東蘭縣城區(qū)危巖群地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展變化趨勢(shì)與預(yù)測(cè)研究

王凡勇

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 濟(jì)寧 272100)

0 引言

東蘭縣城區(qū)位于峰叢谷地地貌中，峰叢陡峭險(xiǎn)峻，山體坡度30°～75°，局部為陡崖，近于直立，又處于多雨地區(qū)，為地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，也是地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)。尤其是該縣縣醫(yī)院、財(cái)政局、城東郊區(qū)、縣公路養(yǎng)護(hù)站、縣醫(yī)院東等背后山體，每年都發(fā)生規(guī)模不等巖崩事故，嚴(yán)重威脅這些地方醫(yī)護(hù)人員、職工、居民生命和財(cái)產(chǎn)安全。經(jīng)勘查測(cè)量統(tǒng)計(jì)，東蘭縣城區(qū)發(fā)生巖石崩塌可能性大的危巖群共4處，分別為縣醫(yī)院馬鞍山危巖群(WY1)、財(cái)政局危巖群(WY2)、縣城東郊區(qū)危巖群(WY3)、縣公路養(yǎng)護(hù)站危巖群(WY4)，見圖1。

圖1 東蘭縣城區(qū)危巖群交通位置圖

1 危巖群特征、破壞方式及主要影響因素

1.1 危巖的分布特征、類型及規(guī)模

危巖群主要分布于東蘭縣縣醫(yī)院、財(cái)政局、公路養(yǎng)護(hù)站等后山或?qū)γ嫔襟w上部陡坡或陡壁上，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查：縣醫(yī)院后山、財(cái)政局對(duì)面山、城東社區(qū)后山、養(yǎng)護(hù)站后山及醫(yī)院后山東側(cè)山體共發(fā)現(xiàn)4個(gè)危巖群，編號(hào)為WY1(126個(gè))、WY2(32個(gè))、WY3(5個(gè))、WY4(57個(gè))。

本次勘查危巖群總體積為21 517.45 m3。各危巖體主要受巖層產(chǎn)狀及節(jié)理裂隙切割控制，主要表現(xiàn)為板狀體、柱狀、塊狀、不規(guī)則狀等形態(tài)，體積0.38～1008.00 m3不等，巖性均為灰?guī)r。失穩(wěn)模式為墜落型、傾倒型和滑移型，主崩方向?yàn)?51°～59°，各危巖單體規(guī)模及形態(tài)詳見表1。

表1 危巖單體規(guī)模及形態(tài)特征

1.2 破壞方式及主要影響因素

1.2.1 破壞方式

根據(jù)調(diào)查區(qū)內(nèi)危巖的空間幾何特征和結(jié)構(gòu)面組合特征分析，本次所調(diào)查危巖單體崩塌失穩(wěn)方式為滑移型、傾倒型和墜落型三種破壞模式。

(1)滑移型破壞是指危巖體前沿臨空，同時(shí)受后緣陡傾結(jié)構(gòu)面的影響，在降雨、風(fēng)化、人類工程活動(dòng)及自重等因素的影響下，沿外傾結(jié)構(gòu)面滑移，從而導(dǎo)致滑移式崩塌。

(2)傾倒型破壞是指陡坡上高而長(zhǎng)的巖體在垂直節(jié)理或裂縫等堵塞作用下，以坡腳某一點(diǎn)為支點(diǎn)，發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)性傾倒的失穩(wěn)模式。這種崩塌的產(chǎn)生有多種原因，重力的作用下長(zhǎng)期沖刷掏蝕直立的坡腳，由于偏壓產(chǎn)生傾倒變形；特殊水平壓力(靜水壓力、動(dòng)水壓力、凍脹力和地震等)；直立的巖體在長(zhǎng)期的重力作用下，產(chǎn)生彎折也能導(dǎo)致傾倒式崩塌。

(3)墜落型破壞是指危巖體下部臨空，同時(shí)受后緣陡傾斜結(jié)構(gòu)面的影響，在降雨、風(fēng)化、人類工程活動(dòng)及自重等因素的影響下，形成墜落型破壞模式，發(fā)生崩塌。

1.2.2 主要影響因素

根據(jù)對(duì)調(diào)查區(qū)所處危巖群地質(zhì)環(huán)境分析，危巖的形成原因含內(nèi)部條件和外部條件兩類，前者包括地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)、高陡臨空面，后者包括降雨、風(fēng)化、地震、植被等。

(1)地層巖性及節(jié)理裂隙發(fā)育情況

調(diào)查區(qū)地處巖溶區(qū)，地層巖性為灰?guī)r，受區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)和溶蝕作用影響，巖體在地質(zhì)應(yīng)力的作用下節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，危巖主要受產(chǎn)狀5°∠20°、330°∠5°及節(jié)理裂隙的影響，基本脫離母巖。裂隙面較粗糙，延伸較長(zhǎng)，貫通性好，部分貫通陡崖頂?shù)?，其相互切割與層面組合形成危巖塊體，裂隙多無(wú)充填，部分充填有石塊及黏土。

