三峽庫區萬州區四層巖危巖帶發育特征、穩定性評價及防治對策

冉 濤，宋 志，蔣 正，李 丹，胡 健

（1.中國地質調查局成都地質調查中心（西南地質科技創新中心），四川 成都 610218；2.四川省地質工程勘察院集團有限公司，四川 成都 610072；3.成都理工大學環境與土木工程學院，四川 成都 610059）

0 引言

三峽庫區是我國危巖災害發育較為集中的地區，其數量多、分布廣、危害嚴重，其中以位于庫區腹地的萬州區最具代表性（董好剛等，2010；鄧珊珊等，2012；陳洪凱和王圣娟，2017；周云濤等，2017；黃達等，2018；廖偉杰等，2018；閆舉生和譚建民，2018；肖瞳，2019；賀凱等，2020；唐紅梅等，2021）。據不完全統計，萬州城區及周邊分布有太白巖、天生城、枇杷坪、翠屏山、首立山、石峰、石門、龍冠山等20 余處危巖帶，大小危巖體3 000 余個，對萬州的城市安全造成巨大隱患（葉四橋等，2007）。因此，許多學者對萬州區的危巖崩塌災害進行了研究，內容涉及危巖的形成機理、失穩模式、穩定性分析、防治措施以及風險評價等方面。

葉四橋等（2007）認為，地質構造、河谷階地和方山臺地地貌、軟硬相間的砂泥巖互層、巖腔和裂隙發育等是萬州區危巖形成的內在原因；河流切割、卸荷和風化作用是危巖發育的外部原因；暴雨和人類工程活動是危巖失穩的主要激發因素。陳洪凱等（2008）以萬州區太白巖為例，將三峽庫區群發性危巖的演繹過程歸納為河流下切—差異風化—危巖形成—單一危巖崩落—多個危巖形成及崩落5個階段。蘇天明等（2006）從危巖體的巖性、崩塌運動方式、崩塌發展順序、危巖形成的力學機制等方面對萬州區高邊坡失穩模式進行了詳細分類。劉廣寧等（2012）基于萬州區53 處危巖體的調查分析，將危巖失穩模式歸納為剪切-滑移式、風化-墜落式和拉裂-傾倒式3 類。唐紅梅等（2005）基于巖石蠕變本構關系建立了危巖微觀鏈蠕變穩定時間計算式和陡崖長期穩定性預測方法，并計算得出太白巖陡崖微觀鏈穩定時間在891～15904 年之間、在8 萬年內將會有危巖體逐漸發育的結論。邵其東（2011）介紹了預應力錨索、排水溝、攔石墻等措施在萬州天生城危巖治理中的應用，指出錨固技術是行之有效的主動防治危巖的技術。唐紅梅（2005，2006）對太白巖危巖帶進行有限元數值模擬，發現“自重+暴雨狀態裂隙水壓力”是影響滑塌式和傾倒式危巖的最不利工況，從而為確定危巖治理工程的設計工況提供了依據。劉長春和殷坤龍（2014）以萬州區戴家巖危巖為研究對象，建立了危巖災害的風險評價模型，并提出了危巖災害風險管理對策建議。

位于萬州主城區的四層巖陡崖帶發育眾多危巖體，歷史上崩塌落石時有發生，對下方的城市道路和居民區構成嚴重威脅。該危巖帶作為發育在三峽庫區砂、泥巖互層地層中的典型危巖災害，對其進行深入研究不僅可以進一步豐富庫區危巖災害的研究案例、深化對庫區危巖災害成災機理和成災規律的認識，而且可以減輕災害帶來的風險和損失，因此，亟需對其開展研究評價工作。本文基于詳細的野外調查和勘查，查明了危巖帶發育的工程地質條件以及危巖體的發育特征，分析了危巖形成的主要因素，并采用定性分析和定量計算相結合的方法，對危巖帶的宏觀整體穩定性以及危巖單體的穩定性進行了評價。最后，針對危巖體的發育特征、破壞模式以及場地施工條件，提出了相應的防治措施建議，以期為三峽庫區類似危巖災害的防治和研究提供參考。

