體巖溶危巖還是群體巖溶危巖，都會給公路工程的建設和運營帶來極大的挑戰。在巖溶危巖的挖掘和爆破過程中，很容易產生坍塌、崩落，對公路施工人員的生命安全造成威脅，同時還影響施工進度。由于巖溶危巖破碎、崩落的特性，運營過程中公路易受到危巖的沖擊導致損壞，進而引發交通事故，給公路的安全運營和維護帶來一定的困難。陳洪凱等［9］研究了危巖的穩定性評價標準，認為可以將危巖的穩定性按穩定、基本穩定及不穩定3種狀態進行劃分。對于穩定狀態的危巖體，無須進行工程防治；對于基本穩定狀態的危巖體，需要加強地表排水和狀態監測，而對于穩定狀態欠佳的危巖體，除了采用地下、地表排水及狀態監測以外，還需要在關鍵部位采取局部的工程防治措施；對于不穩定狀態的危巖體，必須進行系統的工程防治。對于巖溶區的基本地質條件及山區公路的特點，巖溶山區公路工程所面臨的危巖可以采取的防治技術除排水、監測與清除外，主要有錨固、支撐、攔石墻及攔石柵欄等工程措施。

3.1 主動防護技術

3.1.1 巖溶危巖錨固

對于規模較大、裂縫較寬的拉剪傾覆型巖溶危巖，巖溶陡坡危巖的下部存在穩定性好、完整性高的巖體，可以采用錨固技術，將危巖與母巖形成串聯結構以達到加固的目的，防止崩塌災害的發生。根據圍巖體完整性合理選用錨固結構是達到良好加固效果的關鍵：若危巖體的完整性較好，可以采用點錨進行加固；而對于完整性差的危巖體，則應利用格構或豎梁進行整體性加固。錨桿的數量、尺寸及布置間距等，應按照巖溶危巖的幾何物理信息確定的下滑力進行計算，通常還應考慮錨桿承擔危巖所施加的剪力作用。

3.1.2 巖溶危巖支撐和嵌補

由于不同巖性的巖溶巖體存在抗風化及抗侵蝕能力的差異，可能會導致部分巖層之間形成一定范圍的凹進，也被稱為巖腔。巖腔的底部為承載力較好的基巖，其上部的較硬巖體可能會因為抗剪強度及抗拉強度的不足而導致裂縫發育，進而形成危巖體。當危巖體的重心在巖腔中心線內側，且有足夠大的懸空面積的情況下，使用支撐技術處理可以獲得良好的加固效果。常用的危巖支撐技術包括柱支撐或墻支撐兩種類型，在必要的時候，還可以輔之以錨索或錨桿與母巖巖體進行串聯，以保證支撐體本身的穩定性。當巖腔或危巖體的懸空面積不足時，可采用混凝土或漿砌片對巖腔進行填充或嵌補。

3.2 被動防護技術

3.2.1 攔石墻

巖溶山區接近直立的山體眾多，由于巖體易于風化和侵蝕，巖溶山區公路邊坡及陡崖上經常存在危巖數量多，勘察及處治困難的情況。在自然邊坡坡腳為25°～35°的較寬緩坡，可在公路與危巖之間采用擋石墻對崩塌危巖體進行攔截。重力式擋石墻可以對直徑為1.5～2 m的滾動或滑動式崩塌危巖體進行有效捕獲，而且具有一定的崩塌危巖體存儲空間，可以有效地減少崩塌危巖的清理次數。擋石墻的建設一般遵循就地取材原則，也可充分利用公路沿線運輸便利的特點從沿線經濟范圍內進行調運。攔石墻可采用土堤擋墻、石籠擋墻、漿砌石擋墻及鋼筋混凝土擋墻等多種形式。在設計時，擋石墻的高度及布設位置應該按照現場試驗或滾石跳躍試驗進行確定，墻體的厚度則需要按照崩塌危巖體的沖擊力進行設計。

3.2.2 攔石柵欄

在巖溶陡崖或邊坡下端部分坡角較大（＞35°）并且平臺寬度較為狹窄的地形條件下，沒有足夠的空間可用于建設攔石墻，此時可采用攔石柵欄對崩塌危巖進行阻擋?，F有的攔石柵欄技術主要分為半剛性與柔性兩個類別。典型的半剛性攔石柵欄以木質攔石柵欄為主，其主要構成為立柱，采用角鋼、鋼軌、型鋼等作為橫梁互相焊接而成。柔性攔石柵欄則以攔石網為代表，其組成包括立柱或支桿、緩沖鋼索及桿間鋼索網，通過將鋼柱與坡體連接形成鉸支，并利用拉錨繩進行錨固，形成金屬網片的支撐結構。其防護原理是通過自身的被動變形、位移及振動等手段，消散巖溶崩塌危巖體的動力勢能。攔石網整體呈柔性，地形適用范圍較廣，兼顧了環保與美觀要求，并且具有施工擾動小、施工周期短、維護便利的優點，因此在巖溶山區危巖防治中得到廣泛應用。

4 巖溶山區公路典型危巖防治研究

圖3所示為廣西桂林市某公路巖溶山體危巖點，山腳有一條二級公路穿過，該危巖點共8處，包括3處未崩塌山頂危巖體和65處山坡滾石危巖破碎區，山頂危巖體的存在為滾石危巖破碎區提供物質來源。山腳下方居民總戶數87戶，受威脅人數達369人，潛在威脅財產＞1 300萬元。治理區地質條件較為復雜，植被茂密且坡度較陡，分布在坡頂3 處的未崩塌山頂危巖體屬群體危巖，破壞模式以復合墜落型為主，由于地形險峻，山體近似直立，既有危巖體易于風化和侵蝕，對復合墜落型危巖的關鍵塊直接進行錨固、支撐、嵌補存在極大施工安全風險，對山腳周邊村落造成潛在安全隱患。根據模擬落石崩塌軌跡、彈跳高度及滾落距離和現場調查發現的坡腳崩塌堆積情況，采用被動防護技術時，攔石墻或攔石柵欄設計高度為4～6 m，長度為50～200 m?？紤]到危巖區域地勢陡峭，建設高4～6 m、底部寬8～10 m的梯形攔石墻工期慢、效率低，綜合對比后選擇被動防護網預防落石、滾石崩塌。被動防護網分為三道，最上面一道為3 000 kJ被動防護網，中間一道為1 500 kJ被動防護網，下面一道為1 000 kJ被動防護網，三道防護長度均為190 m，間距為12～32 m，被動網設網的位置及抗沖擊能量和高度見表1。

在現場復雜的工況條件下，一般面臨的是多個危巖單體共生的情況，多種危巖類型整體表現出復合特性，同時需兼顧現場施工條件，綜合選擇較好的防治對策，以達到經濟成本低、防治效果佳的目的。

5 結語

（1）桂林地區巖溶構造造就了眾多陡峻山體，為各類危巖體的孕育提供了空間條件。

（2）桂林巖溶山區公路危巖崩塌類型可分為單體危巖與群體危巖兩大類，前者包括壓剪滑移型、拉剪傾覆型及復合墜落型巖溶危巖，后者包括上部啟裂失穩型和下部啟裂失穩型群體巖溶危巖。

（3）本文結合危巖體特點、現場人類活動情況與施工條件，提出了適用于桂林巖溶山區公路危巖的防治技術。在具體的危巖防治工程中，需要根據現場實際情況，綜合選擇合適技術進行危巖防治，以達到經濟成本低、防治效果佳的目的。

參考文獻

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收稿日期：2023-06-15