(2)高陡臨空面

部分危巖處于自然或人工削坡形成的陡崖上，陡崖高差70～80 m，坡度近垂直，局部巖體部分外突、懸空，基座受到多組結(jié)構(gòu)面交叉切割，在多種因素影響而導(dǎo)致累進(jìn)性破壞作用下，結(jié)構(gòu)面及基座巖體的抗剪強(qiáng)度降低，這是崩塌形成的內(nèi)部條件之一。

(3)風(fēng)化作用

風(fēng)化作用加速了危巖體裂隙的擴(kuò)展，使裂隙面抗剪強(qiáng)度降低，導(dǎo)致危巖體的失穩(wěn)。

(4)水的作用

調(diào)查區(qū)降雨量大，水可促進(jìn)風(fēng)化、溶蝕作用，產(chǎn)生靜水壓力，同時(shí)水對(duì)裂隙內(nèi)充填物質(zhì)有軟化作用，加上水流動(dòng)時(shí)帶走細(xì)粒物質(zhì)，降低裂縫內(nèi)充填物的凝聚力。

(5)地震

東蘭縣地處廣西巴馬—博白地震活動(dòng)斷裂帶上，屬小地震易發(fā)區(qū)，在地震水平作用力的影響下，形成崩塌現(xiàn)象。

(6)樹木的根劈作用

樹木的根劈作用也會(huì)破壞巖體整體性。

以上各種內(nèi)外力結(jié)合作用下，逐漸破壞巖體原來(lái)的平衡狀態(tài)，產(chǎn)生微小的位移，日積月累使后緣的裂隙加寬、加深，導(dǎo)致危巖失穩(wěn)。

2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2.1 定性分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)危巖的詳細(xì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，危巖區(qū)溶蝕嚴(yán)重，危巖體裂隙發(fā)育，這是由危巖體的形態(tài)和破壞方式?jīng)Q定；部分危巖體所處陡崖坡度近于直立，高度約80 m，危巖體部分外突懸空，同時(shí)受風(fēng)化、根劈、水的作用以及人類工程活動(dòng)等多種因素的影響，危巖體穩(wěn)定性越來(lái)越差，對(duì)下方及附近居民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。

根據(jù)危巖區(qū)的地形地貌、地層巖性和構(gòu)造、巖體的工程地質(zhì)特征及危巖單體形態(tài)規(guī)模、結(jié)構(gòu)面發(fā)育，采用赤平投影分析法對(duì)危巖單體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。由赤平投影分析可見，危巖體在優(yōu)勢(shì)節(jié)理面切割下穩(wěn)定性較差。

2.2 計(jì)算分析

目前，危巖體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)尚無(wú)較為合理的定量方法。為了評(píng)測(cè)危巖體的穩(wěn)定情況，需要根據(jù)危巖體的受力情況和可能破壞形式，通過(guò)野外勘查和室內(nèi)分析，依據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(D21/T 0218-2006)中危巖體穩(wěn)定程度等級(jí)及重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》(DB 50/143-2003)所提供的理論方法來(lái)確定。

危巖群經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)東蘭縣縣醫(yī)院、財(cái)政局、公路養(yǎng)護(hù)站等后山或?qū)γ嫔襟w上部陡坡或陡壁上共發(fā)現(xiàn)178處危巖。其中100塊為滑移式崩塌，57塊為傾倒式崩塌，58塊為墜落式崩塌，故選擇墜落式、滑移式及傾倒式三種計(jì)算模型。

2.2.1 計(jì)算工況

計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮天然工況(工況1)和暴雨工況(工況2)兩種情況。對(duì)工況1和工況2，在考慮自重的同時(shí)，對(duì)滑移式和傾倒式危巖應(yīng)考慮暴雨時(shí)的裂隙水壓力。裂隙充水高度對(duì)暴雨時(shí)裂隙水壓力根據(jù)匯水面積、裂隙蓄水能力和降雨情況確定；當(dāng)匯水面積和蓄水能力相當(dāng)時(shí)，取裂隙深度的1/3～1/2。

2.2.2 計(jì)算參數(shù)

本次調(diào)查主要是對(duì)危巖的有關(guān)特征進(jìn)行詳查，未對(duì)巖體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)物理力學(xué)測(cè)試，尤其是未對(duì)滑動(dòng)面的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ作原位測(cè)試，危巖體的穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)主要是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。具體計(jì)算參數(shù)根據(jù)危巖體的主控面結(jié)合情況、充填物質(zhì)等確定，見表2。

