房山賈峪口土洞崩塌危巖帶特征及穩(wěn)定性分析

趙晨曦，劉明坤，柴利杰，陳柘舟，楊艷鋒，劉建凱，常思源

（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

0 引言

自“7·21”北京特大暴雨及洪澇災(zāi)害發(fā)生以來(lái)，受夏季汛期降水集中、暴雨頻至的影響，北京西部山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性急劇增大。山區(qū)崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害致使大量居民房屋倒塌或受損，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重的威脅了人民生命財(cái)產(chǎn)安全，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活帶來(lái)了嚴(yán)重的干擾。為了加強(qiáng)北京地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作，消除地質(zhì)災(zāi)害隱患的威脅，有必要盡快對(duì)我市山區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行勘查及治理工作。

賈峪口土洞崩塌災(zāi)害隱患點(diǎn)位于房山區(qū)佛子莊鄉(xiāng)賈峪口村，災(zāi)害隱患點(diǎn)緊鄰當(dāng)?shù)鼐用竦姆课荩凇?·21”期間發(fā)生過(guò)局部塊石滾落的情況，砸中坡腳處村民種植的柿樹(shù)，造成了村民經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。經(jīng)國(guó)土部門(mén)現(xiàn)場(chǎng)摸排認(rèn)定此處為崩塌災(zāi)害隱患點(diǎn)，若不對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的治理，則在今后的強(qiáng)降雨天氣或地震中極易形成地質(zhì)災(zāi)害，直接威脅當(dāng)?shù)卮迕竦纳a(chǎn)生活。

1 災(zāi)害隱患點(diǎn)概況

災(zāi)害隱患點(diǎn)位于房山區(qū)賈峪口村北側(cè)，當(dāng)?shù)鼐用穹课荼澈蟮纳狡律?，總面積約為5.2×104m2?，F(xiàn)狀坡頂及坡面處植被發(fā)育較好，坡頂處未發(fā)現(xiàn)明顯后緣裂縫，坡體整體穩(wěn)定性較好。危險(xiǎn)區(qū)主要為坡頂處基巖大面積裸露的兩條危巖帶，分別命名為危巖帶1（WYD1）和危巖帶2（WYD2）。主要影響范圍為坡底處約1.1×104m2的居民區(qū)。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

（1）氣象條件

該區(qū)降雨多集中在夏季（6—8月），占全年降雨量的80%以上，年平均降雨量約為522.7mm，汛期多暴雨，多年平均蒸發(fā)量為1500mm。

（2）地形地貌

區(qū)內(nèi)地形整體呈北高南低之勢(shì)，坡頂處兩條東西走向的危巖帶使得該處形成兩級(jí)陡崖地貌，陡崖坡度一般在60～70，局部接近90。坡體頂部高程約為400m，坡高約100m，坡長(zhǎng)約210m。整體傾向約為145～165。坡體中部較陡，可達(dá)到30～40，坡底較緩，約為15～25，局部有人為修筑的平臺(tái)，用于種植經(jīng)濟(jì)作物。

（3）地層巖性

坡頂處出露基巖為薊縣系霧迷山組白云質(zhì)灰?guī)r，中等風(fēng)化，灰白色，局部含燧石條帶、泥質(zhì)條帶，坡體中下部為第四系崩坡積物及粉質(zhì)粘土。形成了較為典型的“上硬下軟、上陡下緩”的二元山體結(jié)構(gòu)，為危巖體的發(fā)育提供了條件（胡厚田，2005；賀凱等，2015）。

（4）地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)大地構(gòu)造屬于房山中穹褶（IV12）構(gòu)造單元，位于燕山沉降帶西山凹陷，門(mén)頭溝—周口店上升褶皺區(qū)之南端，其構(gòu)造行跡為短軸向斜和背斜。主要受中生代燕山運(yùn)動(dòng)的影響而成。北側(cè)存在兩條東西走向的小型斷層，分別長(zhǎng)約2km和0.8km。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造目前較為穩(wěn)定，但巖體節(jié)理裂隙極為發(fā)育。

（5）地震活動(dòng)

房山區(qū)歷史上發(fā)生過(guò)3～3.9級(jí)地震2次，4～4.9級(jí)地震1次，其余均為小于3級(jí)地震。大部分地震震中位于黃莊—高麗營(yíng)及八寶山斷裂帶附近。研究區(qū)位于地震烈度Ⅷ度區(qū)內(nèi)，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，設(shè)計(jì)分組為第二組。

