三峡库区云阳至江津段危岩形成的影响因素及稳定性评价

1、三峡库区云阳一江津段危岩形成的影响因素及稳定 性评价收稿日期： .收修改稿日期：xxxxx. 基金项目：地质灾害预警项目(12120101640601). 第一作者简介：董好刚(1970)，男，工程师，工程地质专业.Email: HYPERLINK mailto: 董好刚陈立德黄长生(宜昌地质矿产研究所 宜昌443003)摘要三峡库区云阳一江津段高陡岸坡地质环境复杂，危岩极其发育，其破坏具有突发性、致灾具有毁灭性。危岩稳定性影 响因素具有复杂性及模糊性特点，河流或沟谷强烈下切产生的岸坡岩体卸荷作用、软硬相间的岩层组合以及高强度的降雨或 较大的日温差变化是三峡水库区危岩形成的基本条件。本文选取地

2、形地貌、地层岩性、岩体结构、危岩体规模、水文地质、 风化作用、土地利用类型7个因子作为评价指标，建立危岩稳定性评价指数模型。根据稳定性指数将危岩稳定性分为4级：稳 定、基本稳定、稳定性差、稳定性极差。结合实例，对万州黑岩脚危岩体进行了稳定性模糊评价，结果与实际调查情况基本 一致。研究结果表明，本文提出的危岩稳定性评价指数模型，考虑的信息量丰富，数据通过野外调查容易获得；评价指标权 选取和分级合理，稳定性模糊评价结果与与实际调查情况基本符合，为三峡库区危岩稳定性分析、治理和监测提供了重要依 据。关键词危岩；影响因子；三峡库区；指数模型；稳定性评价 中图分类号:* 文献标识码：AInflunce

3、Factors and Stability Assesment of Perilous rock in Yunyang-Jiangjin ofThree Gorges areasDong Haogang， Chen Lide Huang Changsheng(Institute of Geology and Mineral of Yichang，Yichang。443003)Abstract From Yunyang to Jiangjin of three Gorges reservoir, the geological environment is compicated. Perilous

4、 rock is a main geological hazard,whose rupture is abrupt while calamity is catastropic. Perilous rocks stability factors are complicated and fuzzy,whose basic conditions to develope in the area classify as strong unloading agent by cutting of river or ravines lithological composition with weak or h

5、ard feature. In this paper,seven factors are selected which influence the occurrence of fall as evaluation indices, including phsiognomy, rock property, strcture of rock mass,rock scale, hydrogeological conditions, weathering and land use type,risk index model is obtained .4 grades is divided accord

6、ing to the dangerous rock stability index:stability,potential unstability, unstability ,very unstability.Results of real example is consistent with the survey. The results show that much more informtions are considered in the model and the data can be obtained easily;at the same time the selection o

7、f assesment index and gradation is conincidence with the fact.The model.can provide significant reference to the suvey and supervise or einforce of perilous rock in the Three Gorges Reservoir.Key words : perilous rock ; influence factors ; Three Gorges reservoir,； index model； stability assesment1引言

8、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1-4。小至孤石，大至数千立方米的岩土体崩塌 坠落，常毁坏铁路、公路、水运干线及建筑物，造 成交通中断和重大生命财产损失。确定诱发危岩崩 塌失稳的关键因素并对其危险性做出恰当评价是危 岩研究的一个重要内容。库区危岩稳定性的计算方 法，陈洪凯等人曾作过系统研究，多以定值分析为 主5-6。定值方法虽然很有效，但其缺陷在于不能充 分考虑影响因素的复杂性和不确定性，而常使得按 定值方法算出的安全系数是安全的，但在实际运用 时却发生了崩塌破坏。而模糊分析法由于考虑了各 种影响因素的非确定性，在概念上也更加切

9、合实际。 本文在系统调查宜昌一江津段高陡岸坡地质环境及 危岩灾害基本特征的基础上，根据资料的有效性和 可获得性，选取地形地貌、地层岩性、岩体结构、 重力作用、水体作用、风化作用、土地利用类型7个 影响崩塌发生的因素作为评价指标7-10，探讨了三 峡库区危岩稳定性评价指数模型，应用于调查危岩， 与实际情况基本相符，为危岩稳定性研究、治理和 监测提供了新的思路。2三峡库区危岩发育的影响因素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 9-10。在地学中，很多因素

10、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。 1.1 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。根据云阳一江津段232 个危岩体的调查统计，多数崩塌发生于坡度大于 45的陡峻边坡上，其中以60-90。范围最为集中， 60以下边坡出现崩塌概率较小（图1）；出露高程 多在170 m500m之间，其中以170350m高度危 岩发育最为集中（图2）。图1危岩体数量与坡度分布关系图Fig.1 Histogram showing relationship between slope angle andq

