房山賈峪口土洞崩塌危巖帶特征及穩定性分析

趙晨曦，劉明坤，柴利杰，陳柘舟，楊艷鋒，劉建凱，常思源

（北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

0 引言

自“7·21”北京特大暴雨及洪澇災害發生以來，受夏季汛期降水集中、暴雨頻至的影響，北京西部山區地質災害發生的可能性急劇增大。山區崩塌、滑坡、泥石流等地質災害致使大量居民房屋倒塌或受損，造成了巨大的經濟損失，嚴重的威脅了人民生命財產安全，給當地居民的生產生活帶來了嚴重的干擾。為了加強北京地區地質災害防治工作，消除地質災害隱患的威脅，有必要盡快對我市山區的地質災害隱患點進行勘查及治理工作。

賈峪口土洞崩塌災害隱患點位于房山區佛子莊鄉賈峪口村，災害隱患點緊鄰當地居民的房屋，于“7·21”期間發生過局部塊石滾落的情況，砸中坡腳處村民種植的柿樹，造成了村民經濟財產損失。經國土部門現場摸排認定此處為崩塌災害隱患點，若不對其進行及時的治理，則在今后的強降雨天氣或地震中極易形成地質災害，直接威脅當地村民的生產生活。

1 災害隱患點概況

災害隱患點位于房山區賈峪口村北側，當地居民房屋背后的山坡上，總面積約為5.2×104m2。現狀坡頂及坡面處植被發育較好，坡頂處未發現明顯后緣裂縫，坡體整體穩定性較好。危險區主要為坡頂處基巖大面積裸露的兩條危巖帶，分別命名為危巖帶1（WYD1）和危巖帶2（WYD2）。主要影響范圍為坡底處約1.1×104m2的居民區。

2 區域地質背景

（1）氣象條件

該區降雨多集中在夏季（6—8月），占全年降雨量的80%以上，年平均降雨量約為522.7mm，汛期多暴雨，多年平均蒸發量為1500mm。

（2）地形地貌

區內地形整體呈北高南低之勢，坡頂處兩條東西走向的危巖帶使得該處形成兩級陡崖地貌，陡崖坡度一般在60～70，局部接近90。坡體頂部高程約為400m，坡高約100m，坡長約210m。整體傾向約為145～165。坡體中部較陡，可達到30～40，坡底較緩，約為15～25，局部有人為修筑的平臺，用于種植經濟作物。

（3）地層巖性

坡頂處出露基巖為薊縣系霧迷山組白云質灰巖，中等風化，灰白色，局部含燧石條帶、泥質條帶，坡體中下部為第四系崩坡積物及粉質粘土。形成了較為典型的“上硬下軟、上陡下緩”的二元山體結構，為危巖體的發育提供了條件（胡厚田，2005；賀凱等，2015）。

（4）地質構造

研究區大地構造屬于房山中穹褶（IV12）構造單元，位于燕山沉降帶西山凹陷，門頭溝—周口店上升褶皺區之南端，其構造行跡為短軸向斜和背斜。主要受中生代燕山運動的影響而成。北側存在兩條東西走向的小型斷層，分別長約2km和0.8km。區內地質構造目前較為穩定，但巖體節理裂隙極為發育。

（5）地震活動

房山區歷史上發生過3～3.9級地震2次，4～4.9級地震1次，其余均為小于3級地震。大部分地震震中位于黃莊—高麗營及八寶山斷裂帶附近。研究區位于地震烈度Ⅷ度區內，設計基本地震加速度值為0.20g，設計分組為第二組。

（6）水文地質特征

研究區屬于山區大石河背斜水文地質單元，區域含水層主要為薊縣系霧迷山組白云巖、白云質灰巖（辛寶東，2005），裂隙巖溶普遍發育，并受構造、巖性及地貌控制。區域地下水補給源主要為大氣降水，部分降水匯集于山間溪溝直接排泄; 部分降水沿節理、裂隙滲入地下，匯集于巖溶管道、暗河、裂隙中，排泄至坡底，最終匯入大石河。

