三峡库区高边坡失稳模式的岩体结构分析
董好刚
（宜昌地质矿产研究所，宜昌，443003）
摘要：岩体结构是基岩斜坡变形失稳的控制性因素。考虑三峡库区的实际情况，控制岸坡稳定的岩体结构主要有岸坡岩性组合特征、岩体结构类型和岸坡结构类型三种要素，在此基础上按照一定的标准将其量化为17个小类。它们的组合构成了岸坡岩体结构的基本特征，并且组合类型通常决定了岸坡的稳定状况及主要失稳模式。本文通过现场调查并结合前人的研究，对库区岩质岸坡的典型的失稳模式进行了岩体结构分析，最后总结了三峡库区岸坡变形失稳的特征。岩体结构分析对岩质岸坡失稳模式的确定及潜在破坏面的识别、提高岸坡治理的针对性和有效性具有指导意义。
关键词：三峡库区；岩质斜坡；失稳模式；岩体结构
文章编号：中图分类号：文献标识码：A
1引言
斜坡失稳是三峡库区最为严重的地质灾害。由于库区特殊的地形条件，随着移民新城镇和居民点的建成，以及移民新址的街道、房屋、基础设施等和公路、港口等专业设施建设，不可避免形成了大量的高切坡。因高切坡垮塌而造成人民生命财产危害和损失的事件不断发生，且近几年有上升趋势。如2001年发生在重庆市武隆县的高切坡垮塌事件造成了重大的人民生命与财产损失；2007年11月20日发生在巴东县318国道木龙河段高阳寨隧道进口下方的岩崩滑坡造成客车被埋及31人伤亡的惨痛事故等等。
岩体结构是基岩斜坡变形、破坏最根本的控制性因素，几乎所有的自然斜坡失稳都受到岩体结构面的控制。Varga等人(1998)通过收集和分析全球350座水库坝址区的不同类型基岩滑坡，发现有50％以上的岸坡失稳是因岩体结构的影响而引发的[1]。三峡库区的长江两岸也是崩塌、滑坡的多发地区，在5 014 km长的岸线上，前缘高程低于正常蓄水位175 m的崩滑体有1 190处[2]；链子崖危岩体、新滩滑坡等影响显著的斜坡变形破坏现象均与岩体结构密切相关；重庆武隆“5·1”滑坡属于典型的层状碎裂岩体边坡失稳；巴东“11·20”崩塌惨剧也由岩体典型结构面控制等等。因此，对岩质斜坡的岩体结构进行正确的分析对于确定岸坡变形失稳的主要模式、识别其潜在破坏面，提高岸坡治理的针对性和有效性具有重要意义。
本文以岩体控制论为指导原则，通过现场调查并结合前人的研究，对库区岩质岸坡典型的失稳模式进行了岩体结构分析，最后总结了三峡库区岸坡变形失稳的特征。
2控制岸坡稳定的岩体结构要素
岩体结构是基岩斜坡变形失稳的控制性因素。三峡库区大量的工程实例和研究证明，控制岸坡稳定的岩体结构从广义上讲主要有岸坡岩性组合特征、岩体结构类型和岸坡结构类型三种要素。它们的组合构成了岸坡岩体结构的基本特征，并且组合类型通常决定了岸坡的稳定状况及主要失稳模式。按照一定的标准将三种结构要素量化为17个小要素，以便在实际工作中更容易操作（表1）。
在岸坡稳定性分析评价中，控制岸坡稳定的主要因素有岸坡岩性组合特征、岩体结构类型和岸坡结构类型，三者既有区别也有一定的联系，但它们三者的组合往往构成了岸坡的基本地质模式，并且组合类型通常决定了岸坡的稳定状况及主要变形破坏方式和规模岩体结构控制着斜坡的变形与破坏，岩体的力学性能因结构面的存在而发生改变[9]。不同类型岩体结构的形成是由于在岩体内部存在着成因不同、规模不等、产状各异的结构面。结构面不仅破坏了岩体的连续性和完整性、导致岩体力学强度的各向异性，而且还构成岩体中不同岩块之间的隔离面，成为滑坡体的滑动面和崩塌体的切割面。如岩体中泥岩、页岩夹层或断裂带中的糜棱岩、断层泥等软弱结构面多为滑坡体的滑动面或崩塌体的分离面。结构面的发育密度、贯通性、延展规模等影响到岩体的力学强度和工程性质，从而决定了岩体的破坏形式[10]。如结构面不发育、
岩性软弱的岩体主要发生弧面滑动破坏，发育两组交切的结构面时多发生楔形体滑动破坏；若岩体中存在多组相互平行、倾角较陡的结构面，斜坡面附近的岩体常常发生溃屈变形或倾倒破坏。
对基岩斜坡稳定性起着重要控制作用的岩体结构面主要有岩层层面、断裂构造、节理裂隙、片理与劈理以及侵入体和围岩的接触带等。对于倾向河谷的单斜岩层，由于河流的下切作用使坡脚变陡，如果地层倾角大于摩擦角，则在重力作用下斜坡上的岩体就会沿着倾斜的岩层层面发生滑动。滑动还可能沿着由岩层面和共轭节理面组成的复合面发生。断层倾向对斜坡的稳定起着重要的控制作用。倾向河谷并切割斜坡的断层往往成为斜坡破坏的滑动面，这种斜坡滑动的规模差异很大。如果断层倾向与斜坡坡向相反或斜交，则断层对斜坡稳定的影响较小，但断层有时也可与其他软弱结构面共同构成斜坡破坏的滑动面。深切陡峭边坡的近直立断层往往使边坡岩体发生倾倒破坏。
节理对斜坡稳定的影响取决于节理的密度、节理产状及其与斜坡坡向和坡角的关系、岩体被分割的程度等。近于直立的节理裂隙将陡峭斜坡面附近的岩体分割成板裂结构，在岩体应力卸荷作用下容易发生倾倒破坏。板裂结构岩体的变形破坏取决于节理面之间“岩桥”(板状岩体)的力学性质。片理和劈理常常将岩体分隔成薄片状，它们或平行于层面或垂直于层面，构成基岩斜坡变形破坏的分离面或滑动面。变质岩中广泛发育的片理结构使岩体的力学强度和变形特征具有明显的各向异性。侵入结构也可引起斜坡发生变形或破坏。在这种情况下，侵入岩体与围岩的接触面受岩体形态和产状的控制，对斜坡的稳定性起着关键的作用。
2基岩斜坡失稳破坏的机制
斜坡岩体的稳定性问题实质上是滑动面(软弱结构面)上致滑力与摩擦阻力之间相互
