五臺縣邊家莊變質白云巖危巖體破壞模式與治理

菅艷平，趙　陽

（1.太原理工大學地球科學與工程系，山西太原030024；2.大同煤礦集團公司晉華宮礦，山西大同037016）

五臺縣邊家莊變質白云巖危巖體破壞模式與治理

菅艷平*1，2，趙陽1

（1.太原理工大學地球科學與工程系，山西太原030024；2.大同煤礦集團公司晉華宮礦，山西大同037016）

山西五臺地區(qū)為老變質巖區(qū)，前寒武系地層分布廣泛，地質構造復雜，地勢陡峭，巖壁直立陡峻，加之當?shù)厝祟惞こ袒顒佑绊?，危巖體分布較多，地質災害頻發(fā)，直接威脅當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境及經(jīng)濟發(fā)展，對其采取積極的安全評價與防治措施越發(fā)重要。通過對五臺縣邊家莊村北側3處危巖體發(fā)育情況進行了地質環(huán)境調查，根據(jù)危巖體的空間幾何形態(tài)、結構面組合特征和變形破壞跡象等，確定了邊家莊村北側3處危巖體破壞模式分別為滑塌式、墜落式、傾倒式。并采用極限平衡法對該危巖體穩(wěn)定性進行了定量計算。最后，在對危巖體進行技術分析論證的基礎上，提出了該危巖體的治理方案，可為該地區(qū)的同類地質災害防治提供參考。

五臺山；危巖體；破壞模式；穩(wěn)定性；治理方案

山西省五臺縣地處太行山北段西側，地層為變質白云巖，地勢陡峻，地形條件復雜。在其特殊的地質環(huán)境背景下，受當?shù)厝祟惞こ袒顒佑绊?，如旅游開發(fā)、礦業(yè)開采、修建住宅等，形成大量高陡邊坡，由此產(chǎn)生較多的危巖體，威脅當?shù)厝罕娚敭a(chǎn)安全與經(jīng)濟發(fā)展，為切實解決這一安全隱患，對其失穩(wěn)破壞模式及治理措施研究是十分必要的，具有一定的現(xiàn)實意義。

以五臺縣邊家莊村北側3處危巖體為例，結合邊家莊村危巖體勘察資料，通過統(tǒng)計分析邊家莊村危巖體空間幾何特征、主控結構面組合特征以及變形破壞跡象等，對危巖體破壞模式進行分析論證，然后利用極限平衡方法對危巖體在不同工況條件下的穩(wěn)定性進行了評價，在此基礎上提出相應治理措施，可為該地區(qū)同類地質災害的防治起到一定的借鑒作用。

1　邊家莊村危巖體工程地質條件

1.1地形地貌

危巖體地段地形表現(xiàn)為北東高、南西低，最低點位于邊家莊村西部滹沱河內，海拔800m，最高點位于北東部山脈，海拔1000m，相對高差200m。地貌形態(tài)受地質構造、新構造運動、地層巖性的制約，屬于構造剝蝕中高山區(qū)。山峰海拔高程一般為1300～1900m，切割深度300～600m，屬中等切割地貌。山勢險要陡峻，河谷狹窄多曲，可見多級溶洞，屬新構造運動急劇上升區(qū)。

1.2地層巖性

區(qū)內主要賦存有寒武系及第四系地層。①寒武系中統(tǒng)徐莊組（∈2x），該組地層由下而上可以分為2個巖性段，下段以紫紅色或豬肝色頁巖為主，夾薄層砂質頁巖、粉砂巖及少量黃綠色頁巖。上段以灰色、灰白色白云質灰?guī)r為主。②第四系全新統(tǒng)（Q4），以現(xiàn)代沖積物、洪積物以及坡積物分布于河床、山間洼地及山坡地帶，與下伏地層呈不整合接觸。

1.3地質構造

區(qū)內地質構造簡單，主要為單斜巖層構成，巖層產(chǎn)狀為64°∠12°，較為平緩。區(qū)內節(jié)理較為發(fā)育，據(jù)野外調查，主要發(fā)育有構造節(jié)理和卸荷裂隙2種類型，前者為地殼運動所形成，后者為物理風化作用所形成。構造節(jié)理可見2組，其中一組發(fā)育方向為350°，近南北向延伸，另一組為245°，近東西向延伸，傾角82°～85°，近直立分布，地貌多形成懸崖陡壁。據(jù)實地測量，兩組節(jié)理發(fā)育密度約20～25條/m2，分布較為密集，相交后將巖石切割成大小不同碎塊。斷層不發(fā)育，僅在區(qū)外北西方向見有正斷層，走向北東，斷距約30m。

