灤赤路段崩塌災(zāi)害機(jī)理分析及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

付寧寧 郭同強(qiáng)

摘? 要：灤赤路（延慶段）公路，是延慶縣景區(qū)的重要旅游路線。該路段沿線多有高陡的巖質(zhì)邊坡，節(jié)理裂隙發(fā)育，因人工切坡形成較大臨空面，成為崩塌災(zāi)害易發(fā)地段。通過(guò)分析K132+500～550m段崩塌危巖體基本特征以及崩塌力學(xué)變形機(jī)制，從K132+500～550m段邊坡發(fā)育的兩組主要結(jié)構(gòu)面入手，運(yùn)用赤平投影法分析崩塌點(diǎn)邊坡穩(wěn)定性，借助于極限平衡法計(jì)算了邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，采用定性判別及定量計(jì)算相結(jié)合的方法評(píng)價(jià)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，并提出邊坡失穩(wěn)臨界狀態(tài)的坡角值，為北京山區(qū)公路沿線巖質(zhì)邊坡崩塌穩(wěn)定性分析提供參考。

關(guān)鍵詞：崩塌;巖質(zhì)邊坡;崩塌類別;穩(wěn)定性分析

中圖分類號(hào)：P642.21? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1007-1903（2018）04-0037-06

0 前言

受地形地貌、地質(zhì)條件、極端氣候以及人類工程活動(dòng)的影響，北京地區(qū)崩塌災(zāi)害較為發(fā)育，“十二五”期間全市共發(fā)生突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害95起，其中崩塌74起，占災(zāi)害總數(shù)的78%。截至2017年底，北京山區(qū)現(xiàn)有突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害隱患共4877處，其中崩塌2499處，占隱患總數(shù)的51.2%。為此，2014年，北京市國(guó)土資源局開(kāi)展了北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作，基本查明包括崩塌在內(nèi)的北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害分布現(xiàn)狀、孕災(zāi)條件、發(fā)育規(guī)律及發(fā)展趨勢(shì)。

灤赤路位于延慶區(qū)東北部，該公路屬于山體崩塌高發(fā)道路。在20世紀(jì)50—60年代，該公路建設(shè)只是為了疏通道路，公路沿線地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)不夠，公路修建時(shí)大量削坡開(kāi)挖且未及時(shí)防護(hù)，盲目的人工爆破致使巖體疏松，裂隙貫通，形成了大量危巖體，造成該路段沿線崩塌災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，對(duì)過(guò)往行人和車輛造成較大威脅。針對(duì)灤赤路發(fā)生的崩塌災(zāi)害情況，以K132+500～550m段為切入點(diǎn)，開(kāi)展灤赤路（K132+500～550m） 崩塌災(zāi)害穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，為公路地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急及防治提供技術(shù)支持，保障公路行人及車輛安全，對(duì)實(shí)現(xiàn)公路交通安全運(yùn)營(yíng)具有重要的實(shí)際意義（李星星，2012）。

1 灤赤路災(zāi)害概況

灤赤路位于延慶區(qū)東北部，距離北京市區(qū)約90km，東從河北省灤平縣起點(diǎn)，向西經(jīng)懷柔與延慶交界的西帽山，沿路有白河堡自然保護(hù)區(qū)、硅化木國(guó)家級(jí)地質(zhì)公園、本灘次生林自然保護(hù)區(qū)、百里畫(huà)廊等景區(qū)，終點(diǎn)與赤城的水碾村交界。灤赤路是連接各個(gè)景區(qū)的重要道路，由于公路修建初期人工切坡，形成較多自由臨空面，盲目的人工爆破致使巖體疏松，裂隙貫通，造成大量危巖體。經(jīng)過(guò)若干年的風(fēng)化侵蝕后，致使崩塌災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，特別是近幾年呈頻發(fā)態(tài)勢(shì)，對(duì)過(guò)往行人、車輛構(gòu)成較大威脅。據(jù)延慶區(qū)突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查資料，僅自2014年至2016年底，灤赤路沿線就發(fā)生了11 處崩塌災(zāi)害，且以順層滑移式崩塌為主，崩塌總方量約11000m3。其中2016年發(fā)生在K132+500m處的崩塌是最大一次崩塌災(zāi)害，崩塌方量約8000m3，造成直接經(jīng)濟(jì)損失上百萬(wàn)元，所幸沒(méi)有造成人員傷亡。

