塔柱状岩体是指长宽比介于1 到3 且高径比大于3 的塔柱状或近似塔柱状形态的大型岩体，在我国川渝、滇黔、湘鄂等西南部山区广泛分布。经调查发现，大型塔柱状岩体崩塌不仅导致重大人员伤亡和财产损失，而且崩滑体入水后形成破坏性极强的滑坡涌浪，构成严重的次生灾害链，成为城镇化建设、重要交通通道与水电工程等建设的巨大威胁[1-2] 。其中大型危岩体在长期自重荷载与多因素耦合作用下，底部岩体应力集中压裂溃屈而引发危岩整体崩塌失稳的灾害时有发生。 自三峡水库蓄水以来，水位波动及水流侵蚀作用对库岸岩体质量产生一定影响并形成一些新生滑坡和塌岸，如位于长江巫峡段右岸的箭穿洞危岩体、 曲尺滩危岩体群等，这些新生滑坡和塌岸的危害性引起了社会各界的广泛关注[3-4] 。 由此可看出，对受三峡库区蓄水影响的新生和现有危岩体的失稳模式进行更深入地认识和分析有着重要的意义。针对危岩体发生失稳的破坏模式和形成机制，国内外专家学者做过大量分析和研究。 王根龙等认为，塑流—拉裂式崩塌或软弱基座型崩塌的形成是由于下伏软弱岩层在上部岩体自重挤压、遇水软化和长期风化剥落等因素作用下，不断压缩并向临空方向塑性流动，导致上覆较坚硬岩层拉裂形成[5] 。 Feng 等经过对中国西南灰岩山区的调查认为，柱状危岩体的失稳模式可分为滑移、旋转崩塌和压溃崩塌[6] 。张倬元等研究了软弱基座倾向坡内的陡崖，揭示了其变形过程分为卸荷回弹陡立裂缝的形成、前缘塑流拉裂变形和深部塑流拉裂变形3 个阶段[7] 。 黄润秋以乌江渡水电站黄崖高边坡与乌江索风营水电站右岸2# 危岩体为代表，揭示了斜坡以压缩—倾倒—拉裂过程的“三段式”变形破坏特征[8] 。同时，张加桂等、吴树仁等提出岩溶作用对地质灾害形成具有重要影响[9-11] 。Poisel等对塔柱状、 板状岩体崩塌灾害做了较详细的论述，认为这类灾害体主要发育于下伏软弱层的硬岩地层中，突出特点就是 “上硬下软( hard on soft) ”的岩性结构以及节理切割，下伏软岩的挤出导致上部硬岩块体变形是其主要失稳原因[12-14] 。 Susan 等还对大型孤立塔柱状灰岩倾倒崩塌开展了研究，认为控制性节理对该类危岩的失稳起关键作用[15] 。

②以服务发展为宗旨，以促进就业为导向．面向经济社会发展需要和生产服务一线培养高素质技术技能人才，为建设人力资源强国和创新型国家提供人才支撑．

2) 有利于各国重新检视搜救公约或协定与搜救国协调权行使之间的空隙。尽管搜救国之间订立的公约或协定并不能赋予搜救国协调权行使的全部所需规范，但是它确实是这一权利行使的重要依据和实际来源。我国与其他国家之间的救助合作演习的进行与互动，能够使搜救国之间重新审视公约或协定实施的可行性，避免公约或协定的规定落空。在实践的过程中，对于协调权的分配和行使等问题，搜救国之间应该加强相互之间的沟通，以尽可能地明确这一权利的具体行使方式，从而避免因契约与契约权源间的横向竞合所引发的冲突。

