易縣橋家河鄉(xiāng)杏樹臺(tái)村危巖體崩塌災(zāi)害特征分析

劉其龍，焦子軍，湯滿興，李偉光

（河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北滄州061000）

易縣橋家河鄉(xiāng)杏樹臺(tái)村危巖體崩塌災(zāi)害特征分析

劉其龍*，焦子軍，湯滿興，李偉光

（河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北滄州061000）

易縣地處河北省西部太行山東麓，在地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌、氣象水文等多種自然因素和人為因素的綜合作用下，形成了不同程度的地質(zhì)災(zāi)害或地質(zhì)災(zāi)害隱患。其中，橋家河鄉(xiāng)杏樹臺(tái)村北部山體就是此地區(qū)的典型代表之一。本工作在實(shí)地考查該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境特征的基礎(chǔ)上，確定了巖體崩塌的分布范圍、規(guī)模以及變形特征；通過物理和力學(xué)實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合各地質(zhì)層的工程地質(zhì)特性，標(biāo)定了主要巖層材料的力學(xué)特性；進(jìn)而對(duì)斜坡上典型巖體進(jìn)行了穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)，為該地區(qū)此類地質(zhì)災(zāi)害治理的可行性研究和工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

地質(zhì)災(zāi)害；巖體崩塌；影響因素；穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

本工作研究區(qū)域位于河北省西部太行山東麓，地貌形態(tài)為低山地貌，山腳海拔高度620m，山頂海拔1035m，南北向坡形按坡度形態(tài)可分上（緩）、中（陡）、下（緩）3級(jí)，上窄下寬，下部受兩側(cè)山脊影響略呈簸箕形狀，其間發(fā)育2條北東—南、北西—南西向弧形沖溝。山坡表層巖體裸露，風(fēng)化破碎、切割嚴(yán)重，覆蓋少，植被不發(fā)育。

地層巖性方面，易縣境內(nèi)地層主要有太古界阜平群片麻巖、元古界長城系白云巖和新生界第四系河相沉積層，其出露面積分別占全縣面積的25.2%、35%和23%。地質(zhì)構(gòu)造方面，主要由前元古代阜平—呂梁時(shí)期和中生代燕山期兩次大規(guī)模的地殼運(yùn)動(dòng)而形成的，其中燕山運(yùn)動(dòng)最為強(qiáng)烈。由阜平—呂梁運(yùn)動(dòng)在西部以強(qiáng)烈的褶皺造山運(yùn)動(dòng)為主，在東部以褶皺為主，斷裂為輔，并伴有區(qū)域巖層變質(zhì)和巖漿活動(dòng)。褶皺主要發(fā)育在元古界地層中，斷裂大部被脈巖充填。燕山運(yùn)動(dòng)在西部以大規(guī)模的斷裂為主，伴有大規(guī)模的巖漿活動(dòng)及地層褶皺，在東部產(chǎn)生強(qiáng)烈的褶皺、斷裂構(gòu)造，使境內(nèi)前中生代地層支離破碎，并伴有火山噴發(fā)和多次巖漿侵入。新生代喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為地殼上升，遭受剝蝕，使河床下蝕，致使現(xiàn)代河床比中生代舊河床低于10m以上，從而奠定了境內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的面貌，使西部成為太行山隆起區(qū)北端的一部分，東部成為華北平原坳陷區(qū)的邊緣，區(qū)內(nèi)地下水類型主要為裂隙水和孔隙水。裂隙水主要賦存于太古界阜平群片麻巖風(fēng)化帶中，片麻巖風(fēng)化裂隙發(fā)育，排泄滯緩。工作區(qū)內(nèi)坡體下部溝谷中有泉眼出露。孔隙水主要賦存于溝谷間殘坡積土中，地下水補(bǔ)給以大氣降水入滲為主。地下水的運(yùn)動(dòng)，部分沿裂隙下滲補(bǔ)給地下水，再沿溝谷向山前徑流。除沿裂隙入滲外，部分降水以坡面低洼處匯集沿溝徑流，難以形成面流。

研究區(qū)域在上述地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌等多種自然因素和人為因素的綜合作用下，形成了不同程度的地質(zhì)災(zāi)害或地質(zhì)災(zāi)害隱患。其中，橋家河鄉(xiāng)杏樹臺(tái)村北部山體在某一次強(qiáng)降雨作用下，以及隨后數(shù)天的降雨過程中發(fā)生部分危巖崩塌脫落的現(xiàn)象。為了消除地質(zhì)災(zāi)害隱患，確保人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，本工作在實(shí)地考查的基礎(chǔ)上，確定了巖體崩塌的分布范圍、規(guī)模以及變形特征；標(biāo)定了主要巖層材料的力學(xué)特性；對(duì)斜坡上的危巖體進(jìn)行了分類以及穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)，為該地區(qū)此類地質(zhì)災(zāi)害治理的可行性研究和工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1　巖層材料的物理力學(xué)性質(zhì)

