北川縣壩底鄉(xiāng)菜市場后山危巖穩(wěn)定分析與評價

李慧蘭

（長春工程學(xué)院勘查與測繪學(xué)院，長春130021）

0 前言

青石包危巖位于青石包一山咀陡崖地帶，分布高程1 104.32～1 145.32m，高度約41m?？v向?qū)挾?.50～3.50m，橫向?qū)挾燃s20～35m，總體積約3 690m3，為小型崩塌，危巖體地形坡度約70°～80°，后緣見灌叢分布，中下部裸露，崩滑方向47°左右。青石包危巖受地震的影響，使危巖體后緣出現(xiàn)了拉張裂縫，危巖整體性失穩(wěn)的可能性大，危巖滑塌后對前緣市政設(shè)施和居民將會構(gòu)成威脅。青石包危巖目前處于間歇式蠕動變形階段，在暴雨及地震作用下，有垮塌的可能。目前地質(zhì)災(zāi)害體無任何防護、排水措施，一旦災(zāi)害體發(fā)生變形，將會威脅到滑坡前緣市政基礎(chǔ)設(shè)施（農(nóng)貿(mào)市場、客運站）和居民（28戶，人口110人）生命財產(chǎn)安全，其后果將不堪設(shè)想。

1 場地工程地質(zhì)條件

青石包危巖位于陡崖地帶，地形坡度65°～75°，崩滑面為陡坡，地形坡度30°～55°，坡體植被較發(fā)育，以灌叢為主。

1.1 地層巖性

根據(jù)勘查報告，按主要工程地質(zhì)特性、巖性組合，區(qū)內(nèi)巖土可分2個工程地質(zhì)巖類：即松散巖土類和風(fēng)化節(jié)理發(fā)育的較軟巖類。

1.1.1 松散巖土類

1.1.2 風(fēng)化節(jié)理發(fā)育的半堅硬巖類

主要為志留系茂縣群（S2－3mx）千枚巖、局部夾砂巖巖組，以及淺變質(zhì)千枚巖、砂頁巖巖組。薄層—薄片狀構(gòu)造，由于地層經(jīng)歷多次構(gòu)造運動影響，褶皺緊密、尖棱、倒轉(zhuǎn)、揉皺、拖拉現(xiàn)象十分普遍，層間褶皺發(fā)育，巖石破碎，裂隙密集發(fā)育，巖石區(qū)域輕微變質(zhì)。力學(xué)強度較低，常發(fā)生崩塌和滑坡。

1.2 水文地質(zhì)條件

1.2.1 地表水

災(zāi)害體位于斜坡地帶，地表水體不發(fā)育，坡體微型小沖溝較發(fā)育，常態(tài)下溝內(nèi)無水，在持續(xù)強降雨下有暫時性洪流。湔江河一級支流——青片河于災(zāi)害體前緣50～150m處，自北西—南東向流過，為工作區(qū)內(nèi)主要地表水體，工作區(qū)段河床寬約40～50m，水深0.20～0.80m，初估流量約Q＝0.50m3／s，河水流速平緩，河床縱坡降小。

1.2.2 地下水

勘查區(qū)內(nèi)地下水類型有松散堆積層孔隙潛水和基巖裂隙潛水2大類。

1.2.2.1 第四系松散層孔隙水

主要賦存于塊碎石土及粉質(zhì)黏土質(zhì)碎塊石層中，主要接受大氣降水補給，部分以坡面徑流形式排泄，部分入滲后大致沿坡體內(nèi)部向坡體低洼處及青片江排泄，受地形地貌的控制，水量不大，持續(xù)強降雨時局部積聚，分布不連續(xù)，勘查期內(nèi)鉆孔深度范圍內(nèi)為干孔。

1.2.2.2 基巖裂隙水

埋藏于砂質(zhì)千枚巖裂隙中，含水、透水性受巖性、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、風(fēng)化程度影響。它主要接受大氣降水及上覆松散層孔隙水補給。從地形地貌上看，工作區(qū)無集中補給的山間有利地形，地表水徑流路徑短，僅少量下滲補給深部地下水，大部分順坡向低洼處排泄，故水量不大，且埋藏深，本次勘查未見泉眼出露。地下水對混凝土不具侵蝕性。

1.3 地震

依據(jù)GB 5001—2001《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，工作區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，設(shè)計基本地震加速度值為0.20g。

