崩塌地质灾害安全治理方法及措施的研究

严尔炳

（云南旅游职业学院，云南昆明650221）

崩塌地质灾害安全治理方法及措施的研究

严尔炳*

（云南旅游职业学院，云南昆明650221）

研究了崩塌地质灾害的类型及灾害形成的计算模型，崩塌地质灾害安全治理方法及措施，研究了实际崩塌地质灾害安全治理方法及措施的具体应用。

崩塌；治理；安全；研究

1 崩塌地质灾害的概念及种类

1.1 崩塌地质灾害的概念

这里所说的崩塌地质灾害主要指通常滑坡和崩塌中的崩塌地质灾害。一般情况下崩塌多产生在陡峻的陡坡地段，坡度大于55°，高度大于30m以上，坡面多不平整，上陡下缓。从岩石性质及构造条件来说，只有坚硬岩才能组成高陡山坡，在这种条件下若岩体节理裂隙发育，岩石破碎易产生崩塌地质灾害。从地质构造方面来看，当岩体各种软弱结构面的组合情况处于以下情况时也易于发生崩塌地质灾害：（1）当岩层倾向山坡，倾角大于45°而小于自然坡度时；（2）当岩层2组与山坡走向斜交的节理，组成倾向坡脚的楔形体时；（3）当岩层发育有多组节理，且一组节理倾向山坡，倾角为25°～65°时；（4）当节理面呈弧形弯曲的光滑面；（5）山坡上方有断层破碎带存在时。特别须要注意的是：强烈地震以及工程施工中的爆破作业、边坡开挖的不当、雨季的地表水的冲刷汇集都易引发崩塌地质灾害的发生。

1.2 崩塌地质灾害的分类

1.2.1 失稳倾倒型崩塌

失稳倾倒型崩塌是典型的崩塌地质灾害类型，失稳倾倒型崩塌的基本形式如图1所示。

图1 失稳倾倒型崩塌

自然状态下所形成这一类危石理论上都是处于平衡状态的，也就是通常说的安全系数大于或等于1。这一类危石失稳有几种情况：（1）雨季雨水冲刷汇集使之失稳倾倒；（2）地震作用使之失稳倾倒；（3）雨季雨水冲刷汇集与地震联合作用使之失稳倾倒。当然，也还可能岩石风化强度降低使之失稳倾倒。下面我们就以最不利组合雨季雨水冲刷汇集与地震联合作用使之失稳倾倒进行研究，此时，危石所受力有3个：

（1）是危石本身重力G；

由此可见，危岩抗倾倒力矩为：

裂隙充水和地震作用产生力矩：

崩塌体的抗倾覆稳定性系数K可按下式计算：

K＞1表示岩体处于稳定状态；K=1表示岩体处于临界状态；K＜1的情况不存在表示危岩已经崩塌。

1.2.2 过载型压裂崩塌

这类崩塌岩体下通常有一定厚度的软弱岩体，常为断层破碎带、风化破碎岩体等。在风化和雨水作用下，这些软弱岩石首先软化。当上部岩体传来的压力大于软弱岩层的无侧限抗压强度时，软弱岩层被压碎同时部分补挤出，发生鼓胀，上部岩石随即发生下沉、移动，超过一定临界量后突然发生崩塌。这类崩塌灾害的评价可用下面的稳定系数来进行评价：

式中：W——上部岩体质量；

[σ压]——O点附近软岩的无侧限抗压强度；

A——上部岩体的底面积。

K＞1表示岩体处于稳定状态；K=1表示岩体处于临界状态；K＜1的情况不存在表示危岩已经崩塌。

1.2.3 拉裂型崩塌

图2 拉裂型崩塌

拉裂型崩塌如图2所示，可以把突出的岩体当作悬臂梁看待，在AC面上承受最大的弯矩和剪力，AC面上半部分受拉下半部分受压，由于岩石受压强度远大于受拉强度，我们只研究拉裂破坏的情况。在图示情况，A点拉应力最大。在长期重力和风化作用下，A点应力一旦超过岩石的抗拉强度就会产生破坏的裂隙，随着裂隙逐步扩大并向深部发展到一定时刻，上部悬出的岩体就会崩塌。这类崩塌的评估是看最大弯矩截面AC面上的拉应力是否超过岩石的抗拉强度，当AC面上尚未出现裂缝，则A点的拉应力为：

I——AC面的惯性矩；

γ——岩石的重度。

在这种情况下稳定性系数可用下式计算：

如果A点处已有裂缝，裂缝深度为a,裂缝最低点为B,则截面BC上的惯性矩，弯矩，则B点所受的拉应力为：

K＞1表示岩体处于稳定状态；K=1表示岩体处于临界状态；K＜1的情况不存在表示危岩已经拉断崩塌。

需要注意的是，在实际工作中，情况往往要复杂得多，实际情况往往是上述分析的多种情况的组合，同时也不会是简单轴心受拉压的情况，极有可能是偏心情况，所受力就多出弯矩，相应力系也就复杂得多，这时就要分析哪种类型起主导作用，同时要考虑其它类型对主导类型的影响。