2 地質(zhì)環(huán)境條件分析

灤赤路（延慶段）地處燕山軍都山脈，地貌類型屬中低山、丘陵等地貌單元，其附近出露的地層主要有元古界的薊縣系和長(zhǎng)城系、中生界的侏羅系及第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)。巖性以薊縣系和長(zhǎng)城系的白云巖、砂巖，侏羅系的砂巖、安山巖為主;第四系的巖性組合為黃土夾兩層古土壤層，砂質(zhì)粘性土、細(xì)砂、淤泥、含泥炭層淤泥以及現(xiàn)代河流沖洪積砂礫石、卵石等。該公路沿線邊坡為巖質(zhì)邊坡，其中K132+500～550m段邊坡為堅(jiān)硬巖組侏羅系紫褐色砂巖。

K132+500～550m段大地構(gòu)造位于中朝準(zhǔn)臺(tái)地（Ⅰ）燕山臺(tái)褶帶（Ⅱ1）密（云）懷（來(lái)）中隆斷（Ⅲ2）中花盆-四海迭陷褶（Ⅳ3），該區(qū)域附近發(fā)育的褶皺構(gòu)造有紅果寺背斜及花盆傾伏向斜，發(fā)育的斷裂為沿河城-南口-琉璃廟壓性大斷裂、營(yíng)門(mén)東西向斷裂、黑峪口-劉斌堡北斷裂、清泉鋪斷裂、四海東西向斷裂、紅果寺北北東向斷裂、白河堡-黑峪口北北東向斷裂等。該地區(qū)地震烈度為Ⅷ度區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.2g。

區(qū)域內(nèi)地下水類型分為第四系松散孔隙水及基巖裂隙水。第四系松散含水層分布在山前洪積潛水區(qū)，由砂、砂礫石、砂卵石組成，水量豐富;基巖裂隙水分布在巖漿巖及碎屑巖風(fēng)化裂隙中，貯水條件差，水量小。地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水入滲，徑流特征為中低山區(qū)向鄰近溝谷徑流，排泄方式主要是地表及溝谷區(qū)的側(cè)向徑流和人為開(kāi)采澆灌及生活用水。

3 崩塌危巖體基本特征

K132+500～550m段邊坡位于延慶區(qū)千家店鎮(zhèn)河口村東南，坡長(zhǎng)50m，坡高40m，坡角80，如圖1、圖2所示。坡體地層巖性為侏羅系砂巖，表層風(fēng)化較強(qiáng)烈，巖層產(chǎn)狀：330∠58。該坡屬于巖質(zhì)邊坡，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，層狀結(jié)構(gòu)。巖體中主要發(fā)育二組節(jié)理，J1：265∠80，發(fā)育間距為0.6～2.0m，J2：310∠75，間距0.8～1.0m。坡體一面臨空，靠近K132+500m處危巖體兩面臨空，巖層層面與節(jié)理面彼此交切，將巖體切割成破碎的塊石，塊石一般為1.0m×0.8m×0.6m，其中最大塊石為：2.0m×2.0m×1.5m，由于該坡體為順傾坡體，巖體裂縫發(fā)育，巖體被節(jié)理面切割呈塊體，失穩(wěn)發(fā)生崩塌的可能性很大。

4 崩塌危巖體穩(wěn)定性影響因素分析

本文從地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、降雨、地震及人類活動(dòng)6個(gè)方面對(duì)K132+500～550m段邊坡崩塌危巖體穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析。

地形地貌：K132+500～550m段邊坡所在區(qū)域地貌屬于中低山地貌單元。該區(qū)域?qū)儆谘嗌杰姸忌矫}，山脈走向呈北東-南西向，北部山區(qū)地勢(shì)相對(duì)較高，高程大約400～900m。該段坡體坡度約60～70，局部接近90，從山頂?shù)缴侥_最大高差達(dá)60m，邊坡上部由于多次崩塌卸荷作用形成較大臨空面，已形成崩塌災(zāi)害。

地層巖性：K132+500～550m段邊坡所在區(qū)域出露侏羅系土城子組砂巖，巖性較堅(jiān)硬，節(jié)理較發(fā)育，加上長(zhǎng)期風(fēng)化的作用，形成厚層狀或塊狀結(jié)構(gòu)，易形成崩塌災(zāi)害。

地質(zhì)構(gòu)造：工作區(qū)在區(qū)域構(gòu)造上花盆-四海迭陷褶（Ⅳ3）的中部，區(qū)內(nèi)斷裂較發(fā)育，多為壓性斷裂，以及推測(cè)性一般斷裂。受多條斷裂的作用，在其附近巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育，相對(duì)破碎，在人工或自然作用形成的高陡邊坡中，多發(fā)育崩塌等災(zāi)害隱患。