1 區域地質環境背景

1.1 地形地貌

萬州區屬構造剝蝕、河流侵蝕低山丘陵地貌，境內最高點普子鄉沙坪峰海拔1 762 m，最低點位于黃柏鄉長江邊，海拔106 m。受巖性和構造控制，區內地貌形態總體呈臺階狀，砂巖一般形成陡崖，泥巖形成緩坡平臺。陡崖大致分布于高程300～400 m 的區域，呈條帶狀分布，多與河道方向一致。河谷岸坡普遍分布崩塌、滑坡堆積物，崩塌、滑坡地貌特征明顯。

1.2 地層巖性

萬州區出露地層主要是侏羅系中統上沙溪廟組（J2s）、侏羅系上統遂寧組（J3sn）、以及不同成因的第四系松散堆積物（Q4）。上沙溪廟組巖性主要為灰白—灰黃色巨厚長石石英砂巖和紫紅色薄層泥巖、砂質泥巖、泥質粉砂巖等，是城區出露的主要地層。遂寧組巖性主要為紫紅色泥巖、泥質粉砂巖與褐紅色粉砂巖不等厚互層，夾紫灰色細粒長石砂巖，出露于城區陡崖帶山頂地段。第四系堆積物包括殘坡積、崩坡積、河流沖積、滑坡堆積和人工堆積等。

1.3 地質構造

區域構造上，萬州區位于川東褶皺束萬縣復向斜北東端，北臨鐵峰山背斜，南靠方斗山背斜（圖1）。川東褶皺束走向北東，為一系列梳狀高背斜和寬緩向斜相間排列，形成隔擋式構造。萬縣向斜走向NE20°～NE75°，斜穿萬州城區，核部地層極為平緩，兩翼地層在靠近外圍背斜核部處產狀急劇變陡。城區斷層不發育。

圖1 萬州區構造綱要圖（修改自重慶市高新工程勘察設計院有限公司，2016）Fig.1 Structure outline map of Wanzhou District（modified from Chongqing Gaoxin Engineering Survey and Design Institute Co.,Ltd.,2016）

1.4 氣象水文

萬州區屬亞熱帶季風氣候，夏秋多暴雨，冬春多干旱（陳啟國等，2011）。區內年均氣溫18.1℃，最高溫度43℃（2006 年8 月23 日），最低溫度-3.7℃（1969 年2 月5 日）。降雨集中在每年5～9 月，約占全年降雨量70%。年均降雨量1 191.3 mm，多年最大降雨量1 635.7 mm（1982 年），城區最大日降雨量243.3 mm（1982 年7 月16 日）。

研究區標高高于長江水面，且距長江較遠，因此水文地質條件不受長江水位影響。場區內無地表水體，地下水主要為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水，水量貧乏。地下水主要接受大氣降水補給，隨季節變化較大。

1.5 新構造運動與地震

萬州區新構造運動不強烈，第四紀以來表現為大面積間歇性抬升，無明顯差異性活動。萬縣向斜內未發現活動斷裂，區域構造整體穩定。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2015）（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，2015），本區地震基本烈度為Ⅵ度，屬于弱震區。

2 危巖發育特征

2.1 危巖帶總體特征

四層巖危巖帶位于萬州主城區金龍路西側斜坡陡崖地帶，南起半山國際名都彎道處，北至清風柳莊居民小區，全長約1 km，呈條帶狀展布，總體走向NW10°～NW20°。場地地勢西高東低，高差約116 m，從上到下呈平臺—陡崖—斜坡相結合的地貌形態（圖2）。

圖2 四層巖危巖帶工程地質平面圖（重慶市高新工程勘察設計院有限公司，2016，有改動）Fig.2 Engineering geological plan of Sicengyan Dangerous Rock Zone (revised according to Chongqing Gaoxin Engineering Survey and Design Institute Co.,Ltd.,2016)

四層巖從上到下共發育三級陡崖帶：一級陡崖帶高26～37 m，坡度70°～86°，頂部以上為緩坡平臺，分布高程412～436 m；二級陡崖帶高10～22 m，坡度70°～85°；三級陡崖帶高15～27 m，坡度72°～85°；三級陡崖帶以下至金龍路之間為斜坡地形，分布高程305～350 m，坡度25°～35°（圖3）。

