北京山區(qū)邊坡災(zāi)害特征及防范措施

吳言軍,陳愛新

(北京市勘察設(shè)計研究院有限公司,北京 100038)

北京山區(qū)邊坡災(zāi)害特征及防范措施

吳言軍,陳愛新

(北京市勘察設(shè)計研究院有限公司,北京 100038)

北京山區(qū)地質(zhì)復(fù)雜,工程頻繁,邊坡災(zāi)害發(fā)育以崩塌和滑坡為主。邊坡災(zāi)害以巖質(zhì)邊坡和人工邊坡為主,破壞模式為剝落、落石、崩塌和滑坡。從地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、氣候條件和人類活動4個方面分析邊坡災(zāi)害的影響因素,提出對應(yīng)的防范措施。

北京山區(qū);邊坡災(zāi)害;崩塌;滑坡;影響因素;防范措施

1 引言

北京山區(qū)位于華北平原的北部,分屬太行山山脈及燕山山脈,總面積約1.04×104km2。本區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜,斷裂構(gòu)造發(fā)育,氣候變化四季分明,人類經(jīng)濟(jì)活動歷史久遠(yuǎn),地質(zhì)環(huán)境敏感脆弱,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育,山區(qū)邊坡災(zāi)害是本區(qū)較為常見的一種災(zāi)害類型,給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳拓敭a(chǎn)帶來了損失,尤其是給本區(qū)的公路交通設(shè)施造成了較大破壞,如位于北京山區(qū)的108、109、110國道及西六環(huán)、八達(dá)嶺高速等多處路段均曾發(fā)生過不同規(guī)模的山區(qū)邊坡失穩(wěn)破壞現(xiàn)象,嚴(yán)重地阻礙了道路的正常交通和運(yùn)營[1]。

近年來,隨著本地區(qū)社會和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,位于山區(qū)的一些高等級公路、鐵路線、城鎮(zhèn)項目、旅游服務(wù)設(shè)施等得到了快速建設(shè)和發(fā)展。因此分析研究山區(qū)邊坡特點(diǎn)及災(zāi)害類型,提高風(fēng)險因素識別能力,有助于采取適宜的防范措施、降低災(zāi)害發(fā)生的概率以及保證本地區(qū)工程建設(shè)的安全。

2 邊坡分類和破壞特征

2.1 邊坡分類

邊坡是地殼表面具有臨空條件的地質(zhì)體,往往由坡頂、坡面、坡腳及其下部一定深度內(nèi)的巖土體組成。根據(jù)不同劃分依據(jù),北京山區(qū)邊坡可分為多種不同類型的邊坡,詳見表1。

根據(jù)物質(zhì)組成,還可以把土質(zhì)邊坡進(jìn)一步細(xì)分為粘性土邊坡、黃土(山區(qū))邊坡、砂土邊坡、碎石土邊坡等;按形成方式,可以把道路邊坡分為路堤邊坡、路塹邊坡。另外還可根據(jù)邊坡坡度、巖體巖性、巖體結(jié)構(gòu)、變形狀態(tài)等進(jìn)行詳細(xì)劃分。

表1 北京山區(qū)典型邊坡分類Table 1 The classification of typical slope in Beijing mountain area

2.2 邊坡破壞模式

根據(jù)調(diào)查及研究,北京山區(qū)邊坡以巖質(zhì)邊坡為主,其失穩(wěn)破壞模式較為典型,主要為剝落、落石、崩塌、滑坡等。

2.2.1 剝落

剝落是指邊坡表層巖土物質(zhì)在自身重力及風(fēng)化、沖刷、振動等外力的作用下順坡滑落,呈巖(土)屑或顆粒狀堆積在坡腳的一種現(xiàn)象,具有普遍性、易發(fā)性和季節(jié)性的特點(diǎn),是山區(qū)邊坡工程較為常見的一種破壞形式,見圖1,有人也稱為“山剝皮”。受地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、植被覆蓋及氣候條件影響,北京地區(qū)巖體風(fēng)化強(qiáng)烈,在山區(qū)存在大規(guī)模的剝落現(xiàn)象,剝落常使農(nóng)田、路面、溝渠遭到掩埋或堵塞破壞。

