北京石景山功碑閣西側陡壁崩塌地質災害特征及治理方案

收稿日期：2023-07-13；修回日期：2024-03-12

作者簡介：樊金桂（1979- ），男，本科，高級工程師，主要從事巖土工程設計、地質災害勘查及治理設計研究工作。E-mail：fanjingui2009@163.com

引用格式：樊金桂，2024.北京石景山功碑閣西側陡壁崩塌地質災害特征及治理方案［J］.城市地質，19（2）：149-157

摘 要：崩塌地質災害點位于北京石景山山體頂部的功碑閣西側附近的陡壁位置。山體主體走向為N34°W-S34°E，在山脊西側附近斷續分布著平行于山脊的陡立巖壁，沿山脊方向覆蓋長度約170 m，巖壁上節理裂隙極為發育，認為其一旦發生崩塌，將對其下方景觀小路上的過往游人及山腳下的既有“豐沙線鐵路”安全造成嚴重影響。根據現場實際條件和工程經驗，開展了治理工程設計，通過對治理方案的比選分析，最終選用了“全范圍格構錨固”綜合治理方案。通過本次治理達到了防災減災的目的，保障了人民生命財產安全。

關鍵詞：石景山山體；功碑閣西側陡壁；崩塌地質災害；格構錨固；治理方案

Characteristics and treatment of collapse geological disaster near Gongbei Pavilion， Shijingshan， Beijing

FAN Jingui

（Beijing Institute of Mineral Geology， Beijing 100050， China）

Abstract： The geological hazard site of the collapse is located on the steep wall of the overhanging cliff to the west of Shijingshan Mountain GongBei Pavilion in Shijingshan District， Beijing. The main direction of the mountain is N34°W - S34°E. There are intermittent steep rock walls parallel to the ridge near the west side of the ridge， covering a length of about 170 m. The joints and cracks on the rock walls are extremely developed. It is believed that once it collapses， it will seriously affect the safety of pedestrians on the landscape path below and the existing "Fengsha Line Railway" at the foot of the mountain. Based on the actual site conditions and engineering experience， and through comparative analysis， the comprehensive treatment plan of "full range lattice anchoring" was ultimately selected. Implementation of this plan has resulted in disaster reduction and ensured the safety of peoples lives.

Keywords： Shijingshan Mountain; GongBei Pavilion; rockfall geological disaster; lattice anchorage

北京石景山功碑閣是石景山區地標性建筑之一，也是西山永定河文化帶的重要節點。最初為始建于唐代的金閣寺舍利塔塔院，院內曾建有覆缽式寶塔1座，砌筑在磚石混建的塔基之上，后毀于戰火。1993年，首鋼集團在石景山金閣寺塔院遺址上仿照頤和園萬壽寺佛香閣修建完成功碑閣。功碑閣以前一直處于封閉狀態，僅對下方的豐沙線鐵路做過被動防護網防護措施。現在要對外開放，必須消除西側陡壁崩塌地質災害影響，確保景區游人以及下方豐沙線鐵路的安全。

崩塌災害往往具有位置高、地形陡、邊界條件復雜、勘查難度大等特點，災害治理設計須因地制宜，充分考慮各種因素（李巖等，2023；冉淑紅等，2024；白江偉等，2024）。由于豐沙線鐵路在山體下方穿過，在鐵路上方即山體下方設有被動防護網保護鐵路的行車安全。功碑閣在對外開放后，治理工程既要考慮安全可靠，又要考慮與景區的自然景觀相互協調。功碑閣治理項目在設計過程中，依據DB11/T 1524-2018《地質災害治理工程實施技術規范》及相關技術規范，結合現場實際情況和對2022年北京冬奧會部分場館影響，充分考慮了治理后的美觀和綠化問題。該項目于2017年開展勘查及治理設計工作，于2019年7月完成現場治理施工工作。本文對功碑閣西側附近的陡立巖壁崩塌巖體進行穩定性分析，選定治理方案并實施，其成果可為復雜區域環境下的災害治理提供借鑒意義。

