崩塌地質(zhì)災(zāi)害安全治理方法及措施的研究

嚴(yán)爾炳

（云南旅游職業(yè)學(xué)院，云南昆明650221）

崩塌地質(zhì)災(zāi)害安全治理方法及措施的研究

嚴(yán)爾炳*

（云南旅游職業(yè)學(xué)院，云南昆明650221）

研究了崩塌地質(zhì)災(zāi)害的類型及災(zāi)害形成的計(jì)算模型，崩塌地質(zhì)災(zāi)害安全治理方法及措施，研究了實(shí)際崩塌地質(zhì)災(zāi)害安全治理方法及措施的具體應(yīng)用。

崩塌；治理；安全；研究

1 崩塌地質(zhì)災(zāi)害的概念及種類

1.1 崩塌地質(zhì)災(zāi)害的概念

這里所說(shuō)的崩塌地質(zhì)災(zāi)害主要指通?；潞捅浪械谋浪刭|(zhì)災(zāi)害。一般情況下崩塌多產(chǎn)生在陡峻的陡坡地段，坡度大于55°，高度大于30m以上，坡面多不平整，上陡下緩。從巖石性質(zhì)及構(gòu)造條件來(lái)說(shuō)，只有堅(jiān)硬巖才能組成高陡山坡，在這種條件下若巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎易產(chǎn)生崩塌地質(zhì)災(zāi)害。從地質(zhì)構(gòu)造方面來(lái)看，當(dāng)巖體各種軟弱結(jié)構(gòu)面的組合情況處于以下情況時(shí)也易于發(fā)生崩塌地質(zhì)災(zāi)害：（1）當(dāng)巖層傾向山坡，傾角大于45°而小于自然坡度時(shí)；（2）當(dāng)巖層2組與山坡走向斜交的節(jié)理，組成傾向坡腳的楔形體時(shí)；（3）當(dāng)巖層發(fā)育有多組節(jié)理，且一組節(jié)理傾向山坡，傾角為25°～65°時(shí)；（4）當(dāng)節(jié)理面呈弧形彎曲的光滑面；（5）山坡上方有斷層破碎帶存在時(shí)。特別須要注意的是：強(qiáng)烈地震以及工程施工中的爆破作業(yè)、邊坡開(kāi)挖的不當(dāng)、雨季的地表水的沖刷匯集都易引發(fā)崩塌地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

1.2 崩塌地質(zhì)災(zāi)害的分類

1.2.1 失穩(wěn)傾倒型崩塌

失穩(wěn)傾倒型崩塌是典型的崩塌地質(zhì)災(zāi)害類型，失穩(wěn)傾倒型崩塌的基本形式如圖1所示。

圖1 失穩(wěn)傾倒型崩塌

自然狀態(tài)下所形成這一類危石理論上都是處于平衡狀態(tài)的，也就是通常說(shuō)的安全系數(shù)大于或等于1。這一類危石失穩(wěn)有幾種情況：（1）雨季雨水沖刷匯集使之失穩(wěn)傾倒；（2）地震作用使之失穩(wěn)傾倒；（3）雨季雨水沖刷匯集與地震聯(lián)合作用使之失穩(wěn)傾倒。當(dāng)然，也還可能巖石風(fēng)化強(qiáng)度降低使之失穩(wěn)傾倒。下面我們就以最不利組合雨季雨水沖刷匯集與地震聯(lián)合作用使之失穩(wěn)傾倒進(jìn)行研究，此時(shí)，危石所受力有3個(gè)：

（1）是危石本身重力G；

由此可見(jiàn)，危巖抗傾倒力矩為：

裂隙充水和地震作用產(chǎn)生力矩：

崩塌體的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)K可按下式計(jì)算：

K＞1表示巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)；K=1表示巖體處于臨界狀態(tài)；K＜1的情況不存在表示危巖已經(jīng)崩塌。

1.2.2 過(guò)載型壓裂崩塌

這類崩塌巖體下通常有一定厚度的軟弱巖體，常為斷層破碎帶、風(fēng)化破碎巖體等。在風(fēng)化和雨水作用下，這些軟弱巖石首先軟化。當(dāng)上部巖體傳來(lái)的壓力大于軟弱巖層的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度時(shí)，軟弱巖層被壓碎同時(shí)部分補(bǔ)擠出，發(fā)生鼓脹，上部巖石隨即發(fā)生下沉、移動(dòng)，超過(guò)一定臨界量后突然發(fā)生崩塌。這類崩塌災(zāi)害的評(píng)價(jià)可用下面的穩(wěn)定系數(shù)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)：

式中：W——上部巖體質(zhì)量；

[σ壓]——O點(diǎn)附近軟巖的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；

A——上部巖體的底面積。

K＞1表示巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)；K=1表示巖體處于臨界狀態(tài)；K＜1的情況不存在表示危巖已經(jīng)崩塌。

