汶川地震重災(zāi)區(qū)隴南寨子崖危巖體穩(wěn)定性分析與防治對(duì)策*

穆鵬，吳瑋江

(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064;2.長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710064;3.甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅蘭州730000)

危巖體是指陡峭邊坡上被多組結(jié)構(gòu)面切割，在重力、風(fēng)化營(yíng)力、地震和滲透壓力等外力作用下可能與母巖分離而墜落失穩(wěn)的巖石塊體[1－2]。危巖的形成、失穩(wěn)與運(yùn)動(dòng)屬于邊坡地貌動(dòng)力過程演化的一種重要形式，其破壞失穩(wěn)具有突發(fā)性、致災(zāi)具有毀滅性的特點(diǎn)[3]。汶川地震不僅直接造成了巨大的人員和經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還誘發(fā)了大量的崩塌、滑坡等次生山地災(zāi)害，地震觸發(fā)形成的大量危巖體成為巨大潛在的隱患[4]。

隴南是汶川地震重災(zāi)區(qū)，是我國(guó)四大崩塌、滑坡、泥石流密集區(qū)之一，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育程度、爆發(fā)頻率、發(fā)生規(guī)模和危害均居全國(guó)之首[5]。寨子崖危巖體位于隴南武都區(qū)以北8 km處的白龍江支流北峪河邊，汶川地震期間，出現(xiàn)局部崩塌、嚴(yán)重開裂現(xiàn)象，崩落的巖塊砸毀多間民房。因受地形限制，災(zāi)后重建集中安置點(diǎn)選在公路旁平緩階地上，970余人生命財(cái)產(chǎn)安全仍然受到該危巖體的直接威脅(圖1)，此外危巖體還對(duì)省道S307江(洛)—武(都)公路交通安全造成巨大的威脅。為了保證該區(qū)居民生命財(cái)產(chǎn)和交通安全，研究該危巖體變形破壞特征及發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出相應(yīng)防治對(duì)策，成果將對(duì)該區(qū)災(zāi)害防治及災(zāi)后重建具有重要指導(dǎo)意義。

1 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)位于北峪河左岸，屬白龍江群構(gòu)成的中高山。危巖體位于山體中上部，相對(duì)高差約200 m，前緣因其巖性特征以及受北峪河沖刷及河流堆積的影響坡度相對(duì)較緩，后部為厚層灰?guī)r構(gòu)成的陡崖。危巖體所在部位為一相對(duì)突出山梁，上游為一深槽狀負(fù)地形(圖1)。

圖1 研究區(qū)地形地貌圖

區(qū)內(nèi)出露的地層主要有志留系、石炭系和第四系。①志留系下統(tǒng)(S1)以千枚巖、炭質(zhì)千枚巖、板巖為主，錯(cuò)斷非常發(fā)育，主要分布于流域中下游。志留系中上統(tǒng)白龍江群(S2+3bl)分布在流域上游，為泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r，巖質(zhì)堅(jiān)硬。②石炭系(C)主要為厚層灰?guī)r，分布在研究區(qū)以南的白龍江南岸。③第四系中、上更新統(tǒng)黃土(Q2－3eol)主要分布在沖洪積高階地及較高的山嶺上，以粉質(zhì)粘土為主。第四系殘坡積物(Q4dl+del)由炭質(zhì)頁巖、千枚巖、板巖等易風(fēng)化地層風(fēng)化后形成。

該區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈、頻繁，而且主要表現(xiàn)為斷裂活動(dòng)。第四紀(jì)以來，本區(qū)斷裂活動(dòng)明顯且差異性較大，主要是在早期已有構(gòu)造的基礎(chǔ)上發(fā)生發(fā)展，具有一定的繼承性和新生性。該區(qū)處在會(huì)寧—武都南北地震帶上，并受鄰近松潘—平武地震帶的強(qiáng)烈影響，屬地震多發(fā)區(qū)，僅有文字記載的7級(jí)以上強(qiáng)震達(dá)15次。汶川地震強(qiáng)烈波及該區(qū)，在區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了眾多的滑坡、崩塌及地裂縫，是地震特重災(zāi)區(qū)。本區(qū)地震烈度為Ⅷ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20 g，地震動(dòng)反映譜特征周期為0.40 s。