2　危巖體破壞模式

2.1破壞模式

經(jīng)過現(xiàn)場調查，邊家莊村北側危巖體空間分布在3個地段，依據(jù)危巖體分布的空間位置，將其劃分為Ⅰ號危巖體、Ⅱ號危巖體和Ⅲ號危巖體。通過分析各個危巖體破壞機理的情況，并結合危巖體所處地質環(huán)境條件，勘察區(qū)內3處危巖體的破壞模式可依次分為滑塌式、墜落式、傾倒式。

2.1.1滑塌式失穩(wěn)

Ⅰ號危巖體上窄下寬，形似楔形體，寬約4m，厚約3.5m，高約30m，體積約400m3。其南部距村莊最近住宅水平距離約25m，相對高差約90m，高高懸立于村莊之上。危巖體主要發(fā)育在寒武系徐莊組上段中上部厚層狀白云巖地層中，由于巖石抗風化能力強，地貌上形成狹窄的山脊尖端與懸崖陡壁。該段地層由于地殼運動作用，巖體沿近南北方向構造節(jié)理與母體解離，后期卸荷作用進一步加劇了巖體與母體的脫離，形成上寬下窄楔形裂縫，其寬度約為50～80cm。下部發(fā)育有向西傾斜的一組結構面，其產(chǎn)狀為290°∠30°。整條裂隙在自然風化剝蝕、降雨、人類工程擾動等作用下使得應力得到釋放，裂隙將進一步擴展，如遇暴雨或地震來臨，將大大減小結構面的抗剪強度，加速剪切破壞，危巖體最后沿著破裂面滑移失穩(wěn)。

2.1.2墜落式失穩(wěn)

Ⅱ號危巖體高約8m，巖性主要為變質白云巖，南部距村莊最近住宅水平距離約20m，相對高差約20m。危巖體底部因強烈的風化作用形成若干個大小不一的凹腔。在重力作用下，巖體后緣出現(xiàn)卸荷裂隙，危巖在構造節(jié)理和卸荷裂隙的綜合作用下，薄層巖石被切割成約30cm大小的碎塊。危巖塊石易在降雨、風化、植物根劈作用及其他因素作用下最終以自由落體的形式發(fā)生墜落，沿著坡面滾落至下方邊家莊村，威脅村民生命財產(chǎn)安全。

2.1.3傾倒式失穩(wěn)

Ⅲ號危巖體高約10m，巖性主要為變質白云巖，下部基座與母巖之間夾有少量薄層砂質頁巖?？臻g上與Ⅱ號危巖體相鄰，位于其西側，相對高差約20m。其南側臨空，底部局部支撐，主要發(fā)育在斜坡體前緣，形態(tài)呈板狀，后部發(fā)育近直立的陡傾破壞面，隨著危巖破壞的加劇，臨空面范圍逐漸擴大，整體重心外移，危巖在自重彎矩作用下，以下部基座為支點開始向臨空方向彎折，最終發(fā)生傾倒式破壞。

3　危巖體穩(wěn)定性計算與評價

危巖體穩(wěn)定性評價較為復雜，基于上述對邊家莊村3處危巖體破壞模式的分析，運用極限平衡理論建立了不同失穩(wěn)模式的危巖穩(wěn)定性計算方法［1］。

3.1危巖體穩(wěn)定性定量計算

危巖體穩(wěn)定性計算力學參數(shù)的選取非常重要，根據(jù)土工試驗結果并結合相關規(guī)范，提出危巖體的物理力學參數(shù)值（表1）。

表1　危巖體穩(wěn)定性計算參數(shù)

對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號危巖體進行3種工況下的穩(wěn)定性計算，分別是：工況1（天然工況，考慮天然狀態(tài)自重）、工況2（暴雨工況，考慮自重和裂隙水壓力）、工況3（地震工況，考慮自重和地震力）。根據(jù)危巖體所處位置水文地質調查，危巖體及其基座無地下水，可不考慮地下水對危巖體穩(wěn)定性的影響。計算方法如下：