从奉节地区所处的区域地质构造背景出发,充分分析研究该地区斜坡的物质成分组成、结构特征、岩层组合特点,同时考虑长江河谷的发育变迁对该地区地形地貌变化的影响,将研究区斜坡结构划分为以下6种类型:顺倾坚硬岩层斜坡、顺倾软弱岩层斜坡、顺倾软硬岩互层斜坡,反倾坚硬岩层斜坡、反倾软弱岩层斜坡、反倾软硬岩互层斜坡。论文从斜坡变形破坏形态入手,归纳、总结了以上6种类型斜坡的变形破坏模式和特点:总体上看,坚硬岩层组成的斜坡以断裂、崩塌变形破坏为主,而软弱岩层组成的斜坡以弯曲、滑动、塑性流动变形破坏为主。由于岩性本身存在强度差异,而且由于不同的岩层组合,及其与不同坡向的组合,造成各类斜坡的变形破坏又独具特点。通过分析研究,认为重力作用、降雨及地下水作用、河流冲刷作用是造成研究区斜坡发生变形破坏的主要原因。对于所划分的不同结构类型的斜坡,以上3种动力地质作用的效果也不
尽相同,最终在各种作用相互影响下,
形成了奉节地区复杂多样的斜坡变形破坏模式
当组成斜坡的岩性不同或岩性组合不同时,斜坡变形破坏形式有较大差异。即使岩性组合相同当岩层倾向和坡向的组合不同时,其变形破坏模式也存在很大差别。从岩体结构控制论的观点来看岩体结构是控制斜坡变形破坏的最主要因素之一而顺倾岸坡和反倾岸坡起控制作用的结构面有较大差异。顺倾岸坡起主要控制作用的结构面是层面其次才是节理面,变形破坏主要沿层面发生;而反倾岸坡在各种内外动力地质作用下,容易形成多组节理,各组节理共同作用于岩体,致使岩体被切割的十分破碎,节理面往往取代层面而成为控制变形破坏的主要结构面。
文章提出了现场易识性、力学机理明确性和失稳模式预判性的危岩分类原则,并将危岩分为单体危岩和群体危岩两大类。单体危岩分为压剪-滑动型危岩、拉剪-倾倒型危岩、拉裂-坠落型危岩及拉裂-压剪坠落型危岩;群体危岩分为底部诱发破坏型危岩及顶部诱发破坏型危岩。分析了各类危岩的基本特点;从陡崖(坡)断面形状、主控结构面、主控结构面走向与陡崖(坡)走向之间的组合关系以及岩性等方面构建了危岩分类宏观判据,经万州太白岩50余个危岩的现场验证,利用这些宏观判据判识的危岩与实际相符。
0.475
参考文献
1 Varga A，Gorbushina V.Geostructural Classification of Unstable Masses. In: International Association of Engineering Geology.Proc.8th Int Congress of the Int Association of Engineering Geology，Rotterdam:Pergamon Press，1998. 1 477~1 483
2何满朝，崔政权，姚爱军，等.三峡库区滑坡研究新进展.见:中国岩石力学与工程学会主编.新世纪岩石力学与工程的开拓和进展(中国岩石力学与工程学会第六次学术大会论文集).北京:中国科学技术出版社，2000.59~63
Analysis of Rock Mass Structure on the Failure Modes of Rock Slope in
Three Gorges Reservoir Areas
Dong Haogang
(Institute of Geology and Mineral of Yichang， Yichang. 443003)
Abstract: Stability of rock slopes is generally controlled by the structure of rock masses. Since they are different in genesis and scale，the rock
masses are different in features and mechanical intensities.Based on the combination of rock structure bodies，15 basic modes of deformation and failure of rock slope are systematically summarized.The deformation and failure of
rock masses actually result from the recombination and rearrangement of these rock bodies.There are 11 types of rock mass structures and various deformation and failure of bank slopes are present in the reservoir area of the Three Gorge Project.
Key words rock slope；modes of rock mass structure；mechanism of deformation and failure；destabilization
of
slope；the reservoir area of the Three Gorges Project
d in th
e further study o
f embankment failure mode.
