北京石景山功碑阁西侧陡壁崩塌地质灾害特征及治理方案

2024-07-05樊金桂

城市地质 2024年2期

收稿日期：2023-07-13；修回日期：2024-03-12

作者简介：樊金桂（1979- ），男，本科，高级工程师，主要从事岩土工程设计、地质灾害勘查及治理设计研究工作。E-mail：fanjingui2009@163.com

引用格式：樊金桂，2024.北京石景山功碑阁西侧陡壁崩塌地质灾害特征及治理方案［J］.城市地质，19（2）：149-157

摘要：崩塌地质灾害点位于北京石景山山体顶部的功碑阁西侧附近的陡壁位置。山体主体走向为N34°W-S34°E，在山脊西侧附近断续分布着平行于山脊的陡立岩壁，沿山脊方向覆盖长度约170 m，岩壁上节理裂隙极为发育，认为其一旦发生崩塌，将对其下方景观小路上的过往游人及山脚下的既有“丰沙线铁路”安全造成严重影响。根据现场实际条件和工程经验，开展了治理工程设计，通过对治理方案的比选分析，最终选用了“全范围格构锚固”综合治理方案。通过本次治理达到了防灾减灾的目的，保障了人民生命财产安全。

关键词：石景山山体；功碑阁西侧陡壁；崩塌地质灾害；格构锚固；治理方案

Characteristics and treatment of collapse geological disaster near Gongbei Pavilion， Shijingshan， Beijing

FAN Jingui

（Beijing Institute of Mineral Geology， Beijing 100050， China）

Abstract： The geological hazard site of the collapse is located on the steep wall of the overhanging cliff to the west of Shijingshan Mountain GongBei Pavilion in Shijingshan District， Beijing. The main direction of the mountain is N34°W - S34°E. There are intermittent steep rock walls parallel to the ridge near the west side of the ridge， covering a length of about 170 m. The joints and cracks on the rock walls are extremely developed. It is believed that once it collapses， it will seriously affect the safety of pedestrians on the landscape path below and the existing "Fengsha Line Railway" at the foot of the mountain. Based on the actual site conditions and engineering experience， and through comparative analysis， the comprehensive treatment plan of "full range lattice anchoring" was ultimately selected. Implementation of this plan has resulted in disaster reduction and ensured the safety of peoples lives.

Keywords： Shijingshan Mountain; GongBei Pavilion; rockfall geological disaster; lattice anchorage

北京石景山功碑阁是石景山区地标性建筑之一，也是西山永定河文化带的重要节点。最初为始建于唐代的金阁寺舍利塔塔院，院内曾建有覆钵式宝塔1座，砌筑在砖石混建的塔基之上，后毁于战火。1993年，首钢集团在石景山金阁寺塔院遗址上仿照颐和园万寿寺佛香阁修建完成功碑阁。功碑阁以前一直处于封闭状态，仅对下方的丰沙线铁路做过被动防护网防护措施。现在要对外开放，必须消除西侧陡壁崩塌地质灾害影响，确保景区游人以及下方丰沙线铁路的安全。

崩塌灾害往往具有位置高、地形陡、边界条件复杂、勘查难度大等特点，灾害治理设计须因地制宜，充分考虑各种因素（李岩等，2023；冉淑红等，2024；白江伟等，2024）。由于丰沙线铁路在山体下方穿过，在铁路上方即山体下方设有被动防护网保护铁路的行车安全。功碑阁在对外开放后，治理工程既要考虑安全可靠，又要考虑与景区的自然景观相互协调。功碑阁治理项目在设计过程中，依据DB11/T 1524-2018《地质灾害治理工程实施技术规范》及相关技术规范，结合现场实际情况和对2022年北京冬奥会部分场馆影响，充分考虑了治理后的美观和绿化问题。该项目于2017年开展勘查及治理设计工作，于2019年7月完成现场治理施工工作。本文对功碑阁西侧附近的陡立岩壁崩塌岩体进行稳定性分析，选定治理方案并实施，其成果可为复杂区域环境下的灾害治理提供借鉴意义。

