北京山区边坡灾害特征及防范措施

吴言军,陈爱新

(北京市勘察设计研究院有限公司,北京 100038)

北京山区边坡灾害特征及防范措施

吴言军,陈爱新

(北京市勘察设计研究院有限公司,北京 100038)

北京山区地质复杂,工程频繁,边坡灾害发育以崩塌和滑坡为主。边坡灾害以岩质边坡和人工边坡为主,破坏模式为剥落、落石、崩塌和滑坡。从地质构造、地层岩性、气候条件和人类活动4个方面分析边坡灾害的影响因素,提出对应的防范措施。

北京山区;边坡灾害;崩塌;滑坡;影响因素;防范措施

1 引言

北京山区位于华北平原的北部,分属太行山山脉及燕山山脉,总面积约1.04×104km2。本区地质条件较为复杂,断裂构造发育,气候变化四季分明,人类经济活动历史久远,地质环境敏感脆弱,地质灾害发育,山区边坡灾害是本区较为常见的一种灾害类型,给当地人民的生命和财产带来了损失,尤其是给本区的公路交通设施造成了较大破坏,如位于北京山区的108、109、110国道及西六环、八达岭高速等多处路段均曾发生过不同规模的山区边坡失稳破坏现象,严重地阻碍了道路的正常交通和运营[1]。

近年来,随着本地区社会和经济的快速发展,位于山区的一些高等级公路、铁路线、城镇项目、旅游服务设施等得到了快速建设和发展。因此分析研究山区边坡特点及灾害类型,提高风险因素识别能力,有助于采取适宜的防范措施、降低灾害发生的概率以及保证本地区工程建设的安全。

2 边坡分类和破坏特征

2.1 边坡分类

边坡是地壳表面具有临空条件的地质体,往往由坡顶、坡面、坡脚及其下部一定深度内的岩土体组成。根据不同划分依据,北京山区边坡可分为多种不同类型的边坡,详见表1。

根据物质组成,还可以把土质边坡进一步细分为粘性土边坡、黄土(山区)边坡、砂土边坡、碎石土边坡等;按形成方式,可以把道路边坡分为路堤边坡、路堑边坡。另外还可根据边坡坡度、岩体岩性、岩体结构、变形状态等进行详细划分。

表1 北京山区典型边坡分类Table 1 The classification of typical slope in Beijing mountain area

2.2 边坡破坏模式

根据调查及研究,北京山区边坡以岩质边坡为主,其失稳破坏模式较为典型,主要为剥落、落石、崩塌、滑坡等。

2.2.1 剥落

剥落是指边坡表层岩土物质在自身重力及风化、冲刷、振动等外力的作用下顺坡滑落,呈岩(土)屑或颗粒状堆积在坡脚的一种现象,具有普遍性、易发性和季节性的特点,是山区边坡工程较为常见的一种破坏形式,见图1,有人也称为“山剥皮”。受地质构造、地形地貌、植被覆盖及气候条件影响,北京地区岩体风化强烈,在山区存在大规模的剥落现象,剥落常使农田、路面、沟渠遭到掩埋或堵塞破坏。

图1 边坡岩体剥落现象Fig.1 Slope rock spalling

2.2.2 落石

落石是岩质边坡坡面上危岩或孤石个体失稳后在重力作用下向下滚动的一种现象,是山区边坡岩体失稳的一种形式,有人也称作“滚石”[2,3]、“坠石”,具有广泛性、突发性、随机性的特点。本区岩质边坡陡长,岩体风化作用强烈,节理裂隙发育,岩体完整性较差,为落石提供了脱离母体的势能条件和边界条件。本山区公路多数路段均存在或潜在较多的边坡落石现象。

2.2.3 崩塌

崩塌是指斜坡上的岩土体在重力作用下,突然脱离母体崩落、滚动、堆积在坡脚(或沟谷)的地质现象,一般垂直运动距离远大于水平运动距离,运动轨迹无规律,具有分带性、突发性、随机性、危害性大的特点,会因地震、降雨、风化和人类的活动而随机发生,规模较大者称“山崩”,较小者称“塌方”[4]。按物质组成一般分为土崩、岩崩两种,其中岩崩是本区最常见的影响公路交通安全的灾害之一,多以乱石堆(锥)的形式堆积边坡脚或公路两侧。