Key words：three gorges reservoir；embankment slope；type classification
平缓软硬岩层互层边坡主要由近水平的四川盆地边缘侏罗系红层沙溪庙组砂岩、页岩互层和侏罗系遂宁组厚层砂岩、页岩构成,俗称“三明治”边坡。通过对万州剖面的调查,该套地层出露了17个砂岩、泥岩单元,构成了8个互层旋回。该类边坡主要分布在云阳、万州、忠县等,岩层主要受二组节理切割,开挖后稳定性变差
长江三峡工程库区在大规模移民迁建工程建设中，随着移民新城镇和居民点的建成，以及移民新址的街道、房屋、基础设施等和公路、港口等专业设施建设，由于建设区地形起伏较大，不可避免形成了大量的高切坡。这些高切坡因地质条件复杂，岩石松软破碎，易于风化，所暴露的灾害隐患日显突出。由于受资金的限制这些高切坡大多均未得到有效治理。因高切坡垮塌而造成人民安全受到危害和损失的事件不断发生，如2001年发生在重庆市武隆县的高切坡垮塌事件就造成了重大的人民生命与财产损失；奉节县新县城黑寒包高切坡在2002年发生明显变形；2007年11月20日发生在巴东县318国道木龙河段高阳寨隧道进口下方的岩崩滑坡造成客车被埋及31人伤亡的惨痛事故等等。
对三峡库区边坡稳定性和破坏特征，许多学者从不同角度已经作了大量研究工作[7~9]。人工高切坡的危害虽然已经引起了政府的重视[10，11]，但对三峡库区的高切坡破坏模式、破坏特征的研究较少。祝界旺等对万州高切坡的典型破坏形式进行了研究[10，11]，栾约生对巴东县高切坡破坏模式进行了研究等，这些研究大多针对某一地区，且对其影响因素的研究欠系统。本文在对三峡库区上游云阳—江津9个城市200个典型高切坡详细调查的基础上，以岩体结构控制论为指导原则，依据岩性及其组合、岩体结构、岩体强度、结构面间距、走向与边坡走向的关系、结构面倾角与坡角的关系等各种不同组合情况具体分析了土质、岩质、岩土复合型高切坡可能破坏的典型模式：崩塌、滑移、表层风化、差异风化破坏，见表1。针对岩质斜坡提出了楔形体-平面滑动破坏模式、崩塌-滑动破坏模式、滑动-拉裂型破坏模式及滑动-压裂型破坏模式等4种复合破坏模式。因此,以三峡水库区危岩为例,从现场易识性、力学机理明确性及失稳模式预判性出发建立新的危岩分类方案。明确危岩宏观识别判据,对于提升危岩勘查水平具有重要现实意义,也为危岩理论研究及防治针对性、有效性提供了依据。因此，研究影响高切坡稳定的因素、破坏特征，提高高切坡治理的针对性和有效性十分必要。
2云阳-江津高切坡特征与分布
2. 1高切坡的界定与特征
根据《三峡库区高切坡防护规划》和国标GB50330—2002《建筑边坡工程技术规范》，三峡库区高切坡分为岩质、岩土质、土质三类[1]。
(1)岩质高切坡是指由基岩组成，且坡高≥15m的高切坡。在高切坡勘察中，根据岩层与坡向组合关系，将岩质高切坡划分成三个亚类:①岩质顺向坡，岩层倾向与坡向一致；②岩质逆向坡，岩层倾向与坡向相反；③岩质斜交坡，岩层倾向与坡向斜交，在岩质斜交坡中还存在顺向斜交和逆向斜交两种。
(2)岩土质高切坡是指由基岩和土体、土石混合体或碎裂岩体组成，以基岩为基座，且坡高≥10 m 的高切坡。
(3)土质高切坡由土体、土石混合体以及滑坡堆积体组成，且坡高≥8 m的高切坡。
这些不同分类特征的组合构成了实际的具体的高切坡。每一种高切坡所具有的特征和对影响稳定因素敏感性的不同便构成了不同的破坏形式。
2. 2万州高切坡的形成与分布
湖北岩崩埋客车（沈阳晚报2007年11月24日）
2高切坡破坏模式分类原则
2·1现场易识性
目前,在危岩勘查过程中,勘查工程师的主观因素所占分量很重,即使对于同一个危岩体所给出的范围大小、形态外貌以及主控结构面位置、连通率、张开度等均出现较大偏差。其根本原因在于实际工程中的危岩体形态变化较大、所处位置较高较远、危岩体内部不可视、危岩体表面植被及相关覆盖层较厚。因此,危岩勘查识别是一个多因素耦合、学术含量较高的问题。现场易识性系指通过已构建的危岩识别指标体系在现场易于识别危岩体类型的分类原则。
2·2结构控制论
3高切坡典型破坏模式
总结万州区47个高切坡的勘察和试验成果[12~14],将其破坏模式进行分类,可以归纳为崩塌
破坏、风化剥落破坏、差异风化破坏、土体滑、塌破坏4种形式,各种破坏形式数量见表1。
3.1崩塌破坏
崩塌破坏:占47个高切坡的29. 8%。破坏特征是岩体的卸荷裂隙、岩层、节理、坡面等组合形成柱状或锲形块体,在重力和上覆压力的作用下,发生崩塌破坏。破坏模式如图2a所示。当层面顺倾时,在重力和其他自然力的作用下,块体沿坡面滑落(图2b);当层面反倾时,切坡面和岩层随机相交,有的岩块由于尺寸太小自然掉落或形成危岩;有的可能因为强度不足发生剪切破坏而崩塌(图2c、2d)。初始破坏发生后,破坏区上方的岩块失去支撑,发生后继破坏,或形成悬臂岩。随着小规模崩塌的不断发生,随后导致较大规模的崩塌。崩塌主要发生在以砂岩为主的高切坡中。在泥岩中也有发生,但岩块一般很小,崩塌的规模也比较小。
3. 2风化剥落破坏
风化剥落破坏:在47个高切坡中占19. 1.其破坏特征是边坡表层物质风化剥落,堆积于坡脚。坡面比较平滑,破坏模式如图3a示。风化剥落破坏主要发生在泥岩和崩塌堆积物为主的高切坡中(图3b)。
3. 3差异风化破坏
差异风化破坏:在47个高切坡中占21. 3%。主要发生在砂岩和泥岩互层的高切坡中。其破坏特征是泥岩风化速度较砂岩快,在砂岩层下形成岩腔,岩腔的形成为砂岩的变形提供了条件,破坏模式如图4a示。岩腔形成以后,有两种破坏方式。一种是砂岩中的节理裂隙和岩层面形成的砂岩块体失去了下部的支撑,失去平衡,
发生塌落(图4b);另一种是整体性较好的岩层(一般为厚岩),由于悬臂太长,岩体的抗拉强度不足以维持悬臂岩的重量和其所负的荷载,拉裂砂岩的上部而崩塌(图4c)。崩塌之后的岩层可以得到暂时的平衡,随着泥岩风化的继续,重复上述破坏过程。如此反复进行。
3. 4土体滑、塌破坏
土体沿基岩面的滑动或土体滑动破坏:在47个高切坡中占29. 8%。该模式发生在上土下岩的高切坡或堆积物构成的土坡中,其破坏模式如图5a示。其破坏特征是岩上土体沿基岩面(顺岩层)滑塌,或沿土体的软弱面滑动。表现为两种形式:一种是沿基岩面或土体的软弱面较大规模的整体滑动(图5a、5b);一种是靠近坡前的一小部分首先滑塌,渐次牵引后缘的土体滑塌,即牵引式滑塌。
44危岩分类的宏观判据
危岩分类的宏观判据是指凭肉眼或借助于简便的量测工具在现场识别危岩的指标类型,可从陡崖或陡坡断面形状、主控结构面、主控结构面走向与陡崖或陡坡走向之间的组合以及岩性等4个方面拟定危岩宏观判据因素(表1)。据此建立不同类型危岩的宏观判据(表2)。值得指出的是,为了较全面地确定各类危岩的物理力学性质特性,为进行危岩稳定性分析及防治工程设计,在危岩宏观分类基础上尚应具体进行危岩测量、钻探、裂隙水压力测试,并从危岩体及其环境岩土中取样进行室内物理力学性质试验。
表1判别危岩的宏观因素
Table 1Macro-factors to identify perilous rock
5高切坡破坏的复合模式
高切坡的稳定性影响因素复杂,其破坏模式多种多样,其以一种模式破坏的情况往往比较少见,较多的破坏模式是2种、甚至是3种简单破坏模式的组合.
