五臺縣邊家莊變質白云巖危巖體破壞模式與治理

菅艷平，趙　陽

（1.太原理工大學地球科學與工程系，山西太原030024；2.大同煤礦集團公司晉華宮礦，山西大同037016）

五臺縣邊家莊變質白云巖危巖體破壞模式與治理

菅艷平*1，2，趙陽1

（1.太原理工大學地球科學與工程系，山西太原030024；2.大同煤礦集團公司晉華宮礦，山西大同037016）

山西五臺地區為老變質巖區，前寒武系地層分布廣泛，地質構造復雜，地勢陡峭，巖壁直立陡峻，加之當地人類工程活動影響，危巖體分布較多，地質災害頻發，直接威脅當地生態環境及經濟發展，對其采取積極的安全評價與防治措施越發重要。通過對五臺縣邊家莊村北側3處危巖體發育情況進行了地質環境調查，根據危巖體的空間幾何形態、結構面組合特征和變形破壞跡象等，確定了邊家莊村北側3處危巖體破壞模式分別為滑塌式、墜落式、傾倒式。并采用極限平衡法對該危巖體穩定性進行了定量計算。最后，在對危巖體進行技術分析論證的基礎上，提出了該危巖體的治理方案，可為該地區的同類地質災害防治提供參考。

五臺山；危巖體；破壞模式；穩定性；治理方案

山西省五臺縣地處太行山北段西側，地層為變質白云巖，地勢陡峻，地形條件復雜。在其特殊的地質環境背景下，受當地人類工程活動影響，如旅游開發、礦業開采、修建住宅等，形成大量高陡邊坡，由此產生較多的危巖體，威脅當地群眾生命財產安全與經濟發展，為切實解決這一安全隱患，對其失穩破壞模式及治理措施研究是十分必要的，具有一定的現實意義。

以五臺縣邊家莊村北側3處危巖體為例，結合邊家莊村危巖體勘察資料，通過統計分析邊家莊村危巖體空間幾何特征、主控結構面組合特征以及變形破壞跡象等，對危巖體破壞模式進行分析論證，然后利用極限平衡方法對危巖體在不同工況條件下的穩定性進行了評價，在此基礎上提出相應治理措施，可為該地區同類地質災害的防治起到一定的借鑒作用。

1　邊家莊村危巖體工程地質條件

1.1地形地貌

危巖體地段地形表現為北東高、南西低，最低點位于邊家莊村西部滹沱河內，海拔800m，最高點位于北東部山脈，海拔1000m，相對高差200m。地貌形態受地質構造、新構造運動、地層巖性的制約，屬于構造剝蝕中高山區。山峰海拔高程一般為1300～1900m，切割深度300～600m，屬中等切割地貌。山勢險要陡峻，河谷狹窄多曲，可見多級溶洞，屬新構造運動急劇上升區。

1.2地層巖性

區內主要賦存有寒武系及第四系地層。①寒武系中統徐莊組（∈2x），該組地層由下而上可以分為2個巖性段，下段以紫紅色或豬肝色頁巖為主，夾薄層砂質頁巖、粉砂巖及少量黃綠色頁巖。上段以灰色、灰白色白云質灰巖為主。②第四系全新統（Q4），以現代沖積物、洪積物以及坡積物分布于河床、山間洼地及山坡地帶，與下伏地層呈不整合接觸。

1.3地質構造

區內地質構造簡單，主要為單斜巖層構成，巖層產狀為64°∠12°，較為平緩。區內節理較為發育，據野外調查，主要發育有構造節理和卸荷裂隙2種類型，前者為地殼運動所形成，后者為物理風化作用所形成。構造節理可見2組，其中一組發育方向為350°，近南北向延伸，另一組為245°，近東西向延伸，傾角82°～85°，近直立分布，地貌多形成懸崖陡壁。據實地測量，兩組節理發育密度約20～25條/m2，分布較為密集，相交后將巖石切割成大小不同碎塊。斷層不發育，僅在區外北西方向見有正斷層，走向北東，斷距約30m。

2　危巖體破壞模式

2.1破壞模式

經過現場調查，邊家莊村北側危巖體空間分布在3個地段，依據危巖體分布的空間位置，將其劃分為Ⅰ號危巖體、Ⅱ號危巖體和Ⅲ號危巖體。通過分析各個危巖體破壞機理的情況，并結合危巖體所處地質環境條件，勘察區內3處危巖體的破壞模式可依次分為滑塌式、墜落式、傾倒式。

