三峽庫區龍門寨危巖體穩定性評價研究

宋 剛，周福川

（1.重慶交通大學巖土工程研究所，重慶 400074；2.重慶工程職業技術學院，重慶 400037；3.重慶大學土木工程學院，重慶 400030）

0 引言

我國西南地區地質構造運動強烈，多呈現厚層-巨厚層陡崖地貌，三峽庫區上硬下軟的地質結構極其有利于單體塔柱狀危巖的發育。塔柱狀危巖構造上易發于褶皺核部或近核部，地層產狀趨于平緩，被節理裂隙切割為相對獨立的層狀塊體結構，其具有較大的高徑比（通常大于3），橫剖面呈圓形、三角形、矩形或不規則多邊形等眾多形態，且塔柱狀危巖體崩塌具有突發性強、隱蔽性高、影響范圍廣以及成因復雜等特征［1-4］。

三峽庫區危巖體的穩定性研究一直是庫區災害防治的重點任務。陳洪凱等［5-7］提出了危巖破壞失穩的三種類型并基于極限平衡法給出對應的穩定性計算方法，分析了三峽庫區典型高位危巖的穩定性。丁王飛等［8］修正了三類危巖體危巖穩定系數計算方法，提出了包含主控結構面鎖固段和貫通段的計算模型。合理的危巖穩定性評價結論影響崩塌災害的布防。Lei等［9］研究了龍溪河危巖的形成機制和失穩模式，并對危巖進行了定性分析和解析分析。Wang等［10］基于對JDRM力學模型的推廣，分析了箭穿洞危巖體的變形機制和評價危巖體的穩定性。唐紅梅等［11］以川東南盆周山地灰巖地區為研究對象，選取9個危險性評價指標，建立貢獻權重模型和熵值法耦合的崩塌評價模型。

本文以三峽庫區龍門寨陡高塔柱狀危巖體為研究對象，提出考慮危巖底部區域損傷劣化特征的穩定性計算方法，并與極限平衡理論獲得的危巖穩定性系數進行對比，以期為塔柱狀危巖體的穩定性評價提供新思路。

1 龍門寨危巖基本特征

龍門寨危巖位于重慶市巫山縣大寧河小三峽的右岸，距巫山縣城直線距離不足1km，扼守黃金水道關鍵位置，一旦危巖體發生失穩破壞，引起崩塌體入江激起的涌浪將會對過往船只和沿岸建筑物等造成破壞。

龍門寨危巖體主要由三疊系灰巖、泥灰巖和白云巖構成，位于龍門峽次級背斜的核部。從圖1中清晰可見3條近縱向平行發育的裂縫，裂縫的延伸長度不一，使得整個危巖體呈現被結構面完整分割的結構，最長的裂縫長度約170m，上寬下窄，裂縫最寬處約2.3m，不規則條狀塊石充填于裂縫中。由于危巖體自重荷載的持續作用和裂縫的不斷發育，危巖體已經出現巖塊剝落或局部小型垮塌。

圖1 龍門寨危巖體實物圖與剖面圖［12］Fig.1 Photography and section view of the Longmenzhai unstable rock mass［12］

龍門寨危巖體呈不規則多邊形，是典型塔柱狀危巖體。按照塔柱狀危巖體的特征，可將其分為基座劣化區和非完全劣化區兩部分［13］，其高寬比為4.75，具有“上硬下軟”的二元易滑結構。危巖體基座主要為泥灰巖，其下部呈碎裂結構（圖2a）。危巖后緣平均高程約350m，基座劣化區高程165～177m為泥灰巖，危巖體平均高度約190m，平均寬度和厚度均約40m，總體積約30.4×104m3。三峽庫區水位的周期性漲落，為劣化區提供了干濕循環的外界條件，庫區涉水危巖體的基座在長期自重荷載、干濕循環作用下，導致劣化區巖體強度持續下降。

圖2 龍門寨危巖體底部劣化區和地質模型圖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 龍門寨危巖穩定性分析