圖1 邊坡巖體剝落現(xiàn)象Fig.1 Slope rock spalling

2.2.2 落石

落石是巖質(zhì)邊坡坡面上危巖或孤石個體失穩(wěn)后在重力作用下向下滾動的一種現(xiàn)象,是山區(qū)邊坡巖體失穩(wěn)的一種形式,有人也稱作“滾石”[2,3]、“墜石”,具有廣泛性、突發(fā)性、隨機(jī)性的特點(diǎn)。本區(qū)巖質(zhì)邊坡陡長,巖體風(fēng)化作用強(qiáng)烈,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體完整性較差,為落石提供了脫離母體的勢能條件和邊界條件。本山區(qū)公路多數(shù)路段均存在或潛在較多的邊坡落石現(xiàn)象。

2.2.3 崩塌

崩塌是指斜坡上的巖土體在重力作用下,突然脫離母體崩落、滾動、堆積在坡腳(或溝谷)的地質(zhì)現(xiàn)象,一般垂直運(yùn)動距離遠(yuǎn)大于水平運(yùn)動距離,運(yùn)動軌跡無規(guī)律,具有分帶性、突發(fā)性、隨機(jī)性、危害性大的特點(diǎn),會因地震、降雨、風(fēng)化和人類的活動而隨機(jī)發(fā)生,規(guī)模較大者稱“山崩”,較小者稱“塌方”[4]。按物質(zhì)組成一般分為土崩、巖崩兩種,其中巖崩是本區(qū)最常見的影響公路交通安全的災(zāi)害之一,多以亂石堆(錐)的形式堆積邊坡腳或公路兩側(cè)。

本區(qū)斷裂及次生斷裂廣泛分布,巖體風(fēng)化強(qiáng)烈、破碎,易于崩塌現(xiàn)象的發(fā)生,區(qū)內(nèi)約有數(shù)千個崩塌體,多為自然作用形成,主要分布在密云北部、懷柔中部、平谷北部等山區(qū),多成帶出現(xiàn),具有明顯的分帶性,崩塌規(guī)模以小、中型塌方為主,僅局部地段分布有大型崩塌危巖體。

2.2.4 滑坡

滑坡是指斜坡上的巖土體在重力作用下沿一定的軟弱結(jié)構(gòu)面(帶)整體或分散地向下滑動的現(xiàn)象,是北京山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的一種表現(xiàn)形式。根據(jù)形成機(jī)制的不同,主要分為人為滑坡和自然滑坡,人為滑坡指由于人類工程活動引起的滑坡,自然巖質(zhì)邊坡滑坡為自然地質(zhì)條件改變引發(fā)的滑坡,其中以人為滑坡為主。在公路施工過程中,常由于采取不合理的坡角開挖、坡頂堆載以及抽排地下水等方法而形成新滑坡或復(fù)活老滑坡。

根據(jù)調(diào)查,本區(qū)滑坡災(zāi)害不發(fā)育,共發(fā)育有滑坡或潛在滑坡20多處。自然滑坡主要分布在延慶東北部、懷柔中北部、密云北部、平谷北部等山區(qū),滑坡規(guī)模一般為小、中型;人為滑坡主要分布在門頭溝、房山區(qū),主要是由于采礦和修路挖方引發(fā)。已給本區(qū)的一些交通設(shè)施、村莊及建筑設(shè)施造成了破壞和損失。

