東江口崩塌災害特征及穩(wěn)定性評價

劉曉曉

摘? 要：東江口崩塌危巖帶位于北京市房山區(qū)北部，地貌類型為中低山區(qū)，主要組成物質(zhì)為強風化玄武巖，平面呈不規(guī)則帶狀，總體積約6300m3。危巖帶變形主要受裂隙及優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面發(fā)育的控制，為小型-滑移式崩塌。危巖帶東側(cè)受裂縫L1-L3切割制，形成體積為300m3的危巖單體，失穩(wěn)方向為60°;西側(cè)主要受裂縫L4-L5以及優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面控制，失穩(wěn)方向為307°。采用赤平投影與定量計算的方法評價危巖帶穩(wěn)定性，評價結(jié)果：在天然工況下，危巖體東側(cè)及中、西側(cè)均處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在降水等不利工況條件下，危巖帶東側(cè)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，中、西側(cè)處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。影響東江口危巖帶穩(wěn)定性的主要因素為人類工程活動與降水。

關(guān)鍵詞：滑移式崩塌;變形破壞機理;穩(wěn)定性評價

中圖分類號：P642.21? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-1903（2019）02-0054-07

Abstract： Collapse in Dongjiangkou is located in the north of Fangshan District. Its landform type is medium and low mountainous area， which is composed of strong weathered basalt with irregular strips， the total volume of about 6300m3. Dangerous rock deformation is mainly controlled by the development of fissures and dominant structural planes， belonging to small-slip collapse. The eastern side of the dangerous rock belt is cut by the cracks L1 to L3， to form a dangerous rock monomer with a volume of 300m3， the instability direction at 60°; the middle and western sides of the dangerous rock belt are controlled by the cracks L4 to L5， the instability direction at 307°. The paper studies the mechanism of collapse and deformation， and the stability of the dangerous rock belt， by the method of red plane projection and quantitative calculation. After evaluating the stability， it concludes that， in natural conditions， the dangerous rock mass are basically in a stable state; under adverse operating conditions such as precipitation， the eastern side of the dangerous rock belt is unstable; the middle and western sides of the dangerous rock belt are in an unstable state. The main factors affecting the stability of dangerous rock belts in Dongjiangkou are human engineering activities and precipitation.

Keywords： Sliding collapse; Deformation and failure mechanism; Stability evaluation

0 前言

崩塌是北京山區(qū)常見且主要突發(fā)地質(zhì)災害之一（北京市地質(zhì)研究所，2014）。據(jù)統(tǒng)計2004—2015年期間，北京地區(qū)共發(fā)生崩塌災害109次，占突發(fā)地質(zhì)災害總數(shù)的80%，發(fā)生頻率9次/年，發(fā)生數(shù)量及頻次遠大于其他突發(fā)地質(zhì)災害（任開珍等，2017）。根據(jù)北京市規(guī)劃與自然資源委員會統(tǒng)計，截至2018年5月，北京市共存在突發(fā)地質(zhì)災害隱患4964處，其中崩塌隱患2560處，占突發(fā)地質(zhì)災害總數(shù)的51%以上（北京市規(guī)劃與自然資源委員會，2019）。

東江口崩塌位于房山區(qū)東江溝口南側(cè)山坡處，平面上呈不規(guī)則帶狀。崩塌危巖帶兩側(cè)及后緣以出現(xiàn)變形跡象的邊界為界線，前緣以坡體發(fā)育臨空面為界，崩塌危巖帶長度約100m，總面積約1130m2。危巖隱患帶前緣最低高程700.4m，后緣最高高程727.6m，相對最大高差27.2m，整體坡向307°，平均坡度約40°～50°，臨空面處局部反傾。2016年汛期時，該危巖帶發(fā)生崩塌災害，體積約100m3，損毀部分村道，造成道路中斷。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

研究區(qū)位于房山區(qū)東北部山區(qū)，地貌類型為低中山區(qū)，地形起伏較大，溝谷較發(fā)育，切割較深，地勢總體上東南高西北低。海拔高度一般為673～752m，相對高差約79m，最高點位于項目區(qū)東南側(cè)的山頂，最低點位于道路西北側(cè)溝底。山坡坡度一般30°～ 60°（照片1）。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)主要出露的地層為第四系殘坡積堆積體（Qhdl+el）、第四系崩坡積堆積物（Qhcol）、第四系人工雜填堆積體（Qhml）、二疊系—石炭系山西組（CPs）、玄武巖體（β）。