（1）對滑塌模式危巖計算方法［1］：

（2）對墜落模式危巖計算方法［1］：

（3）對傾倒模式危巖計算方法［1］：

以上公式中：W為單位長度危巖體重力（kN）；P為單位長度危巖體承受的水平地震力（kN），取水平地震系數(shù)為ζ，本區(qū)地震設防烈度為Ⅶ度，查表可得ζ=0.08，則地震力為P=ζW；Q為主控結構面內作用在危巖體上的裂隙水壓力；H為危巖體高度（m）；β為結構面傾角（°）；c、φ分別為結構面粘聚力（kPa）和內摩擦角（°）；e為孔隙深度（m）；e1為孔隙充水深度（m）；a為重力作用點距傾覆點的水平距離（m）；h為地震力距傾覆點的垂直距離（m）；flk為危巖體抗拉強度標準值（kPa）；fok為危巖體與基座之間的抗拉強度標準值（kPa），當基座為巖體時，fok=flk；lb為危巖體下部主控結構面尖端到傾覆點的距離（m）。每類危巖體的穩(wěn)定性計算結果見表2。

表2　危巖體穩(wěn)定性計算結果

3.2危巖體穩(wěn)定性評價

本次計算采用3種工況條件及組合荷載下計算，針對不同破壞模式分別做出評價，危巖穩(wěn)定性評價標準根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（DZ/T0218－2006）［2］，評價標準如表3。

表3　危巖穩(wěn)定性評價標準［2］

分析計算結果可知，Ⅰ號危巖體在天然自重狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，如遇極端降雨或地震來臨，其穩(wěn)定性系數(shù)將小于1，極有可能失穩(wěn)破壞。Ⅱ號和Ⅲ號危巖體在天然狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨和地震作用下，穩(wěn)定性大大降低，處于極限平衡狀態(tài)，有失穩(wěn)破壞的可能。因此，上述危巖體需盡快治理，以保證下方威脅區(qū)居民的生命財產(chǎn)安全。

4　危巖體工程治理方案

對上述3處危巖體的破壞模式及穩(wěn)定性分析研究結果表明，這3處危巖體都有失穩(wěn)破壞的可能，應采取防治措施。由于危巖的發(fā)育和失穩(wěn)影響因素眾多，加上邊家莊村危巖體結構特征及所處地質環(huán)境條件的復雜性，危巖體的穩(wěn)定性不能僅僅依靠單一的治理方法，應采取多種措施聯(lián)合治理。根據(jù)危巖體所處的地質環(huán)境條件、危害影響區(qū)情況、災害整治成本以及施工制約條件等，為全面有效保護崩塌災害威脅對象，經(jīng)綜合分析，建議對3處不同的危巖體采取相應的防治措施，具體見表4。

表4　邊家莊北側危巖體防治措施

5　結論

（1）通過對邊家莊村北側危巖體發(fā)育情況的現(xiàn)場調查分析，邊家莊北側危巖體破壞模式可分為3種，分別為：Ⅰ號危巖體為滑塌式破壞、Ⅱ號危巖體為墜落式破壞、Ⅲ號危巖體為傾倒式破壞。

（2）采用極限平衡法計算并評價了邊家莊北側3處危巖體的穩(wěn)定性，結果表明，3處危巖體都處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨或地震的作用下，其穩(wěn)定性大大降低，有失穩(wěn)的可能。因此，需對危巖體進行治理。

（3）為保證危巖體穩(wěn)定性，為切實解決這一地質災害安全隱患，經(jīng)綜合分析，建議對不同危巖體采取相應的防治措施，并提出相應治理方案。

［1］陳洪凱，鮮學福，唐紅梅，等.危巖穩(wěn)定性分析方法［J］.應用力學學報，2009，26（2）：278-282.

［2］中華人民共和國國土資源部.DZ/T0218-2006滑坡防治工程勘查規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，2006.

TU554

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1004-5716（2016）09-0009-03

2015-09-17

2015-09-18

菅艷平（1978-），女（漢族），山西忻州人，太原理工大學工程碩士，研究方向：巖質邊坡的穩(wěn)定性分析及治理。