易县桥家河乡杏树台村危岩体崩塌灾害特征分析

2016-10-12刘其龙焦子军汤满兴李伟光

西部探矿工程 2016年10期

关键词：危岩裂隙岩体

刘其龙，焦子军，汤满兴，李伟光

（河北省地矿局第四水文工程地质大队，河北沧州061000）

易县桥家河乡杏树台村危岩体崩塌灾害特征分析

刘其龙*，焦子军，汤满兴，李伟光

（河北省地矿局第四水文工程地质大队，河北沧州061000）

易县地处河北省西部太行山东麓，在地质构造、地层岩性、地形地貌、气象水文等多种自然因素和人为因素的综合作用下，形成了不同程度的地质灾害或地质灾害隐患。其中，桥家河乡杏树台村北部山体就是此地区的典型代表之一。本工作在实地考查该区域地质环境特征的基础上，确定了岩体崩塌的分布范围、规模以及变形特征；通过物理和力学实验，并结合各地质层的工程地质特性，标定了主要岩层材料的力学特性；进而对斜坡上典型岩体进行了稳定性分析与评价，为该地区此类地质灾害治理的可行性研究和工程设计提供依据。

地质灾害；岩体崩塌；影响因素；稳定性分析与评价

本工作研究区域位于河北省西部太行山东麓，地貌形态为低山地貌，山脚海拔高度620m，山顶海拔1035m，南北向坡形按坡度形态可分上（缓）、中（陡）、下（缓）3级，上窄下宽，下部受两侧山脊影响略呈簸箕形状，其间发育2条北东—南、北西—南西向弧形冲沟。山坡表层岩体裸露，风化破碎、切割严重，覆盖少，植被不发育。

地层岩性方面，易县境内地层主要有太古界阜平群片麻岩、元古界长城系白云岩和新生界第四系河相沉积层，其出露面积分别占全县面积的25.2%、35%和23%。地质构造方面，主要由前元古代阜平—吕梁时期和中生代燕山期两次大规模的地壳运动而形成的，其中燕山运动最为强烈。由阜平—吕梁运动在西部以强烈的褶皱造山运动为主，在东部以褶皱为主，断裂为辅，并伴有区域岩层变质和岩浆活动。褶皱主要发育在元古界地层中，断裂大部被脉岩充填。燕山运动在西部以大规模的断裂为主，伴有大规模的岩浆活动及地层褶皱，在东部产生强烈的褶皱、断裂构造，使境内前中生代地层支离破碎，并伴有火山喷发和多次岩浆侵入。新生代喜马拉雅运动主要表现为地壳上升，遭受剥蚀，使河床下蚀，致使现代河床比中生代旧河床低于10m以上，从而奠定了境内地质构造的面貌，使西部成为太行山隆起区北端的一部分，东部成为华北平原坳陷区的边缘，区内地下水类型主要为裂隙水和孔隙水。裂隙水主要赋存于太古界阜平群片麻岩风化带中，片麻岩风化裂隙发育，排泄滞缓。工作区内坡体下部沟谷中有泉眼出露。孔隙水主要赋存于沟谷间残坡积土中，地下水补给以大气降水入渗为主。地下水的运动，部分沿裂隙下渗补给地下水，再沿沟谷向山前径流。除沿裂隙入渗外，部分降水以坡面低洼处汇集沿沟径流，难以形成面流。

研究区域在上述地质构造、地层岩性、地形地貌等多种自然因素和人为因素的综合作用下，形成了不同程度的地质灾害或地质灾害隐患。其中，桥家河乡杏树台村北部山体在某一次强降雨作用下，以及随后数天的降雨过程中发生部分危岩崩塌脱落的现象。为了消除地质灾害隐患，确保人民生命财产的安全，本工作在实地考查的基础上，确定了岩体崩塌的分布范围、规模以及变形特征；标定了主要岩层材料的力学特性；对斜坡上的危岩体进行了分类以及稳定性分析与评价，为该地区此类地质灾害治理的可行性研究和工程设计提供依据。

1　岩层材料的物理力学性质

桥家河乡杏树台村位于岩浆岩带西部，基岩为太古界阜平群片麻岩，在区内普遍出露，第四系松散堆积主要处于半坡低洼地带及坡脚形，根据岩性分布特征及物理力学性质，将其划分为砾砂和片麻岩2个工程地质层，对2个地质层分别采样，进行物理力学实验，结合各工程地质层的工程地质特性，参照地区经验，得到地质参数，如表1所示。

表1　地质材料物理力学性能参数

2　危岩形成机制及破坏方式分析

崩塌是在特定的自然条件下形成的。地形地貌、地层岩性和地质构造是崩塌的物质基础；降雨、地震、风化作用、人类活动对崩塌的形成和发展起着重要作用。工作区危岩体的形成主要有2类，一种是原岩位于陡峻山坡上，裂隙发育，在差异风化作用下，形成了部分岩体的突出，风化的加重，在雨水切割、冻融等作用下，形成与母岩联接脆弱的危岩体，如遇暴雨或地震，不稳定危岩体将发生向下滚落。在重力作用下，掉落的岩体在坡面上滑动，跳跃，如岩块形状趋于圆形，在较长的运行距离、较高的落差下，下落速度很快，形成较大的冲积力，将给山坡坡脚处的居民房屋造成极大的危险和破坏。另一种是早期滚落的岩石在运动过程中，受各种条件影响，堆积在半坡上，底部承载物质为松散的堆积物，在重力作用和承托作用下处于静力平衡状态，如遇暴雨或地震，底部承载物质发生蠕动、雨水冲刷下滑或破坏，平衡状态将被打破，危岩在重力作用下重新启动向下的动力，再次进入运动状态，对下部民居构成威胁和破坏。根据对工作区内崩塌危岩总体形态、发育规模、基底和底界层特征及空间分布特征分析，危岩体失稳方式主要有3种，即坠落式、倾倒式和滑塌式。