陡崖帶出露地層為侏羅系中統上沙溪廟組（J2s）灰白色巨厚層砂巖和紫紅色薄層泥巖（圖3）。砂巖是構成陡崖帶的主要巖性，其中發育多處危巖單體。泥巖分布于陡崖底部，易風化剝落，構成陡崖帶的軟弱基座。由于砂、泥巖風化速率不同，陡崖底部的泥巖中多形成空腔，深度0.5～3 m，最深達5 m 以上。各級陡崖之間以及下部斜坡區地表覆蓋第四系崩坡積物，成分為粉質粘土夾碎塊石，碎塊石粒徑一般1～4 m。鉆探揭露崩坡積層厚度0.3～10.2 m，局部土層較厚的區域在暴雨條件下易發生土溜。

研究區位于萬縣向斜南東翼近軸部，巖層平緩，產狀為（305°～315°）∠（2°～6°）。巖體中發育兩組和坡面斜交或垂直的構造節理S1和S2，以及一組順坡向的卸荷裂隙S3（圖4）。其中，S1產狀為（325°～357°）∠（73°～86°），間距2～5 m，延伸約10 m，張開1～10 mm，局部植物根系充填；S2產狀為（250°～267°）∠（71°～88°），間距4～6 m，延伸約7 m，張開10～30 mm，局部鈣質、泥質充填；S3產狀為（94°～104°）∠（79°～87°），間距1～4 m，延伸約10 m，閉合無充填。

圖4 節理走向玫瑰花圖Fig.4 The rosette diagram of strikes of the joints

2.2 危巖體發育特征

根據現場調查，四層巖危巖帶共發育危巖單體21 處，編號WY1～WY21。其中，一級陡崖帶發育5 處，二級陡崖帶8 處，三級陡崖帶8 處（表1）。

表1 危巖體基本特征統計表Table 1 Characteristics of the dangerous rocks

2.2.1 形態特征

由于巖體中的巖層面、構造節理、卸荷裂隙等結構面相互組合，切割出形態各異的危巖體，其形態特征大致可以劃分為塊狀、板狀及不規則狀3 類。

（1）塊狀危巖體

此類危巖體的形態特征是縱長、橫寬以及豎高三個方向的尺寸差別不大，正面形態大致呈矩形（圖5a）。四層巖危巖帶大多數危巖體屬于這類形態。

圖5 危巖體的三種典型形態Fig.5 Three kinds of typical shapes of dangerous rocks

（2）板狀危巖體

此類危巖體的形態特征是縱長方向尺寸顯著小于橫寬和豎高兩個方向的尺寸，其厚度薄，厚高比一般小于1/6，側面形態為窄長方形，危巖體WY10 屬于此類形態（圖5b）。這類危巖體通常后緣卸荷裂隙陡立，且延伸較遠。

（3）不規則狀危巖體

此類危巖體多受方位隨機的風化裂隙切割影響，正面和斷面形態呈不規則多邊形（圖5c）。危巖體WY2、WY11、WY13、WY14 屬于此類形態。

2.2.2 規模特征

四層巖陡崖帶發育的危巖體的體積規模相差較大，最大的WY9 達8 752 m3，最小的WY11 僅76 m3。據統計，四層巖發育的21 處危巖單體總體積約19 636 m3（表1）。根據《三峽庫區地質災害防治工程地質勘查技術要求》（三峽庫區地質災害防治工作指揮部，2014）中的危巖分類表，四層巖危巖帶的規模屬于中型。

2.3 危巖體破壞模式

根據四層巖危巖體的發育特征，可將危巖體的破壞模式歸納為墜落式和傾倒式2 類（表1）。

2.3.1 墜落式

此類危巖體主要發育在陡崖中上部的巨厚層砂巖中。危巖體左右兩側受構造節理切割而脫離母巖，后緣受陡傾坡外的卸荷裂隙控制。由于陡崖下部的巖體先行墜落，導致危巖體底部臨空，其主要依靠未貫通的巖橋和裂隙的抗剪強度暫時穩定。隨著風化、地下水、植物根劈等環境因素持續作用，裂隙最終貫通，危巖體在自身重力作用下發生自由落體運動，形成墜落式崩塌（圖6a）。四層巖危巖帶發育的墜落式危巖共有13 處，占整個危巖體破壞模式的比例為61.9%。