表2 計(jì)算參數(shù)表

2.2.3 危巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》(DB 50/143-2003)，防治工程等級(jí)為一級(jí)時(shí)，滑移式危巖穩(wěn)定安全系數(shù)取1.4，傾倒式危巖穩(wěn)定安全系數(shù)取1.5，墜落式危巖穩(wěn)定安全系數(shù)取1.6。穩(wěn)定性評(píng)價(jià)劃分見表3。

表3 危巖的穩(wěn)定狀態(tài)

2.2.4 危巖穩(wěn)定性計(jì)算

(1)滑移式危巖

a.后緣無(wú)陡傾裂隙時(shí)，危巖穩(wěn)定性系數(shù)F按公式(1)計(jì)算，計(jì)算剖面圖見圖2。

(1)

式中：W為危巖體重度，kN/m3；Q為地震力，kN/m2；V為裂隙水壓力，kN/m2；l為地震水平作用系數(shù)，取0.05；c為后緣裂隙黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa(當(dāng)裂隙未貫通時(shí)，取貫通段和未貫通段黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值按長(zhǎng)度加權(quán)的加權(quán)平均值，未貫通段黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值取巖石粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值的0.4倍)；φ為后緣裂隙內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值，(°)(當(dāng)裂隙未貫通時(shí)，取貫通段和未貫通段內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值按長(zhǎng)度加權(quán)的平均值，未貫通段內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值取巖石內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值的0.95倍)；α為滑面傾角，(°)。

圖2 滑移式危巖的穩(wěn)定性計(jì)算剖面示意圖

b.后緣有陡傾裂隙、滑面緩傾時(shí)，按公式(2)計(jì)算。

(2)

式中：U為滑面水壓力；其他同公式(1)。

(2)傾倒式危巖

a. 由后緣巖體的抗拉強(qiáng)度控制時(shí)，危巖穩(wěn)定性系數(shù)F按公式(3)、公式(4)計(jì)算，計(jì)算剖面圖見圖3。

危巖體重心在傾覆點(diǎn)之外時(shí)：

(3)

危巖體重心在傾覆點(diǎn)之內(nèi)時(shí)：

F=

(4)

式中：flk為危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa，根據(jù)巖石抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值乘以0.4的折減系數(shù)確定；H為后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距離，m；h為后緣裂隙深度，m；hw為后緣裂隙充水高度，m；h0為危巖體重心到傾覆點(diǎn)的垂直距離，m；a為危巖體重心到傾覆點(diǎn)的水平距離，m；b為后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點(diǎn)之間的水平距離，m；α為危巖體與基座接觸面傾角，(°)，外傾時(shí)取正值，內(nèi)傾時(shí)取負(fù)值；β為后緣裂隙傾角，(°)。

圖3 傾倒式危巖(由后緣巖體抗拉強(qiáng)度控制)的穩(wěn)定性計(jì)算

b. 由底部巖體抗拉強(qiáng)度控制時(shí)，危巖穩(wěn)定性系數(shù)F按公式(5)計(jì)算，計(jì)算剖面圖見圖4。

(5)

圖4 傾倒式危巖(由底部巖體抗拉強(qiáng)度控制)的穩(wěn)定性計(jì)算

(3)墜落式危巖

調(diào)查區(qū)可能發(fā)生墜落式崩塌的危巖其后緣均有陡傾裂隙，按公式(6)、公式(7)計(jì)算，穩(wěn)定系數(shù)取兩種計(jì)算結(jié)果的較小值，計(jì)算剖面圖見圖5。

(6)

(7)

式中：ζ為危巖抗彎力矩計(jì)算系數(shù)，依據(jù)潛在破壞面形態(tài)取值，一般可取1/12～1/6，當(dāng)潛在破壞面為矩形時(shí)可以取1/6；a0為危巖體重心到潛在破壞面的水平距離，m；b0為危巖體重心到過(guò)潛在破壞面形心的垂直距離，m；flk為危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa，根據(jù)巖石抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值乘以0.2的折減系數(shù)確定；c為危巖體黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa。

調(diào)查區(qū)墜落式危巖體后緣均有陡傾裂隙。

圖5 墜落式危巖的穩(wěn)定性計(jì)算剖面示意圖

2.2.5 危巖穩(wěn)定性計(jì)算統(tǒng)計(jì)

計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示工況1自然狀態(tài)為基本穩(wěn)定；工況2飽和狀態(tài)為欠穩(wěn)定。