5. 1楔形体-平面滑动破坏模式
此种破坏模式表现为上部是楔形破坏,下部是平面滑动破坏,其是由横向上与直立岩层大角度斜交并呈“X”型组合的两组结构面,与一组倾向坡外的陡立结构相迭加的变形破坏.前两组结构面常表现为剪切滑移,后者表现为拉裂变形,空间组合成楔形体.此种破坏模式常见于块体砌筑型高切坡. 5. 2崩塌-滑动破坏模式岩体高切坡的破坏往往是从关键块体开始的,在关键发生块体崩塌后,引发其附近块体坠落,后面的岩体临空,往往沿结构面产生平面滑动,产生崩塌—滑动破坏模式,此种破坏常见于反倾切割型高切坡.
5. 3滑动-拉裂型破坏模式
高切坡开挖后,潜在滑移面被切脚而出露于坡面,可引起坡体以不同方式沿滑移面向下整体滑移,滑动往往从坡面处开始,慢慢向坡体深处扩展,由于下滑体各部分的速度差而把滑移体拉裂解体.此种破坏常见于倾角10~20°的大型慢速滑坡中,较易于土体高切坡及顺型切割型高切坡中产生.
5. 4滑动-压裂型破坏模式
此种破坏模式首先从坡体后缘开始滑动,属推移式滑坡,在滑动过程中,在上部过大的下滑力挤压下,滑动体被压裂解体.较易于顺型切割型高切坡、土体高切坡及反倾切割型高切坡中产生.
6结论
1)根据岩体结构面的控制性及现场易识性原则,将公路高切坡分成3大类9小类.依据岩性及其组合、岩体结构、岩体强度、结构面间距、走向与边坡走向的关系、结构面倾角与坡角的关系等各种不同组合情况具体分析了公路高切坡可能破坏的具体模式:表层冲蚀、表层剥落、蠕滑-座落式滑坡、圆弧形滑动、平面滑动、楔形体破坏、崩塌、折线滑动等.
2)在公路高切坡新分类基础上,提出了楔形体-平面滑动破坏模式、崩塌-滑动破坏模式、滑动-拉裂型破坏模式及滑动-压裂型破坏模式等4种复合破坏模式,对高切坡的稳定性分析及潜在破坏面的识别具有指导意义。
Analysis of the Modes of Rock Mass Structure on Slope Stability
LITiefeng PANMao LIURuixun
(School ofEarth and Space Sciences,Peking University,Beijing,100871)
Abstract Stability of rock slopes is generally controlled by the structure of rockmasses,especially the soft struc- ture surfaces.Analysis of rockmass structures is a key to establish geological models and numerical simulation and
a foundation to assess the stability of rock slopes.The weak structure surfaces are mainly bedding planes,faults, joints,schistosity plane and contact zones of intrusive bodies.Since they are different in genesis and scale,the rock masses are different in features and mechanical intensities.Based on the combination of rock structure bodies,15 basic modes of deformation and failure of rock slope are systematically summarized.The deformation and failure of
rock masses actually result from the recombination and rearrangement of these rock bodies.There are 11 types of rock mass structures and various deformation and failure of bank slopes are present in the reservoir area of the Three Gorge Project.
Key words rock slope; low-angled stratofabric rock slope; mechanism of deformation and failure; destabilization of
slope; the reservoir area of the Three Gorges Project
"Sandwich"-shaped slope structure and failure
a
我认为危岩体只是高边坡中发生的一种典型的灾害体，其分类本质争议性不大，只要标准统一就行；而对于高陡边坡的破坏模式问题，确实应该进行系统地总结和完善，因为我们已经对宜昌－江津的高陡岸坡情况进行了系统的调查和评价。但标准很难统一。我认为从岸坡岩性组合特征、岩体结构类型和岸坡结构类型三者的组合情况划分基本地质模式比较科学，因为上述三方面是我们调查工作的主要内容和重点。其中岩体结构是基岩斜坡变形、破坏最根本的控制性因素，且不同类型岩体结构的破坏模式之间相互关联的因素较少，因此根据岩体结构类型并考虑岸坡结构和岩石组合情况对破坏模式进行分析比较科学。
我参考了一些文献并结合我们前期的工作，将三峡库区高边坡岩体结构划分了13种类型，根据这些地质模式对高边坡破坏模式进行分析划分层次清晰，并且与我们工作的内容相衔接，主题清楚。