（6）水文地質(zhì)特征

研究區(qū)屬于山區(qū)大石河背斜水文地質(zhì)單元，區(qū)域含水層主要為薊縣系霧迷山組白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r（辛寶東，2005），裂隙巖溶普遍發(fā)育，并受構(gòu)造、巖性及地貌控制。區(qū)域地下水補(bǔ)給源主要為大氣降水，部分降水匯集于山間溪溝直接排泄; 部分降水沿節(jié)理、裂隙滲入地下，匯集于巖溶管道、暗河、裂隙中，排泄至坡底，最終匯入大石河。

3 危巖體的基本特征及失穩(wěn)影響因素

3.1 危巖體基本特征

（1）危巖帶1（WYD1）

危巖帶1為二級(jí)陡崖，位于斜坡坡頂處，產(chǎn)狀約為200∠23，頂標(biāo)高約400m，底標(biāo)高約387m，整個(gè)陡崖高度約為6～13m，寬約81.82m。危巖帶較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，發(fā)育3組優(yōu)勢(shì)節(jié)理面：①J1：293∠66；②J2：260∠67；③J3：313∠70。受結(jié)構(gòu)面切割，巖體呈塊狀—碎裂狀，因差異風(fēng)化、徑流沖刷等作用逐漸風(fēng)化剝蝕形成凹腔，使部分巖塊存在較大的臨空面。裂隙最大寬度可達(dá)25cm左右，裂隙深度約為0.6～1.5m，裂隙結(jié)構(gòu)面較為平直，結(jié)合差，貫通性較好，縫內(nèi)局部填充碎石。此外，危巖帶1東側(cè)底部存在小范圍的崩塌堆積區(qū)，均為危巖帶破碎后墜落的巖塊、碎石，巖塊所占比例約為60%～80%，大小一般為0.8m×0.6m×0.5m，最大塊體可達(dá)1.5m×0.7m×0.5m，碎石約為20%～40%，大小一般為0.4m×0.3m×0.2m。

此外，危巖帶1內(nèi)主要發(fā)育2塊較為危險(xiǎn)的危巖體（危石），見(jiàn)圖1（a、b）：危巖體1（W1）、危巖體2（W2），分別位于危巖帶1的中部和東部，見(jiàn)圖1（c）。

圖1 危巖帶情況Fig.1 Conditions of unstable rocks belt

危巖體1（W1）高約4～6m，寬約3m，厚約1.5m，總體積約為30m3。巖體下部存在空腔，空腔寬約2m，深約1.4m，高約0.7m。巖體表面較為破碎，底部存在崩落的碎石。上部發(fā)育有裂隙，裂隙尚未完全貫通。巖體主要有2組節(jié)理面：①J1：260∠67；②J2：293∠66，由于節(jié)理裂隙切割、且?guī)r體具有臨空面。

危巖體2（W2）高約3～5.5m，寬約2.5m，厚約0.5～1.5m，總體積約為11.25m3。巖體外傾，后部具有一條寬約0.3m，深約1m的裂隙，裂隙傾向313∠70，內(nèi)部基本無(wú)填充，局部具有碎石填充。巖體表面較為完整，下部有碎石、巖塊堆積。

（2）危巖帶2（WYD2）

危巖帶2位于危巖帶1東南側(cè)，產(chǎn)狀165∠20（圖1c）。頂標(biāo)高約387m，底標(biāo)高約367m，整個(gè)陡崖高度約為6～18m，寬約90.18m。危巖帶坡度約為60～80，局部近90，危巖帶沿坡面積約為1082.16m2。危巖節(jié)理裂隙發(fā)育，主要發(fā)育2組節(jié)理面：①J1：145∠62，1m范圍內(nèi)約有2～3條，最大間距1.2m，最小間距0.3m；②J2：220∠73，1m范圍內(nèi)約有1～2條，最大間距1.5m，最小間距0.8m。受這2組結(jié)構(gòu)面切割，巖體在裂隙切割作用下呈塊狀—碎裂狀，裂隙寬度約3～10cm，裂隙深度約為0.6～1m，裂隙結(jié)構(gòu)面較為平直，結(jié)合差，縫內(nèi)局部填充碎石。