本区断裂及次生断裂广泛分布,岩体风化强烈、破碎,易于崩塌现象的发生,区内约有数千个崩塌体,多为自然作用形成,主要分布在密云北部、怀柔中部、平谷北部等山区,多成带出现,具有明显的分带性,崩塌规模以小、中型塌方为主,仅局部地段分布有大型崩塌危岩体。

2.2.4 滑坡

滑坡是指斜坡上的岩土体在重力作用下沿一定的软弱结构面(带)整体或分散地向下滑动的现象,是北京山区地质灾害的一种表现形式。根据形成机制的不同,主要分为人为滑坡和自然滑坡,人为滑坡指由于人类工程活动引起的滑坡,自然岩质边坡滑坡为自然地质条件改变引发的滑坡,其中以人为滑坡为主。在公路施工过程中,常由于采取不合理的坡角开挖、坡顶堆载以及抽排地下水等方法而形成新滑坡或复活老滑坡。

根据调查,本区滑坡灾害不发育,共发育有滑坡或潜在滑坡20多处。自然滑坡主要分布在延庆东北部、怀柔中北部、密云北部、平谷北部等山区,滑坡规模一般为小、中型;人为滑坡主要分布在门头沟、房山区,主要是由于采矿和修路挖方引发。已给本区的一些交通设施、村庄及建筑设施造成了破坏和损失。

3 边坡灾害特征及影响因素分析

3.1 边坡灾害特征

3.1.1 崩塌灾害

据调查,全市有崩(滑)塌34 550处,主要分布在密云北部、怀柔中部及房山大石河等地区。据有关资料统计,北京山区在解放后因崩(滑)塌已造成70多人死亡、200多间房屋被毁。这些崩塌体对北京山区公路的安全运营及居民的和谐生活带来了一定的危险性。2000年1月20日,怀柔宝山寺乡盘道沟村后山发生崩塌,毁房15间,5人受伤,损失10万元;2004年7月28日,房山佛子庄英水沟及北窖主沟发生多起崩塌,毁坏村级柏油路5 km,房屋5间,损失160万元;2004年8月26日,延庆千家店镇花盆村,公路发生滑塌,塌方体近1 000 m3,毁房7间,直接经济损失2万元;2005年8月15日,密云琉辛路二道河路段发生崩塌,毁坏路基100余米;2006年8月4日凌晨,111国道怀柔段89 km和98 km处发生塌方,总体积约600 m3;该天108国道房山段56 km处也出现大面积塌方,总体积约450 m3,道路堵塞数天。

近年来随着人类工程活动的频繁,本区的崩塌灾害规模及数量有进一步扩大和加剧的发展趋势,见图2。但随着当地政府对地质灾害的重视和加大了监测力度,本区的崩塌灾害危害程度及规模却相应减小了,自2000年以来,基本没有发生因崩塌致大量人员伤亡的事件,灾害形式主要表现在破坏路基、阻碍交通、砸坏房屋和农田上。

3.1.2 滑坡灾害

图2 北京山区典型崩塌灾害发展趋势图Fig.2 Trend of typical collapses in Beijing mountains

北京山区滑坡灾害数量相对较少,但由于其规模大及处于千年古都区域,带来的不利影响比较大。2004年7月,门头沟戒台寺坡体变形明显,滑坡活动造成寺庙建筑物损坏,迫使市政府最终投入巨资来救寺;2004年7月12日,门头沟区永定镇秋坡村因发生滑坡,导致整村搬迁;2005年7月25日,110国道延庆段53 km处发生山体滑坡,拥堵了近3 h;2005年8月15日凌晨,琉辛路密云柏平段31 km处发生大面积山体滑坡,形成长约100 m、宽约60 m、高约25 m的岩堆,下午4点,琉辛路再次发生山体滑坡,冲毁6.7 hm2土地,造成2户房屋出现裂缝;2006年7月24日,房山区霞云岭乡堂上村堂上煤矿碾子沟矿区发生山体滑坡,导致1对母女身亡;2006年8月17日,延庆县滦赤路135.2 km处的硅化木国家地质公园山体发生大面积滑坡,造成该路段拥堵6 h左右;2008年8月16日,门头沟灵山公路发生山体滑坡,导致道路中断3 h。

北京山区自然边坡整体稳定性一般较好,对于外界因素的影响较为敏感,一旦遭到不合理施工,破坏边坡的自然平衡状态,则可能引发新滑坡或使老滑坡复活,如门头沟区双大路、西六环部分段边坡均在施工期间发生了变形滑动现象,在京承高速公路某段分布有一古滑坡体[5],厚度在20 m左右,规模较大,目前环境下均处于基本稳定状态,但若后期不合理施工,则会对桥梁或路基工程的稳定性存在不利影响。

