龙王沟危岩体的变形与裂隙水压力监测

7.1.1　龙王沟危岩体的变形与裂隙水压力监测

龙王沟西侧的危岩体由两条垂直的构造裂隙切割形成一个相对孤立的岩体，裂隙后期由于卸荷作用与风化作用张开度加大。水平方向为一个泥岩软弱夹层，风化后形成一凹槽。该类危岩体在云冈石窟比较常见。龙王沟危岩体的监测工作布置见附图19－a。

在监测工作中将该危岩体编号为1＃危岩体。该危岩体的几何参数：近山体一侧高约1.1m，临空面一侧高约0.4m，顶部为一斜面。危岩体宽度为2.8m，厚1.3m。控制危岩体发育的两条近垂直裂隙的产状分别为：J1（141°∠85°）与J2（60°∠83°）。J1沿东南方向切割崖壁，靠近崖壁处裂隙宽为8～15cm，无充填，但该裂隙上端曾采用水泥砂浆修补。J2沿东北方向切割岩体，中部与软弱层面交界处有一椭圆型空洞，长轴30cm，短轴15cm，可能为长期渗水通道。危岩体下方为软弱夹层形成的风化凹槽，平均深0.8m，最深处达1.1m。图7.1为该危岩体的计算模型，其稳定性计算公式为

图7.1　龙王沟危岩体稳定性计算模型

式中：W为危岩体重量；b为水平层面残留长度；a为危岩体重心与旋转点距离；e₁为孔隙水压力高度；h₀为重心与旋转点之间垂直距离；β为后缘破坏面倾角；P为水平地震效应；Q为裂隙水压力合力。

裂隙水压力Q计算公式为

取W为31kN，危岩体高度为1.1m，裂隙贯通，按现场情况，a＝0.2m，b＝0.4m，h₀＝0.55m，β＝83°。

在不考虑地震荷载和裂隙充水的情况下，目前岩体稳定性系数为1.158，危岩体处于欠稳定状态，稳定性系数较低。该危岩体稳定性降低的主要因素有：风化凹槽不断发育导致上部岩体失去支撑，裂隙充水增加岩体的倾倒转动力矩，地震等偶然荷载导致岩体破坏。

当风化凹槽支点与重心线的水平距离a由0.1变化至0.3时，根据式（7－1）可以得到岩体的稳定性系数的变化曲线（图7.2）。计算表明，风化凹槽的发育对该危岩体的影响非常明显，随着凹槽向内逐渐扩展，危岩体稳定性急剧降低。反算得到，该危岩体的风化凹槽整体再向内部扩展2cm，岩体将处于极限平衡状态。

图7.2　凹槽深度与稳定性系数的关系

裂隙充水对危岩体稳定性的影响也比较明显。危岩体后缘裂隙高度为1.1m，随着裂隙充水从0m增加到1.0m时，稳定性从1.158降至0.91（图7.3），危岩体将失稳。因此，裂隙充水对岩体稳定性的降低作用非常明显。

实际上，由于风化凹槽为泥岩，裂隙充水还有另外一些作用。裂隙充水将会导致泥岩饱水，泥岩中的黏土矿物吸水膨胀而出现向上的顶起变形。随着泥岩不断充水、干燥，将逐渐加剧岩体风化，导致岩体稳定性降低。

另外计算表明，地震作用下，该小型危岩体稳定性的降低与地震强度呈线性关系（图7.4）。

图7.3　裂隙充水深度与稳定性系数的关系

图7.4　稳定性与地震系数的关系

因此，对该危岩体进行稳定性监测及相关影响因素分析非常有实际意义。在该危岩体的2条裂隙中各安装了一个位移传感器，对后缘裂隙进行封堵后，安装了孔隙水压力传感器。

另外，在1＃危岩体北侧龙王沟陡壁顶端，对一小型片状开裂岩体进行实时变形监测（附图19－b）。该岩体的控制结构面为一条与龙王沟近平行发育的垂直构造裂隙。岩体顺该裂隙张开，有失稳破坏的可能。这类破坏在云冈石窟同样非常普遍，其破坏与环境作用密切相关，特别是受浅层温度及冻融等因素的影响严重。

在该岩体上安设了应变计S3与测缝计J3，用于监测裂隙的变形过程。