岩质高边坡崩塌特征和设计治理案例分析

2021-04-17李子光

西部探矿工程 2021年5期

李子光

（广东省地质局第六地质大队，广东江门529000）

1 概述

岩质边坡组成主要为中风化—微风化岩石和少量强风化岩，由于岩体强度较高常可形成高陡边坡或陡崖。岩质高边坡多受节理裂隙切割控制而发生崩塌地质灾害。岩质边坡根据其地质环境条件的不同而具有不同的特征，研究岩质高边坡的特征、形成机理和破坏方式为岩质高边坡稳定性分析评价和崩塌地质灾害治理设计提供重要依据。

2 岩质高边坡崩塌的特征

陡坡上的岩体，在重力和其他外力的作用下，突然向下崩落的现象叫崩塌。对于一般的陡坡，崩塌后的岩体沿坡面滚落或下落后撞击坡面而跳跃，最后堆积于坡脚；对于近乎直立的陡崖，岩体可为自由下落而堆积于坡脚。崩塌多为突然发生，快速运动，运动轨迹变化显著，明显区别于滑坡，其垂直位移大于水平位移，崩落后崩塌体多因撞击而整体性遭到破坏。落石则为陡坡上的小型岩石块体剥落下坠或滚落、弹跳等。

崩塌的形成原因和影响因素分为内因和外因，内因为地形地貌、地层岩性、地质构造、岩土体工程地质特征、地下水与地表水；外因为人类工程活动、降雨等。崩塌根据成因类型的不同而呈现出不同的特征，表现为不同的崩塌形态、破坏类型和失稳运动形式。

3 崩塌的形成机理和破坏方式分类

崩塌按形成机理可划分为：倾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓胀式崩塌、拉裂式崩塌、错断式崩塌，其受力状态、运动形式及其他主要特征如下所述。

3.1 倾倒式崩塌

倾倒式崩塌受力状态主要受倾覆力矩作用，起始运动形式和破坏方式为倾倒。岩性多为直立岩层或陡倾坡内的岩层，如石灰岩、砂岩等，结构面多为垂直节理裂隙或陡倾直立岩层面。地形地貌多见于陡崖，崩塌体形态多呈板状、长柱状。稳定性计算时应考虑张开裂缝降雨充满水时的静水压力。

3.2 滑移式崩塌

滑移式崩塌多形成于存在外倾软弱结构面的坡体，通常为大于55°的陡坡。岩性多见于软硬相间的岩层，如硬质石灰岩夹薄层泥岩或硬质岩的裂隙结构面泥质充填。受力状态为滑移面受剪切力，起始运动形式为滑移。破坏方式可能为平面滑动、受结构面切割形成的楔形体双平面滑动。稳定性分析应考虑裂隙充满水时裂隙后沿侧压力和滑动面上的浮托力。

3.3 鼓胀式崩塌

鼓胀式崩塌岩性多为硬质岩层下伏有软弱岩层，常见断层破碎带或风化碎屑体，上部崩塌体发育有垂直节理裂隙，下部软弱岩层为近水平状结构面。受力状态为下部软岩受垂直挤压鼓胀变形，特别是软岩遇水软化，其无侧限抗压强度小于上部岩体的压应力时，起始运动形式为鼓胀下沉，并伴有倾斜和滑移。

3.4 拉裂式崩塌

拉裂式崩塌的岩性多为软硬相间的岩层，下部较软岩风化程度较高容易发生剥落而形成内凹的岩腔，上部较硬岩以悬臂梁形式突出。地形地貌多为上部突出的陡崖，形如“鹰嘴”。重力拉张裂隙多沿着风化裂隙发育，破坏方式为随着裂隙向深部扩大，所受拉应力超过岩体的抗拉强度而发生拉裂崩塌。

3.5 错断式崩塌

错断式崩塌一般发育于硬质岩层，地形地貌为陡坡，垂直裂隙较为发育。受力状态主要为自重引起的剪切力，最大剪应力方向与竖直方向夹角约45°。起始运动形式为剪断错落、下坠。

4 落石的特征与运动形式

落石是指个别岩石块体或群体在重力或其他外力作用下突然从陡坡上分离剥落，以自由落体坠落、弹跳或滚落等方式向下猛烈运动的地质现象。落石形成机理与崩塌类似，是崩塌的一种特殊形态。落石运动速度和运动轨迹的影响因素与块体形状大小、坡高、坡形、坡率、坡面粗糙和起伏程度以及植被覆盖率等有关。落石的运动形式可分为直落式、直落跳跃式、跳落式、滚落式等。

5 工程治理设计案例分析

5.1 工程概况

广东省肇庆市某边坡场地原为旧采石场，由于不规范开挖形成了高陡岩质边坡。边坡大致呈U 型，长度约668m，高度29～102m。裸露坡面受长年的风化作用和雨水冲刷，坡体裂隙发育，局部出现崩塌破坏和块石坠落，威胁北侧在建高层住宅小区有关人员的生命财产安全，必须对山体边坡进行治理。

5.2 边坡地质环境条件调查

边坡平均高度约90m，坡度约41°～81°。岩土体组成主要为强风化、中风化和微风化花岗岩，岩体类型Ⅳ-Ⅱ类，为岩浆岩高边坡。坡面裂隙发育，局部坡面（如FG段）由于断层、节理裂隙等不利结构面切割而出现楔形体滑移式崩塌破坏（见图1），部分坡面由于卸荷裂隙和风化、降水等作用形成落石。部分坡段结构面产状统计见表1。