以上只是我个人的想法，可能比较幼稚，供您参考。
表三峡库区岸坡岩体结构类型与变形破坏方式
岩体结构类型主要变形机制(可能)破坏方式
平缓层状岩体(α>10°) 滑移-压制拉裂塑流-
拉裂
切层滑坡、顺层平推式滑坡块状滑坡(风化
带)、陡坡崩塌
缓倾顺向层状岩体(α=10°
~20°)
滑移-拉裂顺层滑动、前缘陡坡崩塌
中倾顺向层状岩体（α=20°
~45°）
滑移-弯曲顺层-切层滑坡
变角倾顺向层状岩体(α
=0°~45°)
滑移-弯曲顺层滑坡、顺层-切层滑坡
陡倾顺向层状岩体(α=45°
~60°)
滑移-弯曲倾倒顺层-切层滑坡滑塌溃屈、崩塌陡立-逆向层状岩体
(α>60°)
弯曲-拉裂倾倒崩塌、滑塌、切层滑坡
逆向层状岩体(α=10°~60°) 蠕滑-拉裂弯曲-拉裂切层滑坡、表层(风化层)滑塌
平缓上硬下软层状岩体塑流-拉裂-倾倒块状滑坡、切层滑坡(或滑塌) 逆向上硬下软层状岩体塑流-拉裂切层滑坡(或滑塌)
两组(或两组以上)裂隙面控
制的岩体
滑移-拉裂倾倒滑塌、崩塌
岩层面和裂隙面共同控制的岩体滑移-拉裂、倾倒滑
移-弯曲
顺层滑坡或滑塌
三峡库区宜昌－江津段高陡岩质岸坡按其建造类型主要分为碎屑岩建造和碳酸盐建造二种类型，与危岩产出关系密切的岩性组合特征可划分出8个亚类。
1.1碎屑岩建造类型的基本特征
(1)以坚硬厚层状砂岩为主的岩组(a)
该类岩组在三峡库区主要由分布于川东各大背斜翼部或核部的上三迭统须家河组(T3xj)、秭归盆地的蓬莱镇(J3p)和自流井组(J1-2z)、沙镇溪组(T3s,相(2)以较软或软弱层状粘土岩为主的岩组(b)库区主要分布于川东地区各向斜翼部积秭归盆地的边缘地带。具体由分布在忠县以西的遂宁组(J3s)、长寿以东的下沙溪庙组(J2xs)、万州以西的新田沟组(J2x)和自流井组(J1-2z)、涪陵以西的珍珠冲组(J1z)和库区东段自流井组(J1-2z)、巴东组(T2b)的第二、四、五段以及下志留统(S1)组成。主要由厚层-巨厚层(块状)泥岩、砂质泥岩和薄片状页岩组成,间夹中厚层-厚层状砂岩、泥灰岩等。
(2)以较软或软弱层状粘土岩为主的岩组(b)
库区主要分布于川东地区各向斜翼部积秭归盆地的边缘地带。具体由分布在忠县以西的遂宁组(J3s)、长寿以东的下沙溪庙组(J2xs)、万州以西的新田沟组(J2x)和自流井组(J1-2z)、涪陵以西的珍珠冲组(J1z)和库区东段自流井组(J1-2z)、巴东组(T2b)的第二、四、五段以及下志留统(S1)组成。主要由厚层-巨厚层(块状)泥岩、砂质泥岩和薄片状页岩组成,间夹中厚层-厚层状砂岩、泥灰岩等。
(4)软硬相间层状砂岩、粘土岩不等厚互层(d)
该组由上沙溪庙组(J2s)、蓬莱镇组(J3p)和分布于万州以东的自流井组(J1-2z)、新田沟组(J2x),涪陵以东的珍珠冲组(J1z),忠县以东的遂宁组(J3s),长寿以西的下沙溪庙组(J2xs)以及分布于秭归盆地的遂宁组(J2s)和库
区东段的中志留统(S2)等组成。
①砂岩岩层厚度大于粘土岩岩层厚度:对于由这种岩组类型组成的岸坡,其稳定状况较单纯由砂岩组成的岸坡的稳定状况差,但比完全由粘土岩组成的岸坡的稳定状况要好。但由该类型岩组组成的岸坡,若坡脚临空,极易发生滑动破坏。
②粘土岩厚度大于砂岩岩层厚度:对于由这种岩组类型组成的岸坡,主要是由于硬岩的“加筋”作用使其稳定状况较完全由粘土岩组成的岸坡的稳定状况要好。
1.2碳酸盐岩建造类型的基本特征
(1)以坚硬层状碳酸盐岩为主的岩组(f)
该组主要由下三迭统嘉陵江组(T1j)、上寒武统三游洞群(=C3sn)和上震旦统灯影组(Z2dn)组成。岩性主要为薄层-厚层灰岩、白云质灰岩、角砾状灰岩、灰质页岩、炭质页岩和薄煤层等。
(2)硬软相间层状至块状碳酸盐岩与粘土岩互层岩组(g)
主要由涪陵以西的中三迭统的雷口坡组(T2l),东部零星分布的上二迭统(P2)、上奥陶统(O3)等组成。岩性复杂,主要有灰岩类、白云岩类、页岩类、砂岩类以及煤层等。
1. 1. 2岸坡结构特征
通过众多学者的不懈努力，边坡岩体结构研究得到了长足进展，但事实上由于分类方案较多，分类的
依据、标准不统一，给实际应用带来了一定的困难。由于奉节新城区库岸段岩质岸坡岩体主要以层状结构出现，对岩质岸坡进行详细划分时，采用伍法权的分类方案(表1)，即以边坡介质类型(岩性)+边坡控制性地质结构面倾角(α)+控制性地质结构面与边坡主临空面的倾向夹角(δ)三个要素来
分类命名，如碳酸盐岩缓倾反向坡等[4]。
缓倾层状高边坡是三峡库区典型的岸坡结构之一，在云阳、万州、忠县三县分布比较集中，其他地区也分布较多。该类边坡岩层总体近于水平，倾角介于5°~20°，随地段的不同有些差异。缓倾角岩质边坡地层倾角较小，尤其是缓倾内边坡，在一般情况下，边坡的整体稳定性较好[7]。但由于缓倾角边坡特殊的岩体结构和地层岩性，多形成高大陡峭或阶梯状斜坡，为小危岩体形成提供极为有利的地形条件；加之受地质构造作用和不同岩层或岩层界面的差异性风化卸荷作用，使缓倾层状边坡在局部坡面上，极易形成众多深浅不一的凹岩腔。这些凹岩腔的产生和发展，使得凹岩腔上覆岩体逐渐发展为危岩体，并在降雨、地震或人工开挖等诱发因素下，发生崩落。
1. 1. 3 岩体的结构面
岩体内软弱结构面的存在常常是岩体边坡不稳定的主要原因。结构面包括沉积作用的层面,假整合面,不整合面,火成岩侵入结构面以及冷缩结构面,变质作用的片理,构造作用的断裂结构面。在做岩质边坡稳定性分析时,应考虑各种结构面的组合关系。结构面中如夹有粘土或其它泥质填充物,则成为软弱结构面。该软弱结构面填充物遇水浸泡就容易软化,强度大大降低,促使岩质边坡沿着它发生滑动。
1. 1. 4 地貌条件
危岩均发育于陡崖上,陡崖高度直接控制着边坡卸荷带的发育规模,也决定着危岩体的致灾能量。