3.2 主要影响因素分析

(1)地质构造

北京山区地质构造条件复杂,褶皱变形强烈,边坡岩体节理裂隙发育,完整性较差,存在着发生边坡失稳的地质构造条件。结构面或软弱结构面为边坡岩体或岩块脱离母体(山体)提供了边界条件,北京山区边坡的软弱结构面一般为断裂破碎带、结合性较差的岩层层面或节理、裂隙面等。据调查分析,北京山区边坡灾害主要发生在地质构造发育区。

(2)地层岩性

北京山区岩石裸露,风化强烈,边坡剥落、落石及崩塌现象广泛存在,地层岩性是边坡灾害发生的物质基础及内在条件。据调查,剥落现象多发生在易风化的泥质砂岩、泥岩、页岩以及片麻岩等细颗粒岩体和土质边坡中。落石、崩塌现象主要分布在花岗岩、石英砂岩、砾岩、白云岩等硬质岩类、块状或层状结构坡体及软硬互层岩质边坡的中上部位或顶部。北京山区滑坡灾害受人为作用明显,多发生于存在软弱结构面或易滑地层的坡体上,北京山区边坡易滑地层主要为泥岩、页岩、千枚岩、砂岩、灰岩以及含煤系地层等。

(3)气候条件

2004年7月北京延庆山区发生强暴雨,2 h降雨量达128 mm,相当于50 a一遇;2005年8月14日北京密云山区突降暴雨,暴雨历时80 min,最大降雨量达到220 mm,为该地区100 a一遇。这两次暴雨期间,北京山区发生上百次边坡崩塌、滑坡灾害。北京山区边坡灾害受降雨诱发作用明显,多发生在雨季,主要集中在7～9月期间,约占灾害总数的80%～90%,见图3。

图3 北京山区崩塌灾害发生时间分布图Fig.3 Time distribution of collapses in Beijing mountains

据调查分析,北京山区边坡灾害多发生在雨季凌晨时分,约占灾害总数的40%～50%。由于凌晨温差最大,岩土体收缩膨胀或冻结融化,导致强度降低,使边坡的稳定性变差。另外,北京山区边坡崩塌、滑坡灾害多在雨中或稍微滞后发生。

(4)人类活动

北京山区人类活动频繁,采矿、修路、筑房、引水等工程,对山坡岩体造成了不同程度的破坏,破坏了山体或岩体固有的平衡状态或力学性质,在一定程度上扩大了灾害发生的频次和规模。北京山区滑坡多为人为滑坡,约占滑坡总数的80%,如戒台寺滑坡、赵家台滑坡、大安山矿区、双大路滑坡等,均是由于不合理采矿或施工引发的。另外分布在矿区、公路附近区域的边坡可能受开矿(山)爆破、车辆振动的影响而发生灾害。

4 防范措施

4.1 生物工程

北京山区植被覆盖率差,尤其是工程开挖地段,岩土体裸露,极易发生边坡剥落、落石、崩坍等灾害,甚至有可能引发滑坡灾害。为防止或减缓边坡岩土体裸露冲刷、风化,对于一般稳定性较好的山区边坡,可以用生物工程加以保护和绿化。

土质边坡一般适合植被生长,可以种植草本、灌木、藤类植物等进行保护,但应做好坡体的防渗措施,避免水体入渗而诱发灾害。生物工程多用于边坡表(浅)层的防护,稳固性能较差,对于不适合植物生长且稳定性较差的碎石、岩质边坡还需与工程措施相配合。

边坡生物工程需结合边坡形状、坡体结构、坡体岩性及所处场区气候条件、地区特性及当地经验等综合进行。

4.2 治理工程

(1)排水工程

水是影响山区边坡灾害发生的关键性因素,因而修建排水工程应是治理边坡工程措施,一般可通过在坡顶设置截水沟、坡面设置排水沟以及在坡体内设置渗沟或平洞等拦截、抽排措施来实现。地表排水以拦截和旁引疏通为原则,用排(截)水沟将地表水引入天然沟谷;排除地表水工程包括防渗工程、截水盲沟、集水沟(井)和廊道、平洞等。