3.2 失穩(wěn)影響因素

（1）內(nèi)部因素

危巖帶坡度較大，接近直立，在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)育多組裂隙。對(duì)危巖帶內(nèi)發(fā)育的裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖2），結(jié)果表明，走向40～50的裂隙發(fā)育，且貫通性較好，多無(wú)填充或少量碎石填充，結(jié)合性差。在層理面及多組節(jié)理裂隙切割的共同作用下，裂隙延伸較長(zhǎng)，將巖體切割成棱塊狀，形成凹腔及母巖分離的塊體。被分割開(kāi)來(lái)的巖石塊體，在重力作用下存在沿裂隙向臨空面傾倒和滾落的趨勢(shì)。另外構(gòu)造裂隙傾角較大，加之局部形成的凹腔可引發(fā)強(qiáng)卸荷作用，形成卸荷裂隙并加寬加大原構(gòu)造裂隙。裂隙的發(fā)育為斜坡巖體的表生改造，對(duì)危巖塊體的形成和穩(wěn)定性起決定性的控制作用（楊志等，2016；詹青文等，2011）。

圖2 裂隙走向玫瑰圖Fig.2 Rose diagram of fissures strike

（2）外部因素

風(fēng)化、雨水沖刷、溶蝕、凍脹、植物根系擴(kuò)張等外部條件為裂隙發(fā)育的積極因素。在各種外部因素作用下，裂隙加寬、加長(zhǎng)，進(jìn)一步切割巖體。風(fēng)化作用加速了危巖體裂縫的擴(kuò)展，裂面強(qiáng)度降低，差異風(fēng)化形成凹巖腔，促進(jìn)了危巖體的失穩(wěn)。夏季降雨頻繁，沖刷加劇，降低裂隙內(nèi)填充物質(zhì)的凝聚力，促進(jìn)了巖體與基部的掏蝕作用。同時(shí)，雨水填充裂隙，產(chǎn)生靜水壓力，加巖體重量，同時(shí)水對(duì)裂隙內(nèi)的填充物質(zhì)也有一定的軟化作用，降低巖體穩(wěn)定性，造成失穩(wěn)（唐紅梅等，2009；魏麗，2005）。

4 穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)特征分析

4.1 定性分析

由于坡頂及坡面處植被發(fā)育較好，坡頂處未發(fā)現(xiàn)明顯后緣裂縫，且歷史上未發(fā)生過(guò)大規(guī)模的崩塌災(zāi)害，因此，坡體整體穩(wěn)定性較好。但是由于危巖帶處風(fēng)化較嚴(yán)重，裂隙發(fā)育，造成危巖帶表面較為破碎，因此在暴雨、久雨或地震工況下，有可能發(fā)生崩落，威脅到坡體前方居民安全。據(jù)帶內(nèi)危巖現(xiàn)狀及其空間幾何特征，危巖體1和危巖體2失穩(wěn)破壞方式分別符合墜落式和傾倒式。墜落式崩塌主要因巖腔向崖內(nèi)風(fēng)化擴(kuò)展，塊體重心逐漸偏移，失去支撐，在重力作用下與母巖突然脫離（陳洪凱等，2009a）。危巖體1（W1）下部受上部巖體及背部巖體擠壓形成凹腔，后部存在陡傾裂隙，裂隙尚未完全貫通，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察，危巖體重心位于凹腔內(nèi)部，目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。但在暴雨、地震等工況時(shí)，受上部巖體的擠壓及雨水沖刷作用，裂隙及凹腔可能進(jìn)一步擴(kuò)大，造成巖體失穩(wěn)。傾倒式失穩(wěn)主要因?yàn)榈撞炕娘L(fēng)化剝離作用，對(duì)上部巖體的支撐力矩逐漸變小，傾覆力矩顯著增大，巖體以基座受力點(diǎn)為支點(diǎn)發(fā)生傾倒。危巖體2（W2）后部陡傾裂隙已經(jīng)形成，且基本貫通，整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 定量分析

結(jié)合規(guī)范要求與大量工程實(shí)例，選取墜落式及傾倒式的穩(wěn)定性計(jì)算公式（陳洪凱等，2009b；賈東遠(yuǎn)等，2004），分別對(duì)W1、W2進(jìn)行定量計(jì)算，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由表1可以看出，在自然工況（工況1）下，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況（工況2）和地震工況（工況3）下，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在極端條件下存在發(fā)生崩塌的隱患。

表1 三種工況下危石的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)Tab.1 evaluation of stability under 3 different calculating conditions

