1.4 危岩体的研究现状
危岩体是指陡峭边坡上被多组结构面切割，在重力、风化营力、地震、渗透压力等作用下与母岩逐渐分离，稳定性较差的岩体。危岩体一般存在于高陡边坡及陡崖上，是高边坡稳定性问题的重要组成部分，是高边坡主要的地质灾害类型之一，也是对水电站、公路和铁路等各种工程建设有较大危害的地质灾害类型之一。
1.4.1 危岩体成因机制研究
危岩体成因是危岩研究最基础的内容，认清危岩体的成因和其所处的变形发展阶段，有益于危岩体防治对策的制定，目前危岩体成因研究成果大体如下[1217]：危岩体发育是内外部条件共同作用的结果，表现为高陡的岩质边坡上由于地质作用或应力的重分布等内外营力的作用下，岩体形成裂隙，主控面的失稳断裂和贯通是形成危岩体的根本。内在条件主要包括地形地貌、地层岩性、地质构造等，这是危岩体形成的物质基础；外在条件如降雨和地下水、地震、风化及人为因素等对危岩体的形成和发展起着重要的作用。
在此基础上，一些学者分析了其他因素如底部大规模采空和热应力的交变作用对危岩体形成的影响，指出底部大规模采空是某些危岩体形成的主要原因，热应力的交变作用是危岩体形成的重要因素。另外，有的学者提出了岩石边坡的稳定性是一个动态演化的地质历史过程，将其分为3个具有典型意义的阶段：表生改造、时效变形和破坏发展。骆银辉等（2008）［18］认为陡峻边坡崩塌主要受控于节理裂隙和结构面的组合，其活跃程度取决于卸荷裂隙的扩张与扩展，层状结构岩体的岩层面和构造裂隙面在崩塌的形成中普遍起到控制作用，因而水平岩层、顺向岩层、逆向岩层、块状岩体陡峻边坡崩塌的形成条件不同，崩塌表现出不同的扩展特点。唐红梅等（2005）［19］以万州区太白岩为例，探讨了三峡库区危岩体的发育过程，将其分为初始阶段、河谷下切阶段、差异风化阶段、临界岩腔形成阶段、初始危岩体形成阶段、危岩体崩落初始阶段、危岩体崩落连锁阶段和微观链完成阶段等8个阶段。陈洪凯等（2009）［20］提出了危岩形成主要是危岩体后部主控裂隙面发展和贯通，着眼于危岩主控结构面的损伤—断裂机制。
1.4.2 危岩体分类及变形失稳模式研究
危岩体的分类是对危岩体进行系统研究基础上，根据危岩体规模、运动方式、失稳机理或模式、块体方位等不同标准进行划分。迄今，对危岩体分类尚未统一，从不同角度出发存在多种方案［20］。
1.4.2.1 按规模分类
按规模危岩主要有以下3种分类方式［21］：
（1）分为边坡表层崩塌（岩石崩落、表土崩落）、坡肩崩落、坡面体崩落（岩石崩塌、沉积层崩塌）。
（2）按体积大小将危岩体分为：特大型（≥1000m3，）、大型（100～1000m3）、中型（10～100m3）、小型（1～10m3）、落石（≤1m3）。
（3）按块体规模分为崩塌、坠落、剥落。
1.4.2.2 按运动方式
危岩体按失稳后的运动方式划分为［22］坠落式、跳跃式、滑动式、复合式。
1.4.2.3 按失稳机理或模式分类
危岩体的失稳模式即危岩体的破坏模式，是稳定性研究及治理措施研究的基础。由于分类角度、研究区域不同，危岩失稳模式存在多种分类方案。
胡厚田等（1989）［23］按照危岩体发生失稳破坏机理及发展规律，将危岩失稳模式分为倾倒式、滑移式、鼓胀式、拉裂式和错断式。这个分类反映了危岩形成发展的几个基本途径，危岩体在岩性、结构面特性、地貌、危岩体形状、岩体受力状态、起始运动形式和失稳因素等方面都有不同特点，其中危岩体受力状态和起始运动形式是分类的主要依据。在某些条件下，还可能存在的一些过渡类型如鼓胀—滑移式、鼓胀—倾倒式等中间类型。
黄润秋（2004）［24］在大量的工程实践的基础上，按危岩体的控制条件和失稳机理对危岩体失稳模式进行分类，共分为贴坡式、悬挂式、孤立式、板裂式、碎裂式、砌块式和软弱基座式等7个基本类型。
