五台县边家庄变质白云岩危岩体破坏模式与治理

2016-09-20菅艳平

西部探矿工程 2016年9期

关键词：危岩家庄岩体

菅艳平，赵　阳

（1.太原理工大学地球科学与工程系，山西太原030024；2.大同煤矿集团公司晋华宫矿，山西大同037016）

五台县边家庄变质白云岩危岩体破坏模式与治理

菅艳平*1，2，赵阳1

（1.太原理工大学地球科学与工程系，山西太原030024；2.大同煤矿集团公司晋华宫矿，山西大同037016）

山西五台地区为老变质岩区，前寒武系地层分布广泛，地质构造复杂，地势陡峭，岩壁直立陡峻，加之当地人类工程活动影响，危岩体分布较多，地质灾害频发，直接威胁当地生态环境及经济发展，对其采取积极的安全评价与防治措施越发重要。通过对五台县边家庄村北侧3处危岩体发育情况进行了地质环境调查，根据危岩体的空间几何形态、结构面组合特征和变形破坏迹象等，确定了边家庄村北侧3处危岩体破坏模式分别为滑塌式、坠落式、倾倒式。并采用极限平衡法对该危岩体稳定性进行了定量计算。最后，在对危岩体进行技术分析论证的基础上，提出了该危岩体的治理方案，可为该地区的同类地质灾害防治提供参考。

五台山；危岩体；破坏模式；稳定性；治理方案

山西省五台县地处太行山北段西侧，地层为变质白云岩，地势陡峻，地形条件复杂。在其特殊的地质环境背景下，受当地人类工程活动影响，如旅游开发、矿业开采、修建住宅等，形成大量高陡边坡，由此产生较多的危岩体，威胁当地群众生命财产安全与经济发展，为切实解决这一安全隐患，对其失稳破坏模式及治理措施研究是十分必要的，具有一定的现实意义。

以五台县边家庄村北侧3处危岩体为例，结合边家庄村危岩体勘察资料，通过统计分析边家庄村危岩体空间几何特征、主控结构面组合特征以及变形破坏迹象等，对危岩体破坏模式进行分析论证，然后利用极限平衡方法对危岩体在不同工况条件下的稳定性进行了评价，在此基础上提出相应治理措施，可为该地区同类地质灾害的防治起到一定的借鉴作用。

1　边家庄村危岩体工程地质条件

1.1地形地貌

危岩体地段地形表现为北东高、南西低，最低点位于边家庄村西部滹沱河内，海拔800m，最高点位于北东部山脉，海拔1000m，相对高差200m。地貌形态受地质构造、新构造运动、地层岩性的制约，属于构造剥蚀中高山区。山峰海拔高程一般为1300～1900m，切割深度300～600m，属中等切割地貌。山势险要陡峻，河谷狭窄多曲，可见多级溶洞，属新构造运动急剧上升区。

1.2地层岩性

区内主要赋存有寒武系及第四系地层。①寒武系中统徐庄组（∈2x），该组地层由下而上可以分为2个岩性段，下段以紫红色或猪肝色页岩为主，夹薄层砂质页岩、粉砂岩及少量黄绿色页岩。上段以灰色、灰白色白云质灰岩为主。②第四系全新统（Q4），以现代冲积物、洪积物以及坡积物分布于河床、山间洼地及山坡地带，与下伏地层呈不整合接触。

1.3地质构造

区内地质构造简单，主要为单斜岩层构成，岩层产状为64°∠12°，较为平缓。区内节理较为发育，据野外调查，主要发育有构造节理和卸荷裂隙2种类型，前者为地壳运动所形成，后者为物理风化作用所形成。构造节理可见2组，其中一组发育方向为350°，近南北向延伸，另一组为245°，近东西向延伸，倾角82°～85°，近直立分布，地貌多形成悬崖陡壁。据实地测量，两组节理发育密度约20～25条/m2，分布较为密集，相交后将岩石切割成大小不同碎块。断层不发育，仅在区外北西方向见有正断层，走向北东，断距约30m。

2　危岩体破坏模式

2.1破坏模式

经过现场调查，边家庄村北侧危岩体空间分布在3个地段，依据危岩体分布的空间位置，将其划分为Ⅰ号危岩体、Ⅱ号危岩体和Ⅲ号危岩体。通过分析各个危岩体破坏机理的情况，并结合危岩体所处地质环境条件，勘察区内3处危岩体的破坏模式可依次分为滑塌式、坠落式、倾倒式。

2.1.1滑塌式失稳

Ⅰ号危岩体上窄下宽，形似楔形体，宽约4m，厚约3.5m，高约30m，体积约400m3。其南部距村庄最近住宅水平距离约25m，相对高差约90m，高高悬立于村庄之上。危岩体主要发育在寒武系徐庄组上段中上部厚层状白云岩地层中，由于岩石抗风化能力强，地貌上形成狭窄的山脊尖端与悬崖陡壁。该段地层由于地壳运动作用，岩体沿近南北方向构造节理与母体解离，后期卸荷作用进一步加剧了岩体与母体的脱离，形成上宽下窄楔形裂缝，其宽度约为50～80cm。下部发育有向西倾斜的一组结构面，其产状为290°∠30°。整条裂隙在自然风化剥蚀、降雨、人类工程扰动等作用下使得应力得到释放，裂隙将进一步扩展，如遇暴雨或地震来临，将大大减小结构面的抗剪强度，加速剪切破坏，危岩体最后沿着破裂面滑移失稳。