降雨：區(qū)內(nèi)降雨具有集中且強(qiáng)度高的特點(diǎn)，全年降水大多集中在汛期，6—9月的汛期降水量約占全年總降水量的80%。降雨是本區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的重要?jiǎng)恿l件和主要觸發(fā)因素之一，降雨加劇軟化滑動(dòng)面（帶），增加了坡體自重，沿節(jié)理裂隙下滲運(yùn)移，浸泡軟化潤(rùn)滑巖體，改變了斜坡內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力局部集中，致使坡體局部出現(xiàn)變形，造成崩塌災(zāi)害隱患的發(fā)生。

地震：地震能加速坡體物質(zhì)松動(dòng)，增加坡體的下滑推力，破壞坡體的穩(wěn)定性，地震也是促發(fā)崩塌發(fā)生的因素之一。根據(jù)收集的區(qū)域的地震資料，區(qū)內(nèi)地震較少發(fā)生，對(duì)K132+500～550m段邊坡崩塌危巖體穩(wěn)定性影響較小。

人類活動(dòng)：本區(qū)人類活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響主要表現(xiàn)為大量的人工切坡，盲目的人工爆破致使巖體疏松，裂隙貫通，形成了大量危巖體，為崩塌災(zāi)害的形成創(chuàng)造了條件，同時(shí)人為破壞植被和巖土結(jié)構(gòu)，改變水文地質(zhì)條件，促進(jìn)了崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患的發(fā)育。

5 崩塌災(zāi)害變形機(jī)制及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

5.1 崩塌力學(xué)機(jī)制分析

崩塌按發(fā)生的受力狀況不同，可將其形成的力學(xué)機(jī)制分為：傾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓脹式崩塌、拉裂式崩塌及錯(cuò)斷式崩塌5種（潘懋，2012）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，K132+500～550m段邊坡屬于陡坡，地層巖性為侏羅系砂巖，層狀結(jié)構(gòu)，該坡體有傾向臨空面的2組結(jié)構(gòu)面（J1、J2），受結(jié)構(gòu)面切割作用形成了與坡向傾向相同塊狀危巖體。在自重、雨水沖刷、浸泡軟化、凍脹、震（振）動(dòng)等誘發(fā)作用下，該危巖體沿母巖或基座向臨空面易發(fā)生剪切滑移破壞，巖體重心一經(jīng)滑出陡坡，滑塌就會(huì)產(chǎn)生。所以預(yù)測(cè)危巖體起始運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)滑移型，判定其變形破壞類型為滑移式崩塌。

5.2 崩塌邊坡穩(wěn)定性分析

傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定性分析方法主要包括工程地質(zhì)類比法、圖解法、極限平衡法、塊體單元數(shù)值模擬法等（秦衛(wèi)星等，2006;王俊斌等，2008;歐湘萍等，2009;王寶平等，2012）。

本文結(jié)合灤赤路K132+500～550m段邊坡實(shí)際情況，采用赤平投影法（圖解法）與極限平衡法相結(jié)合的方式，評(píng)價(jià)崩塌邊坡穩(wěn)定性。

（1）赤平投影法

赤平投影圖法利用赤平投影的原理，通過(guò)作圖的方式直觀地反映出邊坡破壞的邊界，確定失穩(wěn)巖土體的規(guī)模形態(tài)及其可能變形滑動(dòng)方向等，從而對(duì)邊坡穩(wěn)定程度作出初步分析，并為力學(xué)計(jì)算提供基礎(chǔ)，它主要用于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析（王寶平等，2012）。

K132+500～550m段邊坡為巖質(zhì)邊坡，邊坡巖層產(chǎn)狀：330∠58，人工開(kāi)挖后邊坡坡角80，邊坡巖體中主要發(fā)育二組節(jié)理，J1：265∠80，J2：310∠75。經(jīng)DIP赤平投影軟件分析得出（圖3），J1與J2結(jié)構(gòu)面交線OD的傾向?yàn)?15，傾角75，D點(diǎn)位于邊坡面投影弧的內(nèi)側(cè)，且介于開(kāi)挖邊坡的坡角與自然邊坡的坡角之間，接近開(kāi)挖邊坡的坡角，結(jié)構(gòu)面組合切割體屬欠穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。經(jīng)赤平投影分析得出，K132+500～K132+550m段邊坡處于崩塌欠穩(wěn)定狀態(tài)，具有發(fā)生崩塌的可能性。

（2）極限平衡法

根據(jù)赤平投影分析K132+500～550m段判斷出該坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，為了驗(yàn)證赤平投影分析的準(zhǔn)確性，本文選用極限平衡法進(jìn)一步進(jìn)行判定，確保判定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