3 危巖體的基本特征及失穩影響因素

3.1 危巖體基本特征

（1）危巖帶1（WYD1）

危巖帶1為二級陡崖，位于斜坡坡頂處，產狀約為200∠23，頂標高約400m，底標高約387m，整個陡崖高度約為6～13m，寬約81.82m。危巖帶較為破碎，節理裂隙發育，發育3組優勢節理面：①J1：293∠66；②J2：260∠67；③J3：313∠70。受結構面切割，巖體呈塊狀—碎裂狀，因差異風化、徑流沖刷等作用逐漸風化剝蝕形成凹腔，使部分巖塊存在較大的臨空面。裂隙最大寬度可達25cm左右，裂隙深度約為0.6～1.5m，裂隙結構面較為平直，結合差，貫通性較好，縫內局部填充碎石。此外，危巖帶1東側底部存在小范圍的崩塌堆積區，均為危巖帶破碎后墜落的巖塊、碎石，巖塊所占比例約為60%～80%，大小一般為0.8m×0.6m×0.5m，最大塊體可達1.5m×0.7m×0.5m，碎石約為20%～40%，大小一般為0.4m×0.3m×0.2m。

此外，危巖帶1內主要發育2塊較為危險的危巖體（危石），見圖1（a、b）：危巖體1（W1）、危巖體2（W2），分別位于危巖帶1的中部和東部，見圖1（c）。

圖1 危巖帶情況Fig.1 Conditions of unstable rocks belt

危巖體1（W1）高約4～6m，寬約3m，厚約1.5m，總體積約為30m3。巖體下部存在空腔，空腔寬約2m，深約1.4m，高約0.7m。巖體表面較為破碎，底部存在崩落的碎石。上部發育有裂隙，裂隙尚未完全貫通。巖體主要有2組節理面：①J1：260∠67；②J2：293∠66，由于節理裂隙切割、且巖體具有臨空面。

危巖體2（W2）高約3～5.5m，寬約2.5m，厚約0.5～1.5m，總體積約為11.25m3。巖體外傾，后部具有一條寬約0.3m，深約1m的裂隙，裂隙傾向313∠70，內部基本無填充，局部具有碎石填充。巖體表面較為完整，下部有碎石、巖塊堆積。

（2）危巖帶2（WYD2）

危巖帶2位于危巖帶1東南側，產狀165∠20（圖1c）。頂標高約387m，底標高約367m，整個陡崖高度約為6～18m，寬約90.18m。危巖帶坡度約為60～80，局部近90，危巖帶沿坡面積約為1082.16m2。危巖節理裂隙發育，主要發育2組節理面：①J1：145∠62，1m范圍內約有2～3條，最大間距1.2m，最小間距0.3m；②J2：220∠73，1m范圍內約有1～2條，最大間距1.5m，最小間距0.8m。受這2組結構面切割，巖體在裂隙切割作用下呈塊狀—碎裂狀，裂隙寬度約3～10cm，裂隙深度約為0.6～1m，裂隙結構面較為平直，結合差，縫內局部填充碎石。

3.2 失穩影響因素

（1）內部因素

危巖帶坡度較大，接近直立，在構造應力作用下發育多組裂隙。對危巖帶內發育的裂隙進行統計（圖2），結果表明，走向40～50的裂隙發育，且貫通性較好，多無填充或少量碎石填充，結合性差。在層理面及多組節理裂隙切割的共同作用下，裂隙延伸較長，將巖體切割成棱塊狀，形成凹腔及母巖分離的塊體。被分割開來的巖石塊體，在重力作用下存在沿裂隙向臨空面傾倒和滾落的趨勢。另外構造裂隙傾角較大，加之局部形成的凹腔可引發強卸荷作用，形成卸荷裂隙并加寬加大原構造裂隙。裂隙的發育為斜坡巖體的表生改造，對危巖塊體的形成和穩定性起決定性的控制作用（楊志等，2016；詹青文等，2011）。

圖2 裂隙走向玫瑰圖Fig.2 Rose diagram of fissures strike

（2）外部因素

風化、雨水沖刷、溶蝕、凍脹、植物根系擴張等外部條件為裂隙發育的積極因素。在各種外部因素作用下，裂隙加寬、加長，進一步切割巖體。風化作用加速了危巖體裂縫的擴展，裂面強度降低，差異風化形成凹巖腔，促進了危巖體的失穩。夏季降雨頻繁，沖刷加劇，降低裂隙內填充物質的凝聚力，促進了巖體與基部的掏蝕作用。同時，雨水填充裂隙，產生靜水壓力，加巖體重量，同時水對裂隙內的填充物質也有一定的軟化作用，降低巖體穩定性，造成失穩（唐紅梅等，2009；魏麗，2005）。