(2)支挡或加固工程

对于稳定性较差或潜在不稳定的山区边坡,主要采取支挡、拦截、加固等措施。

对于存在剥落、落石、崩塌灾害的边坡,可在坡脚或半坡上设置落石平台、落石槽、拦石栅、挡石墙等拦截构筑物,也可用喷射混凝土层、钢丝网覆盖等措施加以稳固。对于存在突出岩体、危岩等崩塌灾害,可以修建支柱、支挡墙等进行支撑。对于滑坡灾害,常采用支挡结构物如抗滑挡墙、抗滑桩、预应力锚索、锚杆、格构锚固等来防止或控制斜坡岩土体的运动。

对于碎石、碎裂岩体边坡,一般通过坡体外、内部加固措施来进行加固。对坡体表面或内部的节理、裂隙、空洞等,可用注浆等措施加以稳固,主要措施有锚钉、锚杆等。改变边坡内部土体性质的方法主要有加固、灌浆、焙烧等物理化学方法。

(3)清除工程

对于风化破碎的高陡危险坡体,可通过刷坡改变坡体坡率、削方减荷、清除等方法提高稳定性或减少危险。

4.3 监测工程

监测是了解边坡稳定性的重要手段和方法,通过完整系统的监测网数据可以预测或确定边坡的稳定状态。对危险明显或危害严重的山区滑坡应进行边坡监测,为预防和治理滑坡提供必需的资料和信息。监测对象为裂缝、地下水、气象降雨或增减荷载(人类工程活动)等,对应大型滑坡还应做好对地下位移监测、滑动面位置监测、孔隙水压力监测、应力监测等工作。

研究区为首都地区,一旦发生灾害,政治、经济影响严重,应加强监测工程力度,建立边坡灾害预警系统及紧急情况应急预案,以便及时发现问题和采取措施。

5 结论

(1)北京山区地质条件较为复杂,地质构造发育,人类工程活动频繁,山区边坡灾害发育。山区边坡灾害以岩质边坡、人工边坡为主,其失稳破坏模式主要为剥落、落石、崩塌、滑坡等。

(2)本区边坡崩塌灾害严重,随着人类工程活动的频繁,崩塌、落石灾害规模及数量有进一步扩大和加剧的发展趋势。北京山区滑坡灾害数量相对较少,但带来的不利影响则比较大;自然边坡整体稳定性较好,对于外界因素的影响较为敏感,不利结构面、岩性组合边坡在遭受不合理的开挖施工时,则有可能诱发滑坡。

(3)地质构造、地层岩性、气候条件及人类活动是影响山区边坡稳定性的主要因素,其中地质构造、地层岩性是边坡灾害发生的内在因素,气候条件、人类活动是边坡灾害发生的诱发因素。

(4)针对本区边坡地质特点和岩土体结构特征,应采取综合措施对边坡进行稳固和治理,同时避免随生态环境造成影响。对危险边坡应加强监测力度,建立预警系统和应急预案。

[1] 吴言军,陈爱新,刘长青.北京山区公路岩质边坡的稳定性分析及防治对策[J].工程勘察,2006,(增刊):152-158.

[2] 张路青,杨志法,许兵.滚石与滚石灾害[J].工程地质学报,2004,12(3):225-231.

[3] 张路青,杨志法,张英俊.公路沿线遭遇滚石的风险分析—方法研究[J].岩石力学与工程学,2005,24(增2):5543-5548.

[4] 赵明阶,何光春,王多垠.边坡工程处治技术[M].北京:人民交通出版社,2003.

[5] 北京市勘察设计研究院.京承高速公路三期(沙峪沟～市界段)第四标段-线路工程地质勘察报告[R].北京:北京市勘察设计研究院,2005.

SLOPE HAZARDS AND PREVENTIVEM ETHODS IN MOUNTAIN AREA OF BEIJING

W u Yan-jun,Chen Ai-xin
(BGIEngineering Consultants L TD,Beijing 100038,China)

Collap ses and landslides are themain slope disasters in Beijing mountains due to comp lex geology and frequent engineering activities.The disastersmostly happen to rock and artificial slopes,and their failuremodesare spall,rock fall,collapse and landslide.Their influencing factors are analyzed from tectonics,lithology,climate and human activities,and p reventive measures,accordingly,are p roposed.

Beijing mountains;slope disaster;collap se;landslide;facto rs;p reventive measure

P694

A

1006-4362(2011)02-0042-04

2010-09-09 改回日期: 2010-10-19

“十一·五”国家科技支撑项目(2006BAJ06B02-4)

吴言军(1976- ),男,工学硕士,工程师,现主要从事岩土工程、工程地质、地质灾害等方面的勘察、设计工作。