2 危巖體特征及成因分析

2.1 危巖體所處邊坡特征

寨子崖危巖體發(fā)育處為一巖質(zhì)邊坡，其中上部基巖裸露，表層有較薄的黃土或風(fēng)化層覆蓋，坡度較陡(達(dá)65°左右)。中下部為較厚坡積物質(zhì)覆蓋，坡度相對(duì)較緩(約25°～40°)。危巖體則主要集中在邊坡中上部，且受兩側(cè)沖溝影響較大，尤其上游側(cè)更是一個(gè)寬大的低洼地形。

2.2 危巖體基本特征

經(jīng)勘查并根據(jù)危巖體結(jié)構(gòu)和變形破壞特征，寨子崖危巖體可劃分為5個(gè)區(qū)(圖2)。

圖2 寨子崖危巖體分布圖

各區(qū)受所在位置的巖體結(jié)構(gòu)和地形地貌特征影響較大，其規(guī)模及分布范圍見表1。

表1 危巖體特征及分布

Ⅰ區(qū)位于邊坡頂部，該危巖體厚度約7 m，坡向242°，長(zhǎng)32 m左右，寬約14 m。斜坡前部近直立，基巖裸露(圖3)。頂部小平臺(tái)上發(fā)育多條大規(guī)模拉張裂縫(圖2、圖3)，裂縫深度大，寬度一般20～30 cm，最寬者逾1 m;裂縫下錯(cuò)明顯，下錯(cuò)位移多為10～20 cm;受下錯(cuò)的影響，頂部表面表現(xiàn)出明顯的陷落，中部明顯較前部和后部低。拉張裂縫多呈弧形展布，部分相互搭接，向上游和下游兩側(cè)擴(kuò)展，向下延伸至底部控制面(圖3)。該危巖體受緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面(產(chǎn)狀265°∠38°)控制，此面構(gòu)成該危巖體底部控制結(jié)構(gòu)面，面上有擦痕，面內(nèi)充填巖塊，局部架空，前部出口處局部表現(xiàn)出巖塊壓碎現(xiàn)象。由此可見，結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)差。該區(qū)的破壞方式為地震作用下的崩塌滑移，穩(wěn)定性極差，是整個(gè)危巖體穩(wěn)定性最差且規(guī)模最大者。

Ⅱ區(qū)位于I區(qū)上游側(cè)下方，坡向245°。坡高6 m左右，坡寬11 m，長(zhǎng)約10 m?；鶐r裸露，坡體上發(fā)育一組緩傾坡外結(jié)構(gòu)面231°∠50°，該組結(jié)構(gòu)面對(duì)危巖體起到控制作用。坡體頂部及上游側(cè)(小沖溝)與斜坡面近平等的卸荷裂隙發(fā)育，其底部見貫通裂縫與I區(qū)上游邊界相連。

Ⅲ區(qū)位于Ⅰ、Ⅱ兩危巖體上游側(cè)(其間有相對(duì)較穩(wěn)定的Ⅴ區(qū)相隔)，坡向258°。該區(qū)同Ⅰ、Ⅱ兩區(qū)較為相似，但規(guī)模小于I區(qū)危巖體。坡高5 m左右，長(zhǎng)約11 m，寬7 m。坡體頂部近水平，發(fā)育2條深大裂隙，裂隙近直立，向上下游兩側(cè)呈弧形展布并向深部交接于一緩傾坡外偏上游的緩傾結(jié)構(gòu)面。坡體中下部較陡，基巖裸露。

Ⅳ區(qū)位于I區(qū)危巖體下方，表部巖體較為破碎。其頂部邊界即Ⅰ區(qū)危巖體底邊界，坡向242°。該區(qū)因受I區(qū)崩塌之影響，表部基巖裸露，地形上表現(xiàn)為一凹槽。經(jīng)勘查，該區(qū)除傾向坡內(nèi)的層面組結(jié)構(gòu)面外，無明顯緩傾坡外的連通性結(jié)構(gòu)面。但該區(qū)與I區(qū)相連處的上部的下游側(cè)局部發(fā)育多條小規(guī)模裂隙，但未見其在下部出露或與緩傾坡外結(jié)構(gòu)面組合。