1.2.3 拉裂型崩塌

圖2 拉裂型崩塌

拉裂型崩塌如圖2所示，可以把突出的巖體當(dāng)作懸臂梁看待，在AC面上承受最大的彎矩和剪力，AC面上半部分受拉下半部分受壓，由于巖石受壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于受拉強(qiáng)度，我們只研究拉裂破壞的情況。在圖示情況，A點(diǎn)拉應(yīng)力最大。在長(zhǎng)期重力和風(fēng)化作用下，A點(diǎn)應(yīng)力一旦超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度就會(huì)產(chǎn)生破壞的裂隙，隨著裂隙逐步擴(kuò)大并向深部發(fā)展到一定時(shí)刻，上部懸出的巖體就會(huì)崩塌。這類崩塌的評(píng)估是看最大彎矩截面AC面上的拉應(yīng)力是否超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)AC面上尚未出現(xiàn)裂縫，則A點(diǎn)的拉應(yīng)力為：

I——AC面的慣性矩；

γ——巖石的重度。

在這種情況下穩(wěn)定性系數(shù)可用下式計(jì)算：

如果A點(diǎn)處已有裂縫，裂縫深度為a,裂縫最低點(diǎn)為B,則截面BC上的慣性矩，彎矩，則B點(diǎn)所受的拉應(yīng)力為：

K＞1表示巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)；K=1表示巖體處于臨界狀態(tài)；K＜1的情況不存在表示危巖已經(jīng)拉斷崩塌。

需要注意的是，在實(shí)際工作中，情況往往要復(fù)雜得多，實(shí)際情況往往是上述分析的多種情況的組合，同時(shí)也不會(huì)是簡(jiǎn)單軸心受拉壓的情況，極有可能是偏心情況，所受力就多出彎矩，相應(yīng)力系也就復(fù)雜得多，這時(shí)就要分析哪種類型起主導(dǎo)作用，同時(shí)要考慮其它類型對(duì)主導(dǎo)類型的影響。

2 崩塌地質(zhì)災(zāi)害的治理原則及方法

崩塌地質(zhì)災(zāi)害的治理原則以根治為首選，這是因?yàn)楦问亲顝氐椎闹卫矸椒?，能做到一勞永逸，一次根治，永除后患。而根治最常用方法就是用爆破或工程的手段將?zāi)害隱患進(jìn)行排除（或移除）。

除此之外，還可采用如下一些方法進(jìn)行處理：

（1）支撐加固：一般適用于小型崩塌，就是在危巖下部修筑支柱（樁）、抗壓擋墻等；

（2）遮擋：適用于小型崩塌，這一方法主要就通行道路而言，可修筑明洞、棚硐等遮擋構(gòu)筑物使鐵路或公路安全通過(guò)；

（3）設(shè)落石平臺(tái)：適用于中小型崩塌，當(dāng)建筑物與坡腳有足夠距離時(shí)，可在坡腳或半坡設(shè)置落石平臺(tái)；

（4）設(shè)擋石墻、攔石網(wǎng)：適用于小型崩塌，就是在坡腳或半坡設(shè)擋石墻或攔石網(wǎng)，當(dāng)前在高速公路或是鐵路被大量采用；

（5）錨固：就是利用錨桿、錨索對(duì)崩塌災(zāi)害體進(jìn)行錨固；

（6）刷坡：在可能產(chǎn)生崩塌災(zāi)害的危石突出的山嘴以及巖層表面風(fēng)化破碎不穩(wěn)定的山坡地段，可以刷緩山坡減小崩塌的可能性；

（7）鑲補(bǔ)：適用于小型崩塌，對(duì)可能產(chǎn)生崩塌的巖體中的空洞、裂隙用片石填補(bǔ)，混凝土灌注；

（8）護(hù)面、排水：護(hù)面就是對(duì)易風(fēng)化的軟弱巖層用瀝青、砂漿或漿砌片石等防水材料進(jìn)行護(hù)面，排水就是設(shè)排水工程用以攔截疏導(dǎo)坡面地表水及地下水。

3 崩塌地質(zhì)災(zāi)害治理方法的安全性研究

下面我們以一工程實(shí)例來(lái)說(shuō)明治理方法的安全性研究：

3.1 工程概況

工程位于云南怒江福貢縣馬吉鄉(xiāng)，其鄉(xiāng)政府后山為花崗巖，高山峽谷地形，地勢(shì)陡峭，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育。如圖3所示。鄉(xiāng)政府辦公樓地面標(biāo)高為1330m，危石所處標(biāo)高1455m，鄉(xiāng)政府辦公樓地面距危石垂直高差約125m，危石距鄉(xiāng)政府辦公樓水平距離約85m，危石大小約為8m×6m×3m，在長(zhǎng)期的雨水沖刷和風(fēng)化剝離作用下，危石與后面巖體已經(jīng)完全分離，屬于典型的失穩(wěn)傾倒型和過(guò)載型壓裂崩塌復(fù)合地質(zhì)災(zāi)害隱患，該隱患嚴(yán)重威脅到馬吉鄉(xiāng)政府辦公樓、住宿區(qū)及相關(guān)住戶的安全，需要盡快將其清除。