三峡库区中一些塔柱状危岩体的基座岩体处于库水位变动带之上，其成灾机理和失稳模式非常值得研究。 本文以黄南背西危岩体为研究对象，对该危岩进行详细的现场勘察和原位测试，并采用二维离散元程序（UDEC）对塔柱状危岩体内部力学特征和运动矢量特征进行计算分析。初步确定了危岩体在自重作用影响下，其内部的主应力分布情况和未来发生失稳破坏的运动轨迹。本文还结合前人所做的干湿循环试验，初步得出了黄南背西塔柱状危岩体是在多因素耦合作用下发生失稳破坏的。根据数值模拟结果，确定了该危岩体未来发生失稳的破坏机理和失稳模式，讨论了三峡库区该类危岩体的失稳特点，为三峡库区内防灾减灾工程以及航道维护提供有益的参考。

1 黄南背西危岩体变形特征

黄南背西危岩体位于三峡库区巫山县培石乡长江右岸，地处于鳊鱼溪入江口斜对岸处（图1），上距巫山县城约23 km。 危岩体所在斜坡近似南北向展布，坡面产状为0-10°∠70-85°。斜坡坡体以岩质为主。 危岩体岩性以厚层状白云质灰岩为主，地层为下三叠统嘉陵江组第三段(T1j3)，岩层产状为0°∠13°。 从斜坡剖面上观察，黄南背西斜坡在地貌上呈现陡崖与中缓坡交替的阶梯状三级台阶斜坡地貌，斜坡上部呈折线状，下部基座较为平缓，整体呈“缓—陡—缓”型的折线坡面。长江在该危岩体区域的河床高程约为40 m， 江水水位以冬季蓄水夏季排洪的规律在145 m-175 m 之间波动。

危岩体基座岩性为岩溶角砾岩， 基座横宽约20 m，平均层厚约8 m，基座顶面高程约为155 m。基座岩体中角砾之间的胶结物质主要以方解石为主，含少量石膏结晶体。 由于胶结物质结构松散且易发生水解，所以水的浸泡作用对危岩体基座的影响不容小觑。 由于溶蚀作用，基座岩体上发育着许多的溶蚀孔洞（图4a），这些溶蚀孔洞大多沿节理或层面发育， 形成直径为1 cm-10 cm 的串珠状孔洞和不连续的线状孔洞。在一部分岩溶角砾岩中还发现了中间架空、松动的现象，这一现象可能与胶结物质的物理化学性质 （结构松散、 遇水水解）有关。 在基座斜坡上还出现了散落或崩解的角砾石块，这一崩解应与水位变动等因素有关。

  

图1 黄南背（西）危岩体位置图Fig. 1 The location map of Huangnanbeixi crisis rock

通过对黄南背西危岩体为案例，建立数学模型并进行运算分析，得出了危岩体内部主应力分布情况和岩体失稳的矢量方向，为我们分析和预判危岩体的失稳模式提供重要依据。 但是值得注意的是，库水位周期性变动对危岩体及其基座岩体的影响也是值得考虑的。 黄南背西危岩体所处高程在155 m至185 m 之间，而三峡水库库水位以秋冬蓄水春夏排洪的规律在145 m 至175 m 的范围内波动。危岩体有近86%的岩体受库水位变动影响，其中危岩体基座岩溶角砾岩甚至完全处于库水位变动带上，所以水对危岩体的影响是不可忽视的。库水位周期性的变动极大地改变了危岩体的外部地质环境条件，周期性饱和浸泡—风干—曝晒循环加速了岩体劣化和力学强度的衰减[18-20] 。 库水位变动带上的岩体随着干湿循环次数的增加，其抗压强度总体为下降的发展趋势， 下降速率与干湿循环次数密切相关。完整岩体具有较高的耐崩解性， 不易短期崩解碎裂，但干湿循环次数对库岸岩石的耐崩解性也具有明显影响，循环次数越多，岩石的耐崩解性总体呈下降趋势[21] 。