三峡库区中、下游,由于第四纪以来的新构造运动强烈,地壳间隙性隆升,伴随着长江河谷的快速下切,卸荷带宽度一般10～15 m ,卸荷裂隙非常发育。
1三峡库区崩塌危岩形成影响因子分析
董好刚
（1 宜昌地质矿产研究所，宜昌443003）
摘要: 三峡库区崩塌危岩极其发育，危岩的形成是多因子异变耦合的结果。本文对通过长江上游宜昌－江津段高陡岸坡的系统调查，在宏观机理层次指出，地形地貌、地层岩性、地质构造、岩体结构、结构面的划分与切割是危岩体形成和发展的基本地质因素；地下水、重力卸荷作用、风化作用等是危岩发育的外在环境条件；暴雨、地震及人类活动是危岩发育的激发条件。对危岩的影响因子进行了量化分析，运用范数灰色理论获取了不同崩塌类型影响因子的权重系数。结果显示，不同类型危岩稳定性因素敏感度存在差异，其中滑塌式危岩稳定性敏感度最大的影响因子为主控结构面和水压力，坠落式危岩稳定性最大的影响因子为主控结构面和重力，倾倒式危岩稳定性最大的影响因子为重力和主控结构面。最后对调查中发现的典型危岩进行了稳定性灰色评价。
关键词: 危岩；影响因素；三峡库区；分类量化
中图分类号: 文献标识码:
Analysis of Typical Conditions of Unstable Rock Development in Three Gorges areas
Dong Haogang1，
（Institute of Geology and Mineral of Yichang， Yichang。 443003）
Abstracts：Perilous rock is one of main geologic disasters in the area of the Three Gorges Reservoir. In this paper , the various influencing factors of unstable rock development are analyzed in detail . From the macroscopic mechanism viewpoint , the internal conditions including the structural plane and its combined relations , alternate rock strata combination of soft and hard rocks , land form and land feature , the external conditions including groundwater , loading , and weathering , the explosive conditions including grain storm , earthquake and human activities are pointed out . According to the distribution to the formation of falling, criterions are given to classfy and measure these factors preliminary, which could be used in the further study of the bank stability in the area of the Three Gorges Reservoir.
Key words : unstable rock ; falling development ; influence factors ; classfy and measure
#基金项目：地质灾害预警项目（12120101640601）
1作者简介:董好刚，男，1970年10月生，工程师，硕士，主要从事地质灾害调查和研究。联系电话：159********。
E-maildonghaogang@https://www.doczj.com/doc/6818301615.html,
危岩是三峡库区主要地质灾害之一，据不完全统计，三峡库区约30,000余个危岩体位于陡崖或陡坡上[1-3]。确定诱发危岩崩塌失稳的关键因素是危岩研究的一个重要内容，只有弄清了危岩发育的环境条件，才能清楚地进行岩坡的稳定性分析、预测、防治等后续工作。大量的工程实例和调查研究证明，危岩的集中发育受特有环境条件控制，具有空间分布特征。本文通过对长江上游宜昌－江津段高陡岸坡的系统调查，对危岩发育的影响因素做了详尽分析。在宏观机理层次指出，地形地貌、地层岩性、地质构造及岩体结构是危岩发育的内在地质因素，重力卸荷作用、地下水、风化作用等是危岩发育的外在环境条件，暴雨、地震及人类活动是危岩发育的激发条件。
在地学中，很多因素都不是能以数字来表示的，往往只能用某一方面的标准来反映其相对大小。本文结合三峡库区的实际情况，对崩塌发育的影响因素提出了分级量化的初步思路，为制作相应的专题图层，确定崩塌发育的关键性因子进而进行区域性崩塌稳定性评价奠定基础。
1 危岩形成的影响因子评价分析
危岩的形成是多因子异变耦合的结果，内在因子是危岩形成的物质基础，外在因子的影响进一步加速了内在因子的成熟，导致危岩的形成和失稳，同时内外因子间互相制约，对危岩的形成是灰色的。
1.1危岩形成的内因
（1）地形地貌
调查表明，长期上升剧烈的分水岭地区、峡谷地区、岸坡陡立的库岸地区、高陡的路堑及人工边坡地区等为危岩崩塌易发区，据统计多数崩塌发生于坡度大于45°的陡峻边坡上，反向坡和平缓层状坡更易发生，且坡高多在20 m 以上，坡高越高，危岩体出露重心越高，则发生崩塌的概率越大。