2.1 危巖體穩定性分析計算

傾倒破壞和滑移破壞是三峽庫區陡高塔柱狀危巖體常見的失穩模式，依據陳洪凱［5］對三峽庫區危巖體穩定性計算方法，龍門寨危巖體穩定性計算時選擇自重＋孔隙水壓力（地下水流出通道堵塞工況）的荷載組合，對兩種危巖體破壞模式進行穩定性計算（圖3）。

圖3 陡高危巖穩定性計算模式示意圖Fig.3 Schematic diagram of calculation model for the stability of steep-high unstable rock mass

（1）傾倒式（危巖體重心在傾覆點內側）：

（2）滑移式：

式中，flk為巖體抗拉強度標準值（MPa）；b為后緣裂隙到傾覆點的位置（m）；W 為危巖體自重（kN／m）；a為危巖重心到傾覆點的水平距離（m）；hw為裂隙充水高度（m），天然狀態下取主控結構面的1／3長度，約60m；Q為裂隙后緣水壓力（kN／m）；β為后緣裂隙傾角（°）；α為滑面傾角（°）；U為揚壓力（k N／m）；φ為滑面內摩擦角標準值（°）；c為滑面黏聚力標準值（MPa）；l為滑動面長度（m）；Fs-t為危巖傾倒式穩定性系數；Fs-s為危巖滑移式穩定性系數。

極限平衡法穩定性計算方法幾何參數取值見表1。根據文獻［14］的研究，可得本文危巖體部分相關參數的取值（表2），采用上述方法對龍門寨危巖體開展穩定性計算，為方便計算，假定危巖體后緣主控結構面垂直于危巖體基座。

表1 計算模型幾何參數取值Tab.1 Values of geometric parameters of the calculation model

表2 龍門寨危巖體相關參數取值Tab.2 Values of related parameters of the Longmenzhai unstable rock mass

根據危巖體穩定系數大小，可將危巖體劃分為穩定、基本穩定和不穩定三種狀態。穩定的危巖體可不采取措施，基本穩定的危巖體需加強危巖體的監測，不穩定的危巖體需及時進行防治處理。

通過對龍門寨危巖體可能發生的兩種破壞模式的計算，按危巖體傾倒破壞失穩模式計算時穩定系數Fs-t：7.25；按危巖體滑移失穩模式計算時穩定系數Fs-s：2.75。根據危巖穩定性評價標準［5］，兩個模式的穩定性系數均大于安全系數，危巖體不采取工程治理措施，但需加強監測。

2.2 考慮巖體損傷的穩定性分析

庫區陡高巖體在長期的自重荷載和庫水周期性作用下，導致底部區域巖體劣化日益明顯。底部劣化區巖體的承載能力減弱，使得底部巖體的有效承載面積減少。因此作用在底部劣化巖體上的有效荷載隨著巖體的損傷加速而增大。有效承載面積的變化會影響底部巖體承載力的計算結果，將損傷變量加入巖體承載力與荷載的計算中，進而獲得底部基座巖體破碎時的受力情況，再對陡高危巖破壞模式進行分析。為了計算方便，本文將龍門寨危巖體的力學模型概化為上部非完全劣化區與基座劣化區進行受力分析（圖4）。

圖4 陡高巖體底部壓裂失穩概化力學模型［13］Fig.4 Generalized mechanical model of fracturing instability at the bottom of steep-high unstable rock mass［13］

對龍門寨危巖體進行力學分析可得，基座劣化區壓裂潰屈的主要原因是受到非完全劣化區施加的持續性荷載，類似單軸加載。因此，基座巖體的持續的損傷演化是底部區域塊體失穩破壞的主要因素。本文引入塔柱狀巖體崩塌理論對龍門寨危巖的底部巖體劣化損傷規律與破壞模式進行分析。根據賀凱［14］對塔柱狀危巖體損傷劣化引起的崩塌研究得到的結論，引入公式：