圖6 兩類危巖的形成演化過程Fig.6 Formation and evolution process of the two kinds of dangerous rocks

2.3.2 傾倒式

此類危巖體主要發育在泥巖凹腔上部。同樣地，危巖體左右兩側受構造節理切割而脫離母巖，后緣受陡傾坡外的卸荷裂隙切割，但尚未完全與母巖分離。隨著風化、地下水、植物根劈等環境因素持續作用，以及泥巖剝蝕、崩解導致巖腔加深，危巖體重心逐漸移向坡外，后緣裂隙張拉擴展，此時危巖體主要依靠后緣裂隙下部巖橋暫時穩定。當后緣裂隙完全拉斷后，危巖體將以泥巖基座頂部為支點向臨空方向發生轉動，形成傾倒式崩塌（圖6b）。四層巖危巖帶發育的傾倒式危巖共有8 處，占整個危巖體破壞模式的比例為38.1%。

3 危巖形成因素

導致危巖體形成的因素通常包括地形地貌、地層巖性、地質構造、降雨、地震以及人類工程活動等（胡厚田，1989）。通過分析四層巖危巖帶發育的工程地質條件與環境因素，認為危巖體的形成主要受以下因素影響。

3.1 多級陡崖帶地貌特征

萬州區第四紀以來經歷了大面積地殼抬升，在長江下切過程中，城區及周緣形成了多級地形高而陡的陡崖帶。四層巖陡崖帶坡度普遍達70°以上，局部近于直立，單級陡崖最高達37 m。因此，高陡的地形地貌為危巖的形成和失穩運動提供了良好的地形條件。

3.2 上硬下軟的巖性組合特征

四層巖陡崖帶由上部的巨厚層砂巖和下部的薄層泥巖組成。砂巖強度高、抗風化能力強；泥巖強度低、易風化剝蝕。由于砂、泥巖的差異風化，泥巖中多形成空腔，從而導致上部砂巖失去支撐而形成危巖。因此，陡崖帶上硬下軟的巖性組合為危巖的形成提供了物質基礎。

3.3 結構面的組合切割

研究區靠近萬縣向斜核部，陡崖帶地層近水平。平緩的巖層面通常構成危巖體的頂底邊界。在長江下切過程中，岸坡巖體產生卸荷變形，巖體中形成陡傾坡外的卸荷裂隙，構成危巖體的后緣控制性邊界。此外，巖體中還普遍發育2 組和坡面垂直或斜交的構造節理，構成危巖體的左右側邊界。這些結構面相互組合，切割出形態和規模各異的危巖體。

3.4 水的作用

萬州區雨量充沛，雨季通常是當地崩塌落石災害的多發季節（葉四橋等，2007）。萬州區的紅層泥巖由于富含蒙脫石、伊利石等親水性粘土礦物，具有遇水軟化、浸水崩解的特殊水理性質（簡文星等，2005）。在水的作用下，泥巖逐漸崩解、剝落，致使巖腔范圍增大，在其上部形成危巖。砂巖中的節理裂隙是降雨入滲的良好通道，雨水一方面軟化、溶解充填物，降低裂隙強度；另一方面產生靜水壓力擠壓壁巖，導致裂隙擴展、貫通（冉濤等，2012）。

3.5 植物根劈作用

四層巖陡崖帶植被茂盛，深入巖縫的植物根系擠壓兩側壁巖，導致裂隙擴展、貫通。另外，位于危巖上方的樹木會增加危巖荷重，還向其傳遞風荷載，促進危巖破壞。

4 危巖穩定性評價

4.1 陡崖帶宏觀穩定性分析

現場調查和勘查揭示，四層巖陡崖帶后緣在橫向上未發育整體貫通性裂縫，也不存在整體變形破壞跡象，因而判斷陡崖帶整體目前處于穩定狀態。

根據陡崖面及巖體結構面的產狀要素作赤平投影圖（圖7）。從圖中可以看出，陡崖面大體上與卸荷裂隙S3呈順向關系，與構造裂隙S2呈反向關系，與構造裂隙S1呈垂直關系，陡崖面、S1、S2及S3易組合切割形成危巖單體。危巖體受S3控制易發生傾倒破壞，受S1和S3的交線控制易發生墜落破壞。

