克蘭河?xùn)|側(cè)不穩(wěn)定斜坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及防治措施設(shè)計研究

呂喬森，周建偉，董瑋瑋

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克蘭河?xùn)|側(cè)不穩(wěn)定斜坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及防治措施設(shè)計研究

呂喬森1,2，周建偉1,2，董瑋瑋3

(1.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆地質(zhì)工程勘察院，新疆 烏魯木齊 830091；3.新疆烏魯木齊市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

以克蘭河?xùn)|側(cè)不穩(wěn)定斜坡為研究對象，通過分析其典型的區(qū)域地質(zhì)背景條件(地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造)，以及崩塌災(zāi)害發(fā)育特征、崩塌災(zāi)害概況和崩塌災(zāi)害發(fā)展趨勢，研究漂石層崩塌和碎石層崩塌的防治措施，即：采用崩塌體削方、混凝土擋土墻、被動防護網(wǎng)、鋼筋混凝土樁板墻、漂石清理及鑲補支護等手段組成。研究得出的防治措施可供其他類似的崩塌地質(zhì)災(zāi)害防治參考。

冰水沉積層；漂石層崩塌；防治措施

賦存于冰水沉積層的崩塌地質(zhì)災(zāi)害是新疆北部及高海拔海相沉積地層中較為常見的崩塌發(fā)育形式。以新疆阿勒泰市典型的克蘭河?xùn)|側(cè)不穩(wěn)定斜坡為研究對象，通過分析其崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征，進而制訂出科學(xué)合理的災(zāi)害防治措施，可供其他類似地層發(fā)育的崩塌災(zāi)害防治參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景條件

1.1 地形地貌

研究區(qū)位于阿爾泰山脈中段南麓低中山區(qū)阿勒泰市區(qū)東側(cè)將軍山下，所在區(qū)域地貌類型東部為低中山地貌，西部為河谷地貌。阿勒泰市座落于較狹窄的克蘭河河谷中，呈近南北向帶狀分布，市區(qū)三面環(huán)山，沿克蘭河向南開口?？傮w地勢北東高、南西低，平均海拔1 100～1 300 m，市中心是東、西兩側(cè)高，中部克蘭河河谷最低，克蘭河谷為北高南低，河谷縱坡度在12‰左右。

研究區(qū)呈近南北向展布，地形東高西低、北高南低，危險邊坡坡頂海拔高度885.71～901.1 m，坡腳海拔高度847.08～869.69 m，高差20.83～41.2 m，坡向279°～290°，坡度27°～35°，漂石層陡坎坡度在35°～80°之間。

研究區(qū)東部屬低中山地貌，地形東高西低、北高南低，海拔高度899～989 m，相對高差90 m，坡向282°～291°，坡度20°～35°。

1.2 地層巖性

研究區(qū)出露地層主要為古生界泥盆系中統(tǒng)沉積變質(zhì)巖夾變質(zhì)基性火山巖以及新生界第四系中更新統(tǒng)冰水沉積層、殘坡積層和全新統(tǒng)沖積層等，從老到新簡述如下：

1.2.1 泥盆系中統(tǒng)阿勒泰鎮(zhèn)組(D2a)

巖性為一套沉積變質(zhì)巖夾變質(zhì)基性火山巖[2]，由灰黑色黑云絹云石英片巖、黑云絹云片巖組成，產(chǎn)狀220°～225°∠55°～65°，由北向南地層產(chǎn)狀逐漸變陡近于直立。

地層巖性較硬、性脆，節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化破碎強烈。主要發(fā)育三組裂隙，第一組裂隙產(chǎn)狀為292°～310°∠45°～90°，間距0.4～1.2 m，裂縫寬為1～35 mm。第二組裂隙產(chǎn)狀182°～235°∠61°～85°與邊坡走向近于垂直，間距0.36～2.0 m不等，裂縫寬一般為1～30 mm。第三組裂隙產(chǎn)狀215°～300°∠32°～85°與邊坡走向斜交，間距0.22～1.64 m，裂縫寬為5～80 mm。