2.1.2坠落式失稳

Ⅱ号危岩体高约8m，岩性主要为变质白云岩，南部距村庄最近住宅水平距离约20m，相对高差约20m。危岩体底部因强烈的风化作用形成若干个大小不一的凹腔。在重力作用下，岩体后缘出现卸荷裂隙，危岩在构造节理和卸荷裂隙的综合作用下，薄层岩石被切割成约30cm大小的碎块。危岩块石易在降雨、风化、植物根劈作用及其他因素作用下最终以自由落体的形式发生坠落，沿着坡面滚落至下方边家庄村，威胁村民生命财产安全。

2.1.3倾倒式失稳

Ⅲ号危岩体高约10m，岩性主要为变质白云岩，下部基座与母岩之间夹有少量薄层砂质页岩。空间上与Ⅱ号危岩体相邻，位于其西侧，相对高差约20m。其南侧临空，底部局部支撑，主要发育在斜坡体前缘，形态呈板状，后部发育近直立的陡倾破坏面，随着危岩破坏的加剧，临空面范围逐渐扩大，整体重心外移，危岩在自重弯矩作用下，以下部基座为支点开始向临空方向弯折，最终发生倾倒式破坏。

3　危岩体稳定性计算与评价

危岩体稳定性评价较为复杂，基于上述对边家庄村3处危岩体破坏模式的分析，运用极限平衡理论建立了不同失稳模式的危岩稳定性计算方法［1］。

3.1危岩体稳定性定量计算

危岩体稳定性计算力学参数的选取非常重要，根据土工试验结果并结合相关规范，提出危岩体的物理力学参数值（表1）。

表1　危岩体稳定性计算参数

对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号危岩体进行3种工况下的稳定性计算，分别是：工况1（天然工况，考虑天然状态自重）、工况2（暴雨工况，考虑自重和裂隙水压力）、工况3（地震工况，考虑自重和地震力）。根据危岩体所处位置水文地质调查，危岩体及其基座无地下水，可不考虑地下水对危岩体稳定性的影响。计算方法如下：

（1）对滑塌模式危岩计算方法［1］：

（2）对坠落模式危岩计算方法［1］：

（3）对倾倒模式危岩计算方法［1］：

以上公式中：W为单位长度危岩体重力（kN）；P为单位长度危岩体承受的水平地震力（kN），取水平地震系数为ζ，本区地震设防烈度为Ⅶ度，查表可得ζ=0.08，则地震力为P=ζW；Q为主控结构面内作用在危岩体上的裂隙水压力；H为危岩体高度（m）；β为结构面倾角（°）；c、φ分别为结构面粘聚力（kPa）和内摩擦角（°）；e为孔隙深度（m）；e1为孔隙充水深度（m）；a为重力作用点距倾覆点的水平距离（m）；h为地震力距倾覆点的垂直距离（m）；flk为危岩体抗拉强度标准值（kPa）；fok为危岩体与基座之间的抗拉强度标准值（kPa），当基座为岩体时，fok=flk；lb为危岩体下部主控结构面尖端到倾覆点的距离（m）。每类危岩体的稳定性计算结果见表2。

表2　危岩体稳定性计算结果

3.2危岩体稳定性评价

本次计算采用3种工况条件及组合荷载下计算，针对不同破坏模式分别做出评价，危岩稳定性评价标准根据《滑坡防治工程勘查规范》（DZ/T0218－2006）［2］，评价标准如表3。

表3　危岩稳定性评价标准［2］

分析计算结果可知，Ⅰ号危岩体在天然自重状态下处于欠稳定状态，如遇极端降雨或地震来临，其稳定性系数将小于1，极有可能失稳破坏。Ⅱ号和Ⅲ号危岩体在天然状态下处于欠稳定状态，在暴雨和地震作用下，稳定性大大降低，处于极限平衡状态，有失稳破坏的可能。因此，上述危岩体需尽快治理，以保证下方威胁区居民的生命财产安全。

4　危岩体工程治理方案

对上述3处危岩体的破坏模式及稳定性分析研究结果表明，这3处危岩体都有失稳破坏的可能，应采取防治措施。由于危岩的发育和失稳影响因素众多，加上边家庄村危岩体结构特征及所处地质环境条件的复杂性，危岩体的稳定性不能仅仅依靠单一的治理方法，应采取多种措施联合治理。根据危岩体所处的地质环境条件、危害影响区情况、灾害整治成本以及施工制约条件等，为全面有效保护崩塌灾害威胁对象，经综合分析，建议对3处不同的危岩体采取相应的防治措施，具体见表4。