FAST 景区公路滑塌式危岩稳定性分析及防治对策

周桂香 杨昌妮 潘网生,2 傅良同,2 姚 兴,2

（1、黔南民族师范学院 旅游与资源环境学院，贵州 都匀558000 2、黔南景区溶洞资源开发与生态环境保护工程研究中心，贵州 都匀558000）

危岩（potentially unstable rock mass）是发育在陡坡上的，因岩石结构面断裂失稳形成的不稳定岩石，在外界条件作用下容易引发坠落从而形成岩体崩塌[1]。陈洪凯等[1-2]根据危岩体失稳的不同方式，将危岩划分为三种不同的类型，即滑塌式、倾倒式、坠落式三种，并且根据危岩体所受到的荷载组合作用力不同，将其划分为三种不同的荷载组合类型，分别为天然状态下危岩体自重+孔隙水压力、暴雨状态下危岩体的自重+孔隙水压力、天然状态下危岩体的自重+孔隙水压力+地震力。

对于危岩的稳定性分析，国内学者们对危岩的稳定性研究重点主要集中在危岩的主控结构面断裂的问题上，并运用多种理论方法来分析其受力问题[3]。陈洪凯等[4]分析了影响危岩稳定的主控结构面强度，运用贯通率法来计算危岩主控结构面的抗剪强度。周云涛[5]运用危岩受到应力断裂后来分析对强度因子其稳定性的影响，分析了联合应力在危岩体主控结构面上的分布，总结得到了新的危岩稳定性的计算方法。龚昱文[6]将极限平衡法与断裂力学理论相结合，选择采用剪应力以及周向应力的最大准则来计算危岩体的稳定性，最后运用最大剪应力得出的结果与极限平衡法得出的结果大致相同。肖盈[7]选取影响危岩稳定性的岩体自身条件、自然条件、人类活动等七种因素，建立模糊矩阵，运用模糊评价法评价危岩体的稳定性。王林峰等[8]运用危岩主控结构面断裂时所受到的不同的应力，与时间效应的原理结合，推导出危岩体稳定性计算的方法，结果表明危岩的稳定性系数与时间变化呈线性相关的关系。谢全敏等[9]选取了影响危岩稳定的不同因子构建出灰色模糊矩阵对危岩稳定性进行计算，再运用危岩的可靠程度计算其稳定性，后在时间序列的基础上建立的数学模型来判断危岩在不同时间段内的变化，评价结果表明这三种方法计算的结果基本一致。

危岩稳定性分析方法有极限平衡法、断裂力学法、贯通法、时效分析法等，还有突变理论等。其中，极限平衡法是多数学者在研究危岩稳定性中最常使用的一种二维平面分析方法，也有部分学者突破了传统的二维平面分析危岩稳定性的方法，采用三维空间结合极限平衡理论以及强度理论进行分析评价[10-11]。本文将在二维平面的基础上，针对FAST 景区公路危岩体的稳定性开展相关研究工作，拟运用极限平衡法探讨滑塌式危岩在不同类荷载组合类型下的稳定性，并根据危岩的稳定性程度提出相应防治措施。

1 研究区域概况以及数据来源

1.1 研究区域概况

FAST 是中国500 m 口径射电望远镜，现已建成一个著名旅游景点，也称FAST 天眼景区。

1.1.1 区域位置

FAST 景区位于贵州省平塘县克度镇大窝凼洼地，处平塘县与罗甸县之间，其东北部的平塘县城距此大约85 km，其西南部的罗甸县城距此约45 km[12]。

1.1.2 气候特征

FAST 景区处于亚热带，全年平均气温在16 ℃左右，气候比较湿润，降水形式多样化，全年的降水天数平均在160 天以上，全年平均降水量超过了1200 mm[12]。这样的气候为促进FAST景区的旅游发展提供了非常好的条件，也正因此吸引了较多的国内外游客到此进行科研、观光。

1.1.3 水文状况

FAST 景区北部的摆郎河在航龙地区进入地下，在一定条件下形成了地下河，并且这些地下河一直向南流动，最终又从南部的罗甸地区流到地表面[12]。因而景区内没有出现明显的地上河流，但地下水比较发育，在一些岩石裂缝或者岩石沟谷中可以见到有水流流出地表。

1.1.4 地质地貌

FAST 景区内出露的岩石多为三叠系灰岩[13]，区域地质构造较为复杂，向斜与断层发育比较普遍，喀斯特地貌广布，多峰丛洼地。其中，主要的向斜发育有克度向斜、砂厂向斜、董当向斜，都大致呈SN 走向，FAST 景区主要位于克度向斜的东部；区域内主要的断层发育有董当断层、董架断层、腾子冲断层，其中董当断层呈SN 走向纵贯景区内部[14]。