1.2.2 第四系(Q)

第四系主要為中更新統(tǒng)冰水沉積層、全新統(tǒng)沖積層和殘坡積層。

(1)中更新統(tǒng)冰水沉積層(Q2fgl)

該地層沿克蘭河左岸由研究區(qū)以北至研究區(qū)南邊界一帶分布，組成克蘭河三級階地，分布在研究區(qū)危險邊坡上部，為研究區(qū)主要災(zāi)害地質(zhì)體。巖性主要為漂石，直徑為0.4×0.8×0.9～0.8×1.2×1.3 m，大者為0.86×2.2×1.2 m，含砂礫石，磨圓度較好，分選性差，孔隙被砂礫石充填。根據(jù)現(xiàn)場試驗，滲透系數(shù)0.002 2～0.003 6 cm/s。漂石表層風(fēng)化強烈，地表可見漂石風(fēng)化物。經(jīng)長期暴雨沖刷、地震和人類工程活動等因素影響，邊坡上部漂石層裸露，裸露漂石層一般厚為5.2～14.7 m，前緣陡立臨空，坡度一般在35°～80°之間，穩(wěn)定性差。漂石底部被掏蝕后滾落于坡腳或高懸于陡坡上，威脅著居住于坡腳的居民及其財產(chǎn)安全。

(2)上更新統(tǒng)殘坡積層(Q3edl)

該地層分布于研究區(qū)內(nèi)危險邊坡下部和低中山坡腳一帶，危險邊坡下部殘坡積層巖性由棱角狀角礫、片石組成，分選性差，粒徑多在0.1～0.2 m，厚度一般為0.2～9.0 m，厚度變化較大，一般是向邊坡下部該層厚度逐漸變大。地表植被不發(fā)育，坡度在27°～35°之間，坡體下部殘坡積物穩(wěn)定性差，在雨水沖刷等外力條件下易發(fā)生塌落。根據(jù)現(xiàn)場試驗，該地層滲透系數(shù)0.000 4～0.005 6 cm/s，天然容重23.7 kN/m3，飽和容重24.7 kN/m3。

低中山坡腳一帶殘坡積層巖性由含棱角狀塊石、片石和粉土構(gòu)成，結(jié)構(gòu)松散，灰黃色為主，地表植被較發(fā)育，坡度為20°～35°，厚度約0.5～5 m，穩(wěn)定性較好。

(3)全新統(tǒng)沖積層(Q4al)

該地層分布在現(xiàn)代河床及兩側(cè)。兩側(cè)寬度200～800 m不等，高出河床2～4 m。巖性為漂石夾粗砂，漂石層厚4.2～5.4 m，最厚達20 m，粗砂層厚3.6 m。

上述第四系松散地層，尤其是危險邊坡上部和下部的松散冰水沉積漂石和殘坡積碎石層，為邊坡地質(zhì)災(zāi)害的形成提供了條件。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造及區(qū)域地殼穩(wěn)定性

研究區(qū)屬于天山—興安地槽褶皺區(qū)(Ⅰ級單元)、阿勒泰地槽褶皺系(亞Ⅰ級單元)、喀拉額爾齊斯褶皺帶(Ⅱ級單元)、克蘭復(fù)式向斜(Ⅲ級單元)的次級構(gòu)造單元—克蘭褶皺束的北西段，即阿勒泰復(fù)向斜(Ⅳ級單元)。由于構(gòu)造運動的多期性及不同期次構(gòu)造的復(fù)合、疊加，致使本區(qū)褶皺構(gòu)造的規(guī)模大小懸珠、形態(tài)類型多種多樣，斷裂縱橫交錯，地層巖石強烈擠壓破碎，小型構(gòu)造異常發(fā)育，構(gòu)造的總體面貌相當復(fù)雜。研究區(qū)基本地震烈度值為Ⅵ度，地震動峰值加速度為0.05 g，區(qū)域地殼穩(wěn)定性屬基本穩(wěn)定區(qū)。

