Value Engineering
0引言
桂林作為典型巖溶區，
山峰林立，直立、反傾斜山體甚為常見，山體易發生危巖崩塌等自然災害。巖溶區地下水作用對危巖的影響較大，在暴雨等因素作用下，水進入巖體孔隙或裂隙，使巖體沿斥力超過引力最大面產生崩 落[1，2]。碧蓮洞位于廣西壯族自治區桂林市陽朔縣碧蓮巷，
屬于西南地區典型的鐘乳石地貌，
巖石節理、裂隙發育，溶蝕作用下巖體相互切割[3]。該危巖帶潛在威脅較大，所處山
體危巖形狀不規則，巖石較破碎，
在暴雨等各種不利因素作用下，將引發較大崩塌，對山體下部過往游客及景區工作人員生命財產安全將造成無可挽回的損失。
危巖具有隨機性大、突發性高、沖擊能量強及破壞后果難預測等特點，危巖穩定性分析是危巖計算及評
價中必
不可少的環節，
解決潛在的危巖穩定性帶來的地質災害是危巖治理的關鍵[4~6]。許強基于蒙特卡洛法的基本原理，分
析了單體危巖的穩定性可靠度[7]
。謝秀棟在考慮土體材料特性的隨機性的基礎上，根據對比分析探討了極限平衡分
析法、可靠度分析法、數值分析法的優點及不足，以及其各自的穩定性分析中的發展趨勢[8]。陳洪凱等指出危巖發育機理是危巖研究的關鍵，而主控結構面的破壞擴展是危巖失穩的根本原因，主控結構面的失穩擴展源于裂縫端的損
傷發育[9]
。羅東生等采用赤平投影法和極限平衡法對巖溶區脹裂式危巖進行穩定性分析[10]。現階段對危巖的研究大多以宏觀穩定性分析為主，本文結合桂林巖溶區危巖成因機制及微觀地貌的特點，對碧蓮洞危巖體進行穩定性評價，對桂林地區鐘乳石洞穴的開發和管理及西南地區危巖的防治有著重要的科學與社會意義。
1危巖帶地質背景1.1地貌及地層巖性
碧蓮洞處于峰林谷地地貌區，群峰拔立，谷地較平坦，
山頂標高252.3m ，地面標高122m ，相對高差約130m ，進洞口處山體坡向約為225°，出洞口處山體坡向約為63°，危巖
帶所處山體坡度30~80°。山體中上部生長有灌木叢，
下部巖石較裸露。危巖區分布的地層主要有第四系（Q ）粘土層
和泥盆系中統唐家灣組（D 2t ）灰巖。第四系（Q ）粘土層為黃色粘土呈硬塑~可塑狀，
主要分布于山腳處，厚約1.5~5m ，山腰較緩處零星分布，厚約0.2~0.5m 。泥盆系中統唐家灣組
（D 2t ）灰巖為灰-深灰色，大部分為隱晶質結構，
中-微風化，中厚-厚層構造，巖石堅硬，性脆，結構破碎，巖溶較發育。
1.2水文地質和工程地質條件
該區域地下水為松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖裂隙溶
洞水。前者主要賦存于第四系覆蓋層孔隙中，孔隙細小，多
被泥質充填，含水高、透水性較差。后者主要為泥盆系中統
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—基金項目：湖南省教育廳科學研究項目———微型樁防治軟巖隧道
底板隆起機理及工程應用研究（18C1261）；湖南省教育廳科學研究項目———巖溶區典型危巖崩塌機理及預
防研究（21C0990）。作者簡介：李和志（1985-），男，湖南雙峰人，
碩士研究生，副教授，主要從事交通土建技術類專業的教學與研究工作；葛
莎（1990-），女，湖南湘鄉人，碩士研究生，
工程師，講師，主要從事巖土工程及建筑工程技術專業的教學與研究工作；姜盛騫（1990-），男，湖北武漢人，學士，工
程師，研究方向為地質災害預防；尹思航（2000-），男，
湖南湘潭人，本科在讀，研究方向為建筑結構工程。
典型巖溶區危巖特征及穩定性分析
Characteristics and Stability Analysis of Dangerous Rocks in Typical Karst Areas
李和志①LI He-zhi ；葛莎①GE Sha ；姜盛騫②JIANG Sheng-qian ；尹思航③YIN Si-hang
（①湖南城建職業技術學院，湘潭411101；②廣西壯族自治區地質環境監測站，桂林530029；③長沙理工大學，長沙410015）（①Hunan Urban Construction College ，Xiangtan 411101，China ；