11、uantity of dangerousrock图2危岩体数量与高程分布关系图Fig.1 Histogram showing relationship between slope angle andelevation危岩体临空面倾角的大小跟危岩的形成密切相 岩、灰岩为代表）高边坡，其构造节理较发育且存关，是危岩体形成的必备条件，倾角越大，危岩愈 易失稳；危岩体所处高度越高，其重心越高，越容 易出现倾倒失稳。根据以上分析，主要地貌因素可 分解为2个次因子:危岩体临空面倾角和危岩体处露 高度，据此可对地貌因素量化分级。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 1-3，三峡库区岩质边坡

12、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35MPa，以砂 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35MPa），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 一座落式滑坡破坏，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，

13、并在降雨、地震或人工开挖等诱发因 素下，发生崩落。1.3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4句。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 破坏的原因之一性，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。三峡库区与危岩失稳最密切的岩体结构因素为 主控结构面情况（深度、张开和倾角）和裂隙间距

14、5、6、8。危岩主控结构面切割越深，越容易失稳，为 了量化方便可取切割深度与危岩体高度之比深衡 量；主控结构面张开度影响主控结构面的裂隙水压 力和填充物多少；危岩体节理缝以上的岩体稳定情 况与节理倾角的大小关系密切，直接影响危岩失稳 模式，倾角缓时可能形成滑塌式危岩，倾角较大时 可能形成倾倒式危岩；而节理间距则直接关系到危 岩体的强度。1.4重力作用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

15、作用；3脱层，从下向上开裂 11。重力卸荷作用与危岩体规模正相关。危岩体规 模的大小直接影响致灾的严重程度，与影响危岩稳 定性计算的地震力、重力紧密相关。危岩体规模愈 大，失稳的可能性愈大。1.5水的作用（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。（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 Bray12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

16、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3）。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4）。同时考虑了地表水（降雨、河流冲刷）和地下水， 根据三峡库区地下水的分布情况，将地下水埋深情 况分为3等:好（埋藏深）、中等和差（埋藏浅）。LS算 LI i 皿-叩11-!10。渺0.7J1张裂聆借水深ts与张裂映高度之比窘 Lon：质宿0.250.5心 51张裂瞬集水深度与张剃St高度W比图3抗滑稳定性系数随坡顶张裂缝集水深度的变化图4抗倾稳定性系数随坡顶张裂缝集水深度的变化

17、Fig.3 Showing relationship be tween water depth of texture and unstable sliding rocksFig.4 Showing relationship be tween water depth of texture and unstable toppling rocks1.6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

18、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1.7 土地利用类型土地利用类型根据全国土地利用数据库的数据 内容（包括6个一级类型、25个二级类型和8个 三级类型）而分类，在一定程度上反映了人类活动 对自然界的改造和影响。山区及丘陵区的旱地、无 降雨遮挡物及固结斜坡措施的水田，最易发生滑坡， 在降雨的诱发下，雨水的渗透及地下水的长期侵蚀， 软化了坡体结构面，使坡体抗剪强度减小，从而导 致滑坡发生；城乡、工矿、居民用地也是滑坡的易发区，人类的工程建设、矿山开挖等活动诱发滑坡 的发生；林地和草地，能够减少降雨的入渗速度， 提高灾害体的力学参数，从而不易发生滑坡。3

19、影响因子权重的确定通过以上库区危岩形成因素的分析，根据资料 的有效性和可获得性，选取地形地貌、岩性、岩体 结构、危岩体规模、水体作用、风化作用、土地利 用类型7个影响崩塌发生的因素作为评价指标，根 据层次分析法，建立指标层关于准则层的判断矩阵 (表1)，矩阵每个元素的取值根据19标度法获 得，判断矩阵的最大特征根Amax及对应的特征向 量(即层次单排序w)，可以采用方根法求出7-10。为了保持判别思维的一致性，还需要对每个层 次单排序进行一致性检验。采用一致性指标CI=max-n)/(n-1) ( 1)其中：k max为判断矩阵的最大特征根，n为 矩阵阶数。利用判断矩阵的一致性指标C/和平均随

20、 机一致性指标RI (可查表获取)的比值进行因子权 重的一致性检验：CR=CI/RI。当CR的值小于0.1 时，认为矩阵具有满意的一致性，因子权重的选取 合理，否则要调整矩阵元素取值。经检验:CR=C I /RI CI =1/(7-1)X (7.354-7)=0 .059,查表RI=1.32 ,CR=0 .059/1.32=0.04471.50.21.50.21.63.25.2主控结构面比深（0.30）0.51.235.8主控结构面倾角（） （0.20）752.83.24临空面倾角（）（0.6）50507070901.22.86地形地貌（0.194）20危岩处露高度（0.4）235岩性（0.1