Ⅴ區(qū)位于Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)之間，地貌上為一小凹槽(小溝)，坡向236°，坡寬約8 m，長(zhǎng)約20 m。該區(qū)未見明顯貫通性大型控制結(jié)構(gòu)面和緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面，但表面巖體風(fēng)化破碎，多呈碎塊狀。

圖3 寨子崖危巖體I區(qū)特征

2.3 危巖體成因分析

危巖體的形成是多方面因素綜合影響的結(jié)果，既有內(nèi)在原因也有外在因素作用。寨子崖危巖體形成的內(nèi)在因素包括地形地貌、地層巖性和巖體結(jié)構(gòu)等;外因歸納起來主要是降雨的作用、人類活動(dòng)和地震。

2.3.1 內(nèi)因

(1)地形地貌是影響危巖體發(fā)育的決定因素之一，適宜的坡度和較大的高差是產(chǎn)生危巖體甚至崩塌的基本地形條件。研究區(qū)山高坡陡，基巖出露部分坡度高達(dá)65°。從地形地貌特征來看，該區(qū)經(jīng)過復(fù)雜而強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，最終形成了高差約200 m的峽谷地貌。

(2)地層巖性和巖體結(jié)構(gòu)是形成危巖的重要內(nèi)在因素之一[6]，當(dāng)岸坡結(jié)構(gòu)以上硬下軟的層狀斜坡時(shí)，地震地質(zhì)災(zāi)害易于發(fā)生[7]，該區(qū)前部軟硬相間(薄層磁巖夾千枚巖或板巖)的巖層組合以及河流對(duì)其侵蝕塑造了斜坡前部低洼地形而形成特殊臨空條件，坡體中上部局部發(fā)育緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面、坡體表層卸荷并產(chǎn)生一定深度的卸荷裂隙，降低了斜坡中上部巖體的穩(wěn)定性。

2.3.2 外因

(1)降雨是危巖體崩塌的主要誘發(fā)因素之一，研究區(qū)雨量充沛，降雨過程長(zhǎng)，多暴雨?？梢允褂晁罅繚B入巖體，部分雨水沿節(jié)理、裂隙入滲進(jìn)入到巖體內(nèi)部帶內(nèi)，動(dòng)水壓力增加進(jìn)一步加速坡體蠕動(dòng)變形的發(fā)展。隨著雨水的沖刷、巖體的風(fēng)化、裂隙貫通和張開程度的增加，在強(qiáng)降雨引發(fā)下，危巖體產(chǎn)生崩塌的可能性較大。

(2)人類活動(dòng)也對(duì)該危巖體有一定的影響。I區(qū)頂部局部崩塌發(fā)生前為坡度約10°的平臺(tái)，系在山頂開墾所致。在山頂開墾并壘筑耕地平臺(tái)，改變?cè)械孛蔡卣?，增加了I區(qū)前部的重量。此外，平臺(tái)的開墾也影響了原來地表水的匯聚特征，平臺(tái)更易積水并加劇其沿某些裂縫現(xiàn)巖體深部入滲，進(jìn)而使該區(qū)穩(wěn)定性變差。

(3)地震是寨子崖危巖體形成及局部崩塌的直接原因。該危巖體原本處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于汶川大地震的影響，導(dǎo)致危巖體局部失去平衡，出現(xiàn)巖體崩塌現(xiàn)象。并使后緣產(chǎn)生較多拉裂縫，最寬處達(dá)到1 m，同時(shí)使危巖體穩(wěn)定性進(jìn)一步降低。

3 危巖體穩(wěn)定性分析

危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)較為復(fù)雜，本文采用工程地質(zhì)分析與極限平衡方法定性與定量相結(jié)合對(duì)寨子崖危巖體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。對(duì)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)采用定性判別以及定量計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)Ⅳ、Ⅴ區(qū)采取定性評(píng)價(jià)為主的方法。

3.1 危巖體穩(wěn)定性定性分析

根據(jù)危巖體的發(fā)育特征、所處的地質(zhì)環(huán)境條件，結(jié)合現(xiàn)有的變形破壞跡象等因素，對(duì)研究區(qū)內(nèi)危巖體穩(wěn)定性進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