圖3 危石示意圖

3.2 治理方法的選擇及研究

治理這類災(zāi)害可選方法很多，但針對(duì)具體工程適用的方法卻不多，很適宜的方法就更少，就這一工程來(lái)說(shuō)，支撐加固顯然不可能，因現(xiàn)場(chǎng)找不到合適支撐的地方。遮擋也不可行，需要保護(hù)的建筑范圍太大，加之遮擋也不是徹底解決問(wèn)題的辦法，所以遮擋也不可行。設(shè)落石平臺(tái)在這一工程找不到合適的位置，故也不可用。設(shè)擋石墻、攔石網(wǎng)，一方面沒(méi)有合適的地點(diǎn)，加之也不是徹底解決問(wèn)題的辦法，也不可行。錨固，施工無(wú)法進(jìn)行，也無(wú)法采用。鑲補(bǔ)，在這一工程中還基本適用。但因治理不徹底，治理質(zhì)量也不好評(píng)價(jià)，地方政府不同意采用這一方法。其它方法，刷坡、護(hù)面、排水明顯不適合這一工程。由此考量，結(jié)合我們多年研究的相關(guān)成果經(jīng)驗(yàn)，綜合目前國(guó)內(nèi)外對(duì)危巖的處治方成功方法，在綜合考慮施工安全、施工工期、施工成本等因素的基礎(chǔ)上，決定采用一次性就地爆破破碎，向下自由塌落，由西向東多段微差起爆，再輔以人工清理的爆破處治方案。此方案最大優(yōu)點(diǎn)就是一次治理，永除后患。這一方案也得到了地方政府的充分肯定。

3.3 本次地質(zhì)災(zāi)害爆破治理的安全問(wèn)題

本次災(zāi)害治理的安全問(wèn)題主要表現(xiàn)在下例3方面：

（1）滾石難以控制。由前示意圖可見(jiàn)，危石處65m高的懸崖絕壁，之后是一32m長(zhǎng)的41°陡坡，隨后是一8m高陡坎，隨后又是一68m的27°陡坡，爆破后滾石一旦形成，在自身重力作用下將加速滾動(dòng)，滾落的方向?qū)?huì)朝勢(shì)能減小最大的方向，就當(dāng)?shù)氐匦蝸?lái)看滾石將呈扇形向下滾落，滾石滾落的方向范圍基本不可控，所以滾石難以控制。

（2）飛石不易控制。危石距鄉(xiāng)政府建筑群垂直高差約125m，水平距離約85m，爆破一旦產(chǎn)生飛石其危害將無(wú)法控制。

（3）危石處于高達(dá)65m的懸崖絕壁，施工條件極差，施工安全保障為一大難點(diǎn)。

3.4 治理方法安全性研究

崩塌地質(zhì)災(zāi)害治理方法的安全性研究主要從滾石和飛石2個(gè)方面的安全性進(jìn)行研究。

3.4.1 治理所產(chǎn)生的滾石安全性分析研究

這一類地災(zāi)處理，爆破后滾石一旦形成，如在光滑山坡上在自身重力作用下將加速滾動(dòng)，滾落的方向?qū)?huì)朝勢(shì)能減小最大的方向，就當(dāng)?shù)氐匦蝸?lái)看滾石將呈扇形向下滾落，在實(shí)際滾落過(guò)程中，因山坡上還有一些灌木會(huì)阻擋滾石滾動(dòng)，動(dòng)能（1/2MV2，其中，M為滾石質(zhì)量，V為滾石的速度）小的滾石就會(huì)被阻擋停留下來(lái)，而動(dòng)能大的滾石沖破阻擋后在斜坡上又不斷獲得能量加速下行，如地形地貌無(wú)足夠緩沖或阻擋，其動(dòng)能就會(huì)越來(lái)越大。而滾石滾落的方向、范圍依據(jù)地形實(shí)際基本不可控制，所以滾石難以控制。而其產(chǎn)生危害能力大小與滾石的動(dòng)能成正比。滾石的動(dòng)能與滾石質(zhì)量及速度的平方成正比。也就是說(shuō)，滾石的危害大小與滾石的大小與滾動(dòng)速度成正比，在具體項(xiàng)目中滾石的速度取決于滾石的落差和坡度，落差、坡度大則速度大，反之則速度小。就是說(shuō)具體某一項(xiàng)目，滾石的速度也是不可控制，所能控制的就是滾石的大小。