1 崩塌地质灾害基本特征

崩塌地质灾害点位于北京市石景山区石景山山体顶部的功碑阁西侧附近的陡壁位置。石景山山体主体走向为N34°W-S34°E，在山脊西侧附近断续分布着平行于山脊的陡立岩壁，沿山脊方向覆盖长度约170 m，岩壁上节理裂隙极为发育，在岩壁表面及浅部形成多个危岩带（贺凯等，2015）及众多大小不等的危岩体。

1.1 地层特征

研究区内地层为三叠系双泉组，主要岩性为凝灰质石英岩、岩屑砂岩、粉砂岩。黄绿色，细粒结构，主要矿物为石英、长石，层状构造，单层厚度一般20～40 cm，普遍夹泥。地层产状55～70°∠ 18～23°。

1.2 危岩带（WYD3）

1）陡壁特征

危岩带（WYD3）分布于功碑阁西侧附近的陡壁部位，沿陡壁坡面产出。该段陡壁南北向长约35 m，高度21.37～25.36 m，陡壁顶部较平坦，底部北高南低，底标高变化较大。陡壁西倾，平均产状240°∠ 63°～71°，陡壁坡面产状与地层产状相反。

2）范围、规模及形态

危岩带（WYD3）整体上呈北矮南高，北薄南厚。具体表现为：南北向长约24 m，高度7.8～23.17 m，北端附近厚度较小，仅1.5～2.0 m，向南逐渐变厚，至南部中段及南端厚度达8～10 m。

3）结构

危岩带（WYD3）南北两界以侧向节理为边界，并完全暴露；北界可见1#大型裂缝，南界可见6#大型裂缝，该2条裂缝实为同一条裂缝，贯穿危岩带南北，并构成危岩带东部边界，裂缝北窄南宽，北端宽度约0.1～0.25 m，南端宽度约0.8 m，该贯通裂缝产状230～250°∠ 72～79°，其产状面与陡壁坡面产状近于平行一致；危岩带（WYD3）坡脚附近不存在切割该危岩带底部的外倾贯通性结构面；危岩带西坡面产状与所在陡壁坡面产状一致。

该危岩带所在范围内多处发育大型裂缝及空洞，本次共统计6条，分别为1#、2#、3#、4#、5#、6#大型裂隙。永定河断裂从石景山山体西侧山脚下通过，呈NW-SE向延展，长约30 km，走向330～150°，倾向北东，倾角约70°。石景山山脊走向（主体走向为326～146°）及危岩带（WYD3）背后的大裂缝走向320～160°（产状230～250°∠ 72～79°），与永定河断裂走向基本一致。但倾向正好相反。显然，大裂缝与永定河断裂密切相关，初步认为属于同期产物。

该危岩带所在范围内普遍发育3组密集节理：①组外倾节理、②组侧向节理、③组内倾节理。内倾节理多沿砂岩层理面发育，外倾节理常发育成大型裂缝，甚至空洞，这些密集的节理、裂缝、空洞，对陡壁坡面表层岩石形成密集切割，影响深度较大，一般可达4～6 m，多处形成坡面浮石、松动岩块、孤立岩块，岩块体积一般0.50～2.0 m?（图1、图2）。

1.3 岩块集合体（WYT3-1）及危岩体（WYT3-2）特征

1）岩块集合体（WYT3-1）

在陡壁东段的中下部存在1个上下延伸的“鼻状凸起”特殊地貌，在“鼻状凸起”的中下部存在1个“岩块集合体”。该“岩块集合体”沿坡面上下长约12 m，水平宽约6 m，平均厚约2 m，总方量约144 m?，其中的单体岩块体积较大，一般尺寸为1.0 m×0.60 m×0.40 m左右。本文将此“岩块集合体”按危岩考虑，编号WYT3-1，该“岩块集合体”与下伏基岩之间总体上呈渐变过渡关系，上段底界局部可见大型斜切节里面，下段底界没有明显界限，并完全进入坡积层中。该“岩块集合体”中的个别岩块地层产状已发生小角度偏转，实测产状40°∠15°，明显不同于“鼻状凸起”附近正常地层产状75°∠18°。初步判断个别岩块可能已产生轻微移动（图3）。

2）危岩体（WYT3-2）

在陡壁中下部的南缘附近存在1个上下延伸的巨型孤立岩块，本次将其确定为危岩体（WYT3-2），其顺坡面产出，沿坡面上下高约6 m，水平宽6～8 m，向山体内厚度平均2.0 m，体积约72～96 m3。