第四系殘坡積堆積體（Qhdl+el）：分布于崩塌危巖帶上部自然坡體表層，主要組成物質(zhì)為土夾塊石，結(jié)構(gòu)較為松散，厚度約0.5～1.5m，塊石礫徑一般0.2～0.6m，呈棱角—次棱角狀。

第四系崩坡積堆積物（Qhcol）：分布于坡體下方及東側(cè)坡體區(qū)域。主要組成物質(zhì)為強風化玄武巖，結(jié)構(gòu)松散，厚度0.5～1m，塊石礫徑一般0.2～0.5m，呈棱角狀，大部分崩塌堆積體已在崩塌發(fā)生后進行清運，現(xiàn)場只存在少量堆積體于邊坡坡腳處。

第四系人工雜填堆積體（Qhml）：分布于東側(cè)堆土場處。主要組成物質(zhì)為人工堆棄的煤矸石，因堆積年代較長，其密實程度較好，占地約240m2，厚度變化較大。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，近年汛期時，該礦渣堆積體均未發(fā)生變形，其穩(wěn)定性較好。

二疊系—石炭系山西組（CPs）：分布于周邊及北側(cè)區(qū)域，巖性為砂巖，產(chǎn)狀一般20°∠15°，夾煤層，風化程度較嚴重。

玄武巖體（β）：為崩塌危巖帶發(fā)育的主要巖性，塊狀構(gòu)造，黃褐色，表層風化較為嚴重，節(jié)理裂隙較發(fā)育，表層巖體較為破碎。在降雨、地震等不利工況下時有小規(guī)模的崩塌發(fā)生。

研究區(qū)及周邊地區(qū)構(gòu)造發(fā)育較少，僅距離項目區(qū)西北側(cè)較遠位置發(fā)育一正斷層，距項目區(qū)位置大于2km，斷層走向呈北東-南西向，對研究區(qū)影響較?。▓D1）。

1.3 人類工程活動

研究區(qū)內(nèi)主要人類工程活動為道路建設(shè)、村莊建設(shè)、礦山開采等。

道路建設(shè)：為對研究區(qū)危巖帶穩(wěn)定性影響最大的人類工程活動，在自然坡體下方切坡修路。且切坡方式未充分考慮對巖體影響，前緣形成高陡臨空面，是造成崩塌危巖帶的直接原因（錢璞等，2014）。

村莊建設(shè)：位于項目區(qū)北側(cè)，主要為當?shù)卮迕褡孕行藿穹康然顒?，對項目區(qū)危巖帶穩(wěn)定性影響較小。

礦山開采：該區(qū)曾有大量煤礦進行礦業(yè)活動，大型國礦及小煤窯都曾進行過開采，2008年后當?shù)孛旱V陸續(xù)關(guān)停。

2 崩塌特征

2.1 崩塌發(fā)育特征

東江口崩塌危巖帶長度約100m，寬度7～12m，面積約1130m2，坡向307°，其兩側(cè)及后緣以發(fā)現(xiàn)拉張、出現(xiàn)滑塌處等變形跡象界線為邊界，前緣以臨空面發(fā)育處為界，其主要分布高程為700.4～727.7m，最大相對高差為27.2m。坡度一般40°～ 50°（照片2）。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，崩塌危巖帶主要受節(jié)理、裂隙切割及后緣發(fā)育裂縫控制。危巖帶一般厚度5～10m，平均厚度在7m左右，預計崩塌危巖帶整體方量在6300m3。受節(jié)理裂隙與發(fā)育裂縫切割所形成的最大危巖體位于崩塌危巖帶的東側(cè)，單體方量約300m3，規(guī)模為小型。

危巖帶空間上可分為已發(fā)生滑塌區(qū)、東側(cè)最大塊危巖單體區(qū)以及危巖帶中、西側(cè)區(qū)。東江口崩塌屬于滑移面主要受剪切力控制的小型-滑移式崩塌。

2016年汛期時，受連續(xù)降水的影響，崩塌危巖帶東側(cè)受節(jié)理、裂隙切割且風化嚴重的巖體發(fā)生小規(guī)?；鷧^(qū)寬度9m，最大長度24m，滑塌方向與危巖帶坡向相同，均為307°。其物質(zhì)組成主要為危巖帶表層風化嚴重的基巖與少量的坡體殘坡積、崩坡積堆積體。滑塌體沿優(yōu)勢節(jié)理面發(fā)生變形，滑塌體總方量約100m3。