3 邊坡災(zāi)害特征及影響因素分析

3.1 邊坡災(zāi)害特征

3.1.1 崩塌災(zāi)害

據(jù)調(diào)查,全市有崩(滑)塌34 550處,主要分布在密云北部、懷柔中部及房山大石河等地區(qū)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計,北京山區(qū)在解放后因崩(滑)塌已造成70多人死亡、200多間房屋被毀。這些崩塌體對北京山區(qū)公路的安全運(yùn)營及居民的和諧生活帶來了一定的危險性。2000年1月20日,懷柔寶山寺鄉(xiāng)盤道溝村后山發(fā)生崩塌,毀房15間,5人受傷,損失10萬元;2004年7月28日,房山佛子莊英水溝及北窖主溝發(fā)生多起崩塌,毀壞村級柏油路5 km,房屋5間,損失160萬元;2004年8月26日,延慶千家店鎮(zhèn)花盆村,公路發(fā)生滑塌,塌方體近1 000 m3,毀房7間,直接經(jīng)濟(jì)損失2萬元;2005年8月15日,密云琉辛路二道河路段發(fā)生崩塌,毀壞路基100余米;2006年8月4日凌晨,111國道懷柔段89 km和98 km處發(fā)生塌方,總體積約600 m3;該天108國道房山段56 km處也出現(xiàn)大面積塌方,總體積約450 m3,道路堵塞數(shù)天。

近年來隨著人類工程活動的頻繁,本區(qū)的崩塌災(zāi)害規(guī)模及數(shù)量有進(jìn)一步擴(kuò)大和加劇的發(fā)展趨勢,見圖2。但隨著當(dāng)?shù)卣畬Φ刭|(zhì)災(zāi)害的重視和加大了監(jiān)測力度,本區(qū)的崩塌災(zāi)害危害程度及規(guī)模卻相應(yīng)減小了,自2000年以來,基本沒有發(fā)生因崩塌致大量人員傷亡的事件,災(zāi)害形式主要表現(xiàn)在破壞路基、阻礙交通、砸壞房屋和農(nóng)田上。

3.1.2 滑坡災(zāi)害

圖2 北京山區(qū)典型崩塌災(zāi)害發(fā)展趨勢圖Fig.2 Trend of typical collapses in Beijing mountains

北京山區(qū)滑坡災(zāi)害數(shù)量相對較少,但由于其規(guī)模大及處于千年古都區(qū)域,帶來的不利影響比較大。2004年7月,門頭溝戒臺寺坡體變形明顯,滑坡活動造成寺廟建筑物損壞,迫使市政府最終投入巨資來救寺;2004年7月12日,門頭溝區(qū)永定鎮(zhèn)秋坡村因發(fā)生滑坡,導(dǎo)致整村搬遷;2005年7月25日,110國道延慶段53 km處發(fā)生山體滑坡,擁堵了近3 h;2005年8月15日凌晨,琉辛路密云柏平段31 km處發(fā)生大面積山體滑坡,形成長約100 m、寬約60 m、高約25 m的巖堆,下午4點(diǎn),琉辛路再次發(fā)生山體滑坡,沖毀6.7 hm2土地,造成2戶房屋出現(xiàn)裂縫;2006年7月24日,房山區(qū)霞云嶺鄉(xiāng)堂上村堂上煤礦碾子溝礦區(qū)發(fā)生山體滑坡,導(dǎo)致1對母女身亡;2006年8月17日,延慶縣灤赤路135.2 km處的硅化木國家地質(zhì)公園山體發(fā)生大面積滑坡,造成該路段擁堵6 h左右;2008年8月16日,門頭溝靈山公路發(fā)生山體滑坡,導(dǎo)致道路中斷3 h。

北京山區(qū)自然邊坡整體穩(wěn)定性一般較好,對于外界因素的影響較為敏感,一旦遭到不合理施工,破壞邊坡的自然平衡狀態(tài),則可能引發(fā)新滑坡或使老滑坡復(fù)活,如門頭溝區(qū)雙大路、西六環(huán)部分段邊坡均在施工期間發(fā)生了變形滑動現(xiàn)象,在京承高速公路某段分布有一古滑坡體[5],厚度在20 m左右,規(guī)模較大,目前環(huán)境下均處于基本穩(wěn)定狀態(tài),但若后期不合理施工,則會對橋梁或路基工程的穩(wěn)定性存在不利影響。