21、44）硬岩软岩软硬相间1.13.25.7危岩体规模/m3（0.076）50001.73.15.2水文地质（0.057）好（埋藏深）中等差（埋藏浅）136土地利用（0.035）植被覆盖好植被覆盖差耕地或矿山1.92.85.3风化作用（0.087）弱风化中风化强风化1.52.85.75.2实例分析万州黑岩脚2号危岩体位于重庆市万州区龙宝 镇三方村一组，图为危岩体典型剖面示意图。由 典型剖面示意图可以看出，高边坡坡面形态为倒梯 形，下部剥蚀深3m以上，上部危岩体呈悬空状态， 规模2250m3 （30X5X15）左右。危岩体主控结构 面产状119/80，间隔0.5-1.0m，张开5 10mm，充填碎石

22、土，弯曲粗糙，切割深度与高度 比深为0.5左右。微地貌为陡崖，崖高35m，坡向 102，岩层产状平缓，为缓倾内高边坡；危岩体 处露高度25m左右。危岩体中上部以缓倾厚-巨厚 层中粗砂岩夹泥质中细砂岩、含泥砾砂岩为主，偶 夹泥岩、砂质泥岩；下部为以紫红色泥岩为主，夹 中砂岩，泥岩和砂岩分界处多形成凹腔。调查发现，危岩体顶部无植被覆盖，附近有有 小河流流过，不同深度处有小流量泉水出露。参考以上分级赋值的标准（表2），对危岩体裂 隙间距、主控结构面比深、张开、倾角、临空面倾角、危岩体出露高度、危岩体岩性、规模、水文、 土地利用和风化作用分别赋值：3.2、3.2、1.2、4、6、5、5.7、3.1、6

23、、2.8、5.7。由此可以算出危岩体 的稳定性指数为4.32。危岩体目前的稳定程度为不 稳定到极不稳定的过渡阶段。急需加强监测及治理。6结论(1)对云阳一江津段高陡岸坡详细调查的基础 上，选取危岩岩体结构、地形地貌、岩性、危岩体 规模、水文地质条件、土地利用和风化作用等7个 因子作为评价指标，建立危岩稳定性评价指数模型，参考文献陈洪凯，唐红梅等.长江三峡水库区危岩分类及宏观判据研究J.中国地质灾害与防治学报，2005，16(4)： 53 - 58.Chen Hongkai， Tang Hongmei. Classfication and identify of perilous rock in

24、 the area of Three Gorges Reservoir J. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2005，16(4)： 53-58殷跃平.长江三峡工程库区滑坡防治工程设计与施工技术规程M.北京:地质出版社,2001.YinYueping.RegulationofDesignandConstructionoflandslidePreventionat theThreeGorges.Beijing:GeologicPress,2001.殷跃平.长江三峡库区移民迁建新址重大地质灾害及防治研究M.北京:地质出版社,

25、2004.YinYueping.Majorgeologichazardandpreventiononthereloca tionsiteattheThreeGorges.Beijing:GeologicPress,2004.陈洪凯，唐红梅.三峡库区危岩防治技术J.中国地质灾害与防治学报，2005，16(2)：105-110.Chen Hongkai，Tang Hongmei. Research on control techniques to unstable dangerous rock mass in the area of Three Gorges Reservoir RegionJ.

26、The Chinese Journal of Geological Hazard and Control， 2005，16(2)：105-110.叶四桥，陈洪凯，唐红梅.重庆万州区太白岩危岩综合治理J.重庆 交通学院学报，2004, 23(1)： 85 - 89.(Ye Siqiao, Chen Hongkai，Tang Hongmei. Synthetic treatment of Taibaiyan dangerous rock in Wanzhou district of ChongqingJ. Journal of Chongqing Jiaotong University，2004，

27、23(1)： 85 - 89.(in Chinese)陈洪凯，唐红梅.三峡库区危岩稳定性计算方法及应用J.岩石力学 与土程学报,2004,23(4) :614-619.ffl.H= W：Xi Z=l,2 m，式中：W为所选评价指标i的权重，其值由层次分析法确定；X|为所选评价指 标概化分级并标准化后的值。1根据稳定性指数将危岩稳定性分为4级: 稳定、基本稳定、稳定性差、稳定性极差。本文提出的危岩稳定性评价指数模型， 具有信息量丰富，数据容易获得；评价指标权选取 和分级合理，稳定性模糊评价结果与与实际调查情 况基本符合，为三峡库区危岩稳定性分析、治理和 监测提供了重要依据。Journal of

28、Rock Mechanics and Engineering，2004,23(4)： 614 - 619.)邓聚龙.灰色系统理论教程M.武汉：华中理工大学出版社，1992.(Deng Julong. Course of Study on Grey System Theory M.Wuhan： Huazhong University of Science and Technology Press， 1992.(in Chinese)唐红梅，祝 辉等，范数灰色理论在三峡库区危岩形成影响因子综 合评价中的应用J.岩石力学与土程学报,2006,25(1):2694-2699. (TangHongmei，ZhuHui. Application of grey correlation of norm theory to comprehensive assessment of perilous rock factors J. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25(1)：2694-2699.)唐红梅，林孝松等，重