圖7 陡崖帶赤平投影圖Fig.7 The stereographic projection of the cliff zone

4.2 危巖單體穩定性評價

4.2.1 計算模型

采用《三峽庫區地質災害防治工程地質勘查技術要求》（三峽庫區地質災害防治工作指揮部，2014）給出的危巖體穩定性計算模型進行計算，各危巖體根據其破壞模式、邊界條件及受力狀態選擇相應的計算模型。

（1）傾倒式危巖計算模型1

危巖體后緣裂隙未貫通、穩定性由未貫通的砂巖抗拉強度控制（圖8a），按下列二式計算：

圖8 危巖穩定性計算模型Fig.8 The Calculated models for stability evaluation of the dangerous rocks

a.危巖體重心在傾覆點之外

b.危巖體重心在傾覆點之內

（2）傾倒式危巖計算模型2

危巖體后緣裂隙已貫通、穩定性由底部泥巖抗拉強度控制。四層巖發育的此類危巖體重心均在傾覆點之外（圖8b），穩定性按以下公式計算：

（3）墜落式危巖計算模型

四層巖發育的墜落式危巖，其后緣均存在陡傾裂隙（圖8c），危巖體穩定性由后緣裂隙未貫通的砂巖抗拉強度控制。按下列二式計算穩定系數，結果取二者的較小值：

以上公式中：F—危巖穩定系數；W—危巖自重（kN/m）；flk—巖體抗拉強度（kPa）；H—后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距離（m）；h—后緣裂隙貫通深度（m）；hw—后緣裂隙充水高度（m）；h0—危巖重心到傾覆點的垂直距離（m）；γw—水的重度，10 kN/m3；V—后緣裂隙水壓力（kN/m），V=（1/2）γw·hw2；α—水平地震系數，水平地震力Q=α·W（kN/m）；ζ—危巖抗彎力矩系數，依據破壞面形態取1/12～1/6；a—危巖重心到傾覆點的水平距離（m）；b—后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點的水平距離（m）；a0—危巖重心到潛在破壞面的水平距離（m）；b0—危巖重心到過潛在破壞面形心的垂直距離（m）；c—砂巖粘聚力（kPa）；φ—砂巖內摩擦角（°）。

4.2.2 計算工況和計算參數

根據研究區的地質環境條件，計算中考慮天然、暴雨和地震三種工況。天然工況考慮危巖自重和天然狀態裂隙水壓力；暴雨工況考慮危巖飽和自重和暴雨狀態裂隙水壓力；地震工況考慮危巖自重、天然狀態裂隙水壓力和地震力。

其中，危巖自重為危巖體積與重度的乘積。裂隙水壓力按照最危險情況取值，即天然狀態裂隙充水高度取1/3 裂隙深度，暴雨狀態取2/3 裂隙深度(劉長春和殷坤龍，2014)。地震作用主要考慮水平地震力，為危巖自重與水平地震系數的乘積，萬州區地震基本烈度為Ⅵ度，水平地震系數取值0.05(中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會，2015)。其他巖體物理力學參數通過室內試驗獲得(表2)。

表2 巖體物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of the rock masses

4.2.3 穩定性計算評價

采用上述計算模型和計算參數，對各危巖單體在三種工況下的穩定系數進行計算，并按照表3 對危巖體在不同工況下的穩定狀態進行評價。表3中傾倒式和墜落式危巖的安全系數（Ft）取值，以及危巖穩定狀態劃分標準均參照《三峽庫區地質災害防治工程地質勘查技術要求》（三峽庫區地質災害防治工作指揮部，2014）。

表3 危巖穩定狀態劃分標準Table 3 The classification standard for the stability states of the dangerous rocks

4.2.4 計算結果分析

基于危巖體穩定性計算評價結果，對不同工況下、不同穩定狀態的危巖體數量進行統計分析，如圖9 所示。從圖中可以看出，在天然狀態下，沒有處于不穩定狀態的危巖體；處于基本穩定—穩定的危巖體有13 處（占比68.4%），而處于欠穩定的僅6 處（占比31.6%），由此可見，天然狀態下多數危巖體的穩定性較好。