②Guangxi Zhuang Autonomous Region Geological Environment Monitoring Station ，Guilin 530029，China ；
③Changsha University of Science and Technology ，Changsha 410015，China ）摘要：廣西陽朔碧蓮洞進出洞口危巖是西南地區典型巖溶鐘乳石地貌，
巖體在構造裂隙、節理裂隙層面切割、卸載、暴雨和溶蝕作用下，破壞成塊狀、層狀等不規則結構體，形成危巖帶。電鏡掃描試驗觀察危巖表觀特征，
巖體表層不完整，具備危巖體特征。通過赤平投影法和極限平衡法進行定性和定量穩定評價，W1危巖體前緣剪出，受后緣及底部裂隙交叉切割，
在風化、降雨、溶蝕等作用下將發生滑移型破壞；W2危巖體受裂隙切割使下部懸空，在重力等因素作用下，將發生墜落式破壞。通過穩定性計算，
危巖在天然工況下基本穩定，暴雨工況下不穩定。
Abstract:The dangerous rock at the entrance and exit of Bilian Cave in Yangshuo,Guangxi is a typical karst stalactite landform in Southwest China.The rock mass is destroyed into irregular structures such as blocks and layers under the action of structural fissures,joint fissures,cutting,unloading,heavy rain and dissolution,forming a dangerous rock belt.The appearance characteristics of dangerous rock is obrved by scanning electron microscope test,and the surface of rock mass is incomplete and has the characteristics of dangerous rock mass.Qualitative and quantitative stability evaluation is carried out by the stereographic projection method and limit equilibrium method.The front edge of the W1dangerous rock mass is sheared out,and is cross-cut by the trailing edge and bottom fissures,which will cau slip-type failure under the action of weathering,rainfall,dissolution,etc.The W2dangerous rock mass is cut by fissures and the lower part i
s suspended,and under the action of gravity and other factors,falling damage will occur.Through the stability calculation,the dangerous rock is basically stable under natural conditions,but unstable under heavy rain conditions.
關鍵詞：危巖帶；溶蝕；電鏡掃描；