唐红梅和陈洪凯等（2005）研究认为［25，26］：根据危岩体失稳破坏的可能模式，可将危岩体分为单体及群体两大类型，群体由单体叠置组合而成。危岩单体分为压剪滑动型、拉剪倾倒型、拉裂坠落型和拉裂—压剪坠落型4类：群体危岩分为底部诱发破坏型及顶部诱发破坏型2类。
研究区域不同，危岩体可能的失稳模式不同。如：①杨淑碧等（1994）［27］根据危岩体变形破坏方式的不同，将重庆市中心区危岩体分为拉断坠落式（Ⅰ类）和滑落式（Ⅱ类）两大类。同时根据根据危岩体的发育特征，拉断坠落式Ⅰ类危岩体分为爬壳式、帽沿式和板状三亚类；滑落式危岩体分为受两组裂隙切割成柱形体和三组以上裂隙切割的楔形体两亚类。②旷镇国（1994）［28］按危岩体最终破坏时的受力状态和破坏机制，将重庆渝中区危岩体失稳模式划分为拉断—坠落、剪切—坠落或崩落、压碎—崩落、倾倒一崩塌等四类。③张奇花等（1998）［29］研究认为链子崖危岩体可能有8种破坏模式：蠕滑体滑移失稳、整体压陷倾斜崩塌、滑移倾斜交错或同步、裂隙段屈曲变形破坏、上下滑出破坏、倾斜—滑移破坏、倾斜—隐裂缝开裂—崩塌、倾斜—滑移—隐裂隙开裂—崩塌或滑坡。④刘廷登（2001年）［30］在研究砂页岩悬崖陡壁危岩体发育机制时，根据危岩体的发育形态将重庆至万县一带危岩体分为“爬壳”式、“帽沿”式、“板式”、“拱梁”式、“板梁”式、“半拱”式、柱状和楔形8类。
1.4.3 滚石运动特征研究
危岩体在自然或人为因素作用下，与母岩彻底分离，以滚石形式向坡下运动，会对坡表、坡脚处的建（构）筑物和居民造成严重的危害。鉴于此，国内外的一些学者采用推导运动学公式、物理力学试验和数值模拟等手段对危岩体失稳后的运动路径进行了有益的探索[3138]。
影响危岩落石运动轨迹的因素有危岩落石本身的大小、形状、坚硬程度及起始运动状态，边坡（或山坡）的高度、坡度、坡形，以及坡面组成物质及其表面起伏程度，覆盖层及植被等。危岩失稳后的运动形式分为：滑动、直落、滚动和跳跃4种［23］。
在对危岩落石运动轨迹的影响因素和滚石运动形式分析的基础上，众多学者采用不同方法对滚石运动特征进行了研究。其中，在运动学公式推导方面［23，39，40］，胡厚田、唐红梅和高云河等人认为危岩体下落过程分为几个阶段，推导了各运动形式运动速度、运动距离、运动轨迹、腾越和弹跳等的运动学计算公式。在物理力学试验和数值模拟方面，亚兰等（1996）［41］通过对链子崖危岩体的地质力学模拟和数值模拟，得出天然斜坡本身对方量不大的崩塌落石有很好的消能止动作用，计算出入江块石的运动能量和跳跃高度；周云武等（1998）［42］通过对16块岩体的现场滚石试验，分析了岩体的运动速度、弹跳高度和冲击能量，验证了SNS柔性安全防护网的安全性能；Yoichi等（2000）［43］通过在人工花岗岩边坡上进行的大量落石试验和数值模拟分析，指出运动距离与落石的体积（落石的数量）成正比关系，停留的中心距离与落石的体积（落石的数量）成反比；Joachim等（2003）［44］对意大利的南蒂罗尔地区危岩体进行了试验和数值模拟的研究，分析了滚石停止运动时运动的距离、跳跃高度和动能的变化。另外，黄润秋等（2007）［45］在落石试验的基础上，分析了坡面特征对滚石停留位置的影响，坡面对滚石运动时间（到达坡底动能）和对不同形状滚石的运动特征的影响，并对平台对滚石停积作用进行了试验研究；叶四桥等（2011）［46］利用天然高陡边坡采用不同的落石形状进行了落石试验，寻找落石运动路径统计规律，对寻找落石运动特征的认识取得了较好效果。唐红梅等（2003）［47］人将落石分为初始运动、碰撞、滑动、滚动4种运动形式，并根据危岩体的破坏形式推导了不同危岩破坏形式下落石在各运动阶段的轨迹方程。