1.2 数据来源

本文涉及危岩体的物理力学参数均采用高云河[14]实验数据，具体数值如表3 所示。危岩体A、B 的形态特征由实地调研测量所得，具体数据见表2。

2 研究方法

根据研究区的卫星遥感影像数据绘制出研究区的公路线路图（图1），选取了FAST 景区公路的两处危岩体进行稳定性研究，并将危岩体编号为危岩体A 和危岩体B。根据陈洪凯等[1]研究，危岩体的稳定性会受到三种不同荷载组合作用的影响，分别是天然状态下危岩体自重与其所承受的孔隙水压力作用下的荷载组合、暴雨状态下危岩体的自重与其所承受的孔隙水压力作用下的荷载组合、天然状态下危岩体的自重与其所承受的孔隙水压力以及地震力相互作用下的荷载组合。本文按上述三种工况分别对危岩体A 和危岩体B 进行稳定性分析。

图1 FAST 景区公路路线

2.1 危岩体概化模型构建

由于实际情况过于复杂，为便于将问题简单化，本文借助于CAD 软件对危岩体A 及危岩体B 进行抽象概化，形成概化模型，用以清晰描述危岩体结构面的断裂方向及其破裂面倾角，并根据危岩体定义及其破坏模式[1]，将危岩体A、B 定义为滑塌式类型。

2.2 危岩稳定性系数计算

由于需要考虑危岩体在不同荷载组合情况下的稳定差异性，本文拟运用极限平衡法分别探讨天然状态下危岩体自重附加孔隙水压力，暴雨状态下危岩体自重附加孔隙水压力，天然状态下危岩体自重附加孔隙水压力、附加水平地震力的危岩体稳定性。

其中：e 为倾斜岩层贯通段的垂直高度（m），γw 为水的容重，下同。

对于第二种荷载组合，孔隙水压力Q 与稳定性系数K 分别为：

对于第三种荷载组合，孔隙水压力Q 与稳定性系数K 分别为：

危岩体的地震力由地震力系数ζ 与其单位长度重力W 的乘积求出，可将其表示为：

2.3 危岩稳定性评价

危岩体的破坏模式主要有滑塌式、倾倒式、坠落式等三种类型，其稳定性评价标准见表1。

表1 危岩稳定性评价标准[1]

3 算例分析

本文选取FAST 景区公路上的两处危岩体A 和B，均属于滑塌式类型。危岩体A 位于东经106 °53 ′27''，北纬25°38′13''，其岩层倾角为18 °；危岩体B 位于东经106 °53 ′42''，北纬25 °38 ′20''，其倾角为15 °[15]。危岩体A 及危岩体B的实景图及其不同侧面如图2 所示。

图2 岩层倾斜特征

图3 危岩体A 模型

图4 危岩体B 模型

极限平衡法计算结果表明，危岩体A 在第一种荷载组合作用下的稳定性系数为1.829，在第二种荷载组合作用下的危岩稳定性系数为1.827，在第三种荷载组合作用下的危岩稳定性系数为1.806。危岩体B 在第一种荷载组合的作用下的危岩稳定性系数为2.031，在第二种荷载组合的作用下的危岩稳定性系数为2.025，在第三种荷载组合的作用下的危岩稳定性系数为2.001。危岩体A、B 在任一荷载组合作用下的稳定性系数均大于1.3，据此可以判断危岩体A、B 始终处于稳定状态，但在暴雨和水平地震力模拟状态下的稳定性均较天然状态下稍差，说明暴雨和地震力对喀斯特危岩体的稳定性影响不容忽视。

4 防治措施

一般而言，针对体积较小的危岩体，可以直接清除处理，针对体积较大的危岩体，可以通过设置防滑桩或在危岩体裂缝处灌注混凝土处理，当然，有时可以将上述方法综合应用[2][12][16][17]。

经极限平衡法计算，危岩体A 和危岩体B 在三种荷载组合的作用下均处于稳定状态，那么对于危岩体A 和危岩体B 的治理措施只需要围绕预防措施开展即可，如：定期扫除周围的碎石块，防止危岩体风化后脱落下坠；用防护网遮盖危岩体，防止落石下坠；在公路摆放落石下坠路段的警示，以提醒过往车辆及行人注意安全。另外，可采用生物措施进行防治，即在危岩体下部用土袋堆砌成土墙后，在这些土墙上种植一些藤蔓类的植物，除起到一定的防风化和落石缓冲作用，也可以美化公路环境。由于贵州地壳板块相对稳定，发生地震的概率较低，因此应重点关注暴雨状态下的危岩体A、B 的灾害防治，应建设好应急通道，如突遇暴雨天气，要及时疏散景区滞留游客；同时加强天气监测预报，禁止游客在强暴雨天气进入景区。配套的工程措施有：在危岩体下部开挖排水沟，导出其岩层裂隙内部积水，或将岩层裂隙上部开口进行灌浆填封处理。

5 结论

5.1 基于极限平衡法的危岩体稳定性计算结果表明，危岩体A、B 在三种荷载组合作用下均处于稳定状态。该方法简单、可操作性强、计算结果可靠，对FAST 景区公路危岩灾害防治具有指导意义。

5.2 根据危岩体A、B 当前的稳定状态，除采取适当预防措施外，建议重点关注暴雨状态下的危岩体稳定性，制定好应急处置方案、加强景区应急安全管理工作。另外可采取适当的工程措施，导出岩层裂隙积水或封堵裂隙上端开口等措施。

表2 危岩体相关参数

表3 危岩体稳定性计算