滑塌體在發(fā)生滑塌前，其后緣應存在一條拉張裂縫，持續(xù)降水沿裂縫入滲至巖體，并形成了沖刷痕跡。隨著降水的不斷滲入，使得巖體容重增加，抗剪強度降低;且冬季時入滲的降水凍結(jié)成冰，體積增加形成冰劈作用。再加之巖體自身風化強烈，發(fā)育有外傾結(jié)構(gòu)面。當巖體抗滑力小于下滑力時，巖體沿著發(fā)育的外傾結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑塌變形（張國林等，2018）。在滑塌過程中，巖體因自身強度低，進而發(fā)生解體，堆積至坡腳處。

2.2 變形破壞機理

東江口崩塌是典型的受發(fā)育結(jié)構(gòu)面控制的危巖帶。危巖帶受不同結(jié)構(gòu)面切割的影響，最終沿著優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面發(fā)生失穩(wěn)變形，形成滑移式崩塌。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況分析，危巖帶主要發(fā)育5組對危巖帶穩(wěn)定性影響較大的裂縫，記做L1-L5;此外，危巖帶發(fā)育有1組外傾結(jié)構(gòu)面（記做J1），對危巖帶穩(wěn)定性也存在較大影響（照片3）。裂縫L1-L5基本情況見表1。

外傾結(jié)構(gòu)面（J1），結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為307°∠65°～75°，節(jié)理發(fā)育密度為1條/m，最大張開寬度為10cm。

危巖帶主要組成物質(zhì)為玄武巖，依據(jù)經(jīng)驗及研究區(qū)周邊工程經(jīng)驗，其破裂角為（45°+φ/2）70°，與巖體發(fā)育的外傾結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀基本相同。

危巖帶東側(cè)破壞模式主要受裂縫L1、L2、L3的控制。受裂縫L1、L2、L3切割，危巖帶東側(cè)可形成體積為300m3的危巖單體。再加以降水入滲，造成巖體抗剪強度降低、水壓力增大，危巖體將沿裂縫發(fā)育方向，向已發(fā)生滑塌區(qū)域發(fā)生滑移式變形，形成滑移式崩塌，主要失穩(wěn)方向為60°（圖2）。

危巖帶中部及西部破壞模式主要受裂縫L4、L5及巖體發(fā)育的外傾結(jié)構(gòu)面的控制。危巖體后緣的L4、L5為拉張裂縫，在其控制下危巖帶后緣會發(fā)生拉張變形，隨著裂縫的進一步發(fā)育，降水沿裂縫入滲至巖體內(nèi)部，使得巖體抗剪強度降低，進而沿著外傾結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移式變形，形成滑移式崩塌體，主要失穩(wěn)方向與坡面方向相同，為307°（圖3）。

2.3 主要影響因素

崩塌的影響因素大體包含了內(nèi)因和外因，內(nèi)因體現(xiàn)了崩塌潛在的不穩(wěn)定，而外因具有促進作用，使?jié)撛诘牟环€(wěn)定逐漸惡化，最終導致崩塌災害的形成（湯廉超，2017）。東江口崩塌的內(nèi)因主要包括地形地貌、地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)等;外因即誘發(fā)因素主要包括降水、人類工程活動等（劉衛(wèi)華，2008;陳洪凱等，2009）。

（1）地形地貌

崩塌危巖帶位于自然山坡下部靠近坡腳處，且臨空面發(fā)育。臨空面一般坡度在70°～85°。坡體最大相對高差達27.3m。高陡邊坡的發(fā)育，容易產(chǎn)生崩塌。

（2）地層巖性

崩塌危巖帶發(fā)育的巖性主要為玄武巖。且基巖節(jié)理裂隙較為發(fā)育，巖體表層風化嚴重。風化嚴重的基巖受優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的控制，尤其是與坡面平行及大角度相交的結(jié)構(gòu)面的控制下，發(fā)生崩塌災害的可能性大。

（3）坡體結(jié)構(gòu)

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，坡體發(fā)育有5條主要裂縫，與1組外傾結(jié)構(gòu)面。危巖帶變形破壞方式受結(jié)構(gòu)面與裂縫的控制。在后緣裂縫發(fā)育到一定程度時，巖體抗滑力小于下滑力，危巖帶將沿外傾結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移式崩塌。