郑智能等（2008）［48］通过颗粒流分析模拟出落石的自由落体、弹跳、滑动和滚动等运动形式、运动过程岩块的崩解；得到了落石的运动速度、位移等运动学参数。梁璋彬（2008）［49］将落石按质量大小分为大质量、中质量、小质量3类，着重研究了不同质量落石的运动特征。魏云杰等（2010）［50］基于颗粒流程序，建立颗粒与颗粒之间和颗粒与墙体之间线性接触刚度模型、滑动模型和带滞后阻尼性质的接触模型，对危岩体崩塌各个运动过程进行数值实验，得出了一种比较理想的模拟方法和参数选取方法。蔡红刚等（2011）［51］人通过调查滚石与坡面碰撞留下的地质痕迹，真实复原了滚石运动路径，依据坡度、坡表覆盖层厚度、植被发育程度等，选择碰撞恢复系数，计算滚石运动参数；苏胜忠（2011）［52］运用运动学原理对公路岩质边坡崩塌落石的运动轨迹、落石速度、弹跳高度、位移以及动能等运动特征，进行计算分析。章广成等（2011）［53］通过大型有限元分析程序ANSYS探讨了落石边长、入射速度、入射角及地面岩土覆盖层对碰撞系数的影响。Yuannian Wang等（2011）［54］利用离散元模型考虑了落石冲击破碎的三维碰撞模拟，成功预测了落石的运动撞击和破碎过程。
各种落石计算、模拟方法可用来考察落石运动特征，但计算方法限于一定假设条件之下，与实际相比偏差较大。计算方法模型的建立和参数的选择和取用均依赖于大量的落石事件，或者重复试验结果，计算结果同时需要落石运动实验来验证。目前落石试验均未细化下垫面岩土介质参数的动力特性的影响。落石运动过程的复杂性，受众多因素影响，使其运动路径的偶然性、随机性是难以回避的。
同时，也有学者[5557]认为可以利用从监测资料中提取的位移、速度和加速度参数，建立危岩体的运动模型，预测危岩体运动状态的改变。
1.4.4 危岩体稳定性评价方法及防治对策研究
危岩体的研究主要通过科学的地质力学及数值计算[5863]，分析危岩体所处的变形或失稳发展阶段，确定其危险性，然后采用合理的防治措施，保护危岩体影响范围内的人民生命财产的安全，避免安全事故的发生。而防治对策的合理应用取决于对危岩体本身稳定性的评价。由于稳定性评价和防治措施研究的重要性[6473]，众多学者进行了有益的探索。
1.4.4.1 危岩体稳定性定性评价方法研究
危岩体稳定性评价的方法主要有四大类：定性方法、定量方法、数值与物理模拟法和不确定性分析方法。定性方法主要有工程地质类比法和赤平投影图解法等；定量评价方法主要有极限平衡法等；物理与数值模拟法主要有相似模型试验和数值模拟法；不确定性评价方法主要有灰色聚类法、比较识别法、可靠度分析法、时序分析方法等。
1.定性方法
工程地质类比法又称工程地质比拟法，是危岩体稳定性评价最基本的研究方法，其内容有自然历史分析法、因素类比法、类型比较法等，其实质是把已有的危岩体研究经验，应用到条件相似的新高边坡危岩体的研究中，需对已有危岩体进行广泛的调查研究，全面研究工程地质因素的相似性和差异性，分析研究危岩体所处自然环境，以及影响危岩体变形发展的主导因素的相似性和差异性。其优点是能综合考虑各种影响危岩体稳定的因素，迅速地对危岩体稳定性及其发展趋势作出估计和预测，缺点是类比条件因地而异，经验性强。赤平投影图解法也是岩体稳定性分析的一种重要方法，罗永忠等（2004）［74］采用赤平投影图解法分析了达县城区立石子危岩体的稳定性，并应用于实践，取得了良好的效果。
2.定量方法
极限平衡法通过计算在滑移破坏面上的抗滑力（矩）与滑动力（矩）之比即稳定系数来判断危岩体的稳定性。这种方法20世纪初提出来以后，经过众多学者的不断修正，成为目前在工程实践中最常用的危岩体稳定性分析方法。其优点是简单可行，结果明确。孙云志等（1994）［75］、陈明东（1999）［76］、吴文雪等（2003）［77］和陈洪凯等（2004）［78］分别根据各自的分类模式或具体工程特点，采用极限平衡法，提出了危岩体失稳判据。