2 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征

2.1 崩塌災(zāi)害的發(fā)育特征

依據(jù)專項勘查報告，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害類型為土質(zhì)崩塌，其包括漂石層崩塌和碎石層崩塌。

2.1.1 漂石層崩塌特征

本研究區(qū)漂石層崩塌發(fā)育強烈，斜坡整體坡度35°～45°，局部較陡，約50°～85°，坡向279°～290°，漂石一旦失穩(wěn)，對坡腳下為居民及其財產(chǎn)構(gòu)成很大威脅，如圖1所示。邊坡范圍南北長約450 m，東西寬在60～120 m之間，通過鉆探和探井揭露其厚度在5.2～14.7 m之間(見圖1)。

2.1.2 碎石層崩塌特征

碎石層崩塌XP2位于研究區(qū)中部基督教堂西側(cè)，坡長10～30 m，坡寬65 m，坡向290°，平均厚度約10 m，體積約為30 400 m3，為小型崩塌。前緣陡立，后緣基巖出露，北側(cè)周界為地形平緩區(qū)域，南側(cè)周界基巖出露。碎石層崩塌XP2土體巖性為碎石，前緣地帶由于修建居民區(qū)，對坡腳切坡后形成直立陡坎，高約13 m，如圖2所示。該碎石層崩塌XP2坡體上部有一處廢棄的下水道口，下口位于碎石層崩塌XP2坡體上，雨季東部斜坡匯集的地表水體部分經(jīng)該廢棄的下水道口向下排泄流經(jīng)XP2斜坡體坡面，造成地表水體滲入斜坡土體內(nèi)，對斜坡的穩(wěn)定性造成不利影響。

圖1 現(xiàn)狀邊坡漂石崩塌

2.2 崩塌災(zāi)害概況

2.2.1 崩塌災(zāi)害災(zāi)情和險情分級

崩塌災(zāi)害坡腳為阿勒泰市常住居民區(qū)，人員活動頻繁，因此潛在受威脅人數(shù)相對多，據(jù)現(xiàn)場調(diào)查訪問，潛在威脅居民191戶約550人、磚混結(jié)構(gòu)房屋142間，土木結(jié)構(gòu)房屋65間，樓房3棟約2 880 m2，可能造成的經(jīng)濟損失約0.55億元，根據(jù)《縣(市)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃基本要求實施細則(修訂稿)》中地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情和險情分級標準表(見表1)，險情等級為大型。

圖2 碎石層崩塌XP2

嚴重程度死亡人數(shù)(人)受威脅人數(shù)(人)直接經(jīng)濟損失(萬元)潛在經(jīng)濟損失(萬元)小型<3<10<100<500中型3～1010～100100～500500～5000大型10～30100～1000500～10005000～10000特大型≥30≥1000≥1000≥10000

2.2.2 崩塌災(zāi)害形成機制

地質(zhì)災(zāi)害的形成機制包括內(nèi)因和外因兩個方面，它們相互聯(lián)系、相互補充，并由各種因素綜合確定的。其中內(nèi)因方面的因素包括地質(zhì)構(gòu)造因素、地層巖性因素、地形地貌因素等，外因方面的因素包括地震、持續(xù)強降雨、融雪入滲、水流沖刷作用和人類工程活動等。限于篇幅，在此不再一一贅述。

2.3 崩塌災(zāi)害發(fā)展趨勢

根據(jù)?？眻蟾嫣峁┑淖冃伪O(jiān)測結(jié)果，危險性邊坡體位移在0.04～0.60 mm之間，說明在勘查期間危險性邊坡是基本穩(wěn)定的，根據(jù)災(zāi)害的發(fā)生具有突發(fā)性強、過程短促、在成災(zāi)前一般無明顯征兆等特點，由于監(jiān)測時間的局限性，一般在較短的時間內(nèi)很難監(jiān)測到危險性邊坡有較大的位移變化。

