四川省南江縣李家寨危巖特征與防治研究

董國明，楊春光，于孝民

（河北省地礦局第二地質(zhì)大隊，河北 唐山063000）

李家寨危巖位于四川省南江縣紅四鄉(xiāng)惠民村一社的李家寨山上，屬于典型的上硬下軟結(jié)構(gòu)山體斜坡?！?.12”地震和2008年9月24日暴雨（以下簡稱“9.24”暴雨）都發(fā)生了大規(guī)模崩塌，崩落物總體積約16000m3，造成6間民房被毀。危巖整體處于欠穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)，對紅四鄉(xiāng)政府等單位和惠民村一社構(gòu)成威脅。

1 危巖區(qū)工程地質(zhì)條件

李家寨為長約500m的北西－南東向低山，山頂平緩，四周為斷崖，直立狀，崖高15～30m，崖下坡面陡峻，一般35°～45°，局部達60°，兩側(cè)為河谷，山體中部緩坡處為紅四鄉(xiāng)和惠民村所在地，與山頂相對高差50～80m，水平距離70～110m。出露地層為白堊系劍門關(guān)組和第四系崩積層及殘坡積層。白堊系劍門關(guān)組呈砂巖泥巖互層結(jié)構(gòu)，呈單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀145°～169°∠9°～10°。斷崖上部為青灰色厚層砂巖，厚度15～30m，坡面均直立狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，主要有四組節(jié)理裂隙，為危巖體主要原生層；陡崖下部為棕紅色泥巖（粉砂巖），厚度4～10m，受差異風化影響，在砂巖泥巖接觸部位凹巖腔發(fā)育。李家寨陡崖下部斜坡為殘坡積物粉質(zhì)黏土夾崩積塊石，塊石分布不均，厚度2～4m。地下水類型以基巖裂隙水為主，儲水性差，接受大氣降水補給，在砂、泥巖交界地帶局部有泉水排泄，水量很小且季節(jié)性變化較大。地震動峰值加速度為0.10g，地震基本烈度為7°。

2 危巖特征

2.1 危巖分布、類型及形態(tài)特征

2.1.1 危巖分布及形態(tài)特征

李家寨危巖主要由山頂部的厚層砂巖形成，在平面上呈橢圓狀分布于李家寨四周，在地貌上形成懸崖絕壁，其長軸呈北西－南東走向，長500m，寬80～110m，陡崖壁總長1.2km，高度15～30m（圖1）。

圖1 危巖體分布及其周邊概況圖

“5.12”地震前李家寨危巖以零星掉塊和小危石崩落為主，每年雨季時都有發(fā)生，位置主要集中在WY03～WY10之間。崩落物塊徑以0.5～1.5m為主，大塊石較少。

“5.12”地震時整個李家寨橢圓狀崖壁掉塊現(xiàn)象普遍，并且在 WY03、08、09、10危巖處發(fā)生了崩塌，隨后“9.24”暴雨又在WY01危巖處發(fā)生了崩塌，并伴隨著多處掉塊。兩次崩塌崩落物大塊石較多，塊徑以1～3m為主，最大7m有余。

經(jīng)過勘查，最終確定危巖17處，其中危巖體12處，零星危石5塊，危巖總方量約20000m3，危巖現(xiàn)狀特征見表1。這些危巖穩(wěn)定性較差，在降雨、地震等因素作用下，隨時可能發(fā)生崩塌，危害山下紅四鄉(xiāng)政府等單位和惠民村一社。

表1 李家寨危巖現(xiàn)狀特征說明表

2.1.2 危巖破壞方式

李家寨危巖均發(fā)育在泥巖上部的厚層砂巖中，受垂直崖壁或與崖壁斜交裂隙控制，砂巖被切割成柱狀，巖體后部存在與邊坡坡向一致的陡傾貫通或斷續(xù)貫通的主控結(jié)構(gòu)面。由于差異風化作用，危巖底部凹巖腔發(fā)育，局部臨空，危巖重心多位于基座臨空支點外側(cè)，危巖體可圍繞支點向臨空方向旋轉(zhuǎn)，形成傾倒式破壞。危巖體后部存在與邊坡傾斜一致的貫通或斷續(xù)貫通的主控面，剪出部位多出現(xiàn)在斜坡上，危巖體沿主控結(jié)構(gòu)面剪切滑移失穩(wěn)，形成滑移式破壞（見圖2）。危巖WY06、11、14破壞方式為滑移式，其他危巖破壞方式為傾倒式。