3.物理与数值模拟法
（1）相似模型试验法。相似模型试验法是以相似原理为理论基础，针对所研究问题的实际情况，通过原型调研或前期研究成果，利用地质—力学分析，抽象建立模拟研究模型即建模。采用特定的方法如研究区地质体介质相似材料选择，边界条件（位移边界或应力边界）的设计，在一定条件下进行模型试验研究，以达到再现或预测研究对象中己存在或发生过的地质现象之目的，是危岩体稳定性研究的一种重要方法，对于规模大，失稳危害性大的危岩体常采用此方法分析稳定性和失稳变形过程。哈秋聆（1995）［79］利用相似理论，采用模型试验的方法分析了长江三峡链子崖危岩体的稳定性和变形失稳过程。
（2）数值模拟法。随着计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程问题可以采用离散化的数值计算方法并借助计算机得到满足工程要求的数值解，数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要动力之一。通过这些方法，可以模拟并得到岩土体内部的应力—应变关系，再现其变形甚至破坏过程及其机制。在危岩体数值分析中最常用的数值方法包括有限元法、离散元法和非连续变形数值分析（DDA）法等。这些方法目前在危岩体稳定性评价中均有应用。
从20世纪60年代开始，人们就开始尝试采用数值计算方法的分析岩土体稳定问题。在危岩体稳定性应用方面，20世纪90年代中期，杨淑碧（1994）［27］、刘国明（1996）［80］和何应强（1996）［81］率先对危岩体稳定性进行了有限元分析，随后众多专家学者采用有限元法对边坡进行了大量的研究分析，取得了诸多研究成果。
20世纪70年代，Cundall提出离散单元法（DEM），使得节理岩体模拟这种更接近于块体运动的过程模拟成为可能［82］。
20世纪80年代，Cundall提出快速拉格朗日分析方法（FLAC）［83］并由Itasca公司进行商业程序化。这种方法考虑材料的非线性和几何学上的非线性，采用混合离散化法使塑性破坏和塑性流动得到体现；并采用显式时间差分解析法，大大提高了运算速度；适用于求解非线性大变形，但节点的位移连续，本质上仍属于求解连续介质范畴的方法。赵晓彦（2003）［84］通过对万县长江库岸危岩体在不同工况下的稳定性离散元数值分析，直观地揭示出危岩体在不同工况下的破坏程度，得出危岩体的主要破坏形式为倾倒式崩塌，并总结出危岩体的大规模破坏发生在蓄水回水期等有益的结论。
不连续变形分析法（Discontinuous Deformation Analysis）[8590]，简称DDA法，由石根华和Goodman于 1989年提出，它兼具有限元和离散元两种方法之部分优点，可以反映连续和不连续的具体部位，考虑了变形的不连续性和时间因素，可计算静力问题和动力问题，可计算破坏前的小位移和破坏后的大位移，特别适合危岩体极限状态的设计计算。
采用数值分析法研究危岩体的稳定性，弥补了静力解析法不能求出岩土体的应力—应变关系以及与实际工作状态不完全相符的不足，计算结果较精确。因此，数值分析方法已逐步成为危岩体稳定性的分析的常用方法。
4.非确定性评价法
危岩体稳定性影响因素很多，评价指标的类型众多，信息往往不完整，存在大量定性因素，这些因素在一定程度上具有模糊性、不确定性，加上危岩体稳定性定量分析中存在大量人为的、模型的或参数的等不确定性因素，使得危岩体的稳定性分析具有随机性、模糊性和不确定性。目前仍没有一种十分精确的分析方法对危岩体稳定性进行精确计算和描述，为了克服危岩体稳定性工程地质评价工作中的随意性和不确定性，在确定性分析方法的基础上，人们尝试应用数学方法对整个评价过程进行定量或半定量描述，危岩体稳定分析理论吸收现代科学理论中的耗散理论、协同学理论、混沌理论、随机理论、模糊理论、灰色系统理论、突变理论等，创立和发展了一批非确定性分析方法[9194]。