（1）坠落式：受裂隙切割和下部岩腔影响，高悬于陡岩上端和岩腔顶部的危岩体，随卸荷裂隙不断加深加宽，一旦裂隙发育切割整个危岩体，使其脱离母体，危岩在重力作用下从母体突然脱离失稳产生崩塌，如图1所示。

（2）倾倒式：岩体基座的差异风化和裂隙的切割使危岩体局部悬空，危岩体底界临空条件好，在变形破坏时，危岩体的顶部首先脱离母体，然后沿基座支点转动，从而发生倾倒式破坏，如图2所示。

（3）滑移式：危岩体本身已经与母体脱离，受下部岩层支撑。一旦下部岩层受外部作用失去支撑力，上部岩体将发生向下滑移、滚落。如图3所示。

图1　坠落式危岩体

图2　倾倒式危岩体

图3　滑移式危岩体

3　危岩稳定性分析及评价

3.1危岩稳定性分析模型

在本次勘查过程中，进行了现场坡体整体稳定性勘查、分析、评价、判断，山坡整体处于基本稳定状态，因此稳定性计算中以典型不稳定块体或可能失稳崩落的块石为计算目标，而不考虑发育这些碎块体的母岩（或危岩带）本身整体的稳定性。根据相关规范［1］，危岩崩塌按现状、暴雨和地震3种工况条件进行稳定性评价，各工况条件下的荷载组合为：工况1——危岩自重；工况2——危岩自重+暴雨；工况3——危岩自重+地震。根据危岩体的受力情况及最可能的破坏形式，在野外调查和室内定性分析的基础上，对危岩分别采用倾倒式模型、滑移式模型和坠落式模型进行计算评价［2-4］。

倾倒式稳定性计算，模型见图4。

图4　倾倒式危岩计算模型

计算公式为：

式中：F——危岩稳定性系数；

flk——危岩体抗拉强度标准值，kPa，根据岩石的抗拉强度标准值乘以0.4的折减系数确定；

H——后缘裂隙上端到未贯通段的下端的垂直距离，m；

h——后缘裂隙深度，m；

hw——后缘裂隙充水高度，m；

β——后缘裂隙倾角，（°）；

W——危岩体自重，kN/m；

a——危岩体重心到倾覆点的水平距离，m；

b——后缘裂隙未贯通段下端到倾覆点之间的水平距离，m；

V——后缘裂隙水压力，kN/m，V=rw·h2w/2；

rw——水的重度，取10kN/m3；

Q——地震力，kN/m，Q=ξW，其方向可视为水平；ξ为地震系数，本工程取0.10；

h0——危岩体重心到倒覆点的垂直距离，m。滑移式稳定性计算，模型见图5。

图5　滑移式危岩计算模型

计算公式为：

式中：c——后缘裂隙粘聚力标准值，kPa；

φ——后缘裂隙内摩擦角标准值，（°）；当裂隙未贯通时，取贯通段和未贯通段内摩擦角标准值按长度加权的加权平均值，未贯通段内摩擦角标准值取岩石内摩擦角标准值的0.95倍；

α——滑面倾角，（°）；

l——滑面长度，m；

U——滑面水压力，U=rw·l·hw/2；

其他符号含义同式（1）。

坠落式稳定性计算，模型见图6。

图6　坠落式危岩计算模型

计算公式按下列二式计算，稳定性系数取2种计算结果中的较小值：

式中：ζ——危岩抗弯力矩计算系数，依据潜在破坏面形态取值，一般可取1/12～1/6，当潜在破坏面为矩形时可取1/6；

a0——危岩体重心到潜在破坏面的水平距离，m；

b0——危岩体重心到潜在破坏面形心的铅垂距离，m；

其他符号含义同式（1）、式（2）。

3.2稳定性评价标准

根据危岩体的危害对象，按《滑坡防治工程设计与施工技术规范》DZ/T0219-2006中的防治工程分级标准，该危岩治理工程等级划分为3级［1］。稳定性评价标准见表2。

表2　危岩稳定状态评价标准

3.3稳定性评价结果

本工作中选取研究区域中部主坡体上的6块危岩体进行研究，危岩体特征说明见表3，稳定性计算结果见表4。

表3　危岩体基本特征汇总表

以上稳定性分析和计算结果表明：各危岩体现状处于基本稳定状态，但是在暴雨、地震等状态下处于欠稳定—不稳定状态，而危岩体崩塌会对斜坡前缘居民房屋及部分耕地会造成潜在威胁，对其进行工程治理是必要的和急迫的。

4　结论

本工作在对河北省易县桥家河乡杏树台村北部山体进行实地考察的基础上，确定了坡体危岩的分布范围、规模以及变形特征，对斜坡上的危岩体进行了分类以及稳定性分析与评价，分析结果表明：各危岩体现状仍处于基本稳定状态，但是在暴雨、地震等灾害的诱发下，会变为欠稳定乃至不稳定状态，因此，必须对此类危岩体进行必要的工程治理，以防止灾害事故的发生。本文工作也为该地区此类地质灾害的调查、研究和治理工作提供了依据和参照。