（4）不利工況

研究區(qū)內(nèi)不利工況的影響主要為降雨。受降水沖刷的影響，危巖帶巖土體容重加大，抗剪強度減小。同時降水還將匯集于危巖帶后緣拉張裂縫中，產(chǎn)生水壓力與沿滑面方向的揚壓力，是發(fā)生崩塌災害的主要原因。

（5）人類工程活動

區(qū)內(nèi)影響崩塌危巖帶穩(wěn)定性的主要人類工程活動為修路切坡。在修建道路時，并未完全考慮坡體穩(wěn)定性，以不合理的方式開挖坡腳，形成高陡臨空面或反傾的臨空面。巖體在前緣卸荷后，后緣必定沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)育的位置出現(xiàn)拉張裂縫，產(chǎn)生應力集中區(qū)，誘發(fā)崩塌災害的發(fā)生。因此，人類工程活動是發(fā)生崩塌災害的直接原因（王根龍等，2013）。

3 崩塌穩(wěn)定性評價及發(fā)展趨勢

3.1 穩(wěn)定性宏觀判斷

東江口危巖帶東側(cè)在2016年汛期時受降水不利工況的影響，發(fā)生了小規(guī)模的滑塌。目前，坡體東側(cè)受裂縫L1、L2、L3切割，形成了單塊巖體方量為300m3。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，裂縫L1、L2、L3已發(fā)生了明顯的變形，且變形量較大，再受到降水工況的影響，巖體沿裂縫發(fā)育方向發(fā)生滑移式崩塌災害的可能性較大。故初步判斷危巖帶東側(cè)單塊危巖體在天然工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在降水工況下處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)，主要失穩(wěn)方向為60°。

危巖帶中西部后緣已形成了較為發(fā)育的后緣裂縫，且有外傾結(jié)構(gòu)面的存在，雖目前未發(fā)生崩塌災害，但若持續(xù)受降水工況的影響，坡體中部及西部將發(fā)生類似于坡體東側(cè)的沿外傾結(jié)構(gòu)面的滑塌變形。但鑒于坡體中西部坡度較東側(cè)較緩，因此判斷坡體西側(cè)及中側(cè)穩(wěn)定性較東側(cè)為好。天然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，降水不利工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，主要失穩(wěn)方向為307°

3.2 穩(wěn)定性分析及評價

參照《工程地質(zhì)手冊》《北京市地質(zhì)災害治理項目實施技術(shù)指南》（2015）及周邊已有工程經(jīng)驗，東江口崩塌治理區(qū)巖土物理力學性質(zhì)參數(shù)詳見表2。

（1）持平投影分析

危巖帶東側(cè)單塊危巖體定性分析：根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，危巖帶東側(cè)單塊危巖體主要發(fā)育有3組主要裂縫：L1：61°∠50°，L2：65°∠65°，L3：66°∠72°。赤平投影分析結(jié)果見表3、圖4。

危巖帶中西側(cè)定性分析：據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，危巖帶中側(cè)主要發(fā)育有兩組后緣裂縫與一組外傾結(jié)構(gòu)面;裂縫L4：320°∠75°，裂縫L5：320°∠70°，外傾結(jié)構(gòu)面J1：307°∠65°，赤平投影分析結(jié)果見表3、圖5。

（2）穩(wěn)定性評價

穩(wěn)定性評價的依據(jù)為《滑坡工程勘察規(guī)范》（GB/T32864-2016）和《北京市地質(zhì)災害治理項目實施技術(shù)指南》（2015）。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查分析，東江口危巖帶屬于受優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面控制的危巖帶，其主要變形失穩(wěn)模式為沿優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面發(fā)育的方向發(fā)生滑移式崩塌。選取天然、暴雨、地震3種不同工況計算評價危巖帶穩(wěn)定性。

危巖帶東側(cè)單塊危巖體主要失穩(wěn)模式為受裂縫L1、L2、L3控住，沿其發(fā)育方向發(fā)生滑移式崩塌，主要失穩(wěn)方向為60°;危巖帶中、西側(cè)坡體主要失穩(wěn)模式為沿裂縫L4、L5與外傾結(jié)構(gòu)面（J1）交匯處發(fā)生滑移式崩塌，主要失穩(wěn)方向為307°。故應針對危巖帶東側(cè)單塊危巖體與危巖帶中、西側(cè)坡體不同的變形破壞模式分別進行穩(wěn)定性評價。