1? 崩塌地質災害基本特征

崩塌地質災害點位于北京市石景山區石景山山體頂部的功碑閣西側附近的陡壁位置。石景山山體主體走向為N34°W-S34°E，在山脊西側附近斷續分布著平行于山脊的陡立巖壁，沿山脊方向覆蓋長度約170 m，巖壁上節理裂隙極為發育，在巖壁表面及淺部形成多個危巖帶（賀凱等，2015）及眾多大小不等的危巖體。

1.1? 地層特征

研究區內地層為三疊系雙泉組，主要巖性為凝灰質石英巖、巖屑砂巖、粉砂巖。黃綠色，細粒結構，主要礦物為石英、長石，層狀構造，單層厚度一般20～40?cm，普遍夾泥。地層產狀55～70°∠ 18～23°。

1.2? 危巖帶（WYD3）

1）陡壁特征

危巖帶（WYD3）分布于功碑閣西側附近的陡壁部位，沿陡壁坡面產出。該段陡壁南北向長約35 m，高度21.37～25.36 m，陡壁頂部較平坦，底部北高南低，底標高變化較大。陡壁西傾，平均產狀240°∠ 63°～71°，陡壁坡面產狀與地層產狀相反。

2）范圍、規模及形態

危巖帶（WYD3）整體上呈北矮南高，北薄南厚。具體表現為：南北向長約24 m，高度7.8～23.17 m，北端附近厚度較小，僅1.5～2.0 m，向南逐漸變厚，至南部中段及南端厚度達8～10 m。

3）結構

危巖帶（WYD3）南北兩界以側向節理為邊界，并完全暴露；北界可見1#大型裂縫，南界可見6#大型裂縫，該2條裂縫實為同一條裂縫，貫穿危巖帶南北，并構成危巖帶東部邊界，裂縫北窄南寬，北端寬度約0.1～0.25 m，南端寬度約0.8 m，該貫通裂縫產狀230～250°∠ 72～79°，其產狀面與陡壁坡面產狀近于平行一致；危巖帶（WYD3）坡腳附近不存在切割該危巖帶底部的外傾貫通性結構面；危巖帶西坡面產狀與所在陡壁坡面產狀一致。

該危巖帶所在范圍內多處發育大型裂縫及空洞，本次共統計6條，分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#大型裂隙。永定河斷裂從石景山山體西側山腳下通過，呈NW-SE向延展，長約30 km，走向330～150°，傾向北東，傾角約70°。石景山山脊走向（主體走向為326～146°）及危巖帶（WYD3）背后的大裂縫走向320～160°（產狀230～250°∠ 72～79°），與永定河斷裂走向基本一致。但傾向正好相反。顯然，大裂縫與永定河斷裂密切相關，初步認為屬于同期產物。

該危巖帶所在范圍內普遍發育3組密集節理：①組外傾節理、②組側向節理、③組內傾節理。內傾節理多沿砂巖層理面發育，外傾節理常發育成大型裂縫，甚至空洞，這些密集的節理、裂縫、空洞，對陡壁坡面表層巖石形成密集切割，影響深度較大，一般可達4～6 m，多處形成坡面浮石、松動巖塊、孤立巖塊，巖塊體積一般0.50～2.0 m?（圖1、圖2）。

1.3? 巖塊集合體（WYT3-1）及危巖體（WYT3-2）特征

1）巖塊集合體（WYT3-1）

在陡壁東段的中下部存在1個上下延伸的“鼻狀凸起”特殊地貌，在“鼻狀凸起”的中下部存在1個“巖塊集合體”。該“巖塊集合體”沿坡面上下長約12 m，水平寬約6 m，平均厚約2 m，總方量約144 m?，其中的單體巖塊體積較大，一般尺寸為1.0 m×0.60 m×0.40 m左右。本文將此“巖塊集合體”按危巖考慮，編號WYT3-1，該“巖塊集合體”與下伏基巖之間總體上呈漸變過渡關系，上段底界局部可見大型斜切節里面，下段底界沒有明顯界限，并完全進入坡積層中。該“巖塊集合體”中的個別巖塊地層產狀已發生小角度偏轉，實測產狀40°∠15°，明顯不同于“鼻狀凸起”附近正常地層產狀75°∠18°。初步判斷個別巖塊可能已產生輕微移動（圖3）。