2 崩塌地质灾害的治理原则及方法

崩塌地质灾害的治理原则以根治为首选，这是因为根治是最彻底的治理方法，能做到一劳永逸，一次根治，永除后患。而根治最常用方法就是用爆破或工程的手段将灾害隐患进行排除（或移除）。

除此之外，还可采用如下一些方法进行处理：

（1）支撑加固：一般适用于小型崩塌，就是在危岩下部修筑支柱（桩）、抗压挡墙等；

（2）遮挡：适用于小型崩塌，这一方法主要就通行道路而言，可修筑明洞、棚硐等遮挡构筑物使铁路或公路安全通过；

（3）设落石平台：适用于中小型崩塌，当建筑物与坡脚有足够距离时，可在坡脚或半坡设置落石平台；

（4）设挡石墙、拦石网：适用于小型崩塌，就是在坡脚或半坡设挡石墙或拦石网，当前在高速公路或是铁路被大量采用；

（5）锚固：就是利用锚杆、锚索对崩塌灾害体进行锚固；

（6）刷坡：在可能产生崩塌灾害的危石突出的山嘴以及岩层表面风化破碎不稳定的山坡地段，可以刷缓山坡减小崩塌的可能性；

（7）镶补：适用于小型崩塌，对可能产生崩塌的岩体中的空洞、裂隙用片石填补，混凝土灌注；

（8）护面、排水：护面就是对易风化的软弱岩层用沥青、砂浆或浆砌片石等防水材料进行护面，排水就是设排水工程用以拦截疏导坡面地表水及地下水。

3 崩塌地质灾害治理方法的安全性研究

下面我们以一工程实例来说明治理方法的安全性研究：

3.1 工程概况

工程位于云南怒江福贡县马吉乡，其乡政府后山为花岗岩，高山峡谷地形，地势陡峭，岩石节理裂隙发育。如图3所示。乡政府办公楼地面标高为1330m，危石所处标高1455m，乡政府办公楼地面距危石垂直高差约125m，危石距乡政府办公楼水平距离约85m，危石大小约为8m×6m×3m，在长期的雨水冲刷和风化剥离作用下，危石与后面岩体已经完全分离，属于典型的失稳倾倒型和过载型压裂崩塌复合地质灾害隐患，该隐患严重威胁到马吉乡政府办公楼、住宿区及相关住户的安全，需要尽快将其清除。

图3 危石示意图

3.2 治理方法的选择及研究

治理这类灾害可选方法很多，但针对具体工程适用的方法却不多，很适宜的方法就更少，就这一工程来说，支撑加固显然不可能，因现场找不到合适支撑的地方。遮挡也不可行，需要保护的建筑范围太大，加之遮挡也不是彻底解决问题的办法，所以遮挡也不可行。设落石平台在这一工程找不到合适的位置，故也不可用。设挡石墙、拦石网，一方面没有合适的地点，加之也不是彻底解决问题的办法，也不可行。锚固，施工无法进行，也无法采用。镶补，在这一工程中还基本适用。但因治理不彻底，治理质量也不好评价，地方政府不同意采用这一方法。其它方法，刷坡、护面、排水明显不适合这一工程。由此考量，结合我们多年研究的相关成果经验，综合目前国内外对危岩的处治方成功方法，在综合考虑施工安全、施工工期、施工成本等因素的基础上，决定采用一次性就地爆破破碎，向下自由塌落，由西向东多段微差起爆，再辅以人工清理的爆破处治方案。此方案最大优点就是一次治理，永除后患。这一方案也得到了地方政府的充分肯定。

3.3 本次地质灾害爆破治理的安全问题

本次灾害治理的安全问题主要表现在下例3方面：

（1）滚石难以控制。由前示意图可见，危石处65m高的悬崖绝壁，之后是一32m长的41°陡坡，随后是一8m高陡坎，随后又是一68m的27°陡坡，爆破后滚石一旦形成，在自身重力作用下将加速滚动，滚落的方向将会朝势能减小最大的方向，就当地地形来看滚石将呈扇形向下滚落，滚石滚落的方向范围基本不可控，所以滚石难以控制。

