某巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)與防治措施

史翠英，張 朋，葉向陽，蔡承剛，孟憲中

(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì),江蘇 徐州 221004)

0 引言

徐州市多分布有剝蝕丘陵地貌,隨著建設(shè)用地資源的逐漸緊張,開發(fā)項(xiàng)目不可避免的需要占用部分山體,遂發(fā)生了規(guī)模不等的人工切坡,形成的山體邊坡巖層裸露,凹凸不平,邊坡上亦存在不穩(wěn)定塊石,在雨水到來時(shí)隨時(shí)有崩塌、滾落的危險(xiǎn),直接威脅人民生命及財(cái)產(chǎn)安全[1]。部分巖質(zhì)邊坡高陡,地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,巖石裸露易崩塌,其失穩(wěn)具有突發(fā)性、破壞性、影響范圍不確定等特點(diǎn)[2]。黃潤秋提出了高危巖體穩(wěn)定評(píng)價(jià)及計(jì)算方法[3]。本文通過地質(zhì)調(diào)查,查明該邊坡地質(zhì)環(huán)境條件及發(fā)育特點(diǎn),對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定評(píng)價(jià)分析,提出邊坡防治措施和建議,為設(shè)計(jì)提供依據(jù),以確保邊坡的穩(wěn)定。

1 邊坡概況

該邊坡距離徐州市主城區(qū)北約16 km,隸屬銅山區(qū)茅村鎮(zhèn)行政管轄。該邊坡東距津浦鐵路和104國道約2 km,北距淮海中聯(lián)水泥有限公司廠部約1.5 km,南距京杭大運(yùn)河5 km,附近有水泥路通向市區(qū)方向,交通便利。

2 自然地理?xiàng)l件

該邊坡屬低山丘陵,山體沿南北向展布,南側(cè)較為陡峭,北側(cè)較平緩,南坡40°～70°,北坡30°～50°,且自北向南逐漸增高。山體巖石裸露,僅山間凹地有松散堆積物覆蓋。邊坡附近無大的地表水系,當(dāng)季雨水均緩慢滲入地下。

徐州屬暖溫帶氣候,四季分明。年平均氣溫14.2 ℃,最低氣溫-26 ℃,最高氣溫40.6 ℃。年均降水量868.6 mm,雨季多集中在7月、8月、9月三個(gè)月,占全年降雨量的67%以上。年最大蒸發(fā)量2 279.0 mm,年平均無霜期210 d。

3 地質(zhì)條件與邊坡特征

3.1 地層

該邊坡出露地層主要為寒武系中統(tǒng)的徐莊組(∈2x)、張夏組(∈2z),上統(tǒng)崮山組(∈3g)、長山組(∈3c)、鳳山組(∈3f)及平原區(qū)分布的第四系(Q)?，F(xiàn)將地層由下而上分述如下:

①寒武系中統(tǒng)徐莊組:巖性主要為黃灰色、黃褐色、暗紫色薄—中厚層長石石英砂巖,夾少量頁巖、砂質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r。含海綠石長石石英砂巖,交錯(cuò)層理發(fā)育。底部有一層暗紫色薄層狀砂質(zhì)灰?guī)r,層面上有泥質(zhì)條帶,風(fēng)化后呈肋骨狀,是與下伏地層分界的標(biāo)志層。該層位是以碎屑巖沉積為主的屬于濱—淺海相的一套地層。

②寒武系中統(tǒng)張夏組:該層位屬于淺海相沉積的一套地層出露良好,傾向NW,傾角20°～40°,厚度約為150.56 m～230.61 m。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)與現(xiàn)場(chǎng)踏勘,按照巖性特征分為上、下段,各段分為兩個(gè)巖性層,即張夏組下段巖性主要為豆?fàn)?、鮞狀灰?guī)r和薄層灰?guī)r,張夏組上段巖性主要為豹皮狀灰?guī)r與鮞狀灰?guī)r呈互層出露。各段巖性層之間的巖性界線較為明顯。