2 危巖基本特征

2.1 崩塌源（危巖）基本特征

危巖體巖性為薄片狀千枚巖夾中厚層狀變質(zhì)粉砂巖，產(chǎn)狀357°∠73°。巖體主要發(fā)育2組裂隙：①186°∠76°，②287°∠43°，同巖層產(chǎn)狀一起構(gòu)成危巖的結(jié)構(gòu)面。由于巖體巖性軟硬不均，較硬的粉砂巖切割成塊狀、碎石狀，形成凸狀危巖塊，較軟的千枚巖切割成碎石狀、碎片狀，較易風(fēng)化形成巖腔。危巖體地形坡度約70°～80°，后緣見灌叢分布，中下部裸露，崩滑方向47°左右。

受地震的影響，危巖體頂部（后緣）發(fā)育一組拉張裂縫帶，其延伸走向150°～160°，由3條裂縫構(gòu)成，平面形態(tài)為圓弧狀；拉張寬度5～10cm，延伸長度約20～35m，貫通深度約10m，距離前緣臨空面最大距離3.50m。危巖體目前為欠穩(wěn)定狀態(tài)，每年雨季都有規(guī)模不等的崩塌發(fā)生，對危巖下方坡腳住戶構(gòu)成威脅。

2.2 崩滑面基本特征

危巖崩落脫離母巖體后在重力作用下沿坡體下方滾動、滑移的面。崩滑面地形地貌上為凹形坡，地形總體較陡，地形坡度30°～53°，坡體植被較發(fā)育，以低矮灌叢為主，零星分布少量喬木，坡體由薄片狀千枚巖構(gòu)成，第四系松散層薄，邊坡穩(wěn)定性較好。

2.3 崩塌堆積體基本特征

危巖崩塌堆積體有2處，分別位于距危巖體水平距離35～75m范圍內(nèi)和坡腳。堆積體1：位于危巖體下方，呈錐狀分布，堆積體縱向坡度20°～45°，前緣較緩、中上部較陡。前緣寬約20m，縱向長度約30m，堆積體厚度1～3m，方量約400m3。堆積物以碎塊石為主，粒徑一般40～250mm，大者可達0.8m×1.3m×1.4m，結(jié)構(gòu)疏松，局部見架空現(xiàn)象。受這次5.12地震的影響，新近堆積物前緣寬約5m，縱向長約20m，厚度約0.50～1.00m，方量約80m3。堆積體植被覆蓋低，零星分布雜草和少量灌木。由于堆積體結(jié)構(gòu)松散，堆積體地形坡度接近其土層自然休止角，現(xiàn)狀處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，前緣坡體地形陡峻，故其穩(wěn)定總體較差，在暴雨期極易失穩(wěn)，為坡面泥石流的形成提供了物源。堆積體2：分布于距危巖體水平距離240～340m范圍內(nèi)，陡坡下部坡腳，呈緩坡錐狀分布。堆積體縱向坡度5°～10°，受人類活動的影響局部改造成階梯狀耕地。前緣寬約90m，縱向長度約80m，堆積體厚度3～7m，方量約1 200m3。堆積物以碎塊石為主，粒徑一般30～180mm，大者可達0.5m×1.0m×1.5m，表層結(jié)構(gòu)疏松，局部見架空現(xiàn)象，中下部稍—中密狀。據(jù)民訪和地面調(diào)查，本次地震時未見滾石發(fā)生，未見新的堆積。堆積體坡體植被不發(fā)育，以旱地為主。堆積體地形平緩，結(jié)構(gòu)較密實，穩(wěn)定性好。

3 危巖體形成機理

通過調(diào)查與分析，危巖體的變形破壞機制主要受地形巖性、外傾結(jié)構(gòu)面控制，降雨、地震是危巖崩塌的催化劑，其形成機制可概括如下。

3.1 地形

危巖變形體位于陡崖、陡坡地形，高20.0～45.0m，坡角在60°～80°之間，這給崩塌的發(fā)生發(fā)展提供了變形空間。陡峻臨空的地形是崩塌發(fā)生的先決條件。

3.2 地層巖性

地層巖性是發(fā)生崩塌的基礎(chǔ)條件。在漫長的地質(zhì)年代中，邊坡上裸露的巖體在大氣流水等自然營力的作用下，不斷風(fēng)化剝落，硬質(zhì)巖風(fēng)化剝落速度慢，軟質(zhì)巖風(fēng)化剝落速度快。如前所述，正是這種差異性風(fēng)化使軟硬巖層交界處的軟巖內(nèi)縮，形成洼巖腔，硬巖外懸，形成懸挑狀危巖，年復(fù)一年，懸挑日劇，最終發(fā)生崩塌，露出新的臨空面之后，新一輪卸荷裂隙、洼巖腔、懸挑危巖又在新的臨空面上形成，然后有發(fā)生崩塌。項目區(qū)出露的地層巖性為志留系中上統(tǒng)茂縣群（S2－3mx）薄層狀—極薄層狀千枚巖夾中厚層狀變砂巖，千枚巖抗風(fēng)化能力較弱，形成緩坡，變砂巖形成陡崖；由于差異風(fēng)化作用，為崩塌的形成提供了基礎(chǔ)條件。