图1 结构面切割楔形体崩塌（FG段）

5.3 崩塌稳定性分析

表1 结构面产状统计表

崩塌稳定性分析采用定性分析，定性分析主要采用极射赤平投影方法分析裂隙结构面和边坡临空面的空间组合关系来判断边坡稳定性，如FG段赤平投影分析见图2。根据分析结果，两组结构面组合交线与坡面倾向呈小角度相切，且组合交线倾角小于坡角，边坡不稳定，容易发生楔形体双平面滑动破坏，这与实际破坏吻合。

5.4 边坡稳定性计算

图2 FG段结构面赤平投影分析图

对存在外倾硬性结构面（如AB段和JK段）或受断层控制结构面组合交线不稳定的坡段，采用平面滑动直线型极限平衡计算方法，采用结构面强度参数计算稳定性。由于各层岩体强度差异较大，而坡体裂隙发育，对本边坡坡体整体沿结构面滑动的可能性不大，另外考虑按岩土体内部强度参数采用折线形滑动方法计算安全系数。岩体计算参数见表2。

5.5 边坡破坏的主要形式

拟治理边坡由于采石开挖形成高陡边坡，裸露的坡面由于卸荷应力释放、风化作用、构造节理等作用裂隙发育，局部坡面存在小断层，在多组结构面相互切割下产生了切向坡面方向的破坏面，从而发生楔形体滑移式崩塌破坏。另外，由于多组结构面的切割控制破坏了岩体的完整性，陡立的岩体产生了拉张裂隙，在重力、降水等作用下容易发生剪切坠落和落石。

表2 岩体计算参数表

5.6 设计治理方案总体思路

根据地质环境条件调查和稳定性分析，设计采用“锚杆+挂网喷射混凝土+格构梁+SNS主动防护网+落石平台+拦石墙+SNS 被动防护网+截排水措施”的综合治理方案，根据岩体类别和稳定性分析结果，分区采用不同的加固和防护措施，采用技术经济最优化的方案。一般而言，对于较为稳定的岩石坡面采用SNS 主动防护网防护；对于坡面上顶部现有较多树木的非岩质坡面采用格构梁支护，以尽量减少砍伐树木为原则；其余坡面采用锚杆挂网喷射混凝土的方案进行加固，对于岩体性质较差、存在外倾结构面、楔形体或结构面组合交线不稳定的区段适当加长锚杆长度。完善排水系统，坡顶设置截水沟，通过急流槽与坡脚排水系统连接。坡脚设置落石平台，平台外侧设置混凝土拦石墙，拦石墙顶安装SNS被动防护网作为最后一道防线预防和拦截零星弹跳落石。

5.7 治理方案设计

(1)锚喷支护：对存在外倾结构面和楔形体崩塌破坏的坡段，岩体性质较差，边坡不稳定，采用锚杆+挂网喷射混凝土的岩石锚喷支护方案进行加固。锚杆采用Ø25mm的HRB400钢筋，入射角度15°，孔径Ø110mm，水平间距和垂直间距为2～2.5m，锚杆长度根据破坏面深度和稳定性计算确定，长度分为3m、6m、8m、11.5m多种规格分段优化。坡面挂Ø8mm@200×200mm双层钢筋网，喷射C25混凝土厚150mm。坡面设置Ø50mm的PVC 管泄水孔间距2m，呈梅花状布置，外倾坡率不小于5%。

(2)SNS主动防护网防护：为预防落石发生或限制落石在一定范围内运动，在岩体性质较好，边坡较稳定的坡段铺挂SNS 主动防护网，根据本边坡特征选用GPS2型主动防护网。钢丝绳锚杆采用2Ø16mm钢丝绳，间距2.5m×2.5m，长度3m，孔径不小于Ø50mm，注浆强度不低于M20。纵横交错的Ø16mm 横向支撑绳和Ø12mm 纵向支撑绳与钢丝绳锚杆相联结并进行预张拉，每个网格内铺设一张D0/08/300型钢丝绳网，钢丝绳网与支撑绳用缝合绳联结并拉紧，使系统对坡面施以一定的法向预紧压力，从而提高表层岩土体的稳定性。同时，在钢丝绳网下铺设小网孔的S0/2.2/50型格栅网，以阻止小尺寸岩块的塌落。主动防护网不对坡面进行封闭，有利于坡面植被的复绿，对生态环境恢复具有优势作用。

(3)落石平台和拦石墙：为预防坡面崩塌落石坠落或滚落，在坡脚地面设计落石平台，平台宽度一般8～10m，平台宽度经过落石运动速度和最大运动距离计算并综合考虑坡面主动防护系统和现有落石堆积体自然历史经验法确定。平台地表整平回填素填土作为落石平台的缓冲层，平台地面种植乔木既作为绿化带也可利用乔木阻挡落石冲击，平台封闭管理并设置安全警示标志。平台外缘设置钢筋混凝土拦石墙，拦石墙高度2500mm，墙顶宽度800mm，墙底宽度1400mm，入土深度500mm，采用C30混凝土现浇，能有效阻挡较大落石的水平撞击。

(4)SNS被动防护网：在拦石墙顶埋入地脚螺栓锚杆，埋入深度900mm，露出长度100mm，在拦石墙顶安装SNS 被动防护网的钢柱和基座，钢柱间距为10m。SNS 被动防护网采用RXI-100 型，拦截撞击能1000kJ以内的落石，防护网高度3m。RXI-100型被动防护网系统由基座、钢柱、上拉锚绳、侧拉锚绳、环形网、减压环、格栅网和支撑绳等柔性材料组成，作为拦截跳跃落石的最后一道保险防线，拦石墙和被动防护网总体高度5m，当其他加固和防护措施失效时，仍可作为有效的拦截落石措施，避免落石对外侧建筑物和人员造成破坏和伤亡。