在三峡库区，决定地形地貌的内在因素为岸坡结构和岩性组合。缓倾层状高边坡是三峡库区典型的岸坡结构之一，该类边坡岩层总体近于水平，倾角介于5°~20°，在云阳、万州、忠县等地分布比较集中。由于缓倾角边坡特殊的岩体结构和地层岩性，多形成高大陡峭或阶梯状斜坡，为小危岩体形成提供极为有利的地形条件；加之受地质构造作用和不同岩层或岩层界面的差异性风化卸荷作用，使缓倾层状边坡在局部坡面上，极易形成众多深浅不一的凹岩腔。这些凹岩腔的产生和发展，使得凹岩腔上覆岩体逐渐发展为危岩体，并在降雨、地震或人工开挖等诱发因素下，发生崩落[4]。
根据以上分析，结合危岩分布与地貌的宏观关系，对三峡库区影响崩塌发育的地貌因子的量化评价可从以下几个方面考虑：1、高度（0～40m、
40-80m、80～120m、>120m），2、坡面形态（线形、阶状、凹型、凸形），3、微地貌（陡崖、陡坡、缓坡、平台）。
1.2 地层岩性
岩性对岩质边坡崩塌落石的控制作用是明显的，三峡库区岩质边坡稳定性主要取决于岩性组合。岩性均一时，软岩（抗压强度<5MPa，以泥岩为代表）高边坡以风化剥落为主；块状、厚层状的坚硬或较坚硬的脆性岩石（抗压强度≥5MPa，以砂岩、灰岩为代表）高边坡，其构造节理较发育且存在临空面，极易形成崩塌；岩性组合为上软（抗压强度<5MPa）下硬（抗压强度≥5MPa），整体上稳定；上硬下软的岩性组合是三峡库区危岩发育的主要内因之一，这是由于下层软岩在上层硬岩长期重力作用下易发生流塑变形，导致上部岩层产生蠕滑—座落式滑坡破坏，当坡角大于70°时，由于岩层界面的差异性风化卸荷作用，使缓倾层状边坡在局部坡面上，极易形成众多深浅不一的凹岩腔。这些凹岩腔的产生和发展，使得凹岩腔上覆岩体逐渐发展为危岩体，并在降雨、地震或人工开挖等诱发因素下，发生崩落（图1）。
图1 万州神龙观景台危岩体
Fig.1 Dangerous rock in rigidity and n weak terrane
根据以上分析，结合危岩分布与岩性的的空间关系，对三峡库区影响崩塌发育的岩性及其组合因子的量化评价可首先按岩体强度分类：1、软岩（抗压强度<5MPa），2、硬岩（抗压强度≥5MPa），3、岩性组合为上软（抗压强度<5MPa）下硬（抗压强度≥5MPa），4、岩性组合为上硬（抗压强度≥5MPa）下软（抗压强度<5MPa）。进一步细分可按照以上4类中具体的岩性组合在空间的分布展开，进行关键因子的分析。
1.3 地质构造
断层交汇处、断层破碎带、背斜核部、遭强烈挤压的向斜核部、火成岩岩脉侵入界面、高陡边坡卸荷带以及结构面倾向坡体临空面时易发生危岩崩塌。以巫峡横石溪背斜附近跳石—向家湾段为例，在测区这段不过4km的峡谷中共发现崩塌10处，且多为大型、特大型崩塌，总体积达4374×104m3，以滑塌式崩塌为主（表1）。崩塌几乎全发育在横石溪背斜核部及翼部，在这些背斜的核部或顶部，断裂、节理、裂隙等破裂结构面发育，岩层整体性差，岩体极易失稳，成为危岩或崩塌源。另外，该区危岩的发育和活动受断裂构造的影响显著，80年代发生的跳石西大型崩塌位于上杨柳坪断层和曹家湾断层交汇处，调查新发现的手爬岩危岩体位于横石溪背斜北西翼，附近有曹家湾断层穿过，石柱子等危岩体位于老鼠错断层附近等等(表1)。
表1 横石溪背斜附近地质灾害体一览表Table 1 Landslips near Hengshixi anticline
崩塌危岩名称类型规模
体积
（104m3）
构造部位地层代号发生时代
建坪乡大湾崩塌顺层滑坡大型690 横石溪背斜NW翼、杨柳坪断层附近T1d3现代
建坪乡跳石西崩塌滑塌式崩塌大型312.5 横石溪背斜核部，上杨柳坪断层和曹家
湾断层交汇处
P3w T1d1983年12月
建坪乡鸭浅滩崩塌滑塌式崩塌大型650 横石溪背斜核部、曹家湾断层附近P2q P2m全新世—近期建坪乡曹甲湾崩塌滑塌式崩塌大型1000 横石溪背斜核部、曹家湾断层附近P2q P2m全新世—近期望霞乡石鼓NW崩塌滑塌式崩塌大型242 横石溪背斜NW翼、曹家湾断层附近T3全新世—近期建坪乡白鹤坪崩塌滑塌式崩塌大型2300 横石溪背斜核部、曹家湾断层附近P2q P2m全新世—近期建坪乡倒座屋崩塌滑塌式崩塌中型12.5 横石溪背斜核部、老鼠错断层附近T1d现代
建坪乡月亮弯崩塌松散岩滑坡小型7 横石溪背斜核部、老鼠错断层附近P2g P3w现代
望霞乡燕窝岩崩塌滑塌式崩塌中型22.5 横石溪背斜NE翼P3w T1d现代
望霞乡向家湾崩塌滑塌式崩塌大型2000 横石溪背斜核部D2y C2h
P2q P2m
全新世—近期
望霞乡横石溪北崩塌滑塌式崩塌中型42 横石溪背斜核部P2q P2m1959年7月手爬岩危岩体滑塌式崩塌大型40 横石溪背斜核部、曹家湾断层附近P2q P2m
石柱子危岩体滑塌式崩塌小型 1 横石溪背斜东翼、老鼠错断层附近P2q P2m
金鸡洞崩塌滑塌式崩塌小型 2 横石溪背斜核部P2q P2m
针对三峡库区的实际情况，在综合分析库区现
代地壳变形和现代构造活动的时空关系的基础上，结合该区现代构造应力场的特征，采用构造影响带分区的方法对对构造因素进行量化处理。具体可按以下因素数量化并进一步分类赋值：1、褶皱（核部、两翼、两翼以外缓冲区），2、断层（按断层规模设一定距离的缓冲区：500、1000、2000、4000m）。1.4岩体结构
岩体结构，特别是软弱结构面对基岩斜坡变形与破坏具有显著的控制作用。结构面的分割对岩质边坡的破坏作用已被无数工程实例所证实，它们在边坡中出现的频率及其相互组合是危岩体形成和破坏的原因之一[4]，三峡库区发生的崩塌多以这些控
制性裂隙为边界进行破坏。这些控制性裂隙包括岩层层面、节理裂隙、片理与劈理等软弱结构面，这些成因不同、大小不一的结构面将岩体分割成性质各异、力学强度不均的各种岩体结构体，构成基岩斜坡变形、破坏的岩体结构基本模式。根据研究的需要，可将三峡库区的岸坡分为11种岩体结构类型，这些类型存在着多种形式的变形与破坏（表2）[5-8]。