層面切割；穩定性分析Key words:dangerous rock zone ；dissolution ；electron microscope scanning ；slice cutting ；stability analysis 中圖分類號:P694文獻標識碼:A 文章編號:1006-4311（2022）25-157-03doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2022.25.050
唐家灣組（D 2t ）
灰巖。主要賦存于溶洞及溶蝕裂隙中，多以地下河的形式排泄。水質類型為HCO 3-Ca 2+
型，pH 值為
6.8，礦化度75.96mg/L ，
對混凝土微侵蝕性。危巖區巖土體結構主要有第四系松散土體和中-薄層
狀巖溶中等發育堅硬灰巖。前者力學強度較低，
多分布于山腳（厚約1.5~5m ）或山體上部較緩坡體（厚度多為約
0.2~0.5m ）。后者為泥盆系中統唐家灣組灰巖，
呈灰~灰黑色，隱中-微風化，中厚~厚層構造，堅硬灰巖性脆、結構破碎，巖溶中等發育，山體頂部為甚。山體表面產生溶蝕裂隙及溶蝕溝槽，溝槽寬0.2~0.5m ，深1~3m 。溶蝕深度0.1~5m ，溶蝕裂隙寬5~13cm ，局部達30cm ，結構面將巖體分割
成塊體，部分懸空，部分已松動或產生位移，
形成危巖[3]。2危巖帶發育特征分析2.1危巖帶基本特征
碧蓮洞進洞口處危巖帶WYD1分布于穿山西峰山體西面的陡壁上，分布高程為140~154m ，主崩方向210°~225°。危巖帶最大寬度26m ，最大順坡長約14m ，危巖帶面積364m 2，平均厚0.5m ，危巖帶所在斜坡坡度約為65°~90°。基巖中主要發育有兩組節理裂隙，與巖層將巖體切割
成大小不等塊體，巖體破碎，
為危巖帶的形成創造了條件。①裂隙：52°∠65°，寬度2~8cm ，可見長度為3~12m ，裂隙率2條/m ；②裂隙：127°∠60°，寬度為3~9cm ，可見長度為1~9m ，裂隙率3條/m 。
2.2危巖體的基本特征
危巖帶中有2處體積較大危巖體，共16.3m 3，為典型
危巖W1，W2，如圖1。W1危巖位于進洞口上方山體坡面，
坡度約75°。危巖體呈不規則狀，表面破碎，
危巖體切割裂隙發育，巖體部分內嵌，重心外傾，底部有局部支撐，后緣
被裂隙切割，僅部分與母巖連接，裂隙張開明顯，
巖體表面發育一組近垂直于巖面的節理裂隙。危巖體前緣部分懸空
向前剪出，受后緣裂隙與底部裂隙的交叉切割，
僅靠內嵌部分巖體支撐保持平衡，穩定性差，如遇較大振動、
暴雨等作用，可能發生滑移式崩塌。
W2危巖位于進洞口上方山體坡面，坡度約79°。危巖體由多塊巖體組成，呈不規則狀，巖體破碎，后緣被裂隙切割，僅部分與母巖連接，裂隙張開明顯，巖體表面發育一組近垂直于巖面的節理裂隙。危巖體前緣為陡壁，下部懸空，僅靠內嵌部分巖體支撐保持平衡，被分割的巖石塊體，在重力作用下存在沿裂隙向臨空面傾倒和滾落的趨勢。如遇較大外部作用，危巖可能發生墜落式崩塌。W1、W2基本情況如表1所示。3電鏡掃描分析采用S4800型場發射掃描電子顯微鏡觀察危巖體風化程度，采用5k 倍放大電鏡對處理后的危巖表層小塊體
進行微觀結構觀察和分析。未破壞巖體表面致密，
巖體顆粒規則排布。圖2（a ）危巖風化表層較破碎，表面可見土顆粒及巖石碎屑顆粒；風化巖體表面如圖2（b ）風化較嚴重，
表面出現架空結構，空隙較大、
較深。可觀察到部分巖體表面凹陷明顯，可見危巖表層巖體碎屑較多，巖體破碎程度大，
巖體表面由于風化剝蝕、地表水溶蝕及植被根劈作用等，
巖體表層定向性十分差，紊亂無序，易產生不穩定破壞。
4危巖體穩定性評價
采用赤平投影分析法對典型危巖的穩定性進行分析，
根據現場調查，山體總體坡向約為6°，山體坡度30~75°，山體基巖裸露，巖層節理發育，分布浮石、被節理裂隙面切割
成的危巖體，這些危巖處于基本穩定-欠穩定狀態。調查區山體巖層產狀288°∠5°，W1號、W2號危巖主要發育三組節理裂隙：J1：152°∠46°、J2：127°∠60°、J3：220°∠65°。根據
危巖區的地形地貌、地層巖性、構造、