3.2 主要影響因素分析

(1)地質(zhì)構(gòu)造

北京山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜,褶皺變形強(qiáng)烈,邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,完整性較差,存在著發(fā)生邊坡失穩(wěn)的地質(zhì)構(gòu)造條件。結(jié)構(gòu)面或軟弱結(jié)構(gòu)面為邊坡巖體或巖塊脫離母體(山體)提供了邊界條件,北京山區(qū)邊坡的軟弱結(jié)構(gòu)面一般為斷裂破碎帶、結(jié)合性較差的巖層層面或節(jié)理、裂隙面等。據(jù)調(diào)查分析,北京山區(qū)邊坡災(zāi)害主要發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育區(qū)。

(2)地層巖性

北京山區(qū)巖石裸露,風(fēng)化強(qiáng)烈,邊坡剝落、落石及崩塌現(xiàn)象廣泛存在,地層巖性是邊坡災(zāi)害發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)及內(nèi)在條件。據(jù)調(diào)查,剝落現(xiàn)象多發(fā)生在易風(fēng)化的泥質(zhì)砂巖、泥巖、頁巖以及片麻巖等細(xì)顆粒巖體和土質(zhì)邊坡中。落石、崩塌現(xiàn)象主要分布在花崗巖、石英砂巖、礫巖、白云巖等硬質(zhì)巖類、塊狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)坡體及軟硬互層巖質(zhì)邊坡的中上部位或頂部。北京山區(qū)滑坡災(zāi)害受人為作用明顯,多發(fā)生于存在軟弱結(jié)構(gòu)面或易滑地層的坡體上,北京山區(qū)邊坡易滑地層主要為泥巖、頁巖、千枚巖、砂巖、灰?guī)r以及含煤系地層等。

(3)氣候條件

2004年7月北京延慶山區(qū)發(fā)生強(qiáng)暴雨,2 h降雨量達(dá)128 mm,相當(dāng)于50 a一遇;2005年8月14日北京密云山區(qū)突降暴雨,暴雨歷時80 min,最大降雨量達(dá)到220 mm,為該地區(qū)100 a一遇。這兩次暴雨期間,北京山區(qū)發(fā)生上百次邊坡崩塌、滑坡災(zāi)害。北京山區(qū)邊坡災(zāi)害受降雨誘發(fā)作用明顯,多發(fā)生在雨季,主要集中在7～9月期間,約占災(zāi)害總數(shù)的80%～90%,見圖3。

圖3 北京山區(qū)崩塌災(zāi)害發(fā)生時間分布圖Fig.3 Time distribution of collapses in Beijing mountains

據(jù)調(diào)查分析,北京山區(qū)邊坡災(zāi)害多發(fā)生在雨季凌晨時分,約占災(zāi)害總數(shù)的40%～50%。由于凌晨溫差最大,巖土體收縮膨脹或凍結(jié)融化,導(dǎo)致強(qiáng)度降低,使邊坡的穩(wěn)定性變差。另外,北京山區(qū)邊坡崩塌、滑坡災(zāi)害多在雨中或稍微滯后發(fā)生。

(4)人類活動

北京山區(qū)人類活動頻繁,采礦、修路、筑房、引水等工程,對山坡巖體造成了不同程度的破壞,破壞了山體或巖體固有的平衡狀態(tài)或力學(xué)性質(zhì),在一定程度上擴(kuò)大了災(zāi)害發(fā)生的頻次和規(guī)模。北京山區(qū)滑坡多為人為滑坡,約占滑坡總數(shù)的80%,如戒臺寺滑坡、趙家臺滑坡、大安山礦區(qū)、雙大路滑坡等,均是由于不合理采礦或施工引發(fā)的。另外分布在礦區(qū)、公路附近區(qū)域的邊坡可能受開礦(山)爆破、車輛振動的影響而發(fā)生災(zāi)害。