危岩体（WYT3-2）下方存在1个既有浆砌石嵌补工程，并与其直接接触。该嵌补工程沿坡面水平最大宽度6.5 m，沿坡面上下高度9 m，表面风化、老化明显，多处浆体松动剥落，施工时间及单位不详（图4）。

2 崩塌地质灾害稳定性分析

2.1 危岩带及危岩体的稳定性分析

1）危岩带（WYD3）

危岩带（WYD3）南北两侧被切割、暴露，东侧背后被1#（含6#）外倾大型节理面贯通，在坡脚附近的地面以上部位，不存在切割该危岩带底部的外倾贯通性结构面，并且地层层面反倾，对整个危岩带稳定性有利。因此，认为危岩带（WYD3）整体稳定，不具备整体滑动、倾倒的可能性。

2）岩块集合体（WYT3-1）及危岩体（WYT3-2）

由于岩块集合体（WYT3-1）及危岩体（WYT3-2）形态、结构及边界条件的特殊，暂无法套用现有计算模型（刘伍，2016）进行稳定性定量计算，因此，本次对其稳定性仅进行宏观分析、判定。

岩块集合体（WYT3-1）：其整体上呈块状集合体、整体陡立外倾、个别岩块已有轻微移动迹象，因此，认为：目前整体处于欠稳定状态，在暴雨及地震条件下处于不稳定状态，其内的个别岩块有可能发生崩落，从而引发更多的岩块崩落（曾芮等，2018）。

危岩体（WYT3-2）：目前整体基本稳定，在暴雨及地震条件下，随着其下方的既有浆砌石嵌补工程（主要指粘结材料）进一步风化、老化、脱落、淘空，浆砌石嵌补工程整体强度将持续降低，当其难以支撑上方的危岩体（WYT3-2）时，危岩体（WYT3-2）将处于不稳定状态，从而引发危岩体（WYT3-2）滑动坠落，产生滑移式崩塌破坏（刘传正，2014）。

2.2 崩塌岩块运动特征分析

岩块集合体（WYT3-1）及危岩体（WYT3-2）一旦整体失稳，其坠落滚动能量巨大，危害极为严重，本次暂不对其失稳后的运动轨迹进行计算，只对危岩带（WYD3）表面的普通松动岩块的失稳滚落进行运动轨迹计算。

将危岩带（WYD3）表面的松动岩块理想化为直径1.0 m的球体，体积0.523 3 m3，密度2.98 g·cm-3，质量1 559 kg。预计岩块从陡崖上滑动或倾倒破坏，并以一定初速度在陡坡上碰撞弹跳，弹跳结束后以一定的初速度沿坡面滚动，直至停止滚动（黄润秋等，2007）。

采用Rockfall软件，选择5-5′剖面、6-6′剖面，分别对崩塌落石运动进行计算。计算结果显示，危岩带（WYD3）表面的松动岩块崩落过程中，落石最大跳越高度3.6 m，在西坡半山腰附近的景观小路上方约5 m处，最大总动能194 kJ，自陡壁坡脚起向西最大水平影响距离96 m，已达到山体坡脚下的既有“丰沙线铁路”。

景观小路位于危岩带（WYD3）下方不远处，处于崩塌落石的影响范围内，一旦有危石崩落将会对半山腰处景观小路上的过往游人及山脚下的既有“丰沙线铁路”构成威胁，因此，迫切需要对崩塌隐患进行治理（图5）。

3 治理方案与设计

根据致灾地质体对受灾对象可能造成的灾害程度及工程投资等因素，确定本防治工程等级为Ⅲ级。

3.1 治理方案比选分析

采用比选法确定治理方案，本着安全可行、经济合理的原则，初设2个方案进行比选。

方案一：“局部格构锚固 + 被动防护网”治理方案。仅对岩块集合体（WYT3-1）及危岩体（WYT3-2）采用“钢筋混凝土格构 + 锚杆”（程江涛等，2007）进行加固，锚杆必须穿过危岩带（WYD3）东侧背后的大型贯通性外倾裂缝，并有足够的锚固段；在西坡半山腰处的景观道路上方水平距离约6 m处设置被动防护网（赵雅娜等，2016；赵世春等，2013；刘成清等，2014）用于拦截危岩带（WYD3）的表层松动岩块崩落；对陡壁坡面出现的宽大裂缝采用水泥砂浆灌注（或采用混凝土封填）。