（2）飞石不易控制。危石距乡政府建筑群垂直高差约125m，水平距离约85m，爆破一旦产生飞石其危害将无法控制。

（3）危石处于高达65m的悬崖绝壁，施工条件极差，施工安全保障为一大难点。

3.4 治理方法安全性研究

崩塌地质灾害治理方法的安全性研究主要从滚石和飞石2个方面的安全性进行研究。

3.4.1 治理所产生的滚石安全性分析研究

这一类地灾处理，爆破后滚石一旦形成，如在光滑山坡上在自身重力作用下将加速滚动，滚落的方向将会朝势能减小最大的方向，就当地地形来看滚石将呈扇形向下滚落，在实际滚落过程中，因山坡上还有一些灌木会阻挡滚石滚动，动能（1/2MV2，其中，M为滚石质量，V为滚石的速度）小的滚石就会被阻挡停留下来，而动能大的滚石冲破阻挡后在斜坡上又不断获得能量加速下行，如地形地貌无足够缓冲或阻挡，其动能就会越来越大。而滚石滚落的方向、范围依据地形实际基本不可控制，所以滚石难以控制。而其产生危害能力大小与滚石的动能成正比。滚石的动能与滚石质量及速度的平方成正比。也就是说，滚石的危害大小与滚石的大小与滚动速度成正比，在具体项目中滚石的速度取决于滚石的落差和坡度，落差、坡度大则速度大，反之则速度小。就是说具体某一项目，滚石的速度也是不可控制，所能控制的就是滚石的大小。

就崩塌地质灾害治理方法的安全性，控制和减小滚石产生的危害就是将滚石的动能控制在一定的范围，在确定治方法及技术方案时，有效的方法就是控制滚石的大小，就马吉乡这一项目来看，为保证爆破下来的岩石块度比较小，减少滚石的动能，降低对下部建筑物及设施的威胁，炮眼采用梅花形布置。根据现场的施工情况，应尽量钻凿垂直炮眼，有利于降低劳动强度，提高钻眼速度，缩短施工周期；若条件不允许，可采用上部打垂直眼，下部打水平或倾斜炮眼的综合布孔方式。

根据研究的成果及经验，保证爆破块度均匀，且所产生的滚石大小符合要求，除控制炮眼的平面布置尺寸外，还需控制炮眼空间的装药间距，以达到控制滚石大小的目的。还需考虑提高装药系数，决定采用轴向炮泥间隔装药结构。

其炮孔参数：炮眼间距a=600mm，炮眼排距b= 400mm，炮眼倾角α=90°，最小抵抗线 W=500mm，炮眼深度L=2～4m。

通过以上的设计可确保滚石最大不超过300kg。从而保证灾害治理的安全性。

3.4.2 治理所产生的飞石安全性研究

爆破危岩产生飞石是客观存在和不可避免的，如何减小其危却是我们需要研究的，我们可以把飞石简化为平抛来进行研究。飞石距离等于抛出时的速度与在空中飞行的时间的乘积，在这一项目中飞石空中飞行时间约为2.5s（石块作自由落体到达地面的时间）。由此推测，只要抛出时石块速度达到34m/s,飞石就会落到乡政府的办公区。为减小飞石危害，我们研究通过微分化药包的手段，使危岩体能破碎又不过度用药形成较大的平抛速度，多年研究表明，在这一类爆破作业中，大块石块不会有较大的平抛速度，而在爆破瞬间，由于应力集中一些小块会产生较大的平抛速度，而小块飞石对建筑物的损坏一般较轻微，所以对飞石的安全性考虑我们认为主要是划定人员撤离合理的警戒区。总之，通过合理的孔网参数、微分小炸药包及合理微差爆破，在控制单位炸药消耗量的前提下，使危岩充分破碎又不过分爆破形成以初速度较大的飞石，就能解决飞石的安全性问题。

4 崩塌地质灾害治理的施工安全措施

对于危石处于高达65m的悬崖绝壁，施工条件极其困难，施工安全保障措施为一大难题。通过考察调研，当地产竹子，我们采取因地治宜的办法，用竹子搭建作业平台，作业平台的搭建一定要支撑捆扎牢固，打眼作业因振动引起的松动要及时修复。实际施工时，因有了安全的作业平台，布置了部分水平炮眼，优化了孔网参数，从而保证了爆破效果，也确保了施工的边全。

通过以上的研究及采取的措施，本次地质灾害的治理取得了圆满成功，没有遗留或造成次生的灾害隐患，处理后的岩壁完整稳固。飞石完全控制在设计范围。滚石仅有5块200kg以内的石块滚到乡政府办公楼后排水沟，其中一块冲坏一间办公室的一面墙，由于事先进行了人员撤离，没有任何的人员伤亡。实践证实研究和治理取得了圆满成功。

P642.2

A

1004-5716(2015)10-0126-04

2015-01-08

严尔炳（1962-），男（汉族），云南宣威人，高级工程师，现从事拆除爆破及各种特种爆破的生产及地质灾害治理的研究工作。