③寒武系上統(tǒng)崮山組:主要分布在礦區(qū)的南北端,按其巖性特征可分上、下兩段。

④寒武系上統(tǒng)長山組:巖性主要為灰色薄層灰?guī)r、中厚層含海綠石鮞狀灰?guī)r和竹葉狀灰?guī)r為主,上部夾鮞狀灰?guī)r較多,下部夾竹葉狀灰?guī)r較多。頂?shù)撞扛饔幸粚雍＞G石鮞狀灰?guī)r分別與鳳山組、崮山組分界。厚度約為60 m,與上下層均呈整合接觸關(guān)系。該組巖性特征反映了其是在濱?！獪\海相動(dòng)蕩環(huán)境下的一套沉積。

⑤寒武系上統(tǒng)鳳山組:主下部巖性主要為灰色薄—中厚層灰?guī)r和豹皮狀灰?guī)r為主,夾少量竹葉狀灰?guī)r和鮞狀灰?guī)r。中上部夾有1層大渦卷灰?guī)r。厚度約為70 m～80 m。上部巖性主要為灰黑色—深灰色中厚層狀細(xì)晶白云巖為主,局部夾有竹葉狀灰?guī)r和泥質(zhì)白云巖。為區(qū)內(nèi)建筑石料用灰?guī)r礦的次要賦礦層位。

⑥第四系:在山體的邊部及凹地中堆積著棕紅色和棕黃色的殘坡積亞黏土。在巖溶和裂隙的洞穴中,也堆積著棕紅色亞黏土和雜色含膠磷礦的亞黏土,并夾有灰?guī)r碎塊,厚度約0 m～5 m。

3.2 工程地質(zhì)條件

該邊坡巖層屬碳酸鹽巖工程地質(zhì)巖組,地層為張夏組和崮山組,巖層的整體性較好,巖性主要為鮞狀灰?guī)r、豹皮狀灰?guī)r及薄層灰?guī)r等。區(qū)內(nèi)巖溶裂隙不甚發(fā)育。經(jīng)對(duì)張夏組5件灰?guī)r樣品的測(cè)試抗壓強(qiáng)度最小為91 MPa,最大為131 MPa;對(duì)崮山組、長山組等灰?guī)r樣品的測(cè)試抗壓強(qiáng)度最小為29 MPa,最大為69 MPa,均屬堅(jiān)硬—較堅(jiān)硬巖石,穩(wěn)定性好。

3.3 環(huán)境地質(zhì)條件

根據(jù)國家頒布的GB 18306—2015地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖,本區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g,對(duì)應(yīng)的Ⅱ類場(chǎng)地工程抗震設(shè)防烈度為Ⅶ級(jí)[4-5]。徐州銅山地區(qū)地震地質(zhì)條件不太復(fù)雜,深部構(gòu)造簡(jiǎn)單,地震活動(dòng)強(qiáng)度和頻率均較低,為一相對(duì)穩(wěn)定塊體。今后發(fā)生中、強(qiáng)地震的可能性不大。由于邊坡為裸露的碳酸鹽巖,直接接受大氣降水向下徑流補(bǔ)給地下水。區(qū)內(nèi)地貌類型單一,地層層位穩(wěn)定,場(chǎng)地工程性能較好,未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害情況。

3.4 邊坡基本特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)邊坡情況,將該邊坡分為A區(qū)和B區(qū),其中A區(qū)位于南側(cè),B區(qū)位于北側(cè)。

1)A區(qū)邊坡特征:A區(qū)邊坡位于南側(cè),總長度約40 m,坡頂標(biāo)高為102 m～115 m,坡底標(biāo)高為85 m～88 m,坡高一般為15 m～30 m。邊坡傾向?yàn)?40°,整體坡度80°～90°,局部倒傾。邊坡巖性為中厚層灰?guī)r夾中薄層灰?guī)r,地層產(chǎn)狀為244°∠25°,巖層傾向與坡向相反,部分坡面被碎石土覆蓋。坡面發(fā)現(xiàn)兩組節(jié)理發(fā)育,節(jié)理產(chǎn)狀為3°∠78°,313°∠72°,160°∠83°;層間節(jié)理亦較發(fā)育,坡面巖石破碎,散落有大量浮石、碎石,坡頂發(fā)現(xiàn)卸荷裂隙。邊坡巖體分類為Ⅳ類,邊坡類別為臨時(shí)性邊坡。邊坡現(xiàn)狀見圖1,圖2。