2.3 穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)調(diào)查，勘查區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)危巖220處(包括浮石)，其穩(wěn)定性差，在降雨、風(fēng)化、震動(dòng)、根劈、人類工程活動(dòng)等因素的影響下易產(chǎn)生崩塌。從穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果看，受危巖體所處的邊坡坡度、高度和節(jié)理裂隙等控制，在天然狀態(tài)下危巖體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，而在暴雨?duì)顟B(tài)下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。綜合分析，危巖體的穩(wěn)定性均較差，發(fā)生崩塌失穩(wěn)的可能性大。同時(shí)，由于長(zhǎng)期受風(fēng)化、溶蝕、根劈的作用，破壞了巖體原來(lái)的平衡狀態(tài)，產(chǎn)生微小的位移，日積月累使危巖體的后緣加寬、加深，使危巖穩(wěn)定性越來(lái)越差，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成了較大的威脅。

3 發(fā)展變化趨勢(shì)及危害性預(yù)測(cè)

3.1 成災(zāi)可能性

由危巖定性分析和定量計(jì)算分析可知，危巖體在持續(xù)暴雨的不利工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生崩塌的可能性大。

3.2 成災(zāi)條件

影響危巖穩(wěn)定性的因素較多，其導(dǎo)致成災(zāi)的主要有：風(fēng)化、降雨、地震、人類工程活動(dòng)、樹木的根劈作用等因素的影響。勘查區(qū)地層巖性為灰?guī)r，危巖體所處山坡坡度較陡，部分處于陡崖上，陡崖坡度近于直立，陡崖上巖體裂隙發(fā)育，以上因素影響下，逐步破壞巖體平衡狀態(tài)，產(chǎn)生微小的位移，日積月累使危巖底部掏空，后緣的裂縫加寬、加深，穩(wěn)定性越來(lái)越差，導(dǎo)致巖石失穩(wěn)發(fā)生崩塌。位于陡坡及陡崖上的浮石在這些因素的影響下產(chǎn)生崩塌、滾落。

3.3 危害范圍及對(duì)象

城東4處危巖群分布位置、所處地形坡度及高度不一，影響范圍及對(duì)象不同。經(jīng)詳細(xì)分析統(tǒng)計(jì)，區(qū)內(nèi)受威脅人口2744人，樓房建筑面積25000 m2，造成經(jīng)濟(jì)損失約4000萬(wàn)元。

4 防治原則及建議

4.1 防治原則

① 對(duì)規(guī)模小，穩(wěn)定性差，變形特征明顯，一旦失穩(wěn)后可能造成較大威脅的危巖體，采用靜態(tài)爆破清除處理，該治理方案比較徹底，后患少，一勞永逸。②對(duì)規(guī)模相對(duì)較大，清除困難且又有加固條件的，可采用加固措施，加固主要方法有錨桿錨固、抗滑樁、墊托、混凝土噴射、鋼筋網(wǎng)網(wǎng)固等。

4.2 防治建議

城區(qū)縣醫(yī)院等4處危巖群主要分布在陡坡或懸崖處，以完全脫離母巖的單塊危巖體和節(jié)理裂隙發(fā)育且底部局部臨空的危巖體為主，部分為滑移式破壞的巨大危巖體。單塊危巖和裂隙發(fā)育的危巖體，治理時(shí)無(wú)法進(jìn)行加固或加固方案難度很大，故需要清除。而方量巨大危巖體，若完全清除，耗資巨大，故對(duì)其進(jìn)行加固，選擇在其前緣清除出一處錨固的空間，再對(duì)其進(jìn)行錨固。因此，根據(jù)4處危巖群的分布位置、特征、規(guī)模、施工難度等因素綜合考慮，本次調(diào)查的4處危巖群防治建議以靜態(tài)爆破清除為主，被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、錨固+注漿等進(jìn)行綜合治理。

4.3 監(jiān)測(cè)要求

在治理前后，合理布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，充分利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該危巖群隱患點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，必要時(shí)進(jìn)行報(bào)警撤離，特別是雨季應(yīng)派專人加強(qiáng)巡視監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)及時(shí)報(bào)警。

5 結(jié)束語(yǔ)

城區(qū)危巖群的調(diào)查必須進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)、測(cè)量勘查、計(jì)算分析匯總，形成發(fā)展變化趨勢(shì)及危害性預(yù)測(cè)。對(duì)每一塊危巖都要進(jìn)行相應(yīng)的方式治理，同樣采取必要方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)是必不可少的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉詩(shī)云, 郭阿龍, 李霖鋒. 廣西永福某石灰?guī)r礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題及恢復(fù)治理探討[J]. 山東國(guó)土資源, 2017, 33(1):65-70.

[2] 楊全城, 王慶兵, 董玉龍,等. 濟(jì)南藥山崩塌地質(zhì)災(zāi)害治理方法初探[J]. 山東國(guó)土資源, 2017, 33(2):43-46.

[3] 孟祥玲, 王慶兵, 廉永彪. 濟(jì)南市南部山區(qū)村鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害臨災(zāi)識(shí)別與防治[J]. 山東國(guó)土資源, 2017, 33(6):48-52.