4 防范措施

4.1 生物工程

北京山區(qū)植被覆蓋率差,尤其是工程開挖地段,巖土體裸露,極易發(fā)生邊坡剝落、落石、崩坍等災(zāi)害,甚至有可能引發(fā)滑坡災(zāi)害。為防止或減緩邊坡巖土體裸露沖刷、風(fēng)化,對于一般穩(wěn)定性較好的山區(qū)邊坡,可以用生物工程加以保護(hù)和綠化。

土質(zhì)邊坡一般適合植被生長,可以種植草本、灌木、藤類植物等進(jìn)行保護(hù),但應(yīng)做好坡體的防滲措施,避免水體入滲而誘發(fā)災(zāi)害。生物工程多用于邊坡表(淺)層的防護(hù),穩(wěn)固性能較差,對于不適合植物生長且穩(wěn)定性較差的碎石、巖質(zhì)邊坡還需與工程措施相配合。

邊坡生物工程需結(jié)合邊坡形狀、坡體結(jié)構(gòu)、坡體巖性及所處場區(qū)氣候條件、地區(qū)特性及當(dāng)?shù)亟?jīng)驗等綜合進(jìn)行。

4.2 治理工程

(1)排水工程

水是影響山區(qū)邊坡災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵性因素,因而修建排水工程應(yīng)是治理邊坡工程措施,一般可通過在坡頂設(shè)置截水溝、坡面設(shè)置排水溝以及在坡體內(nèi)設(shè)置滲溝或平洞等攔截、抽排措施來實現(xiàn)。地表排水以攔截和旁引疏通為原則,用排(截)水溝將地表水引入天然溝谷;排除地表水工程包括防滲工程、截水盲溝、集水溝(井)和廊道、平洞等。

(2)支擋或加固工程

對于穩(wěn)定性較差或潛在不穩(wěn)定的山區(qū)邊坡,主要采取支擋、攔截、加固等措施。

對于存在剝落、落石、崩塌災(zāi)害的邊坡,可在坡腳或半坡上設(shè)置落石平臺、落石槽、攔石柵、擋石墻等攔截構(gòu)筑物,也可用噴射混凝土層、鋼絲網(wǎng)覆蓋等措施加以穩(wěn)固。對于存在突出巖體、危巖等崩塌災(zāi)害,可以修建支柱、支擋墻等進(jìn)行支撐。對于滑坡災(zāi)害,常采用支擋結(jié)構(gòu)物如抗滑擋墻、抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿、格構(gòu)錨固等來防止或控制斜坡巖土體的運(yùn)動。

對于碎石、碎裂巖體邊坡,一般通過坡體外、內(nèi)部加固措施來進(jìn)行加固。對坡體表面或內(nèi)部的節(jié)理、裂隙、空洞等,可用注漿等措施加以穩(wěn)固,主要措施有錨釘、錨桿等。改變邊坡內(nèi)部土體性質(zhì)的方法主要有加固、灌漿、焙燒等物理化學(xué)方法。

(3)清除工程

對于風(fēng)化破碎的高陡危險坡體,可通過刷坡改變坡體坡率、削方減荷、清除等方法提高穩(wěn)定性或減少危險。

4.3 監(jiān)測工程

監(jiān)測是了解邊坡穩(wěn)定性的重要手段和方法,通過完整系統(tǒng)的監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)可以預(yù)測或確定邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。對危險明顯或危害嚴(yán)重的山區(qū)滑坡應(yīng)進(jìn)行邊坡監(jiān)測,為預(yù)防和治理滑坡提供必需的資料和信息。監(jiān)測對象為裂縫、地下水、氣象降雨或增減荷載(人類工程活動)等,對應(yīng)大型滑坡還應(yīng)做好對地下位移監(jiān)測、滑動面位置監(jiān)測、孔隙水壓力監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測等工作。