2）危巖體（WYT3-2）

在陡壁中下部的南緣附近存在1個上下延伸的巨型孤立巖塊，本次將其確定為危巖體（WYT3-2），其順坡面產出，沿坡面上下高約6 m，水平寬6～8 m，向山體內厚度平均2.0 m，體積約72～96 m3。

危巖體（WYT3-2）下方存在1個既有漿砌石嵌補工程，并與其直接接觸。該嵌補工程沿坡面水平最大寬度6.5 m，沿坡面上下高度9 m，表面風化、老化明顯，多處漿體松動剝落，施工時間及單位不詳（圖4）。

2? 崩塌地質災害穩定性分析

2.1? 危巖帶及危巖體的穩定性分析

1）危巖帶（WYD3）

危巖帶（WYD3）南北兩側被切割、暴露，東側背后被1#（含6#）外傾大型節理面貫通，在坡腳附近的地面以上部位，不存在切割該危巖帶底部的外傾貫通性結構面，并且地層層面反傾，對整個危巖帶穩定性有利。因此，認為危巖帶（WYD3）整體穩定，不具備整體滑動、傾倒的可能性。

2）巖塊集合體（WYT3-1）及危巖體（WYT3-2）

由于巖塊集合體（WYT3-1）及危巖體（WYT3-2）形態、結構及邊界條件的特殊，暫無法套用現有計算模型（劉伍，2016）進行穩定性定量計算，因此，本次對其穩定性僅進行宏觀分析、判定。

巖塊集合體（WYT3-1）：其整體上呈塊狀集合體、整體陡立外傾、個別巖塊已有輕微移動跡象，因此，認為：目前整體處于欠穩定狀態，在暴雨及地震條件下處于不穩定狀態，其內的個別巖塊有可能發生崩落，從而引發更多的巖塊崩落（曾芮等，2018）。

危巖體（WYT3-2）：目前整體基本穩定，在暴雨及地震條件下，隨著其下方的既有漿砌石嵌補工程（主要指粘結材料）進一步風化、老化、脫落、淘空，漿砌石嵌補工程整體強度將持續降低，當其難以支撐上方的危巖體（WYT3-2）時，危巖體（WYT3-2）將處于不穩定狀態，從而引發危巖體（WYT3-2）滑動墜落，產生滑移式崩塌破壞（劉傳正，2014）。

2.2? 崩塌巖塊運動特征分析

巖塊集合體（WYT3-1）及危巖體（WYT3-2）一旦整體失穩，其墜落滾動能量巨大，危害極為嚴重，本次暫不對其失穩后的運動軌跡進行計算，只對危巖帶（WYD3）表面的普通松動巖塊的失穩滾落進行運動軌跡計算。

將危巖帶（WYD3）表面的松動巖塊理想化為直徑1.0 m的球體，體積0.523 3 m3，密度2.98 g·cm-3，質量1 559 kg。預計巖塊從陡崖上滑動或傾倒破壞，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，直至停止滾動（黃潤秋等，2007）。

采用Rockfall軟件，選擇5-5′剖面、6-6′剖面，分別對崩塌落石運動進行計算。計算結果顯示，危巖帶（WYD3）表面的松動巖塊崩落過程中，落石最大跳越高度3.6 m，在西坡半山腰附近的景觀小路上方約5 m處，最大總動能194 kJ，自陡壁坡腳起向西最大水平影響距離96 m，已達到山體坡腳下的既有“豐沙線鐵路”。

景觀小路位于危巖帶（WYD3）下方不遠處，處于崩塌落石的影響范圍內，一旦有危石崩落將會對半山腰處景觀小路上的過往游人及山腳下的既有“豐沙線鐵路”構成威脅，因此，迫切需要對崩塌隱患進行治理（圖5）。