表2 寨子崖危巖體穩(wěn)定性分析結(jié)果表(定性分析)

3.2 危巖體穩(wěn)定性定量計(jì)算

危巖體穩(wěn)定性計(jì)算力學(xué)參數(shù)的選定非常重要。本次危巖體穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)選取是在室內(nèi)外試驗(yàn)資料基礎(chǔ)上，參考了已有工程的取值經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)該危巖體的地質(zhì)特征和環(huán)境因素綜合確定的，主要計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 危巖體穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)

利用《滑坡防治設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T0219－2006)和《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(DZT0218－2006)推薦的方法對(duì)危巖體Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下:

式中:G為重量(kN);C為結(jié)構(gòu)面粘聚力(kPa);φ為結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角(°);A為結(jié)構(gòu)面面積(m2);U、V為結(jié)構(gòu)面上水的作用力(kN);α1為后緣拉裂面傾角(°);α2為結(jié)構(gòu)面傾角(°);E1為推力(kN);P為地震力(kN)，P=a0G;a0為地震系數(shù)。

根據(jù)研究區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境以及該危巖體的特征，計(jì)算在天然條件、暴雨條件和地震條件這三種工況下危巖體的穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 危巖體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

分析計(jì)算結(jié)果可知，危巖體I區(qū)在天然狀態(tài)下處于極限平衡狀態(tài)，暴雨使其穩(wěn)定性大為降低達(dá)到臨界值有失穩(wěn)滑動(dòng)的可能，地震作用下其穩(wěn)定性系數(shù)小于1。Ⅱ和Ⅲ區(qū)穩(wěn)定性略好于Ⅰ區(qū)，天然狀態(tài)下處于極限平衡狀態(tài)，在暴雨和再次地震作用下，穩(wěn)定性大大降低，有滑動(dòng)的可能。因此，上述危巖體應(yīng)盡快進(jìn)行治理。

4 危巖體防治對(duì)策

我國(guó)對(duì)危巖體的治理措施大體上分為3類:主動(dòng)治理、被動(dòng)治理和主動(dòng)－被動(dòng)聯(lián)合治理[8]。一個(gè)具體的危巖防治工程通常涉及數(shù)個(gè)危巖單體，各個(gè)危巖單體特征不同，因此選擇危巖治理措施應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)針對(duì)性。對(duì)上述5處危巖體的穩(wěn)定性分析表明，這5處危巖體都需要采取治理措施。由于寨子崖危巖體結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)狀況的復(fù)雜性，單一的危巖體治理方法難以保證危巖體的穩(wěn)定，必須采取多種措施。根據(jù)寨子崖危巖體的工程地質(zhì)條件、各危巖體的發(fā)育特征、破壞方式、穩(wěn)定程度和危害對(duì)象等，經(jīng)綜合分析，建議對(duì)不同的危巖體采取相應(yīng)的防治措施，治理工程措施見表5。

表5 寨子崖危巖體防治措施

續(xù)表5

5 結(jié)論

(1)隴南寨子崖危巖體在汶川地震期間出現(xiàn)局部崩塌開裂現(xiàn)象，震后崩塌落石不斷，嚴(yán)重威脅災(zāi)后重建集中安置點(diǎn)居民生命財(cái)產(chǎn)安全。根據(jù)危巖體結(jié)構(gòu)及其破壞特征將其劃分為5個(gè)區(qū)。危巖體前部軟硬相間的巖層組合、巖體卸荷裂隙及結(jié)構(gòu)面發(fā)育等巖性特征，地勢(shì)高陡等地形特征，以及區(qū)內(nèi)降雨強(qiáng)度大及地震等觸發(fā)因素，共同構(gòu)成該危巖失穩(wěn)的控制因素。

(2)寨子崖危巖體穩(wěn)定性定性及定量分析結(jié)果表明，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)危巖體在天然狀態(tài)下處于極限平衡狀態(tài)，在暴雨和地震影響下，有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，需對(duì)危巖體進(jìn)行治理。

(3)寨子崖危巖體結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，為保證危巖體的穩(wěn)定性，提出了采用了人工清除、錨固和SNS主動(dòng)防護(hù)等方法的綜合治理方案。

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