就崩塌地質(zhì)災(zāi)害治理方法的安全性，控制和減小滾石產(chǎn)生的危害就是將滾石的動(dòng)能控制在一定的范圍，在確定治方法及技術(shù)方案時(shí)，有效的方法就是控制滾石的大小，就馬吉鄉(xiāng)這一項(xiàng)目來(lái)看，為保證爆破下來(lái)的巖石塊度比較小，減少滾石的動(dòng)能，降低對(duì)下部建筑物及設(shè)施的威脅，炮眼采用梅花形布置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工情況，應(yīng)盡量鉆鑿垂直炮眼，有利于降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鉆眼速度，縮短施工周期；若條件不允許，可采用上部打垂直眼，下部打水平或傾斜炮眼的綜合布孔方式。

根據(jù)研究的成果及經(jīng)驗(yàn)，保證爆破塊度均勻，且所產(chǎn)生的滾石大小符合要求，除控制炮眼的平面布置尺寸外，還需控制炮眼空間的裝藥間距，以達(dá)到控制滾石大小的目的。還需考慮提高裝藥系數(shù)，決定采用軸向炮泥間隔裝藥結(jié)構(gòu)。

其炮孔參數(shù)：炮眼間距a=600mm，炮眼排距b= 400mm，炮眼傾角α=90°，最小抵抗線 W=500mm，炮眼深度L=2～4m。

通過(guò)以上的設(shè)計(jì)可確保滾石最大不超過(guò)300kg。從而保證災(zāi)害治理的安全性。

3.4.2 治理所產(chǎn)生的飛石安全性研究

爆破危巖產(chǎn)生飛石是客觀存在和不可避免的，如何減小其危卻是我們需要研究的，我們可以把飛石簡(jiǎn)化為平拋來(lái)進(jìn)行研究。飛石距離等于拋出時(shí)的速度與在空中飛行的時(shí)間的乘積，在這一項(xiàng)目中飛石空中飛行時(shí)間約為2.5s（石塊作自由落體到達(dá)地面的時(shí)間）。由此推測(cè)，只要拋出時(shí)石塊速度達(dá)到34m/s,飛石就會(huì)落到鄉(xiāng)政府的辦公區(qū)。為減小飛石危害，我們研究通過(guò)微分化藥包的手段，使危巖體能破碎又不過(guò)度用藥形成較大的平拋速度，多年研究表明，在這一類爆破作業(yè)中，大塊石塊不會(huì)有較大的平拋速度，而在爆破瞬間，由于應(yīng)力集中一些小塊會(huì)產(chǎn)生較大的平拋速度，而小塊飛石對(duì)建筑物的損壞一般較輕微，所以對(duì)飛石的安全性考慮我們認(rèn)為主要是劃定人員撤離合理的警戒區(qū)?？傊ㄟ^(guò)合理的孔網(wǎng)參數(shù)、微分小炸藥包及合理微差爆破，在控制單位炸藥消耗量的前提下，使危巖充分破碎又不過(guò)分爆破形成以初速度較大的飛石，就能解決飛石的安全性問(wèn)題。

4 崩塌地質(zhì)災(zāi)害治理的施工安全措施

對(duì)于危石處于高達(dá)65m的懸崖絕壁，施工條件極其困難，施工安全保障措施為一大難題。通過(guò)考察調(diào)研，當(dāng)?shù)禺a(chǎn)竹子，我們采取因地治宜的辦法，用竹子搭建作業(yè)平臺(tái)，作業(yè)平臺(tái)的搭建一定要支撐捆扎牢固，打眼作業(yè)因振動(dòng)引起的松動(dòng)要及時(shí)修復(fù)。實(shí)際施工時(shí)，因有了安全的作業(yè)平臺(tái)，布置了部分水平炮眼，優(yōu)化了孔網(wǎng)參數(shù)，從而保證了爆破效果，也確保了施工的邊全。

通過(guò)以上的研究及采取的措施，本次地質(zhì)災(zāi)害的治理取得了圓滿成功，沒(méi)有遺留或造成次生的災(zāi)害隱患，處理后的巖壁完整穩(wěn)固。飛石完全控制在設(shè)計(jì)范圍。滾石僅有5塊200kg以內(nèi)的石塊滾到鄉(xiāng)政府辦公樓后排水溝，其中一塊沖壞一間辦公室的一面墻，由于事先進(jìn)行了人員撤離，沒(méi)有任何的人員傷亡。實(shí)踐證實(shí)研究和治理取得了圓滿成功。

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A

1004-5716(2015)10-0126-04

2015-01-08

嚴(yán)爾炳（1962-），男（漢族），云南宣威人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事拆除爆破及各種特種爆破的生產(chǎn)及地質(zhì)災(zāi)害治理的研究工作。