圖9 不同工況下危巖穩定狀態統計Fig.9 Statistical stability states of the dangerous rocks under different calculation conditions

在暴雨條件下，沒有處于不穩定和穩定狀態的危巖體，處于基本穩定的危巖體有9 處，比天然狀態減少了1 處，而處于欠穩定的有10 處，比天然狀態增加了4 處。因此，在暴雨條件下，危巖體穩定性總體有所降低。

在地震條件下，新增了4 處不穩定狀態的危巖體，處于欠穩定狀態的危巖體數量和暴雨條件下持平，而處于基本穩定狀態的僅有4 處，較天然狀態和暴雨條件下分別減少了6 處和5 處。由此可見，在地震作用下，危巖體穩定性總體同樣降低。

另外，地震作用下處于不穩定狀態的危巖體數量較暴雨條件下增多，而處于基本穩定狀態的危巖體數量卻較暴雨條件下大幅減少，雖然地震條件下新增了1 處穩定狀態的危巖體，但是總體來看，地震作用下穩定性差（不穩定+欠穩定）的危巖體數量較暴雨條件下增多（14 比10），而穩定性好（基本穩定+穩定）的危巖體數量卻較暴雨條件下減少（5 比9），因此，地震作用對危巖體穩定性的影響比暴雨更大。

天然狀況下處于欠穩定的危巖體，其破壞面已基本形成，在暴雨、地震等外動力作用下失穩破壞的可能性較大。而處于基本穩定—穩定的危巖體，其破壞面尚未完全形成，但在風化、降雨、植物根劈等因素持續作用下，破壞面將逐漸貫通，因此需要加強監測并及時進行工程治理。

5 防治措施建議

綜合考慮四層巖危巖帶的發育特征、破壞模式以及場地施工條件，提出以下防治措施建議：

對于規模較小、易于清理的危巖體，如WY2、WY4、WY5、WY7、WY8、WY10、WY11、WY21，建議將其清除。

陡崖底部的巖腔對危巖體穩定性具有重要影響，應對其進行加固治理。對于范圍較小的巖腔，建議采用漿砌片石（或塊石）對其進行嵌補，如WY1、WY13、WY15、WY16；對于規模較大者，建議采用鋼筋砼支撐對其進行加固，如WY3、WY9、WY12、WY14、WY18、WY19、WY20。

對于控制危巖體穩定性的長大裂隙，應進行灌漿處理，以增加巖體完整性和防止降雨入滲。對于規模較大（體積大于1 000 m3）以及穩定性較差（三種工況下均處于欠穩定—不穩定狀態）的危巖體，如WY6、WY8、WY9、WY10、WY11、WY14、WY18、WY19、WY21，建議增加適當的錨固工程，以提高危巖的安全儲備。

此外，建議在陡崖帶下方的斜坡段布設1～2 排柔性防護網，以攔截上方的崩塌落石及坡面的不穩定孤石。

6 結論

（1）位于三峽庫區萬州主城區的四層巖自上而下發育3 級陡崖帶，發育大小危巖體21 處。危巖體形態可劃分為塊狀、板狀和不規則狀3 類，體積規模從幾十至幾千方不等，破壞模式可歸納為墜落式和傾倒式2 類，危巖帶規模等級屬于中等。

（2）多級陡崖帶地貌特征、上硬下軟的巖性組合特征、結構面的組合切割、降雨和地下水作用以及植物根劈作用是導致危巖形成的主要因素，這些因素分別為危巖的形成提供了地形條件、物質和結構基礎以及外動力地質作用。

（3）采用定性分析和定量計算相結合的方法對四層巖陡崖帶和危巖單體進行穩定性評價，結果表明：陡崖帶目前整體處于穩定狀態；危巖體在天然狀態下多處于基本穩定—穩定狀態，在暴雨和地震條件下，其穩定性顯著下降，多處于欠穩定—不穩定狀態，地震的影響比暴雨更大。

（4）基于危巖體的發育特征、破壞模式以及場地施工條件，提出了清危、嵌補和支撐巖腔、裂隙灌漿、錨固、被動防護網等防治措施建議。對于規模較小的危巖體建議清除，對于規模較大和穩定性較差的，建議采取巖腔加固+裂隙灌漿+錨固的綜合治理措施。