橋家河鄉(xiāng)杏樹臺(tái)村位于巖漿巖帶西部，基巖為太古界阜平群片麻巖，在區(qū)內(nèi)普遍出露，第四系松散堆積主要處于半坡低洼地帶及坡腳形，根據(jù)巖性分布特征及物理力學(xué)性質(zhì)，將其劃分為礫砂和片麻巖2個(gè)工程地質(zhì)層，對(duì)2個(gè)地質(zhì)層分別采樣，進(jìn)行物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合各工程地質(zhì)層的工程地質(zhì)特性，參照地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，得到地質(zhì)參數(shù)，如表1所示。

表1　地質(zhì)材料物理力學(xué)性能參數(shù)

2　危巖形成機(jī)制及破壞方式分析

崩塌是在特定的自然條件下形成的。地形地貌、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造是崩塌的物質(zhì)基礎(chǔ)；降雨、地震、風(fēng)化作用、人類活動(dòng)對(duì)崩塌的形成和發(fā)展起著重要作用。工作區(qū)危巖體的形成主要有2類，一種是原巖位于陡峻山坡上，裂隙發(fā)育，在差異風(fēng)化作用下，形成了部分巖體的突出，風(fēng)化的加重，在雨水切割、凍融等作用下，形成與母巖聯(lián)接脆弱的危巖體，如遇暴雨或地震，不穩(wěn)定危巖體將發(fā)生向下滾落。在重力作用下，掉落的巖體在坡面上滑動(dòng)，跳躍，如巖塊形狀趨于圓形，在較長的運(yùn)行距離、較高的落差下，下落速度很快，形成較大的沖積力，將給山坡坡腳處的居民房屋造成極大的危險(xiǎn)和破壞。另一種是早期滾落的巖石在運(yùn)動(dòng)過程中，受各種條件影響，堆積在半坡上，底部承載物質(zhì)為松散的堆積物，在重力作用和承托作用下處于靜力平衡狀態(tài)，如遇暴雨或地震，底部承載物質(zhì)發(fā)生蠕動(dòng)、雨水沖刷下滑或破壞，平衡狀態(tài)將被打破，危巖在重力作用下重新啟動(dòng)向下的動(dòng)力，再次進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)下部民居構(gòu)成威脅和破壞。根據(jù)對(duì)工作區(qū)內(nèi)崩塌危巖總體形態(tài)、發(fā)育規(guī)模、基底和底界層特征及空間分布特征分析，危巖體失穩(wěn)方式主要有3種，即墜落式、傾倒式和滑塌式。

（1）墜落式：受裂隙切割和下部巖腔影響，高懸于陡巖上端和巖腔頂部的危巖體，隨卸荷裂隙不斷加深加寬，一旦裂隙發(fā)育切割整個(gè)危巖體，使其脫離母體，危巖在重力作用下從母體突然脫離失穩(wěn)產(chǎn)生崩塌，如圖1所示。

（2）傾倒式：巖體基座的差異風(fēng)化和裂隙的切割使危巖體局部懸空，危巖體底界臨空條件好，在變形破壞時(shí)，危巖體的頂部首先脫離母體，然后沿基座支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而發(fā)生傾倒式破壞，如圖2所示。

（3）滑移式：危巖體本身已經(jīng)與母體脫離，受下部巖層支撐。一旦下部巖層受外部作用失去支撐力，上部巖體將發(fā)生向下滑移、滾落。如圖3所示。

圖1　墜落式危巖體

圖2　傾倒式危巖體

圖3　滑移式危巖體

3　危巖穩(wěn)定性分析及評(píng)價(jià)

3.1危巖穩(wěn)定性分析模型

在本次勘查過程中，進(jìn)行了現(xiàn)場坡體整體穩(wěn)定性勘查、分析、評(píng)價(jià)、判斷，山坡整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，因此穩(wěn)定性計(jì)算中以典型不穩(wěn)定塊體或可能失穩(wěn)崩落的塊石為計(jì)算目標(biāo)，而不考慮發(fā)育這些碎塊體的母巖（或危巖帶）本身整體的穩(wěn)定性。根據(jù)相關(guān)規(guī)范［1］，危巖崩塌按現(xiàn)狀、暴雨和地震3種工況條件進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，各工況條件下的荷載組合為：工況1——危巖自重；工況2——危巖自重+暴雨；工況3——危巖自重+地震。根據(jù)危巖體的受力情況及最可能的破壞形式，在野外調(diào)查和室內(nèi)定性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)危巖分別采用傾倒式模型、滑移式模型和墜落式模型進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)［2-4］。