2)B區(qū)邊坡特征:B區(qū)邊坡位于北側(cè),總長度約105 m,坡頂標(biāo)高約為90 m～101 m,坡底標(biāo)高約為84 m～87 m,坡高一般為5 m～14 m。邊坡傾向60°～120°,總體傾向90°,整體坡度30°～36°,局部大于60°。該邊坡多為碎石土覆蓋,坡面偶見基巖出露,巖性為土黃色薄層泥質(zhì)灰?guī)r、淺灰綠色中層灰?guī)r,產(chǎn)狀為65°∠29°,巖層傾向與坡向相近。坡頂、坡面散落有大量浮石、碎石,坡腳散落有塊石,坡頂有卸荷裂隙發(fā)育,邊坡巖體分類為Ⅳ類,邊坡類別為臨時(shí)邊坡。邊坡現(xiàn)狀如圖3所示。

4 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

4.1 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的選取

A區(qū)邊坡屬于順向坡,根據(jù)邊坡基本特征,對(duì)于邊坡采用赤平投影法和極限平衡法兩種方法對(duì)邊坡巖坡穩(wěn)定性進(jìn)行定性和定量計(jì)算,并對(duì)其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。B區(qū)邊坡為碎石土邊坡,故采用邊坡穩(wěn)定性量化評(píng)價(jià)對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

1)赤平投影法:對(duì)層狀結(jié)構(gòu)邊坡,赤平投影法根據(jù)結(jié)構(gòu)面與坡面傾向間的關(guān)系劃分為不穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、穩(wěn)定、最穩(wěn)定等4種狀態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)面與坡面傾向相同且結(jié)構(gòu)面傾角小于坡角時(shí)邊坡不穩(wěn)定,當(dāng)結(jié)構(gòu)面與坡面傾向相同且結(jié)構(gòu)面傾角等于坡角時(shí)邊坡基本穩(wěn)定,當(dāng)結(jié)構(gòu)面與坡面傾向相同且結(jié)構(gòu)面傾角大于坡角時(shí)邊坡穩(wěn)定,當(dāng)結(jié)構(gòu)面與坡面傾向相反時(shí)邊坡最穩(wěn)定。對(duì)雙滑面及多滑面邊坡,以其滑面交線與坡面間的組合關(guān)系按上述原則進(jìn)行穩(wěn)定性分類。當(dāng)分析出一組結(jié)構(gòu)面可能沿交線滑動(dòng)時(shí),利用其安全系數(shù)判斷邊坡穩(wěn)定性,判定標(biāo)準(zhǔn)見表1,表2。

2)極限平衡法:根據(jù)作用于巖土體中潛在破壞面上塊體沿破壞面的抗剪力與該塊體沿破壞面的剪切力之比,求出該塊體的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst。

根據(jù)邊坡現(xiàn)狀,評(píng)價(jià)邊坡均為巖質(zhì)邊坡,巖體類型為Ⅳ級(jí),邊坡類型均為臨時(shí)邊坡,評(píng)價(jià)區(qū)邊坡高度為1 m～30 m,內(nèi)有工人和機(jī)械施工,邊坡失穩(wěn)后后果嚴(yán)重。根據(jù)表3可知邊坡工程安全等級(jí)為二級(jí)。

按照GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定,邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)分為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定4種狀態(tài),見表1。邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst按表2確定,當(dāng)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)小于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)應(yīng)對(duì)邊坡進(jìn)行處理[6]。

表1 邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)劃分

表2 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst取值

表3 邊坡工程安全等級(jí)

3)邊坡穩(wěn)定性量化評(píng)價(jià):運(yùn)用表4對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行打分評(píng)價(jià),當(dāng)D≥23.4時(shí),穩(wěn)定性差;16.7≤D<23.4,穩(wěn)定性中等;D<16.7,穩(wěn)定性好(D為總得分)。

表4 邊坡穩(wěn)定性量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

4.2 邊坡參數(shù)的取值

判別參數(shù)取各坡段實(shí)測(cè)參數(shù),抗剪強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)邊坡基本特征按表5取值。巖石容重取27 kN/m3。