方案二：“全范围格构锚固”综合治理方案。考虑到治理目标所在坡面较陡，坡角达63～71°，坡面裂缝及空洞较多、表面松动岩块及浮石处处可见，如果对3 处目标进行单独治理，不仅难度较大、在施工上危险极大。所以，采取“尽可能不去触碰、格构+锚杆全面覆盖的治理方法”更为安全、施工风险相对较小、更具有可操作性（韦京莲等，2001）。具体治理方案为：对岩块集合体（WYT3-1）、危岩体（WYT3-2）及危岩带（WYD3）区域采用“高强度钢丝格栅网衬底 + 钢筋混凝土格构 + 锚杆”进行加固，锚杆必须穿过危岩带（WYD3）东侧背后的大型贯通性外倾裂缝，并有足够的锚固段；清除危岩带（WYD3）所在陡壁范围内的表面浮石；对陡壁坡面出现的宽大裂缝采用水泥砂浆灌注（或采用混凝土封填）。

经综合考虑，选择方案二。

3.2 格构锚固设计

3.2.1 锚杆设计参数

本工程中的锚杆属于永久性锚杆，并采用全黏结岩石锚杆，所有锚杆均需穿过危岩带（WYD3）东侧背后的南北向贯通的1 #大型裂缝，并将穿过后的深度作为锚固段长度（高永涛等，2002）。锚孔直径90 mm，锚杆采用1根直径28 mm的HRB400钢筋，锚杆设置在格构节点上，间距为2.0 m，倾角15°，锚固段长度不小于4.0 m，单根锚杆抗拔力不小于100 kN。

锚杆头锚入格构梁内长度不小于40倍锚杆钢筋直径。锚杆为全孔灌注水泥砂浆，采用标号为P.O42.5的普通硅酸盐水泥，水灰比为0.5～0.55，灰砂比1∶0.75～1∶1，强度设计为M30。

对于锚杆外露段（浆砌石和砂浆砌筑找平）及锚杆浅部1 m范围内，采用除锈、刷沥青船底漆和沥青玻纤布缠裹二层处理措施（图6）。

3.2.2 格构梁设计参数

格构梁在坡面呈正方形布设，格构梁截面采用300 mm（宽度）× 400 mm（高度），采用C25混凝土浇筑；格构梁沿坡面间距2.0 m × 2.0 m，格构节点处设置锚杆。

格构梁纵梁的墩基础横截面800 mm × 800 mm，基底全断面设在基岩上（图7、图8）。

3.2.3 高强度钢丝格栅网衬底

格构梁下面采用GTC-65B型高强度钢丝格栅网衬底，防止格构框内的小型松动岩块脱落。

3.2.4 锚杆抗拔力验算

边坡工程安全等级确定为二级，治理工程中的锚杆属于永久性全黏结岩石锚杆。

1）锚杆长度验算

锚杆锚固力计算公式：

式中：为标准组合时锚杆所受轴向拉力标准值（kN），本工程取≥100 kN；为锚杆锚固段钻孔直径（m），本工程取0.09 m；为锚杆锚固段长度（m），本工程取≥4.0 m；为岩石孔壁与锚固体之间的极限黏结强度标准值（kPa），本工程取值700 kPa；为锚杆锚固体抗拔安全系数，本次取2.4。

计算结果：=329.7 kN ≥ 100 kN（采用值）。

2）锚杆钢筋截面验算

锚杆钢筋截面计算公式：

式中：为锚杆钢筋截面面积（m2）；为标准组合时锚杆所受轴向拉力标准值（kN），本工程取≥100 kN；为锚杆杆体抗拉安全系数，本次取2.0；为普通钢筋抗拉强度设计值（N·mm-2），HRB400钢筋抗拉强度设计值360 N·mm-2。

计算结果：当=100 kN，采用HRB400钢筋，则需要其截面积= 555.5 mm2（最低值）。

1根直径28 mm 的钢筋截面面积为615.4 mm2；615.4 mm2（采用值） ≥ 555.5 mm2（最低值）；经验算，采用1根直径28 mm 的HRB400钢筋锚杆作为杆体，满足钢筋截面面积要求。