根據(jù)危險性邊坡目前存在的現(xiàn)狀以及崩塌歷史，可看出危險性邊坡是在向不穩(wěn)定的趨勢發(fā)展的。

隨著時間的推移、地震作用、氣象水文及人為因素等，影響危險性邊坡穩(wěn)定的不利因素的不斷加強，危險性邊坡穩(wěn)定性將會不斷下降，危險性也將日益加大。隨著研究區(qū)周邊人類工程活動的持續(xù)進行，人類工程活動影響日益加劇，振動荷載、人為破壞等均成為危險性邊坡向不穩(wěn)定方向發(fā)展的重要誘發(fā)因素。

3 綜合防治措施設(shè)計

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害類型主要為崩塌地質(zhì)災(zāi)害，主要發(fā)育漂石層崩塌和碎石層崩塌。針對成災(zāi)體的致災(zāi)特性以及空間分布特征，對漂石層崩塌采用削方、鑲補、被動防護網(wǎng)相結(jié)合的綜合防治設(shè)計，對碎石層崩塌可能引發(fā)的失穩(wěn)采用樁板墻進行防治設(shè)計。

3.1 崩塌體削方

研究區(qū)內(nèi)基督教堂東側(cè)斜坡，因坡腳緊鄰居民房屋及教堂，無修建攔擋措施的施工場地，教堂東南側(cè)斜坡基巖上覆漂石層厚度為2～9 m。為徹底消除該斜坡漂石層崩塌，設(shè)計對該斜坡自教堂大門后至南端漂石層進行削方，對基督教堂范圍東側(cè)斜坡沿基巖進行局部削方，形成一定寬度的工作面，用于設(shè)置被動防護網(wǎng)，如圖3所示。削方開挖的漂石層土方就近按設(shè)計坡度及厚度回填至斜坡東側(cè)的一條自然溝道內(nèi)。通過以上防治工程措施，將徹底消除該段斜坡漂石層崩塌對坡腳居民及房屋的威脅。

圖3 1#削方工作面剖面示意圖

3.2 混凝土擋土墻

研究區(qū)內(nèi)東南側(cè)存在一條南北向的自然溝道，設(shè)計在該溝道內(nèi)回填西側(cè)坡面削方的漂石層土方。為最大限度的回填削方開挖的土方，同時確?；靥钔练讲灰l(fā)和產(chǎn)生新地質(zhì)災(zāi)害和地質(zhì)環(huán)境問題，設(shè)計在自然沖溝溝口順地勢修建一座混凝土擋土墻。

擋土墻采用C20混凝土澆筑，長度14 m，墻體高度2.5 m，基礎(chǔ)埋深1.7 m，頂寬0.6 m，底寬2.6 m，胸墻坡度1:0.4，背墻為直立，墻頂設(shè)置長4.0 m，深度0.5 m的排水口。墻體距基礎(chǔ)面以上1.3 m設(shè)置單層排水孔，孔徑0.1 m，采用PVC管，排水孔坡度為5%，擋墻下游兩側(cè)設(shè)2 m寬砼直立邊墻，末端設(shè)深度為1 m的砼斜齒墻，齒墻下游拋填粒徑大于30 cm的卵石防沖消能。設(shè)計剖面圖見圖4。

圖4 混凝土擋土墻設(shè)計剖面圖

3.3 被動防護網(wǎng)

研究區(qū)內(nèi)的斜坡崩塌呈帶狀分布，且坡腳下緊臨居民房屋，大型機械無法開展作業(yè)，亦無場地進行攔石墻的修建，因此沿崩塌發(fā)育帶設(shè)計采用技術(shù)成熟、防治效果好、占地小、擾動低、施工快的被動柔性防護網(wǎng)進行崩塌落石攔截[2-3]。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)崩塌發(fā)育斜坡的地形地貌，被動防護網(wǎng)分為4道，第一道(1#)從研究區(qū)北側(cè)邊界開始至研究區(qū)中北部一條東西向自然沖溝；第二道(2#)從研究區(qū)東西向自然沖溝開始至基督教堂北側(cè)；第三道(3#)基督教堂范圍以東的坡面；第四道(4#)位于研究區(qū)南側(cè)便道東北側(cè)斜坡，從便道東側(cè)旱廁至西側(cè)居民房屋處。