依據(jù)東江口崩塌的變形破壞機理，穩(wěn)定性計算模型采用滑移式崩塌模型，其變形破壞模式見圖6（葉萬軍等，2014）。東江溝口崩塌危巖帶穩(wěn)定性計算結(jié)果見表4。

（3）穩(wěn)定性綜合評價

1）危巖帶東側(cè)單塊危巖體

經(jīng)穩(wěn)定性計算，東江口崩塌危巖帶東側(cè)單塊危巖體在天然工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.21，處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在降水工況下穩(wěn)定系數(shù)為0.99，處于不穩(wěn)定狀態(tài);在地震工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.03，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

在天然狀態(tài)下，東側(cè)單塊危巖體未見有明顯的變形趨勢，但受裂縫L1-L3切割影響，其穩(wěn)定性并不能達到穩(wěn)定狀態(tài)。在降水工況下，坡體東側(cè)已發(fā)生滑塌，且裂縫L1-L3將進一步發(fā)育，降水入滲也將造成坡體容重增加、強度降低、并產(chǎn)生揚壓力與水壓力。危巖體將產(chǎn)生滑移變形，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。計算結(jié)果與實際調(diào)查結(jié)果相符合。

2）危巖帶中、西側(cè)坡體

經(jīng)穩(wěn)定性計算，金雞臺村東江溝口崩塌危巖帶中側(cè)坡體在天然工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.29，處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在降水工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.04，處于欠穩(wěn)定狀態(tài);在地震工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.03，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

在天然狀態(tài)下，危巖帶中、西側(cè)未見有明顯的變形趨勢，但受裂縫L4、L5及外傾結(jié)構(gòu)面切割影響，其穩(wěn)定性并不能達到穩(wěn)定狀態(tài)。在降水工況下，危巖帶中、西側(cè)后緣裂縫有明顯變化趨勢，坡體存在變形跡象，但其危巖帶整體尚未發(fā)生整體滑移變形，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。計算結(jié)果與實際調(diào)查結(jié)果相符合。

3.3 發(fā)展趨勢預測

從危巖帶的穩(wěn)定性分析結(jié)果看，東江口危巖帶在降水等不利工況下穩(wěn)定性較差。其經(jīng)長期的風化侵蝕，同時受降雨形成裂隙水壓力及植物根劈作用，巖體結(jié)構(gòu)面的力學性能將下降，裂隙逐漸擴張，危巖的穩(wěn)定性將逐漸降低，最終會發(fā)生不同規(guī)模的變形、失穩(wěn)和破壞。隨著危巖帶破壞作用的進行，危巖帶坡體內(nèi)裂隙逐漸發(fā)育，加之受降水的影響，危巖帶的穩(wěn)定性將逐漸下降。從危巖帶的變形破壞模式來看，危巖帶破壞方式以滑移式為主。其主要危害對象為崩塌危巖帶下方的金雞臺村村道，影響范圍約100m。

4 結(jié)論

（1）東江口崩塌危巖帶面積約1130m2，危巖帶總體積約6300m3，其危巖帶東側(cè)最大單塊危巖體方量約300m3。危巖帶主要組成物質(zhì)為風化嚴重且受節(jié)理裂隙切割的玄武巖。

（2）危巖帶東側(cè)單塊危巖體穩(wěn)定性主要受裂縫L1、L2、L3的控制，主要失穩(wěn)方向為60°;危巖帶中西部穩(wěn)定性主要受裂縫L4、L5及發(fā)育的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面J1的控制，主要失穩(wěn)方向為307°。

（3）誘發(fā)坡體發(fā)生崩塌的因素主要有兩方面：人類工程活動在該處活動較為強烈，主要表現(xiàn)為修路切坡對坡體的自身擾動較大;受降水等不利條件的影響，雨水直接沖刷坡面，造成受節(jié)理切割的強風化基巖出現(xiàn)崩塌。

（4）依據(jù)穩(wěn)定性分析評價結(jié)果：危巖帶東側(cè)單塊危巖在天然工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。在降雨等不利工況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，形成滑移型崩塌的可能性較大。危巖帶中、西側(cè)在自然工況下邊坡穩(wěn)定性較好，坡體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在降水等不利工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在不利工況下發(fā)生崩塌災害的可能性較大。

（5）東江口崩塌主要威脅對象為危巖帶下方的村道，影響范圍約100m。

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