3.3 構(gòu)造作用

構(gòu)造作用是發(fā)生崩塌的控制條件。當有外傾裂隙存在時，陡傾裂隙與外傾裂隙的組合將邊坡巖體切割成網(wǎng)狀。同樣，在陽光、氣溫、雨水的作用下，巖體結(jié)構(gòu)面不斷張開，加上重力產(chǎn)生下滑力作用，陡傾結(jié)構(gòu)面比外傾結(jié)構(gòu)面更易開展。這樣日積月累，最外面的一個潛在滑塌體穩(wěn)定性越來越差，直到下滑破壞，然后它后面的塊體又陸續(xù)形成新的下滑體，出現(xiàn)累進式的發(fā)育—破壞—再發(fā)育—再破壞。項目區(qū)內(nèi)千枚巖和變砂巖受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用，發(fā)育2組構(gòu)造裂隙：①186°∠76°，②287°∠43°，切割巖體或構(gòu)成崩塌變形體，2組裂隙與巖層面的組合切割，將巖體切割成碎塊狀、碎石狀，為崩塌的發(fā)生提供了基礎(chǔ)條件。

3.4 地震、降雨是發(fā)生崩塌的激發(fā)條件

在一般情況下，崩塌堆積體處于穩(wěn)定狀態(tài)。在暴雨激發(fā)下，大氣降雨滲入裂隙之中，產(chǎn)生動水和靜水壓力，當裂隙水深滲入底部，在水壓力作用下，水體沿裂隙及節(jié)理面運移，降低其力學(xué)強度，導(dǎo)致崩塌的發(fā)生及發(fā)展。地震力亦是產(chǎn)生崩塌的一個誘發(fā)因素，地震產(chǎn)生水平力，使順坡向裂隙變形加劇，進一步拉張以至于貫通，加劇崩塌的發(fā)生和發(fā)展。

4 危巖穩(wěn)定性評價

4.1 危巖穩(wěn)定性評價方法的確定

危巖塊體穩(wěn)定性受多個因素影響，是多個因素相互作用、相互促進、相互抵消的結(jié)果。不同的危巖塊體系統(tǒng)都有各自的特點，各種因素對其穩(wěn)定性影響程度也不一樣。目前危巖穩(wěn)定性計算方法常用4類，即基于有限元的靜力穩(wěn)定性分析法、可靠度分析法、基于監(jiān)測資料的比較辨識法及靜力解析法。

4.1.1 有限元的靜力穩(wěn)定性分析法

用有限元方法計算位移和應(yīng)力時，工程中采用的接觸單元（或夾層單元）求解接觸問題。當危巖體滑動面已知，采用靜力分析法，對給定的材料參數(shù)計算位移、應(yīng)力狀態(tài)，以危巖體的滑動力和阻滑力相等為條件確定材料參數(shù)的安全系數(shù)。但巖體既不是完全彈性體，也不是彈塑性體，計算出的應(yīng)力和位移與實際情況有一定出入，加上有限元計算量大。

4.1.2 可靠度分析法

首先根據(jù)危巖塊體滑動破壞模式建立起危巖塊體穩(wěn)定性的極限狀態(tài)函數(shù)方程，然后選取可靠度求解方法計算危巖塊體穩(wěn)定性的可靠度指標和破壞概率。而在巖土工程領(lǐng)域，特別是巖體邊坡工程，到目前還沒有一種規(guī)范性的巖體邊坡破壞尺度。關(guān)于巖體邊坡破壞尺度的觀點很多，受到人為因素控制較多。

4.1.3 比較識別法

在工程地質(zhì)區(qū)域，考慮變形破壞方式及相應(yīng)的變形破壞特征、位移關(guān)系式，針對各種可能的變形和破壞情況建立（或調(diào)整優(yōu)化已有的）變形監(jiān)測網(wǎng)，由監(jiān)測資料計算得到變形區(qū)域的空間位移向量，對比各種可能的變形破壞方式相應(yīng)的變形特征和位移關(guān)系式，從而辨識出實際發(fā)生的變形破壞方式、變形區(qū)域及變形演化到破壞的過程。但該方法在工作時，會碰到一些不明確的情況，在確定變形區(qū)域，求取空間位移矢量時，給結(jié)論帶來不確定性。