2.2 危巖形成機制及影響因素

2.2.1 形成機制

李家寨危巖是在特定地形地貌、地層巖性條件下形成的。從地形上看，李家寨頂部為高陡直立的陡崖，坡面角75°～89°，局部反傾，向下為35°～60°的陡坡，上部危巖具有足夠的臨空空間和較大的勢能；從巖性上看，上部陡崖為厚層抗風化能力強的砂巖，下部基座為抗風化能力弱的泥巖，極易形成凹巖腔，促使上部巖體裂隙發(fā)育。上部砂巖自身節(jié)理裂隙以平行崖壁和垂直崖壁兩組節(jié)理最為發(fā)育，間距3～6m，把巖體切割成直立狀長柱，由于底部存在凹巖腔，在巖體重力作用下，平行崖壁裂隙不斷張開擴大，逐漸與母巖分離，為發(fā)生崩塌提供了條件，此時在內(nèi)外因素影響下，崩塌隨時都可能發(fā)生。

圖2 危巖破壞方式示意圖

2.2.2 影響因素

李家寨危巖形成崩塌的主要影響因素有地震、降雨、溫差及風化作用等。降雨、溫差和風化作用對李家寨危巖的形成和發(fā)展具有緩慢作用、持續(xù)進行、多誘發(fā)小危石崩落等特點。而地震作用不同，其強烈的地震波可以使山體瞬間產(chǎn)生大規(guī)模崩塌。“5.12”地震前李家寨以零星危石崩落為主，“5.12”地震時在崖壁上發(fā)生了大規(guī)模的崩塌，并且形成了很多處危巖體，隨后的“9.24”暴雨又產(chǎn)生了崩塌。地震作用是李家寨危巖形成和發(fā)展最重要的影響因素。

3 危巖穩(wěn)定性評價

3.1 定性分析評價

危巖穩(wěn)定性分析評價采用了宏觀定性分析法和工程地質(zhì)類比法兩種方法。

3.1.1 宏觀定性分析

根據(jù)危巖裂隙發(fā)育情況、巖體完整性等特征，以及各危巖結(jié)構(gòu)面赤平投影圖（圖3、4），對其穩(wěn)定性進行宏觀定性分析。WY01、09－1、09－2、10處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，其他危巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；發(fā)展趨勢是WY01、05、06、09－1、09－2、10為不穩(wěn)定狀態(tài)，其他危巖為欠穩(wěn)定狀態(tài)。

3.1.2 工程地質(zhì)類比法

圖3 WY03－1危巖赤平投影圖

圖4 WY14危巖赤平投影圖

把本次劃定的危巖與已有的崩塌或附近崩塌區(qū)穩(wěn)定的巖體進行巖體形態(tài)、崖壁坡度、結(jié)構(gòu)面分布、產(chǎn)狀、閉合及填充情況以及組合關(guān)系進行調(diào)查對比，以此分析李家寨危巖現(xiàn)狀情況下的穩(wěn)定性。評價結(jié)果為：WY01、03－1、05、06、08、09－1、09－2、10、15處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，其他危巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 定量計算及評價

李家寨危巖 WY06、11、14按滑移式模型進行穩(wěn)定性計算。危巖 WY01、03－1、03－2、04、08、12、13、15破壞方式為傾倒式，且屬由后緣巖體抗拉強度控制類型，按公式進行計算；危巖 WY02、05、07、09、10破壞方式為傾倒式，且由底部巖體抗拉強度控制類型，按公式進行計算。計算結(jié)果為：工況Ⅱ情況下，WY01、03－1、05、06、08、09、10、11、14處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，其余危巖為基本穩(wěn)定－穩(wěn)定狀態(tài)；工況Ⅲ情況下，危巖全部處于欠穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 穩(wěn)定性綜合評價

根據(jù)宏觀分析、工程地質(zhì)類比法和定量計算結(jié)果可知，在工況Ⅰ條件下，危巖體的穩(wěn)定性評價結(jié)果基本相近，大部分處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，少數(shù)處于欠穩(wěn)定和穩(wěn)定狀態(tài)；在工況Ⅱ、Ⅲ條件下，處于欠穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 危巖破壞后運動計算