K132+500～550m段邊坡節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體風(fēng)化程度中等，根據(jù)崩塌力學(xué)機(jī)理分析得出，該坡體崩塌類別屬于滑移式崩塌（圖4），該邊坡的隱患位于K132+500m處的破碎危巖。當(dāng)在降雨或地震的條件下，該破碎危巖更易發(fā)生崩塌災(zāi)害。根據(jù)滑移式危巖穩(wěn)定性計(jì)算公式（式1）計(jì)算危巖體的穩(wěn)定性系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

式中：W為危巖體自重（kN/m）;Q為地震力（kN/m）;V為后緣裂隙水壓力（kN/m）;α為滑移面傾角（°）。

查閱《巖石力學(xué)參數(shù)手冊(cè)》《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第四版）砂巖的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合調(diào)查的野外數(shù)據(jù)得出本次計(jì)算的參數(shù)如下：危巖體體積15m3/m，天然重度25kN/m3，后緣裂隙間距粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值20kPa，后緣裂隙內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值48，滑移面傾角75。經(jīng)過(guò)公式（1）計(jì)算，在自重工況下危巖體穩(wěn)定性系數(shù)為1.142，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)《延慶縣地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查報(bào)告》提供的資料，大暴雨與連陰雨是延慶縣內(nèi)崩塌、不穩(wěn)定斜坡和泥石流形成的主要誘發(fā)因素。因此，在考慮自重和降雨的影響下，后緣裂隙沖水高度按3.5m，其危巖體穩(wěn)定系數(shù)0.883，危巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）臨界坡角分析

對(duì)于延慶區(qū)灤赤路K132+500m處崩塌災(zāi)害隱患來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)面的交點(diǎn)位于人工開(kāi)挖邊坡與自然邊坡投影弧之間，當(dāng)人工開(kāi)挖邊坡的坡角與結(jié)構(gòu)面的交線的傾角相等時(shí)，結(jié)構(gòu)面組合切割體屬不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的臨界狀態(tài)，此時(shí)的開(kāi)挖坡角推斷為最小穩(wěn)定邊坡角（董曉娟，2015）。邊坡巖體中主要發(fā)育二組節(jié)理，J1：265∠80，J2：310∠75，結(jié)構(gòu)面交線OD的傾向?yàn)?15，傾角75，當(dāng)開(kāi)挖邊坡的坡角為75時(shí)，該邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)（失穩(wěn)的臨界狀態(tài)）。因此，對(duì)于產(chǎn)狀和節(jié)理裂隙發(fā)育相同的順層巖質(zhì)邊坡來(lái)講，在邊坡開(kāi)挖時(shí)，可通過(guò)計(jì)算主要結(jié)構(gòu)面交線傾角的方式確定開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)坡角，以保證開(kāi)挖邊坡的穩(wěn)定性;在崩塌體穩(wěn)定性分析時(shí)，可通過(guò)比較結(jié)構(gòu)面交線傾角與開(kāi)挖邊坡坡角大小，定性判定邊坡的穩(wěn)定狀況（圖5、圖6）。

6 結(jié)論

本文在分析灤赤路K132+500～550m段區(qū)域地質(zhì)環(huán)境概況和崩塌危巖體的基本特征的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了崩塌形成的主要影響因素剖析了崩塌災(zāi)害的變形機(jī)制，開(kāi)展了崩塌體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，給出了崩塌體臨界坡角，主要結(jié)論如下：

（1）結(jié)合邊坡所處區(qū)域工程地質(zhì)條件，通過(guò)分析崩塌災(zāi)害形態(tài)，判斷該段邊坡災(zāi)害屬于滑移式崩塌。

（2）通過(guò)赤平投影方法分析兩組主要結(jié)構(gòu)面與臨空面的空間位置關(guān)系，判定該段邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）采用極限平衡法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量計(jì)算，考慮到延慶地區(qū)氣候及暴雨等因素的影響，選用自重+暴雨的工況，計(jì)算出坡體安全系數(shù)，結(jié)果表明該段邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）利用赤平投影得出結(jié)構(gòu)面交線的傾角，確定了邊坡失穩(wěn)的臨界開(kāi)挖邊坡坡度為75°，對(duì)公路沿線的崩塌災(zāi)害隱患起到有針對(duì)性的防范防治作用。

（5）鑒于灤赤路崩塌災(zāi)害特性，建議采用清除坡面上較大危巖、掛設(shè)覆蓋式簾式網(wǎng)等工程治理措施;并在道路周邊設(shè)置警示標(biāo)志，注意防范崩塌落石。

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