4.3 運(yùn)動(dòng)特征計(jì)算

利用RocFall軟件計(jì)算落石軌跡，記錄其沖擊能量、滑動(dòng)距離及彈跳高度。選取特定剖面線對(duì)坡頂處較大體積及小體積典型巖塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算，從偏于保守的角度考慮巖塊的形狀設(shè)為近于圓形落石。危巖體從坡上墜落或傾倒破壞，并以一定初速度在陡坡上碰撞彈跳，彈跳結(jié)束后以一定的初速度沿坡面滾動(dòng)，直至其停留。經(jīng)計(jì)算，各剖面巖塊崩落的最大總動(dòng)能一般不超過(guò)750kJ，最大彈跳高度不超過(guò)3.0m，最大運(yùn)動(dòng)水平距離一般在100 m左右，小于150m。由于危巖位于高位，勢(shì)能較大，且坡底居民區(qū)距坡頂危巖帶水平距離最近處不足100m，考慮到較大體積危巖的存在，一旦發(fā)生崩落會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裆?cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。

5 治理工程設(shè)計(jì)

根據(jù)防治工程“抓住關(guān)鍵、突出重點(diǎn)、消除隱患”的原則，結(jié)合賈峪口村坡頂處危巖的發(fā)育情況及村內(nèi)居民生活環(huán)境等因素，采用“危巖清削+主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)+被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)”的綜合治理方案，剖面布置圖見(jiàn)圖3。

圖3 剖面布置圖Fig.3 Pro file layout design

（1）對(duì)危巖帶（WYD1、WYD2）及危巖體（W1、W2）進(jìn)行清削。根據(jù)坡體地形地貌，采取以人工為主的方式進(jìn)行清削。清削后坡面應(yīng)為較完整的巖體。

（2）經(jīng)過(guò)清削后，對(duì)WYD1、WYD2沿著裸露面設(shè)置主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，防止或減輕崩塌落石。

（3）在接近坡腳處，沿著居民區(qū)自西向東設(shè)立兩道被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)，根據(jù)軌跡模擬結(jié)果防護(hù)網(wǎng)設(shè)計(jì)高度均為3m，攔截坡面滾落的碎石。

6 結(jié)論

（1）賈峪口崩塌災(zāi)害隱患點(diǎn)危巖帶是受區(qū)域構(gòu)造條件、巖體工程地質(zhì)條件及降雨沖刷、差異風(fēng)化等影響，在內(nèi)、外部因素共同作用下形成的。裂隙發(fā)育對(duì)其破壞起著決定性的作用。W1破壞模式為墜落式、W2破壞模式為傾倒式。

（2）危巖體在自然工況（工況1）下，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況（工況2）和地震工況（工況3）下，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在極端條件下存在發(fā)生崩塌的隱患。

（3）結(jié)合賈峪口村坡頂處危巖的發(fā)育情況及村內(nèi)居民生活環(huán)境等因素，采用“危巖清削+主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)+被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)”的綜合治理方案，較為有效地解除了該區(qū)域的安全隱患。

陳洪凱，唐紅梅，王林峰，等，2009a.危巖崩塌演化理論及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社.

陳洪凱，鮮學(xué)福，唐紅梅，等，2009b.危巖穩(wěn)定性分析方法[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)，26(2)：277-282.

賀凱，殷躍平，馮振，等，2015.重慶南川甑子巖—二埡巖危巖帶特征及其穩(wěn)定性分析[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，26(1)：16-22.

胡厚田，2005.崩塌落石研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，22( S)：387-391.

賈東遠(yuǎn)，陰可，李艷華，2004.巖石邊坡穩(wěn)定性分析方法[J].地下空間，24(2)：250-255.

唐紅梅，陳洪凱，2009.危巖裂隙水壓力修正計(jì)算方法[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，20(4) ：86-90.

魏麗，2005.暴雨型滑坡災(zāi)害形成機(jī)理及預(yù)測(cè)方法研究[D].南京：南京信息工程大學(xué).

辛寶東，2005.北京市房山區(qū)巖溶地下水水文地球化學(xué)特征[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，3：74-75.

詹青文，劉仁德，2011.降雨過(guò)程中邊坡失穩(wěn)研究[J].人民長(zhǎng)江，42(11)：103-106.

楊志，楊志雙，劉鑫，等，2016.瀘定縣觀音閣危巖穩(wěn)定性分析與治理方案設(shè)計(jì)[J].探礦工程，(10)：76-82.