3? 治理方案與設計

根據致災地質體對受災對象可能造成的災害程度及工程投資等因素，確定本防治工程等級為Ⅲ級。

3.1? 治理方案比選分析

采用比選法確定治理方案，本著安全可行、經濟合理的原則，初設2個方案進行比選。

方案一：“局部格構錨固 + 被動防護網”治理方案。僅對巖塊集合體（WYT3-1）及危巖體（WYT3-2）采用“鋼筋混凝土格構 + 錨桿”（程江濤等，2007）進行加固，錨桿必須穿過危巖帶（WYD3）東側背后的大型貫通性外傾裂縫，并有足夠的錨固段；在西坡半山腰處的景觀道路上方水平距離約6 m處設置被動防護網（趙雅娜等，2016；趙世春等，2013；劉成清等，2014）用于攔截危巖帶（WYD3）的表層松動巖塊崩落；對陡壁坡面出現的寬大裂縫采用水泥砂漿灌注（或采用混凝土封填）。

方案二：“全范圍格構錨固”綜合治理方案。考慮到治理目標所在坡面較陡，坡角達63～71°，坡面裂縫及空洞較多、表面松動巖塊及浮石處處可見，如果對3?處目標進行單獨治理，不僅難度較大、在施工上危險極大。所以，采取“盡可能不去觸碰、格構+錨桿全面覆蓋的治理方法”更為安全、施工風險相對較小、更具有可操作性（韋京蓮等，2001）。具體治理方案為：對巖塊集合體（WYT3-1）、危巖體（WYT3-2）及危巖帶（WYD3）區域采用“高強度鋼絲格柵網襯底 + 鋼筋混凝土格構 + 錨桿”進行加固，錨桿必須穿過危巖帶（WYD3）東側背后的大型貫通性外傾裂縫，并有足夠的錨固段；清除危巖帶（WYD3）所在陡壁范圍內的表面浮石；對陡壁坡面出現的寬大裂縫采用水泥砂漿灌注（或采用混凝土封填）。

經綜合考慮，選擇方案二。

3.2? 格構錨固設計

3.2.1? 錨桿設計參數

本工程中的錨桿屬于永久性錨桿，并采用全黏結巖石錨桿，所有錨桿均需穿過危巖帶（WYD3）東側背后的南北向貫通的1 #大型裂縫，并將穿過后的深度作為錨固段長度（高永濤等，2002）。錨孔直徑90 mm，錨桿采用1根直徑28 mm的HRB400鋼筋，錨桿設置在格構節點上，間距為2.0 m，傾角15°，錨固段長度不小于4.0 m，單根錨桿抗拔力不小于100 kN。

錨桿頭錨入格構梁內長度不小于40倍錨桿鋼筋直徑。錨桿為全孔灌注水泥砂漿，采用標號為P.O42.5的普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.5～0.55，灰砂比1∶0.75～1∶1，強度設計為M30。

對于錨桿外露段（漿砌石和砂漿砌筑找平）及錨桿淺部1 m范圍內，采用除銹、刷瀝青船底漆和瀝青玻纖布纏裹二層處理措施（圖6）。

3.2.2? 格構梁設計參數

格構梁在坡面呈正方形布設，格構梁截面采用300?mm（寬度）× 400 mm（高度），采用C25混凝土澆筑；格構梁沿坡面間距2.0 m × 2.0 m，格構節點處設置錨桿。

格構梁縱梁的墩基礎橫截面800 mm × 800 mm，基底全斷面設在基巖上（圖7、圖8）。

3.2.3? 高強度鋼絲格柵網襯底

格構梁下面采用GTC-65B型高強度鋼絲格柵網襯底，防止格構框內的小型松動巖塊脫落。

3.2.4? 錨桿抗拔力驗算

邊坡工程安全等級確定為二級，治理工程中的錨桿屬于永久性全黏結巖石錨桿。

1）錨桿長度驗算

錨桿錨固力計算公式：

式中：為標準組合時錨桿所受軸向拉力標準值（kN），本工程取≥100 kN；為錨桿錨固段鉆孔直徑（m），本工程取0.09 m；為錨桿錨固段長度（m），本工程取≥4.0 m；為巖石孔壁與錨固體之間的極限黏結強度標準值（kPa），本工程取值700 kPa；為錨桿錨固體抗拔安全系數，本次取2.4。

計算結果：=329.7 kN ≥ 100 kN（采用值）。

2）錨桿鋼筋截面驗算

錨桿鋼筋截面計算公式：

式中：為錨桿鋼筋截面面積（m2）；為標準組合時錨桿所受軸向拉力標準值（kN），本工程取≥100 kN；為錨桿桿體抗拉安全系數，本次取2.0；為普通鋼筋抗拉強度設計值（N·mm-2），HRB400鋼筋抗拉強度設計值360 N·mm-2。