1#、2#被動防護網(wǎng)設(shè)計采用RXI-050型環(huán)形被動網(wǎng)，防護能級為500 kJ，被動網(wǎng)設(shè)計高度為5 m，采用R7/3/300規(guī)格環(huán)形網(wǎng)塊(由直徑為3 mm鋼絲盤結(jié)7圈編織而成，網(wǎng)孔內(nèi)切圓直徑300 mm)。3#被動防護網(wǎng)設(shè)計采用RXI-050型環(huán)形被動網(wǎng)，防護能級為500 kJ，被動網(wǎng)設(shè)計高度為3 m，采用R7/3/300規(guī)格環(huán)形網(wǎng)塊。4#被動防護網(wǎng)設(shè)計采用RXI-025型環(huán)形被動網(wǎng)，防護能級為250 kJ，被動網(wǎng)設(shè)計高度為3m，采用R5/3/300規(guī)格環(huán)形網(wǎng)塊。整個被動網(wǎng)防護系統(tǒng)由鋼柱、支撐繩、拉錨系統(tǒng)、縫合繩組成。

3#被動防護網(wǎng)橫斷面如圖5所示。

圖5 3#被動防護網(wǎng)系統(tǒng)橫斷面圖

RXI-050型環(huán)形被動網(wǎng)的上、下支撐繩采用φ22單繩，上拉錨繩采用φ18單繩，側(cè)拉錨繩采用φ18雙繩，下拉及中間加固拉錨繩采用φ18單繩。RXI-025型環(huán)形被動網(wǎng)的上、下支撐繩采用φ18單繩，上拉錨繩采用φ16單繩，側(cè)拉錨繩采用φ16雙繩，下拉及中間加固拉錨繩采用φ16單繩?？p合繩均采用φ8鋼絲繩。被動網(wǎng)基礎(chǔ)采用C20混凝土現(xiàn)澆構(gòu)件，尺寸為：深1.0 m，寬0.6 m，長0.8 m，間距為10 m。鋼柱采用20號工字鋼加工，規(guī)格型號選用GZ-20-5(1#、2#)與GZ-16-3(3#、4#)，地腳螺栓選用D1 000～M32×1 000型螺紋鋼筋。側(cè)拉錨桿選用2φ16×3.0鋼絲繩錨桿，其直徑不小于16 mm，彎折后用繩卡或鋁合金緊固套管固定，并在固定后的環(huán)套內(nèi)嵌套雞心環(huán)，以防側(cè)拉錨繩張緊后接觸點應(yīng)力集中?？紤]到研究區(qū)內(nèi)崩塌危巖體的塊徑大小，在鋼絲繩網(wǎng)后敷設(shè)鋼絲格柵，并用鐵絲綁扎固定。

圖6 抗滑樁橫剖面布置圖

3.4 鋼筋混凝土樁板墻

研究區(qū)內(nèi)基督教堂西側(cè)的碎石層崩塌(XP2)，坡腳直立，其在特殊工況下可能發(fā)生整體垮塌，直接威脅坡頂基督教堂和坡腳一樁6層居民樓的人員和建筑物的安全。設(shè)計在碎石層崩塌坡腳設(shè)置鋼筋混凝土樁板墻，在坡面設(shè)置漿砌石護坡對其進行防治。

基于場地條件及斜坡主滑方向，抗滑樁采用矩形斷面形式，長1.5 m(側(cè)面，與主滑方向平行)、寬1.0 m(正面，與主滑方向垂直)，從低保戶磚房南邊界陡坎處開始，由北向南展布，至通往教堂臺階處結(jié)束，軸線總長約45 m。共布置抗滑樁10個、擋土板27塊，如圖6所示。

抗滑樁樁身采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆，混凝土標號C30，受力主筋除迎坡面第一排為HRB335φ32鋼筋外，其余為HRB335φ28鋼筋；構(gòu)造配筋采用HPB300φ12鋼筋，箍筋采用HPB300φ12鋼筋。樁孔施工采用人工挖孔，施工過程中視地層情況進行鎖口護壁。