傾倒式崩塌，巖體變形破壞時，崩塌體頂部首先脫離母巖，然后沿基座支點轉(zhuǎn)動、崩落；滑移式崩塌，巖體破壞時，危巖首先沿母體坡面滑動，而后崩落至坡腳。

根據(jù)不同的坡體形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征，崩塌體在坡體上的運動方式不同，且在坡體上運動方式多樣，有跳躍，有翻滾，或跳躍、翻滾相結(jié)合等，不同的剖面上反映的崩塌體運動方式不同。本次選取傾倒式危巖，用1－1′剖面進行分析（見圖5）。

圖5 1－1′剖面崩塌體運動方式分析（傾倒式）

在1－1′剖面上，WY01危巖崩塌體將先作斜拋運動，然后作坡面滾動直至坡腳，動能為0時停止運動。該危巖運動參數(shù)計算結(jié)果見表2。

表2 危巖運動參數(shù)計算結(jié)果表

由于影響崩塌體運動因素很多，運動形式復(fù)雜，崩塌與碰撞點的碰撞系數(shù)選取的人為主觀因素影響較大，經(jīng)過計算的崩塌滾石跳高還需參照相似的試驗進行修正。野外試驗中觀察到的跳高為0.5～1.5m，WY01危巖塊體較大，崩塌跳高較小，主要以坡面滾動為主。

4 崩塌發(fā)展變化趨勢與危害性預(yù)測

4.1 崩塌發(fā)展趨勢預(yù)測

通過對危巖穩(wěn)定性的分析與評價，得出在地震與暴雨條件同時出現(xiàn)時，危巖大都處于不穩(wěn)定狀態(tài)?，F(xiàn)狀情況下，李家寨危巖在自然的風化、溫差、降雨等因素作用下，可能出現(xiàn)下列情況：

（1）自然而然的變形、垮塌。如 WY01、09等危巖是“5.12”地震和“9.24”崩塌后殘余的危巖體，穩(wěn)定性很差，在自然狀態(tài)下一些不利因素長期作用下隨時可能崩塌。

（2）山頂出現(xiàn)裂縫。由于李家寨危巖帶凹巖腔較為發(fā)育，隨著凹巖腔的發(fā)育，卸荷作用的不斷增大，山頂會出現(xiàn)卸荷裂縫。

（3）零星墜落、掉塊。此情況對李家寨危巖帶來說，已是常見現(xiàn)象，就李家寨危巖帶發(fā)展來看，危巖零星墜落、掉塊現(xiàn)象將長時間存在。

4.2 崩塌危害性預(yù)測

李家寨危巖崩塌危險區(qū)范圍主要以野外調(diào)查的新、老崩積物所到達的范圍，危巖崩落彈跳軌跡計算結(jié)果為依據(jù)進行劃定。老崩積物從李家寨崖下緩坡（人類生產(chǎn)生活區(qū)）直至溝底；“5.12”地震和“9.24”產(chǎn)生的崩積物，大部分停留在李家寨崖下緩坡地帶，有零星碎石滾落距離較遠，到達了溝底。野外調(diào)查結(jié)果與危巖崩落軌跡、彈跳高度計算結(jié)果基本吻合，以此進行了危險區(qū)劃定，紅四鄉(xiāng)政府等單位、惠民村以及鄉(xiāng)間道路等都在危險區(qū)內(nèi)（見圖1）。

5 崩塌防治工程

5.1 防治工程總體思路

李家寨危巖具有零散分布、塊體較大、凹巖腔發(fā)育、卸荷裂隙較多等特點。根據(jù)危巖特點，以及危害對象的重要性，防治工程的總體思路簡單概括為：以固為主、固攔結(jié)合。“固”即采取工程措施增加危巖自身的穩(wěn)定性，降低各危巖發(fā)生崩塌的可能性；“攔”即為在重點地段（主要是紅四鄉(xiāng)政府和惠民村等人口密集區(qū)）再增加一道防護工程，進一步保護人民群眾生命財產(chǎn)安全。

