北京房山區公路地質災害危險性評估研究

校小娥

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京100101)

北京房山區公路地質災害危險性評估研究

校小娥

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京100101)

在北京山區修建公路時，常會遇到崩塌、滑坡、泥石流、采空塌陷等地質災害，這些災害危害嚴重。采用資料搜集、地質調查、地質鉆探(坑探)、四維災種識別、多方法耦合數值模擬(FLAC，ANSYS，GEOSLOPE)、赤平極射投影、集合論地災評估等方法，研究了北京南勝路工程各類地質災害的地質條件、演化機理、發育規律以及穩定條件。重點探討了采空塌陷區煤礦開采方式、開采深度、開采層數及附加荷載對采空區穩定的影響。

地質災害 危險性評估 數值模擬 赤平極射投影 穩定性分析

一擬建公路穿越北京深山地區，沿線所處地區地貌類型復雜、自然環境惡劣，山勢陡峻，溝谷發育，山體剝蝕作用強烈，穿越兩組斷裂與褶皺，且上跨安子煤礦采空區。研究區災害種類較多，主要的地質災害有泥石流、崩塌、滑坡、采空塌陷、活動斷裂等。采用常規評估方法了解公路沿線災害活動強度或規模、災害活動頻次、災害分布密度、災害危害強度(尤其是區內的采空塌陷的研究)存在很大難度。為了有效地控制并降低公路建設期間及使用期間地質災害帶來的安全風險，節約工程成本，采用多種方法進行評估研究。

1 工程概況

本次擬建公路位于北京市房山區，西起南窖鄉紅新路，向東南上跨安子煤礦采空區、下穿安子煤礦東側的北嶺、經十字寺至燕房衛星城西側與燕山周勝路相接。南窖鄉地處偏僻，交通較為不便。擬建南勝路全長11.518 km，路線西段主要沿南窖鄉小西嶺北側坡腳鋪設，路線中段以隧道形式下穿北嶺，路線東段沿北嶺東部坡腳鋪設。

南窖鄉為偏遠山區，現有資料較少，資料的搜集存在很大難度。通過現場調查和室內研究分析，本區主要工程地質問題:地形高差較大，地質災害發育程度中等，發育有11處崩塌、2處滑坡、7條沖溝以及采空塌陷等地質災害。

2 危險性評估方法

本次研究采用資料搜集、地質調查、地質鉆探(坑探)、四維災種識別、多方法耦合數值模擬(FLAC，ANSYS，GEOSLOPE)、赤平極射投影、集合論地災評估等方法較準確地研究了南勝路工程各類地質災害的地質條件、演化機理、發育規律以及對擬建公路的影響。并探討了采空塌陷區煤礦開采方式、開采深度、開采層數及附加荷載對采空區穩定的影響。

2.1 地質鉆探(坑探)方法的應用

本次評估研究中地質鉆探(坑探)的應用包括兩個方面:一是查明線路沿線的工程地質條件，現場布置鉆孔7個、探槽19個，相關測試成果為本次評估工作奠定了基礎。二是查明采空區的深度以及煤層開采范圍，共布設了6個探空鉆孔，其中東區布置2個，西區布置4個。

探空鉆孔說明，線路K3+850—K4+100段附近有小窯開采跡象，在深度為22～85 m范圍內有薄層黑色砂巖(煤矸石)分布，可確定附近有小煤窯開采的痕跡。

2.2 數值模擬滑坡穩定性

2#滑坡為下陡、中緩、上陡的復合型坡，坡度30°～50°，坡體厚約3～5 m，縱向長95 m。采用ANSYS建模(如圖1)，GeoStudio軟件二維計算的方法用到極限平衡分析中，Bishop Method方法計算安全系數大致在1.140，即天然邊坡整體處于較穩定狀態。

根據上述模擬，進行應力變形及塑性應變圖分析。可見坡體在天然狀態下，坡體表層的風化殘積物是邊坡變形破壞的主要原因，滑坡塌滑主要發生在滑體表層堆積物。滑動前緣臨空面附近發生滑塌的可能性較大，而邊坡整體滑動趨勢可能性較小。現場勘查分析滑坡形成機制，得出的邊坡穩定性結論基本一致。

2.3 數值模擬采空區塌陷穩定性

根據現場勘查，僅發現明春窯、道根崖及老窯溝風井位置等幾處小窯井口。根據搜集到的煤礦資料顯示，有200多個小煤窯，而現場其余小煤窯的井口位置未發現。小窯采空深度淺、危害較大，且小窯的采空區域未明確，因而以采空區域不斷加大進行模擬，模擬隨著工作面的不斷加大，上覆基巖的變形及碎裂情況。