4 穩定性及運動特征分析

4.1 定性分析

由于坡頂及坡面處植被發育較好，坡頂處未發現明顯后緣裂縫，且歷史上未發生過大規模的崩塌災害，因此，坡體整體穩定性較好。但是由于危巖帶處風化較嚴重，裂隙發育，造成危巖帶表面較為破碎，因此在暴雨、久雨或地震工況下，有可能發生崩落，威脅到坡體前方居民安全。據帶內危巖現狀及其空間幾何特征，危巖體1和危巖體2失穩破壞方式分別符合墜落式和傾倒式。墜落式崩塌主要因巖腔向崖內風化擴展，塊體重心逐漸偏移，失去支撐，在重力作用下與母巖突然脫離（陳洪凱等，2009a）。危巖體1（W1）下部受上部巖體及背部巖體擠壓形成凹腔，后部存在陡傾裂隙，裂隙尚未完全貫通，經現場觀察，危巖體重心位于凹腔內部，目前處于基本穩定狀態。但在暴雨、地震等工況時，受上部巖體的擠壓及雨水沖刷作用，裂隙及凹腔可能進一步擴大，造成巖體失穩。傾倒式失穩主要因為底部基座的風化剝離作用，對上部巖體的支撐力矩逐漸變小，傾覆力矩顯著增大，巖體以基座受力點為支點發生傾倒。危巖體2（W2）后部陡傾裂隙已經形成，且基本貫通，整體處于基本穩定狀態。

4.2 定量分析

結合規范要求與大量工程實例，選取墜落式及傾倒式的穩定性計算公式（陳洪凱等，2009b；賈東遠等，2004），分別對W1、W2進行定量計算，穩定性計算結果統計見表1。由表1可以看出，在自然工況（工況1）下，處于基本穩定狀態，在暴雨工況（工況2）和地震工況（工況3）下，處于不穩定狀態。因此，在極端條件下存在發生崩塌的隱患。

表1 三種工況下危石的穩定性評價Tab.1 evaluation of stability under 3 different calculating conditions

4.3 運動特征計算

利用RocFall軟件計算落石軌跡，記錄其沖擊能量、滑動距離及彈跳高度。選取特定剖面線對坡頂處較大體積及小體積典型巖塊進行運動軌跡計算，從偏于保守的角度考慮巖塊的形狀設為近于圓形落石。危巖體從坡上墜落或傾倒破壞，并以一定初速度在陡坡上碰撞彈跳，彈跳結束后以一定的初速度沿坡面滾動，直至其停留。經計算，各剖面巖塊崩落的最大總動能一般不超過750kJ，最大彈跳高度不超過3.0m，最大運動水平距離一般在100 m左右，小于150m。由于危巖位于高位，勢能較大，且坡底居民區距坡頂危巖帶水平距離最近處不足100m，考慮到較大體積危巖的存在，一旦發生崩落會對當地居民生命財產安全構成威脅。

5 治理工程設計

根據防治工程“抓住關鍵、突出重點、消除隱患”的原則，結合賈峪口村坡頂處危巖的發育情況及村內居民生活環境等因素，采用“危巖清削+主動防護網+被動防護網”的綜合治理方案，剖面布置圖見圖3。

圖3 剖面布置圖Fig.3 Pro file layout design

（1）對危巖帶（WYD1、WYD2）及危巖體（W1、W2）進行清削。根據坡體地形地貌，采取以人工為主的方式進行清削。清削后坡面應為較完整的巖體。

（2）經過清削后，對WYD1、WYD2沿著裸露面設置主動防護網，防止或減輕崩塌落石。

（3）在接近坡腳處，沿著居民區自西向東設立兩道被動柔性防護網，根據軌跡模擬結果防護網設計高度均為3m，攔截坡面滾落的碎石。

6 結論

（1）賈峪口崩塌災害隱患點危巖帶是受區域構造條件、巖體工程地質條件及降雨沖刷、差異風化等影響，在內、外部因素共同作用下形成的。裂隙發育對其破壞起著決定性的作用。W1破壞模式為墜落式、W2破壞模式為傾倒式。

（2）危巖體在自然工況（工況1）下，處于基本穩定狀態，在暴雨工況（工況2）和地震工況（工況3）下，處于不穩定狀態。因此，在極端條件下存在發生崩塌的隱患。

（3）結合賈峪口村坡頂處危巖的發育情況及村內居民生活環境等因素，采用“危巖清削+主動防護網+被動防護網”的綜合治理方案，較為有效地解除了該區域的安全隱患。

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