巖土體工程地質特征。根據廣西地方標準（DB45T1696-2018）計算危巖穩定
性。根據規范要求及本區大量工程實例，穩定性評價選擇
兩種工況：①工況Ⅰ-現狀工況：自重+裂隙水壓力，②工況
Ⅱ-暴雨工況：自重+暴雨時裂隙水壓力+地下水。工況Ⅰ
中墜落式和雙結構面控制危巖穩定的滑移式危巖，不考慮裂隙水壓力。危巖區防治工程安全等級為II 級，區內滑移式和墜落式危巖體穩定安全系數在工況Ⅰ、工況Ⅱ情況下
取1.3、1.5（DB45T1696-2018）。綜合選取折減后巖體計算
力學參數見表2。
對各特征危巖體穩定性計算，穩定性系數取兩種計算
結果中的較小值。4.1滑移式危巖
圖1
典型危巖基本特征
（a ）W1危巖（拍攝方向233°
）（b ）W2危巖（拍攝方向230°）
表1危巖基本情況一覽表
危巖
編號高程（m ）
相對高差（m ）
高
（m ）寬（m ）厚（m ）體積
（m 3）失穩
方式主崩方向W1W2
1361341412 3.52.5340.61 6.310
滑移墜落
222°223°
圖2危巖電鏡掃描5k 實驗圖
（a ）危巖風化表面①
（b ）危巖風化表面②
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危巖體后緣存在貫通的陡傾裂隙、
滑面緩傾。危巖穩定性按巖體破碎的巖質滑坡穩定性計算，計算簡圖見圖
3（a ），
計算公式如下：
（1）
（2）
4.2墜落式危巖
計算模型見圖
3（b ），
計算公式如下：
（3）（4）
方向沿滑移面斜向下，
其中：K —傳遞系數；c —黏聚力；
Q —地震力，
不考慮；F —危巖穩定系數；
φ—危巖體后緣裂隙內摩擦角標準值（°）；
f lk —危巖體抗拉強度標準值（kPa ）；
ξ—危巖抗彎力矩計算系數。
根據危巖體形態、規模、結構特征及物理力學參數，按照公式進行計算，得各危巖體穩定性系數計算結果見表
3、表4。危巖剩余下滑力計算公式為：剩余下滑
（傾）力=下滑（傾）力×安全系數-抗滑（傾覆）
力。根據計算結果，在天然狀況（工況Ⅰ）下，危巖體處于
基本穩定狀態；在暴雨狀況（工況II ）下，危巖體處于不穩
定狀態。
5結論
危巖體位于陡崖及陡坡處，
各危巖體突出矗立，受構造影響巖體較破碎，堅硬性脆，節理裂隙發育，且受裂隙水
徑流影響。溫差、暴雨、風化溶蝕、
剝蝕等作用產生的溶蝕裂隙和風化裂隙，使山體受裂隙切割。通過電鏡掃描試驗
觀察危巖表層巖體碎屑較多，
凹陷明顯，破碎程度大。巖體表面由于風化剝蝕、地表水溶蝕作用等，表層定向性差，紊
亂無序，具備危巖表面特征。
進行定性與定量穩定性分析，采用赤平投影定性分析危巖體在各組優勢節理切割形成三維切割體，穩定性差，
處于穩定~不穩定狀態。
對危巖體進行穩定性評價，在天然狀況（工況Ⅰ）下，W1危巖、W2危巖處于基本穩定狀態；在暴雨狀況（工況II ）下，均處于不穩定狀態。
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表2巖體計算力學參數一覽表
巖體重度kN/m 3
結構面內聚力C （
KPa ）結構面內摩擦角φ（°）修正后巖體單軸抗壓強度（MPa ）
灰巖
天然26飽和27天然18~26飽和16.7~25.7天然22.95~29.75飽和21.3~28.3
11.16-18.10
（a ）滑移式危巖穩定性計算模型
圖3危巖體穩定性計算模式圖
（b ）墜落式危巖穩定性計算模型
表3滑移式危巖穩定性、剩余下滑(傾)力計算成果表
破壞
方式工況
危巖編號穩定系數F 安全系數F s 剩余下滑
力（kN/m ）穩定性
滑移式
工況Ⅰ（現狀）
工況Ⅱ（暴雨）
W1W1
1.080.95
1.301.30
2846
基本穩定不穩定
表4墜落式危巖穩定性、剩余下滑(傾)力計算成果表
破壞方式
工況
危巖編號穩定系數F 安全系數
F s
剩余下墜
力矩
（kN ·m ）F s
穩定性墜落式
工況Ⅰ（現狀）工況Ⅱ（暴雨）
W2W2
1.19
0.97
1.501.50
814
基本穩定不穩定