1)傳統計算方法評價

建設用地下主采煤層為9槽及15槽煤層，14槽、3槽煤層僅在北部局部開采。根據煤層的采厚及距離地表的距離可用下式對各槽煤層的冒落帶及裂隙帶進行估算(影響范圍計算見圖2)。

圖1 模型建立

圖2 采空區影響范圍計算

式中:Hm為冒落帶高度，Hli為裂隙帶高度，ΣM為累計采厚。

依據經驗公式，并根據國內相似煤田礦井開采地表沉陷變形的經驗，預測煤層開采后，地表最大移動、變形和傾斜值如下:最大下沉值Wmax=η m cos α;最大傾斜值Imax=Wmax/r;最大曲率值Kmax=±1.52Wmax/ r2;最大水平變形值εmax=±1.52bImax;最大水平移動值Umax=bWmax。

上式中:Wmax為最大下沉值，mm;m為礦層厚度，m;η為下沉系數，取η=0.45;α為礦層傾角;b為水平移動系數;r為開采影響半徑。

經計算，開采后所形成的冒落帶及裂隙帶距離地表的距離＜200 m，會引發地面塌陷災害，并引起采空變形。根據經驗公式估算，建設用地的剩余沉降量可達375 mm，下沉量稍大。確定建設用地采空塌陷的現狀為危險性中等。

評估區內采空塌陷計算模式僅是初步的，可能與實際變形量有一定的偏差。因而后面將對采空的變形用FLAC數值軟件進行穩定性評價。

2)FLAC數值模擬

本次研究根據鉆探資料及現場勘查采空區分布情況，以5#煤層為例，建立采空區的地質模型。通過對采空區模型的數值模擬計算，可得出各采空區圍巖的應力分布規律及評價采空區的穩定性。

根據地質、采礦資料，建立簡化的結構模型，分析采空區應力變形圖及裂隙帶演變規律，計算模型按實際公路中心線(軸向)斷面建立。

根據有限元模擬計算結果可知:國窯開采深度比較深，在整個模擬采動過程中，始終沒有發生明顯的冒落、裂隙和彎沉，地表也沒有出現明顯的移動和變形。這說明本模型所選采空區對擬建線路影響相對較小，相對比較安全。

小煤窯煤層被采動后，采煤開采初期對地表幾乎沒什么影響，隨著開采范圍擴大，巖體裂隙自下而上逐步發展。當工作面推進距離為20 m時，巖層移動開始波及到地表，煤層推進距離為650 m時，巖層移動波及到地表。煤層開采進尺100 m時，裂隙由底部發展到地表。同時地表在中心與兩側出現5條水平裂縫。如果荷載加大，裂隙貫通，上覆基巖破壞嚴重，該變形量將會影響高速公路的運營安全。

3 赤平投影方法的應用

本次現場調查確定了14個崩塌點，為分析邊坡巖體的穩定性，本次運用赤平極射投影對坡面和不利于巖體穩定的節理面的組合關系進行分析。以崩塌體BT1為例，見圖3。BT1巖體中風化，較破碎，崩落體體積約1.5 m3，坡高約15 m，坡角85°～90°。

根據圖4分析，人工開挖邊坡(CS)較陡，坡角為83°。J1，J2的交點及J2，J3的交點處于天然邊坡面(NS)投影弧的外側，說明軟弱面交線較邊坡平緩，目前尚處于穩定狀態。由于人工開挖邊坡較陡，在多組節理裂隙切割及巖塊自重作用下，易發生巖石塊體的崩落。

圖3 崩塌體BT1形態特征及現狀

4 地災綜合評估

綜合分區評估涉及工程地質條件、已存在的地質災害、誘發與加劇的地質災害的強度、地質災害的危害程度、危險性等級等內容。如圖5所示，其中白色代表危險性小區，灰色代表危險性中等區，由于采空塌陷對本線路的影響較大，特別用深灰色表示采空區段危險性中等區。

圖4 赤平極射投影分析

圖5 研究區綜合分區

5 結論

1)模擬結果與實際現場調查及室內分析結果基本吻合，比較符合現場實際情況。

2)評估區地質環境條件復雜，地質災害中等發育，對擬建道路危害程度中等，地質災害總體危險性中等。綜合評估本單元地質災害危險性級別為中等。

3)評估區分兩個區段:Ⅰ區段危險性級別為小級，建設用地適宜性分級為適宜;Ⅱ區段危險性級別為中級，建設用地適宜性分級為基本適宜。

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(責任審編趙其文)

P642.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.29

1003-1995(2015)06-0114-03

2014-11-05;

2015-03-20

校小娥(1977—)，女，陜西富平人，工程師，碩士。