根据现场观察，危岩体底部东侧岩体为破碎集中区。 该区域内存在一组角度近似45°的结构面（产状：178°∠45°）和一组较为平缓的层面结构面（产状：0°∠13°），两组结构面相交形成大量的“X”形节理（图4b），进而导致危岩体底部岩体破碎严重。 初步分析认为，底部岩体受上方岩体强烈挤压是该破碎区域形成的主要原因。 在重力作用下，该破碎岩体未来发生解体也将是溶洞顶板塌落和溶洞边帮岩体垮落的主要原因。为了进一步认识破碎区岩体的物理力学强度，针对该区域开展了贴壁式声波测试和回弹测试，测试区域处于层状灰岩与岩溶角砾岩交界线的上方，高程在155 ~ 158 m 之间。 测试区的长度为20 m（20 个测试区），能够完全覆盖危岩体底部破碎集中区域。由于破碎区域内大小型裂缝很多。 测试时测量点跨越小型裂缝或紧邻大裂缝，测量区选择尽量为平面；在岩溶角砾岩中尽量选择了不跨孔洞。 测区岩体素描见图5。

  

图2 黄南背西危岩体的上游侧边界Fig.2 Upstream side boundary of huangnanbeixi critical rock

在工作中建立相关的工作制度，（1）应该对药物的名称，数量，药效以及数量进行严格的审查。建立质量检测管理的部门，对药物质量进行严格的监督，如果发现不合格的药物要及时的做以处理，（2）要对药物的出售做好管理，及时的统计好当天药物所出售的金额，在月末是进行统一的盘点向有关部门进行上报。

  

图3 黄南背西危岩体的下游侧临空面及后缘边界Fig.3 The downstream side boundary and the rear edge boundary of huangnanbeixi critical rock

  

图4 黄南背西危岩体基座岩体破坏现象Fig.4 the picture of fractures in basic rock mass of huangnanbeixi potential rockfall

根据野外调查发现，黄南背西危岩体的三维切割边界十分清晰， 其几何形态呈不规则塔柱状，底部边界为白云质灰岩与岩溶角砾岩的交界面。两者岩性交界处还发育着一个长4 m，高2 m，深约4 m的溶洞。 危岩体后缘高程为185 m 左右，底部边界高程在155 m 附近。 危岩体横宽约20 m，高约30 m，厚约6 m， 危岩体总方量约为3600 m3， 尽管其方量小，但其变形破坏机理受多因素（受力、水等）影响，相关研究工作仍值得开展。

从现场原位测试结果来看（图6、图7），在贴壁式声波测试方面，破碎区域平均波速值为1.51 km/s，外围区域的平均值为1.96 km/s；在回弹测试方面，破坏区域的平均回弹值为41.8，而外围区域的平均值高达48.8。 不难看出，无论是声波测试还是回弹测试，破碎区域岩体的测试数值明显低于外围岩体所测数值。 两组原位测试数据表明：破碎区域岩体相对于外围岩体有着较低的物理力学强度，所以危岩体底部岩体进一步的劣化将对危岩体的稳定性构成极大威胁。

2 数值分析

根据图12 可见，危岩体竖直高度约40 m。 危岩体上部岩体的位移量大于底部岩体的位移量，在其底部发生“压裂-溃屈”形变的岩体高度约为2 m。约占整个危岩体高度的5.0%。 这种的底部岩体被动受压和上部岩体发生失稳构成了一个完整的变形体系，控制着整个危岩体的变形失稳现象。 通过对模型失稳时速度矢量图（图12）的分析，当危岩体底部岩体中应力值显著集中后，孔洞的边帮岩体会率先发生失稳破坏，底部岩体出现破碎或崩解溃落，危岩体后缘主控制结构面发育贯通，最终危岩体将以图12 中速度矢量方向发生失稳。 根据图12中箭头方向可以看出基座底部岩体破碎解体后发生下错，一部分上方岩体在高程160 m 附近发生滑移剪切破坏， 另一部分岩体则发生倾倒和坠落破坏。 根据速度矢量梯度指示，危岩体的顶部和底部的失稳速度低于中部的速度。