計算結果：當=100 kN，采用HRB400鋼筋，則需要其截面積= 555.5 mm2（最低值）。

1根直徑28 mm 的鋼筋截面面積為615.4 mm2；615.4 mm2（采用值） ≥ 555.5 mm2（最低值）；經驗算，采用1根直徑28 mm 的HRB400鋼筋錨桿作為桿體，滿足鋼筋截面面積要求。

3）錨桿鋼筋與錨固砂漿間的錨固長度驗算

計算公式：

式中：為錨桿桿體與錨固砂漿間的錨固長度；為錨桿錨固體抗拔安全系數，本次取2.4； ≥100 kN（本工程取值）；為桿體鋼筋根數，本工程取值1根；為錨筋直徑（m），本工程取0.028 m；為鋼筋與錨固砂漿之間的黏結強度設計值（MPa），取值2.40（本工程水泥砂漿采用M30）。

計算結果：=1.14 m < 4.0 m（采用值）。錨固長度滿足要求。

根據錨桿長度、錨桿鋼筋截面、錨桿鋼筋與錨固砂漿間的錨固長度驗算，本工程采用的錨桿滿足設計要求。

3.3? 邊坡變形監測

重點監測“巖塊集合體（WYT3-1）、危巖體（WYT3-2）”所在的治理區域的變形，針對錨桿外露端的錨頭部位設置變形監測點，進行水平位移及豎向位移的監測（趙忠海等，2018）。

1）施工期間巖塊集合體（WYT3-1）和危巖體（WYT3-2）邊坡的位移監測采用全站儀進行監測，在危巖體（WYT3-1、WYT3-2）上和危巖帶（WYD3）邊坡上設位移和沉降監測點，在巖塊集合體（WYT3-1）和危巖體（WYT3-2）上各設置1個監測點；危巖帶（WYD3）邊坡上設置4個監測點，采用邊角測量與基準線法相結合的綜合測量方法，通過數據分析指導施工；選取3根錨桿，在桿體上布設鋼筋應力計，應力計間距2 m，共布設6個應力計，進行錨桿桿體受力監測，以了解錨桿受力情況。

2）人工巡視和裂縫觀測：人工巡視是一項經常性的工作，施工期間施工單位應安排專人堅持每天進行巡視。當坡體表面發現裂縫時監測組及時在裂縫處埋設裂縫觀測裝置，通過觀測裂縫的變化過程和變化規律來分析坡體的變形情況和破壞趨勢。施工完成后，以景區管理部門人員作為具體監測人，配備專職安全員進行定期或不定期巡視監測，了解格構錨固和嵌補注漿加固的使用情況，觀測其表面有無開裂、外傾、沉降等變形跡象，同時巡視危巖體和危巖帶地質災害的發展變化，發現問題立即向上級主管部門上報，以便及時妥善處理并引導游人群眾疏散、避災、救災。

3）監測周期：施工期間應把監測工作作為重點，人工巡視每天1次，儀器檢測每天進行監測1次，保證施工中的安全；施工結束后轉為長期監測，人工巡視每月1次觀測，在遇暴雨、發現滑速增快或觀測過程中發現有大位移的可能時，應立即縮短觀測周期，及時增加觀測次數。

3.4? 治理效果

治理工程自2019年3月開工，至2019年7月竣工，完成了功碑閣西坡陡壁崩塌地質災害的格構錨固現場施工工作，并于2019年7月31日完成現場施工驗收（圖9）。

4? 結論

1）功碑閣西側崩塌地質災害的治理設計，既考慮了設計本身的安全性，也考慮了施工風險和施工的可操作性，為后續順利施工提供了可靠保障。

2）景區內的地質災害治理設計不同于一般的地災治理，一定要考慮與當地的自然景觀相互融合和治理后的綠化提升，達到治理效果與景觀效果相統一。

3）在地質災害治理設計過程中，設計人員應該掌握一些園林景觀設計理念，在災害治理設計的同時融入景觀設計，才能更好地適應新的發展需求。

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