式中，σDL為等效荷載應力（MPa）；H為巖體高度（m）；h為底部損傷區域高度（m）；γ為上部非劣化區巖體重度（kN·m-3）；D為巖體損傷變量；σc為巖石單軸抗壓強度（MPa）；φ為巖內摩擦角（°）；c為巖體黏聚力（k Pa），根據周邊危巖體研究數據取值1000kPa；σ3為巖體實際圍壓（MPa），根據巖體高度與重度計算取4.3MPa；μ為巖體破裂時的泊松比；σDt為巖體壓張破壞應力閾值（MPa）；σDτ為巖體壓剪破壞應力閾值（MPa）。

根據三峽庫區巫峽段周邊已進行防治加固的工程經驗值和相關文獻研究［14-16］，可得到上述式（3）～（6）中參數的取值，見表3。

表3 巖體損傷劣化的計算參數取值Tab.3 Values of calculation parameters of rock mass damage and deterioration

根據賀凱［14］巖體損傷理論的經驗以及龍門寨危巖體現階段的損傷情況，假定當損傷變量達到0.45時可能發生壓裂潰屈破壞。根據式（3）～（8）得到考慮底部區域巖體損傷劣化的穩定性系數計算結果，見表4。

表4 穩定性計算結果Tab.4 Stability coefficients calculated by the method of considering the deterioration in the bottom region of unstable rock mass

根據上述計算結果和危巖穩定性評價標準［5］，可判斷危巖體目前處于基本穩定-穩定狀態，且危巖體極有可能發生壓剪破壞失穩，黃波林［17］計算得到龍門寨危巖體穩定性系數K為1.27，本文考慮損傷的穩定性計算方法獲得危巖壓剪破壞的穩定性系數與之接近，表明極限平衡法計算得到的結果過于安全且與現實情況不符合，也驗證了考慮劣化區損傷的穩定性計算方法的適用性。

3 危巖體的防治措施

三峽庫區陡高塔柱狀危巖體的防治需要根據危巖所處的地質環境，對危巖體裂隙的發育情況、結構面和軟弱夾層的分布等調查清楚，全面分析危巖體的失穩機制與失穩模式，再結合施工條件，才能對具體的危巖體采取針對性的防治措施。根據龍門寨危巖體的形態特征、地理環境和底部區域巖體的劣化損傷等，建議采取以下措施：

（1）底部劣化區域。這部分巖體由于持續自重荷載的作用，加之庫水漲落對基座提供的干濕循環的水環境，導致巖體損傷度高，宜對基座軟弱巖體采取注漿填充裂隙補強加固和預應力錨桿加固。

（2）中上部巖體。這部分巖體表面風化程度高且卸荷裂隙較發育，全部清理工程量較大，故采用預應力錨索加掛網噴漿錨固崩塌危巖體，阻止上部巖體的掉落以及卸荷裂隙發育，以達到治理效果。

4 結論

三峽庫區涉水區域陡高單體危巖的穩定性影響著黃金水道的安全運行和沿岸居民的生命財產安全，恰當的危巖體穩定性計算方法和經濟的防護加固措施，為維持三峽庫區的安全運行提供了極大便利。

（1）三峽庫區大型陡高危巖受自身形態與地質環境影響較大，自重荷載以及人類活動因素耦合作用下，底部區域巖體劣化演變速度更快，致使底部區域成為危巖潰屈失穩的關鍵性區域。

（2）使用極限平衡理論的穩定性計算方法獲得的計算結果，由于未考慮陡高危巖體各部分的損傷劣化差異而導致計算結果可能失真?；诳紤]巖體損傷劣化的穩定性計算方法，從力學角度更加貼合的分析了危巖體的失穩模式與破壞模式，結果顯示龍門寨危巖體目前處于基本穩定-穩定狀態。

（3）根據不同危巖體的失穩破壞機理，圍繞關鍵區域開展監測或治理工作，采取有針對性的防治工程措施，根據巖體具體情況制定相應的治理措施，以保證危巖防護治理的安全可靠性，供相關決策部門參考。