（1）灰色聚类评价法。灰色聚类评价方法是在灰色系统理论的基础上提出来的，其主要包括9个过程，即：①危岩块体稳定性等级标准；②确定稳定性类别论域集；③确定评价因子集；④确定各影响因子对应的阈值集；⑤确定评定因子的闭值矩阵；⑥确定各因子的白化权函数；⑦确定聚类权矩阵；⑧确定聚类向量；⑨稳定性类别评价。文献还利用该方法对清江电站Ⅴ号危岩块体进行了稳定性分析，表明危岩块体稳定性的灰色聚类评价法符合是实际情况。此评价方法具有简单、实用，可以适应各种不同的工程评价的需要等优点。
（2）比较识别法。比较辨识方法的主要思想是在工程地质区域，考虑变形破坏方式及相应的变形破坏特征、位移关系式，针对各种可能的变形和破坏建立（或调整优化己有的）变形监测网，由监测资料计算得到变形区域的空间位移向量，对比各种可能的变形破坏方式相应的变形特征和位移关系式，从而辨识出实际发生的变形破坏方式、变形区域及变形演化成破坏的过程。
（3）可靠度分析法。可靠度分析是近年发展起来的评价危岩体稳定状态的新方法，其基本思想是：首先根据危岩块体滑动破坏模式建立起危岩块体稳定性的极限状态函数方程，然后选取可靠度求解方法计算危岩块体稳定性的可靠度指标和破坏概率。与传统的确定性理论相比较，可靠度分析法能更好地反映危岩体的实际状态，能正确合理地解释许多用确定性理论无法解释的工程问题。危岩体可靠性分析目前还处于研究和探索阶段，往往只作为确定性方法的一种补充和参考。
（4）时序分析法。危岩块体位移变化时序分析法是根据已监测危岩块体的数据，选择时间序列模型进行建模，利用建立好的模型对危岩块体位移变化进行预测，从而对危岩块体稳定性作出评价的方法。
1.4.4.2 危岩体防治对策研究
目前国内外防治危岩体的对策概括起来有可分为3类：主动防治措施、被动防治措施和主动—被动综合防治措施[9598]。
主动防治措施是指对危岩体进行工程结构防治，提高其稳定性，避免其发生失稳的技术类型，包括支撑、锚固、封填、灌浆、排水、清除、护坡、插别与串联等。主动防治技术在危岩体防治中应用广泛，许多学者针对不同的技术类型，提出了不同的计算方法，取得了丰硕的成果。在支撑方面，陈洪凯等（2004）［99］从危岩体的静力平衡出发，以地基容许承载力为控制标准，构建了危岩体支撑计算方法。在锚固方面，胡厚田（1989）［23］估算了作用在锚杆上的最大剪力Qmax；唐红梅等（2000）［100］求出了危岩体最优锚固方向；郭映忠（2001）［101］以二维直线形单滑面为例，确定了最佳锚固力作用方向和在此方向增加的最大抗滑阻力增量Fmax；陈洪凯等（2005）［102］基于极限平衡理论并遵循每类危岩体的破坏机理，建立了每类危岩体的锚固计算方法，包括非预应力和预应力锚固两类技术，获得了确定每种锚固技术所需要的最小锚杆数计算式；郑灵芝等（2002）［103］利用数值模拟方法确定了危岩体锚固后的稳定性系数和治理的最优设计方案；主动柔性防护网技术在危岩体防治中也得到一定程度的应用［104］。
被动防护措施是指对可能失稳的危岩体进行被动拦挡，避免造成灾害的技术类型，包括拦石墙（堤、栅栏）、被动柔性防护、遮挡避让及森林防护等技术类型。唐红梅（2005）［105］将危岩落石作用于拦石墙（堤、栅栏）的传力机理概化为落石—堤—桩及板—地基的传力过程，并运用结构力学方法进行拦石墙内力计算，得出拦石墙内力计算方程。
综合防治措施包括锚固—拦挡联合技术、锚固—支撑联合技术和柔性网络锚固技术等［106］。