傾倒式穩(wěn)定性計(jì)算，模型見圖4。

圖4　傾倒式危巖計(jì)算模型

計(jì)算公式為：

式中：F——危巖穩(wěn)定性系數(shù)；

flk——危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa，根據(jù)巖石的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值乘以0.4的折減系數(shù)確定；

H——后緣裂隙上端到未貫通段的下端的垂直距離，m；

h——后緣裂隙深度，m；

hw——后緣裂隙充水高度，m；

β——后緣裂隙傾角，（°）；

W——危巖體自重，kN/m；

a——危巖體重心到傾覆點(diǎn)的水平距離，m；

b——后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點(diǎn)之間的水平距離，m；

V——后緣裂隙水壓力，kN/m，V=rw·h2w/2；

rw——水的重度，取10kN/m3；

Q——地震力，kN/m，Q=ξW，其方向可視為水平；ξ為地震系數(shù)，本工程取0.10；

h0——危巖體重心到倒覆點(diǎn)的垂直距離，m。滑移式穩(wěn)定性計(jì)算，模型見圖5。

圖5　滑移式危巖計(jì)算模型

計(jì)算公式為：

式中：c——后緣裂隙粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

φ——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)值按長度加權(quán)的加權(quán)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——滑面傾角，（°）；

l——滑面長度，m；

U——滑面水壓力，U=rw·l·hw/2；

其他符號(hào)含義同式（1）。

墜落式穩(wěn)定性計(jì)算，模型見圖6。

圖6　墜落式危巖計(jì)算模型

計(jì)算公式按下列二式計(jì)算，穩(wěn)定性系數(shù)取2種計(jì)算結(jié)果中的較小值：

式中：ζ——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)可取1/6；

a0——危巖體重心到潛在破壞面的水平距離，m；

b0——危巖體重心到潛在破壞面形心的鉛垂距離，m；

其他符號(hào)含義同式（1）、式（2）。

3.2穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)危巖體的危害對(duì)象，按《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》DZ/T0219-2006中的防治工程分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該危巖治理工程等級(jí)劃分為3級(jí)［1］。穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2　危巖穩(wěn)定狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.3穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

本工作中選取研究區(qū)域中部主坡體上的6塊危巖體進(jìn)行研究，危巖體特征說明見表3，穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表4。

表3　危巖體基本特征匯總表

以上穩(wěn)定性分析和計(jì)算結(jié)果表明：各危巖體現(xiàn)狀處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但是在暴雨、地震等狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)，而危巖體崩塌會(huì)對(duì)斜坡前緣居民房屋及部分耕地會(huì)造成潛在威脅，對(duì)其進(jìn)行工程治理是必要的和急迫的。

4　結(jié)論

本工作在對(duì)河北省易縣橋家河鄉(xiāng)杏樹臺(tái)村北部山體進(jìn)行實(shí)地考察的基礎(chǔ)上，確定了坡體危巖的分布范圍、規(guī)模以及變形特征，對(duì)斜坡上的危巖體進(jìn)行了分類以及穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)，分析結(jié)果表明：各危巖體現(xiàn)狀仍處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但是在暴雨、地震等災(zāi)害的誘發(fā)下，會(huì)變?yōu)榍贩€(wěn)定乃至不穩(wěn)定狀態(tài)，因此，必須對(duì)此類危巖體進(jìn)行必要的工程治理，以防止災(zāi)害事故的發(fā)生。本文工作也為該地區(qū)此類地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查、研究和治理工作提供了依據(jù)和參照。

表4　危巖體穩(wěn)定性等級(jí)定量分析評(píng)價(jià)表

［1］DZ/T0219-2006滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］涂懷奎.中國地質(zhì)災(zāi)害類型及其分布特征［J］.礦產(chǎn)與地質(zhì)，2000，14（2）.

［3］陶連金，黃潤秋，許強(qiáng)，等.地質(zhì)災(zāi)害過程模擬和過程控制研究［M］.北京：科學(xué)出版社，2002.

［4］焦子軍，湯滿興.易縣橋家河鄉(xiāng)杏樹臺(tái)村崩塌勘察報(bào)告［R］.2013.

P642.21

A

1004-5716（2016）10-0141-04

2015-10-28

2015-11-02

劉其龍（1973-），男（漢族），河北滄州人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程、地質(zhì)災(zāi)害治理等工作。