4.1.4 靜力解析法

在工程實際中最常用的穩(wěn)定性分析方法還是靜力解析法，這種方法簡單可行，結(jié)果明確，但危巖體破壞模式認識的區(qū)別導(dǎo)致了失穩(wěn)判據(jù)的不同，判據(jù)中參數(shù)的確定又與地勘資料密切相關(guān)。

巖體變形破壞過程非常復(fù)雜，建立合理的計算模型和準確的計算參數(shù)取值使其客觀描述巖體特征是數(shù)值計算是否合理的關(guān)鍵，通過對上述危巖穩(wěn)定性評價方法分析及現(xiàn)有資料，確定用最常用的穩(wěn)定性分析方法——靜力解析法。

4.2 危巖體破壞方式

危巖的變形十分緩慢不易察覺，破壞過程十分短暫，通過對危巖體形態(tài)特征、邊界及結(jié)構(gòu)面特點的分析，該危巖體失穩(wěn)破壞方式可歸納為墜落（掉塊）和整體滑塌2種類型。

4.2.1 墜落（掉塊）

由于構(gòu)成危巖體為薄層—極薄層狀千枚巖，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，切割成碎片狀、碎石狀，受風(fēng)化用的影響，常出現(xiàn)掉渣、掉塊等小規(guī)模墜落。剝落下來的巖塊塊徑不大，一般3～15cm，最大僅20～40cm，滾落影響范圍較小，僅堆于危巖體下方地帶（堆積體1）。

4.2.2 滑塌

受地震的影響，危巖體后緣發(fā)育一組傾向坡外、順坡向分布的結(jié)構(gòu)面，在危巖體自重和地表水滲入裂隙等因素的作用下，危巖體裂隙面鎖部位被貫通，危巖體沿裂隙面整體發(fā)生剪切滑移破壞。

4.3 穩(wěn)定性計算

4.3.1 計算剖面和計算參數(shù)的確定

由于危巖體的邊界條件、裂隙貫通深度難以準確確定，只能把一些不確定的因素理想化地進行定量分析計算。計算模型見圖1。

根據(jù)應(yīng)急勘查報告，結(jié)構(gòu)面抗剪強度指標標準值的確定，根據(jù)結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度參照GB 50330—2002《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》表4.5.1選用。天然重度：27.8kN／m3；結(jié)構(gòu)面粘聚力C＝84kPa，φ＝22°；地震系數(shù)ξ＝0.05，危巖體斷面面積F＝225.70m2，裂隙高度e＝10.00m。

圖1 危巖穩(wěn)定性計算示意圖

4.3.2 穩(wěn)定性計算方法

根據(jù)DZ／T0219－2006《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，由于危巖體的邊界條件、裂隙貫通深度難以準確確定，只能把一些不確定的因素理想化地進行定量分析計算，計算公式如下：

穩(wěn)定系數(shù)：

地震力：P＝ξW

式中：C為后緣裂隙黏聚力（kPa）；φ為后緣內(nèi)摩擦角（°）；β為裂隙面傾角（°）；H 為危巖體高度（m）；W為危巖體自重；e為裂隙深度（m）；e1為裂隙充水高度（m）；r為水的容重；ξ為地震系數(shù)取0.05。

4.3.3 計算工況及計算結(jié)果

根據(jù)應(yīng)急勘察報告及滑坡的破壞機制以及《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》要求，計算時，考慮降雨和地震工況。該地區(qū)地震烈度為Ⅷ度，因此地震力采用Ⅷ度計算。分析計算的荷載主要有：滑坡自重、裂隙水、地震波動力。計算結(jié)果見表1。

表1 危巖穩(wěn)定性計算成果

從表1可以看出：各種工況下，滑坡體處于基本穩(wěn)定—欠穩(wěn)定狀態(tài)。在天然工況下，危巖的穩(wěn)定性系數(shù)Fs≥1.20，基本穩(wěn)定；在暴雨工況下，1.0≤Fs＜1.20，欠穩(wěn)定；在地震工況下，穩(wěn)定性系數(shù)1.0≤Fs＜1.20，欠穩(wěn)定。

4.4 穩(wěn)定性綜合評價

穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，青石包危巖在天然狀態(tài)下，坡體穩(wěn)定性較好，在暴雨＋地震狀態(tài)下，坡體穩(wěn)定性相對較差，坡體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，有失穩(wěn)的可能。目前該危巖體已威脅到滑坡前緣客運中心、菜市場和居民的生命財產(chǎn)安全，已形成嚴峻的地質(zhì)災(zāi)害隱患，必須予以治理。