根据黄南背西危岩体的地质剖面图（图8），构建一个2 维的UDEC 数值模型（图9）。 数值模型长约50 m（X 轴方向），高约80 m（Y 轴方向），模型尺寸与现场实体比例为2∶1， 本模型利用三角形三节点单元进行剖分，采用边长为9 m 的网格对基座岩体和坡内岩体进行单元划分，针对潜在失稳岩体进行网格加密处理，采用3 m 边长的单元网格进行划分（图10）。

  

图5 黄南背西声波测试岸坡岩体素描图Fig. 5 Sketches of huangnanbeixi bank slope

 

1、层面；2、岩溶溶洞；3、裂缝；4、测试区域；5破碎集中区域；6危岩体边界

  

图6 黄南背西库岸贴壁式声波波速展示图Fig. 6 Wave velocity of huangnanbeixi

本数值模拟采用“连续介质＋非连续介质”方案构建模型， 模型中岩体采用连续介质的Morh-Coulomb 本构模型，主控结构面则采用了不连续介质的Coulomb slip 模型。 在构建数值模型时综合了各部位岩体的物理力学性质，结合三峡地区灰岩岩体、结构面的相关物理力学参数，根据试算综合取值，各计算参数见表1。

3 变形破坏机理分析

  

图7 黄南背西库岸回弹测试值展示图Fig. 7 rebound value of huangnanbeixi

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图8 黄南背西危岩体地质剖面图Fig. 8 The section map of huangnanbeixi potential rockfall

  

图9 黄南背西危岩体的数值模型Fig. 9 numerical model of huangnanbeixi potential rockfall

  

图10 黄南背西危岩体的数值模型的网格单元划分图Fig. 10 Grid unit partition diagram of numerical model of huangnanbeixi potential rockfall

 

表1 数值计算参数表Table 1 origin computation parameters in numerical model

  

岩性 密度(kg/m3)摩擦角(°) 抗拉强度(Mpa)体积模量(GPa)剪切模量(Gpa)粘聚力(Mpa)白云质灰岩（1）岩溶角砾岩（2）基座岩体（3）危岩体（4）2600 2500 2500 2500 22.611.12 9 8 9 5 4 4 7 5 4.5 6.5 45 40 40 45 1.2 1 0.8

为了更直观地理解上述黄南背西危岩体底部岩体的破坏现象及未来发展趋势， 本文引入了UDEC 进行数值分析。 该数值分析方法属于非连续力学方法范畴，UDEC 程序基于离散的角度来对待物理介质，以最为朴素的思想分别描述介质内的连续性元素和非连续性元素，如将岩体的两个基本组成对象—岩块和结构面分别以连续力学定律和接触定律加以描述，其中接触（结构面）是连续体（岩块）的边界，单个的连续体在进行力学求解过程中可以被处理成独立对象并通过接触与其他连续体发生相互作用，其中连续体具有可变形或刚性受力变形的特征。对具备可变形能力的单个连续体分析环节而言，介质受力变形求解方法完全遵从FLAC/FLAC3D 快速拉格朗日定律[16] 。 UDEC 被广泛应用在岩质边坡的变形破坏机理研究中， 例如可利用UDEC 研究不同倾角对切坡倾倒破坏的影响[17] 。

数值模型经过25000 时步的计算后，危岩体在高程155m 处附近出现了明显挤压现象（图11）。从物理力学机制上来看，由于岩溶溶洞上方岩体的重力集中于危岩体底部岩体之上，在位于高程155 m的孔洞后方的基座岩体出现大量“X”形节理且有碎屑物填充；高程155 m 以下角砾岩岩体结构相对稳定，后缘主控结构面尚未贯通；危岩体受到下方岩溶角砾岩与孔洞边帮岩体的支撑和尚未完全贯通的主控结构面的限制， 危岩体发生破坏受阻，上部岩体的自身重力传递到危岩体底部后不能沿竖直方向下错，进而使底部岩体被动受压，产生了垂直于层面的变形，即压裂-溃屈变形。由主应力云图来看（图11），危岩体中的主应力迹线有明显向危岩体底部岩体和溶洞边帮岩体上偏转集中的趋势，根据主应力梯度指示，危岩体底部岩体的主应力值为2106，危岩体底部以上岩体的主应力值为5105。在应力值大小方面，危岩体底部岩体与其上方岩体的比值为4:1， 溶洞边帮附近岩体的主应力值是其他岩体的6 倍之多。 由此可见，危岩体底部岩体和溶洞边帮岩体承受着来自上方岩体的巨大重力。于是该部位岩体质量的好坏直接影响着危岩体的失稳破坏。