岩体结构因素可按表2进行分类量化并制作专题图层。
2 危岩形成的外因2.1重力卸荷
在两面临空的地形条件下，危岩体上硬下软的岩体结构易于在重力作用下蠕变溃屈，并产生向临空方向的卸荷。刘传正等将重力卸荷机制表现归结为三方面：1脱皮；2“劈条子”，它起因于重力或构造作用向临空方向的拉裂卸荷，也可以包含采空造成的悬板效应与弯矩作用；3脱层，从下向上开裂[9]。
重力因素可按崩塌方量进行数量化分级（大型、中型、小型）并赋值，具体分级方法可参考表1。
表2三峡库区岸坡岩体结构类型与变形破坏方式统计
Table 2Types of rock structures and failure modes of banks in the Three Gorges reservoir
area 1)数据引自文献[5~8]和实际调查成果
2.2 水的作用
2.2.1降雨
雨季是危岩失稳的多发季节，降雨强度越大、历时越长越易发生。地表水的入渗量与岩石的裂隙大小、深度及密度息息相关。杨转运等提出一种相对简化方法来估算降雨对岩质边坡的影响，先确定降雨对岩石吸水率的影响，再利用饱和度和吸水率的关系获得从非饱和状态到饱和状态的有效降雨量
[10]。
Re = nh e×（100 % -Gb/e-Gah e/2e）。式中h e=( e/G- b)－危岩体饱和区和非饱和区分界线（m）；a，b－常数，与岩石性质有关。n －孔隙率，即n = e/（1 + e）。Re为有效降雨量，G－岩石比重e －岩石孔隙比。
以太白岩危岩体为例，太白岩由浅灰、灰白色中粒巨厚层状长石砂岩、长石石英砂岩夹暗紫红色砂质泥岩及泥岩组成，不失为一般性，取其物理性质指标相对密度Dr = 2.66，比重G= 2.70，孔隙率e = 2.01 %。考虑到太白岩的地形地貌、岩性和实际降雨情况，取a =0.01% ，b = 0.5 %，有效降雨量R e 与降雨量V w 之比为0.1，由上式可得非饱和区高度为: h e = ( e/G-b) / a = (0. 0201/2.70- 0.005) / 0.0001=24.5 (m)，研究区岩石完全饱和时需要的有效降雨量R e= nh e(100 % -Gb/e-Gah e/2e) = 0. 079 (m)，即需要的有效降雨R e为79 mm，进而需要的降雨量v w为790 mm。比较水文记录和计算结果(790 mm) 可知，通常情况下的降雨是不会使研究区的岩石完全饱和的，但持续的强降雨量还是比较容易使岩石完全饱和，这样就很容易诱发危岩失稳事故。
2.2.2地下水
地下水对边坡的影响总的说来表现在物理、化学2 个方面，前者表现在地下水压力使有效正应力减小，后者表现在地下水的软化使岩石的粘结力和摩擦力减小，二者均使边坡的稳定性减弱。Hoek 和Bray[11]进行的实例分析表明（坡前无积水），岩坡滑动安全系数随张裂隙积水的增多迅速降低。稳定系数从张裂隙无水时的1.34 （稳定）骤然降到张裂隙满水时的0.77 （不稳定或已破坏），几乎降低了一半（图2）。另外，由于地下水的存在，使边坡可能破坏，饱和岩坡抗倾覆稳定系数急剧降低（图3）。
图2 抗滑稳定性系数随坡顶张裂缝集水深度的变化
图3 抗倾稳定性系数随坡顶张裂缝集水深度的变化
根据以上两方面的分析，可将水的作用对崩塌的影响以降雨量级别（100、200、300mm））或以坡顶张裂缝的集水深度来度量分类（主控结构面深度与地下水位之比1/3、1/2、1/1等）。
2.3 风化作用
边坡岩体在温度场、水、日照、风等因素的长期作用下发生风化，使岩体更加破碎，不利危岩稳定。风化越厉害，岩体越破碎，危岩越易失稳。
边坡不同岩层的差异风化，也会导致危岩发育。由于砂岩、泥岩软硬岩性造成的差异风化，是危岩形成的一个重要因子，为了量化其指标的方便，风化程度按形成的危岩体岩腔体积与危岩体的体积之比值来确定。
2.4 地震
地震对危岩的影响主要表现在：一种是震中区危岩受到的垂直地震力使危岩更加破碎或坠落；另一种是指向坡外的水平地震力易使危岩失稳，其水平地震力的大小与危岩体的质量、区域地震力系数大小紧密相关的。
地震因素可根据地震烈度（一般分六级）进行数量化并进一步分类赋值。
2.6植被
植物根系对危岩产生根劈作用。随着根部不断增长变粗，岩石裂隙、节理和软弱层面不断扩展，加速崩塌的发生。此外，植物根系分泌的有机酸能分解岩石矿物并产生化学反应，也对危岩稳定不利。
植被因素可根据植被覆盖率进行数量化并进一步分类赋值。
2.7不合理的人类活动
人类活动如开挖、爆破等的影响，加剧了危岩的形成和失稳。调查表明，三峡库区大规模崩塌发生与采煤关系最为密切，如链子崖危岩体、火焰石崩塌、白鹤坪崩塌等。另外，库区因为移民搬迁的需要，许多居民区和基础设施位于陡崖或陡峻切坡之下，不合理开挖、爆破、加载等工程活动使危岩灾害不断加剧。在当地，人类工程活动已成为危岩发育的重要外部影响因素，需要引起足够的重视。
人类活动影响可根据人类活动的程度（强、中等、弱、不活动）进行分类赋值
3结论
诱发危岩发育的典型条件是多种内外因素综合
作用的结果，从宏观机理层次看：
(1) 地形地貌、软硬相间的岩层组合、地质构造、岩石结构面及其组合关系等是危岩发育的内在条件。
(2) 重力卸荷作用、水的作用、风化作用、植被等是危岩发育的外在环境条件。
(3) 强降雨、地震及人类活动等是危岩发育的激发条件。
（4）以上因素采用某一方面的属性标准来反映其相对大小并量化，为三峡库区的岸坡崩塌稳定性分析评价奠定了基础。
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