3）锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度验算

计算公式：

式中：为锚杆杆体与锚固砂浆间的锚固长度；为锚杆锚固体抗拔安全系数，本次取2.4； ≥100 kN（本工程取值）；为杆体钢筋根数，本工程取值1根；为锚筋直径（m），本工程取0.028 m；为钢筋与锚固砂浆之间的黏结强度设计值（MPa），取值2.40（本工程水泥砂浆采用M30）。

计算结果：=1.14 m < 4.0 m（采用值）。锚固长度满足要求。

根据锚杆长度、锚杆钢筋截面、锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度验算，本工程采用的锚杆满足设计要求。

3.3 边坡变形监测

重点监测“岩块集合体（WYT3-1）、危岩体（WYT3-2）”所在的治理区域的变形，针对锚杆外露端的锚头部位设置变形监测点，进行水平位移及竖向位移的监测（赵忠海等，2018）。

1）施工期间岩块集合体（WYT3-1）和危岩体（WYT3-2）边坡的位移监测采用全站仪进行监测，在危岩体（WYT3-1、WYT3-2）上和危岩带（WYD3）边坡上设位移和沉降监测点，在岩块集合体（WYT3-1）和危岩体（WYT3-2）上各设置1个监测点；危岩带（WYD3）边坡上设置4个监测点，采用边角测量与基准线法相结合的综合测量方法，通过数据分析指导施工；选取3根锚杆，在杆体上布设钢筋应力计，应力计间距2 m，共布设6个应力计，进行锚杆杆体受力监测，以了解锚杆受力情况。

2）人工巡视和裂缝观测：人工巡视是一项经常性的工作，施工期间施工单位应安排专人坚持每天进行巡视。当坡体表面发现裂缝时监测组及时在裂缝处埋设裂缝观测装置，通过观测裂缝的变化过程和变化规律来分析坡体的变形情况和破坏趋势。施工完成后，以景区管理部门人员作为具体监测人，配备专职安全员进行定期或不定期巡视监测，了解格构锚固和嵌补注浆加固的使用情况，观测其表面有无开裂、外倾、沉降等变形迹象，同时巡视危岩体和危岩带地质灾害的发展变化，发现问题立即向上级主管部门上报，以便及时妥善处理并引导游人群众疏散、避灾、救灾。

3）监测周期：施工期间应把监测工作作为重点，人工巡视每天1次，仪器检测每天进行监测1次，保证施工中的安全；施工结束后转为长期监测，人工巡视每月1次观测，在遇暴雨、发现滑速增快或观测过程中发现有大位移的可能时，应立即缩短观测周期，及时增加观测次数。

3.4 治理效果

治理工程自2019年3月开工，至2019年7月竣工，完成了功碑阁西坡陡壁崩塌地质灾害的格构锚固现场施工工作，并于2019年7月31日完成现场施工验收（图9）。

4 结论

1）功碑阁西侧崩塌地质灾害的治理设计，既考虑了设计本身的安全性，也考虑了施工风险和施工的可操作性，为后续顺利施工提供了可靠保障。

2）景区内的地质灾害治理设计不同于一般的地灾治理，一定要考虑与当地的自然景观相互融合和治理后的绿化提升，达到治理效果与景观效果相统一。

3）在地质灾害治理设计过程中，设计人员应该掌握一些园林景观设计理念，在灾害治理设计的同时融入景观设计，才能更好地适应新的发展需求。

参考文献

白江伟，冯辉，贺瑾瑞，蒋永光，王宇辰，顾海波，罗伊，王天宇，贾唯远，2024.北京市海淀区突发地质灾害时空分布规律、成因分析及防治对策［J］.城市地质，19（1）：43-52.

程江涛，晏鄂川，刘莉，2007.格构锚杆组合加固技术在高边坡治理中的应用［J］.三峡大学学报（自然科学版）（3）：230-233.

高永涛，吴顺川，孙金海，2002.预应力锚杆锚固段应力分布规律及应用［J］。北京科技大学学报（4）：387-390.

贺凯，殷跃平，冯振，李滨，2015.重庆南川甑子岩-二垭岩危岩带特征及其稳定性分析［J］.中国地质灾害与防治学报，26（1）：16-22.