基于現(xiàn)場踏勘與邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，本次設(shè)計采用鋼筋混凝土預(yù)制擋土板形式，板厚0.3 m，板長4.96 m，板高0.9 m，采用C30砼，縱向受力筋采用HRB335φ16鋼筋，箍筋采用HPB300φ8鋼筋，縱筋合力點到外皮距離(保護層厚度)為35 mm。兩樁間設(shè)置擋土板3塊，共27塊。擋土板兩側(cè)各750 mm位置預(yù)留吊裝孔，吊裝孔為圓形，直徑φ=100 mm，板安裝完畢后吊裝孔可作為泄水孔使用，擋土板板橫向接頭間預(yù)留40 mm做伸縮縫，內(nèi)部填充高壓閉孔塑料板，外填抹砂漿。地面以上的樁板式擋土墻后0.50 m以內(nèi)換填透水性強的砂石料做為反濾層，粒徑1～20 mm，換填深度3.0 m。

3.5 漂石清理及鑲補支護

根據(jù)現(xiàn)場踏勘實際，研究區(qū)劃分為兩個漂石清理區(qū)，分別位于內(nèi)基督教堂以東的斜坡南側(cè)臨時便道以北的斜坡，其斜坡均存在穩(wěn)定性差、松動、具有臨空面的漂石。為防止雨水形成的坡面流對其長期掏蝕引發(fā)失穩(wěn)，設(shè)計對危巖進行人工清理，清理采用人工直接搬運；對于體積較大的漂石，先采用機械破碎方式解小，再由人工進行清理。對于體積大且具有臨空面的漂石采用漿砌卵石鑲補支護的方式對其進行固定和防治。

3.6 鐵絲圍欄及警示牌

為防止人員及牲畜進入斜坡發(fā)生危險和踩踏成漂石崩塌，應(yīng)在坡頂設(shè)置混凝土基礎(chǔ)角鋼立柱鐵絲圍欄。在斜坡坡頂和坡腳位置設(shè)置警示牌。

4 結(jié)語

(1)研究區(qū)所在位置高差大、坡度陡，崩塌主要蘊育于中更新統(tǒng)冰水沉積層(Q2fgl)，崩塌體主要由漂石構(gòu)成。漂石底部被掏蝕后滾落于坡腳或高懸于陡坡上，威脅著居住于坡腳的居民及其財產(chǎn)安全。此外，賦存于上更新統(tǒng)殘坡積層(Q3edl)坡體下部殘坡積物穩(wěn)定性差，在雨水沖刷等外力條件下也易發(fā)生塌落，形成崩塌災(zāi)害。

(2)克蘭河?xùn)|側(cè)不穩(wěn)定斜坡的崩塌災(zāi)害險情等級為大型，根據(jù)危險性邊坡目前存在的現(xiàn)狀以及崩塌歷史，可看出危險性邊坡是在向不穩(wěn)定的趨勢發(fā)展的。

(3)針對漂石層崩塌和碎石層崩塌，設(shè)計采用崩塌體削方、混凝土擋土墻、被動防護網(wǎng)、鋼筋混凝土樁板墻、漂石清理及鑲補支護等手段進行防治。通過近一年的檢驗，目前防治措施運行良好，基本消除不穩(wěn)定斜坡上崩塌災(zāi)害構(gòu)成的威脅。

[1]周云霞，馬文鵬. 阿勒泰駱駝峰變質(zhì)枕狀玄武—細碧巖[J].新疆地質(zhì).1991，9(1)：80-93.

[2]陽友奎，周迎慶，姜瑞琪，等. 坡面地質(zhì)災(zāi)害柔性防護的理論與實踐[M]. 北京：科學(xué)出版社.2005.

[3]中華人民共和國鐵道部. TBT-3089-2004.鐵路沿線斜坡柔性安全防護網(wǎng)[S]. 北京：鐵道出版社.2004.

2016-08-14

呂喬森(1986-)，男，福建古田人，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測與防治方面工作。

P641.21

A

1004-1184(2017)02-0160-04