研究區(qū)為首都地區(qū),一旦發(fā)生災(zāi)害,政治、經(jīng)濟(jì)影響嚴(yán)重,應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測工程力度,建立邊坡災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)及緊急情況應(yīng)急預(yù)案,以便及時發(fā)現(xiàn)問題和采取措施。

5 結(jié)論

(1)北京山區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜,地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,人類工程活動頻繁,山區(qū)邊坡災(zāi)害發(fā)育。山區(qū)邊坡災(zāi)害以巖質(zhì)邊坡、人工邊坡為主,其失穩(wěn)破壞模式主要為剝落、落石、崩塌、滑坡等。

(2)本區(qū)邊坡崩塌災(zāi)害嚴(yán)重,隨著人類工程活動的頻繁,崩塌、落石災(zāi)害規(guī)模及數(shù)量有進(jìn)一步擴(kuò)大和加劇的發(fā)展趨勢。北京山區(qū)滑坡災(zāi)害數(shù)量相對較少,但帶來的不利影響則比較大;自然邊坡整體穩(wěn)定性較好,對于外界因素的影響較為敏感,不利結(jié)構(gòu)面、巖性組合邊坡在遭受不合理的開挖施工時,則有可能誘發(fā)滑坡。

(3)地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、氣候條件及人類活動是影響山區(qū)邊坡穩(wěn)定性的主要因素,其中地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性是邊坡災(zāi)害發(fā)生的內(nèi)在因素,氣候條件、人類活動是邊坡災(zāi)害發(fā)生的誘發(fā)因素。

(4)針對本區(qū)邊坡地質(zhì)特點(diǎn)和巖土體結(jié)構(gòu)特征,應(yīng)采取綜合措施對邊坡進(jìn)行穩(wěn)固和治理,同時避免隨生態(tài)環(huán)境造成影響。對危險邊坡應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測力度,建立預(yù)警系統(tǒng)和應(yīng)急預(yù)案。

[1] 吳言軍,陳愛新,劉長青.北京山區(qū)公路巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析及防治對策[J].工程勘察,2006,(增刊):152-158.

[2] 張路青,楊志法,許兵.滾石與滾石災(zāi)害[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2004,12(3):225-231.

[3] 張路青,楊志法,張英俊.公路沿線遭遇滾石的風(fēng)險分析—方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué),2005,24(增2):5543-5548.

[4] 趙明階,何光春,王多垠.邊坡工程處治技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2003.

[5] 北京市勘察設(shè)計研究院.京承高速公路三期(沙峪溝～市界段)第四標(biāo)段-線路工程地質(zhì)勘察報告[R].北京:北京市勘察設(shè)計研究院,2005.

SLOPE HAZARDS AND PREVENTIVEM ETHODS IN MOUNTAIN AREA OF BEIJING

W u Yan-jun,Chen Ai-xin
(BGIEngineering Consultants L TD,Beijing 100038,China)

Collap ses and landslides are themain slope disasters in Beijing mountains due to comp lex geology and frequent engineering activities.The disastersmostly happen to rock and artificial slopes,and their failuremodesare spall,rock fall,collapse and landslide.Their influencing factors are analyzed from tectonics,lithology,climate and human activities,and p reventive measures,accordingly,are p roposed.

Beijing mountains;slope disaster;collap se;landslide;facto rs;p reventive measure

P694

A

1006-4362(2011)02-0042-04

2010-09-09 改回日期: 2010-10-19

“十一·五”國家科技支撐項目(2006BAJ06B02-4)

吳言軍(1976- ),男,工學(xué)碩士,工程師,現(xiàn)主要從事巖土工程、工程地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害等方面的勘察、設(shè)計工作。