5 危巖治理方案

根據(jù)危巖的穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)合巖層分布、巖性特點及失穩(wěn)破壞方式，青石包危巖治理工程主要采用清危＋噴錨網(wǎng)的綜合治理方案。

5.1 噴錨網(wǎng)設(shè)計

5.1.1 抗滑錨桿設(shè)計

（1）錨桿軸向拉力設(shè)計值計算

按式（1）計算錨桿軸向拉力設(shè)計值：

式中：Na為軸向拉力設(shè)計值；γQ為荷載分項系數(shù)，取為1.30；Nak為軸向拉力標準值。

軸向拉力標準值Nak按式（2）計算：

式中：Eak為單根錨桿所承受的剩余下滑力；α為錨桿傾角，錨桿與水平面夾角設(shè)計取18°；β為底滑面傾角，取42°。

（2）錨桿鋼筋橫截面積計算

錨桿鋼筋橫截面積As需滿足以下條件：

式中：γ0為邊坡工程重要性系數(shù)，取1.0；fy為錨筋或預(yù)應(yīng)力鋼絞線抗拉強度設(shè)計值，二級鋼筋取300MPa；ε2為鋼筋抗拉工作條件系數(shù)，永久性錨桿取0.69。

（3）錨桿長度計算

抗滑錨桿最小錨固段長度應(yīng)取以下兩式計算結(jié)果的大值：

（a）考慮錨桿與砂漿的結(jié)合破壞：

（b）考慮砂漿與孔壁的結(jié)合破壞：

式中：Nak為錨桿軸向拉力標準值，經(jīng)計算為31.76kN；Na為錨桿軸向拉力設(shè)計值，經(jīng)計算為41.29kN；la為錨固段長度，通過計算確定；D為錨固體（鉆孔）直徑，此處為50mm；frb為地層與錨固體黏結(jié)強度特征值，取為300kPa；ε1為錨固體與地層黏結(jié)工作條件系數(shù)，取為1.00；d為錨桿鋼筋直徑，此處為28mm；n為鋼筋（鋼絞線）根數(shù)（根），此處n＝1；fb為鋼筋與錨固砂漿間的黏結(jié)強度設(shè)計值，如鋼筋為螺紋筋，砂漿強度等級取 M30，取為2.40MPa；ε3為鋼筋與砂漿黏結(jié)強度工作條件系數(shù)，對永久性錨桿取0.60。

根據(jù)崩滑源所在斜坡的地形地質(zhì)情況計算確定，系統(tǒng)砂漿錨桿縱、橫間距取為2.0m×2.0m。為更好地發(fā)揮各類錨桿作用，同時為了便于施工，將錨桿按梅花形布置。水泥砂漿錨桿孔徑宜大于桿體直徑15mm，設(shè)計孔徑采用50mm。設(shè)計砂漿強度M30。經(jīng)計算和潛在滑動面的空間分布特征，確定設(shè)計采用直徑為22mm的HRB335級螺紋鋼筋，錨桿的長度為5.0m。

5.1.2 掛網(wǎng)噴砼設(shè)計

最小噴砼厚度不小于50mm，最大噴砼厚度不大于200mm，設(shè)計噴砼取100mm，其中初噴40mm，第二次噴60mm。噴射砼凝土強度等級為C20。鋼筋網(wǎng)制作選用φ6.5mm HPB235級鋼筋，網(wǎng)格間距為20×20cm。掛網(wǎng)噴錨區(qū)每隔15m設(shè)置一道伸縮縫，縫內(nèi)回填青麻瀝青。

5.2 清危工程

由于構(gòu)成危巖體的巖性以薄層、極薄層狀千枚巖為主，巖體破碎，切割的塊度不大，這為清危方案的可行提供了可能，為排除危巖對下方的威脅，可以對該危巖體采取整體清除。

5.3 坡面綠化工程

為了美化環(huán)境，達到綠色施工的要求，在危巖面噴錨后在坡面上采用爬山虎植被對坡面進行綠化。

6 結(jié)語

分析青石包危巖體影響因素及成因機制，確定危巖體失穩(wěn)破壞方式。對不同工況進行穩(wěn)定性計算，判定危巖體為欠穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)危巖巖層分布、巖性特點及失穩(wěn)破壞方式采用清危＋噴錨網(wǎng)的綜合治理方案。

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