  

图11 25000时步下模型主应力迹线和主应力差云图Fig. 11 the principal stress and stress difference map after 25000 - time step

黄南背西危岩体所处河段为“V”字形高山峡谷地形，岩层倾向总体稳定，倾角变化不大，岩层单斜产出，岩体内有结构面发育。 其上游边界为斜切临江坡体的两条裂缝， 裂缝内填充少量碎石土，一条边界的总体产状为90°∠75°，该边界裂缝上部陡立，底部平缓。 从表面上看尚未连续贯通的另一条边界裂缝由上下两段产状为90°∠45°的裂缝和中间一段层面裂缝构成（图2）。 下游边界为一陡崖临空面， 产状为95°∠85°（图3）。 危岩体的后缘为2条近平行的裂缝，产状大致为20°∠83°，裂缝的最大宽度达1.5 m，自上至下宽度逐渐变窄，裂缝底部堆积着从危岩体顶部坠落而下的石块。

再者， 由于基座岩体的岩性为岩溶角砾岩，而岩溶角砾岩中的胶结物质大多以石膏结晶体和方解石胶结为主，其物理力学性质较低且极易发生水解。 由于库水位周期性波动，基座部位岩体受到江水软化、溶蚀、掏蚀等破坏方式影响，造成危岩体基座岩体的结构发生破坏，从而加快了危岩体失稳的进程。

我国很多施工单位对于工程的造价管理以及成本的控制过程都比较注重实施的过程，却缺乏对前期工程控制重视。而且从建设实践工程项目可以看出，许多的建设的工程项目都出现程度不一的投资膨胀情况，导致施工的工期被不断的进行延长，最终工程造价也就会水涨船高。

  

图12 25000时步下模型位移云图和运动速度矢量图Fig. 12 the velocity vectors and displacement contour after 25000 - time step

综上所述，危岩体底部岩体受压（危岩体自重为压力来源）并发生压裂破坏、库水位周期性波动加剧危岩体底部岩体劣化和基座岩溶角砾岩遇水水解组成了威胁黄南背西危岩体失稳的三种主要因素。 在多因素耦合作用下，复杂的复合型破坏模式将成为现实。该失稳过程首先是危岩体底部岩体发生压溃破坏，随后底部岩体破碎解体，上部岩体发生下错滑移，最终，失稳岩体以倾倒和坠落的方式发生破坏。简而言之，可确定该破坏模式为滑移、倾倒和坠落的复合型破坏模式[22] 。

4 结论

（1）黄南背西危岩体为三峡库区新发现的塔柱状危岩体。 危岩体高度为30 m 左右，横宽约20 m，厚约6 m，总体积方量约为3600 m3。 该危岩体的特点为基座岩体岩性为岩溶角砾岩。

（2）数值模拟和现场调查表明危岩体底部溶洞附近岩体和边帮岩体为应力集中区，变形方向以正北为主。

（3）危岩体自重造成的底部岩体破碎是其失稳的重要因素，而底部岩体受库水位变动不断劣化和基座角砾岩岩体发生水解也是两种不可忽略的因素，这些因素加快了黄南背西危岩体发生失稳破坏的进程。 变形破坏分为危岩体底部岩体破坏、上部岩体下错滑移， 失稳岩体发生倾倒和下坠破坏，危岩体以复合型破坏模式发生失稳。

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