表5 邊坡穩(wěn)定性量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表

5 邊坡穩(wěn)定性分析

5.1 A區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

該邊坡為順向坡,故使用赤平投影法、極限平衡法對(duì)該邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。參數(shù)取值:坡高10 m～15 m,坡向240°,坡度80°～90°,地層產(chǎn)狀為244°∠25°,節(jié)理發(fā)育,產(chǎn)狀為3°∠78°,100°∠86°,160°∠83°。該邊坡結(jié)構(gòu)面類型均為硬性結(jié)構(gòu)面,各結(jié)構(gòu)面結(jié)合差,根據(jù)表5,內(nèi)摩擦角φ取18°,黏聚力c取50 kPa。該邊坡為臨時(shí)邊坡,故Fst取值1.2。

根據(jù)赤平投影法計(jì)算結(jié)果分析,最不利的一組結(jié)構(gòu)面可能沿交線滑動(dòng)。根據(jù)極限平衡法計(jì)算結(jié)果分析,邊坡安全系數(shù)大于規(guī)范允許的安全系數(shù)1.20,邊坡整體較穩(wěn)定。邊坡赤平投影見圖4,極限平衡計(jì)算結(jié)果見圖5。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,邊坡整體穩(wěn)定。經(jīng)現(xiàn)狀調(diào)查,坡面巖體破碎,邊坡陡峭,風(fēng)化嚴(yán)重,坡頂、坡面散落有大量浮石、碎石,有懸空塊體,坡腳散落有塊石,坡頂發(fā)現(xiàn)卸荷裂隙,在雨水、爆破、機(jī)械振動(dòng)等作用下有發(fā)生崩塌的可能。

5.2 B區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

該邊坡為碎石土邊坡,故采用邊坡穩(wěn)定性量化評(píng)價(jià)對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。參數(shù)取值:坡高5 m～14 m,傾向90°,坡度30°～36°,由于巖層產(chǎn)狀雜亂,故邊坡類型按取最差情況取順向坡。根據(jù)表4對(duì)B區(qū)邊坡穩(wěn)定性量化評(píng)估結(jié)果見表6。

表6 B區(qū)邊坡穩(wěn)定性量化評(píng)估結(jié)果表

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,邊坡整體較穩(wěn)定。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,邊坡被碎石土覆蓋,坡頂、坡面散落有大量浮石、碎石,有懸空塊體,坡腳散落有塊石,因此,邊坡整體較穩(wěn)定。

6 邊坡防治建議

根據(jù)邊坡現(xiàn)狀及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果,建議對(duì)邊坡治理進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、清坡等礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工作[7]。

1)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè):應(yīng)當(dāng)對(duì)坡面進(jìn)行安全檢查,發(fā)現(xiàn)有裂痕,或者在坡面上有浮石、危石和傘檐體可能塌落時(shí),相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)立即撤離至安全地點(diǎn),并采取可靠、安全的預(yù)防措施;嚴(yán)禁任何人員在邊坡底部休息和停留。

2)清坡:由于邊坡坡面存在較多的浮石、碎石、松動(dòng)的巖石塊體、卸荷裂隙,在自身重力、雨水、爆破震動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)作用下容易滑落,存在安全隱患。建議對(duì)礦區(qū)內(nèi)所有邊坡坡面進(jìn)行清坡,從而消除安全隱患。

3)降坡:由于邊坡部分高度過大,坡面巖體破碎,邊坡陡峭,在自身重力、雨水、爆破震動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)作用下容易造成崩塌、掉塊等災(zāi)害,存在安全隱患,建議對(duì)所有過高、過陡的坡面進(jìn)行降坡,從而消除安全隱患。

7 結(jié)論與建議

1)本報(bào)告運(yùn)用赤平投影分析、極限平衡法計(jì)算和邊坡穩(wěn)定性量化評(píng)價(jià)對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等方法對(duì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。經(jīng)評(píng)價(jià),A區(qū)邊坡整體穩(wěn)定,存在發(fā)生崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的可能性,B區(qū)邊坡穩(wěn)定性中等。

2)建議對(duì)邊坡治理進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、清坡等礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理工作。

3)對(duì)邊坡進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)安全隱患及時(shí)處理。

4)在邊坡四周樹立安全警示牌,嚴(yán)禁人員在坡底逗留。

5)撤離邊坡發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害可能影響區(qū)域的居民活動(dòng)及工廠廠房。