5.2.1 設(shè)計工況

本次設(shè)計根據(jù)危巖體特點，參照規(guī)范設(shè)置如下3種工況：

工況I 自重（天然狀態(tài)）

工況II 自重＋暴雨（暴雨狀態(tài)）

工況III 自重＋暴雨＋地震（暴雨地震狀態(tài)）

其中工況I、工況II為設(shè)計工況，工況III為校核工況。

5.2 設(shè)計工況、參數(shù)和標準

5.2.2 設(shè)計標準

根據(jù)危巖穩(wěn)定性和成災(zāi)后的危害，確定WY01～WY10和WY15作為本次防治工程的重點，WY11～WY14以監(jiān)測為主，本次不采取防治工程。參照國家相關(guān)規(guī)范，李家寨防治工程等級為Ⅱ級。支撐結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0＝1.0，支撐建筑物抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks≥1.30，抗傾覆安全系數(shù)Kt≥1.50；攔石墻設(shè)計建筑物抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks≥1.30，抗傾覆安全系數(shù)Kt≥1.50；工程設(shè)計合理使用年限為50年。

5.2.3 防治工程巖土參數(shù)選取

根據(jù)室內(nèi)巖土體試驗，結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗值，對治理工程設(shè)計基本參數(shù)建議如下：

（1）砂巖天然重度為25.7kN/m3，飽和重度為25.9kN/m3；天然狀態(tài)下c＝2.7MPa，φ＝40.5°，抗壓強度標準值12.3MPa，抗拉強度標準值0.83MPa；飽和狀態(tài)下c＝1.55MPa，φ＝37.8°；泥巖飽和重度為26.1kN/m3；天然狀態(tài)下c＝2.7MPa，φ＝38.4°，抗壓強度標準值13.9MPa，抗拉強度標準值0.87MPa，飽和狀態(tài)下c＝2.25MPa，φ＝37.1°。

（2）粉質(zhì)黏土c＝31.7kPa，φ＝16.0°，地基承載力特征值為200kPa。

（3）混凝土 C15強度設(shè)計值：fc＝7.5MPa；混凝土C30強度設(shè)計值：fc＝15MPa；HPB235級鋼筋：fy＝210MPa、HRB335級鋼筋：fy＝300MPa。

5.3 防治工程措施

根據(jù)危巖形態(tài)、規(guī)模、危害對象和受力分析等，對WY01～WY10、WY15危巖采取“填縫灌漿＋削坡清危＋支撐＋鑲補＋攔石墻”的綜合防治措施（表3）。

6 結(jié)語

（1）“5.12”地震前李家寨崖壁以零星危石崩落為主，“5.12”地震對李家寨崖壁影響巨大，地震時不僅直接產(chǎn)生了崩塌，而且在崖壁上形成了許多處危巖，為“9.24”暴雨崩塌及以后的崩塌提供了條件。

表3 各危巖防治工程措施表

（2）李家寨危巖臨空面發(fā)育，巖體中存在陡傾坡外的卸荷裂隙，有利于危巖的形成。巖體在長期風化作用下，軟硬巖體產(chǎn)生明顯的差異風化，使軟硬巖層交界部位的軟巖內(nèi)縮，形成凹巖腔，硬巖外懸，形成危巖，在降雨、地震以及自然風化等因素作用下，都可能引發(fā)危巖失穩(wěn)，形成崩塌災(zāi)害。

（3）李家寨危巖具有零散分布、塊體較大、凹巖腔發(fā)育、卸荷裂隙較多等特點，結(jié)合危害對象重要性，確定災(zāi)害防治思路為以固為主、固攔結(jié)合。采用“填縫灌漿＋削坡清危＋支撐＋鑲補＋攔石墻”的工程措施對危巖進行治理。以削坡清危、支撐、鑲補和填縫灌漿等危巖穩(wěn)固措施來抑制李家寨危巖的發(fā)生、發(fā)展，以攔石墻進一步提高防治工程效果。

［1］于孝民，紀燕祥，等.南江縣紅四鄉(xiāng)李家寨危巖治理工程施工圖設(shè)計報告［R］.河北地礦建設(shè)工程集團隧道工程公司，2009.

［2］胡斌，黃潤秋 .軟硬巖互層邊坡崩塌機理及治理對策研究［J］.工程地質(zhì)學報，2009，17（2）：200－205.

［3］王亮.危巖變形失穩(wěn)機理及防治技術(shù)研究［D］.重慶：重慶交通大學，2009.

［4］林福材.危巖體失穩(wěn)運動特征與工程防治對策研究［D］.成都：成都理工大學，2009.

［5］DZ/T 0219—2006，滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范［S］.