2.1.1滑塌式失穩

Ⅰ號危巖體上窄下寬，形似楔形體，寬約4m，厚約3.5m，高約30m，體積約400m3。其南部距村莊最近住宅水平距離約25m，相對高差約90m，高高懸立于村莊之上。危巖體主要發育在寒武系徐莊組上段中上部厚層狀白云巖地層中，由于巖石抗風化能力強，地貌上形成狹窄的山脊尖端與懸崖陡壁。該段地層由于地殼運動作用，巖體沿近南北方向構造節理與母體解離，后期卸荷作用進一步加劇了巖體與母體的脫離，形成上寬下窄楔形裂縫，其寬度約為50～80cm。下部發育有向西傾斜的一組結構面，其產狀為290°∠30°。整條裂隙在自然風化剝蝕、降雨、人類工程擾動等作用下使得應力得到釋放，裂隙將進一步擴展，如遇暴雨或地震來臨，將大大減小結構面的抗剪強度，加速剪切破壞，危巖體最后沿著破裂面滑移失穩。

2.1.2墜落式失穩

Ⅱ號危巖體高約8m，巖性主要為變質白云巖，南部距村莊最近住宅水平距離約20m，相對高差約20m。危巖體底部因強烈的風化作用形成若干個大小不一的凹腔。在重力作用下，巖體后緣出現卸荷裂隙，危巖在構造節理和卸荷裂隙的綜合作用下，薄層巖石被切割成約30cm大小的碎塊。危巖塊石易在降雨、風化、植物根劈作用及其他因素作用下最終以自由落體的形式發生墜落，沿著坡面滾落至下方邊家莊村，威脅村民生命財產安全。

2.1.3傾倒式失穩

Ⅲ號危巖體高約10m，巖性主要為變質白云巖，下部基座與母巖之間夾有少量薄層砂質頁巖。空間上與Ⅱ號危巖體相鄰，位于其西側，相對高差約20m。其南側臨空，底部局部支撐，主要發育在斜坡體前緣，形態呈板狀，后部發育近直立的陡傾破壞面，隨著危巖破壞的加劇，臨空面范圍逐漸擴大，整體重心外移，危巖在自重彎矩作用下，以下部基座為支點開始向臨空方向彎折，最終發生傾倒式破壞。

3　危巖體穩定性計算與評價

危巖體穩定性評價較為復雜，基于上述對邊家莊村3處危巖體破壞模式的分析，運用極限平衡理論建立了不同失穩模式的危巖穩定性計算方法［1］。

3.1危巖體穩定性定量計算

危巖體穩定性計算力學參數的選取非常重要，根據土工試驗結果并結合相關規范，提出危巖體的物理力學參數值（表1）。

表1　危巖體穩定性計算參數

對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號危巖體進行3種工況下的穩定性計算，分別是：工況1（天然工況，考慮天然狀態自重）、工況2（暴雨工況，考慮自重和裂隙水壓力）、工況3（地震工況，考慮自重和地震力）。根據危巖體所處位置水文地質調查，危巖體及其基座無地下水，可不考慮地下水對危巖體穩定性的影響。計算方法如下：

（1）對滑塌模式危巖計算方法［1］：

（2）對墜落模式危巖計算方法［1］：

（3）對傾倒模式危巖計算方法［1］：

以上公式中：W為單位長度危巖體重力（kN）；P為單位長度危巖體承受的水平地震力（kN），取水平地震系數為ζ，本區地震設防烈度為Ⅶ度，查表可得ζ=0.08，則地震力為P=ζW；Q為主控結構面內作用在危巖體上的裂隙水壓力；H為危巖體高度（m）；β為結構面傾角（°）；c、φ分別為結構面粘聚力（kPa）和內摩擦角（°）；e為孔隙深度（m）；e1為孔隙充水深度（m）；a為重力作用點距傾覆點的水平距離（m）；h為地震力距傾覆點的垂直距離（m）；flk為危巖體抗拉強度標準值（kPa）；fok為危巖體與基座之間的抗拉強度標準值（kPa），當基座為巖體時，fok=flk；lb為危巖體下部主控結構面尖端到傾覆點的距離（m）。每類危巖體的穩定性計算結果見表2。

表2　危巖體穩定性計算結果

3.2危巖體穩定性評價

本次計算采用3種工況條件及組合荷載下計算，針對不同破壞模式分別做出評價，危巖穩定性評價標準根據《滑坡防治工程勘查規范》（DZ/T0218－2006）［2］，評價標準如表3。

表3　危巖穩定性評價標準［2］

分析計算結果可知，Ⅰ號危巖體在天然自重狀態下處于欠穩定狀態，如遇極端降雨或地震來臨，其穩定性系數將小于1，極有可能失穩破壞。Ⅱ號和Ⅲ號危巖體在天然狀態下處于欠穩定狀態，在暴雨和地震作用下，穩定性大大降低，處于極限平衡狀態，有失穩破壞的可能。因此，上述危巖體需盡快治理，以保證下方威脅區居民的生命財產安全。

4　危巖體工程治理方案

對上述3處危巖體的破壞模式及穩定性分析研究結果表明，這3處危巖體都有失穩破壞的可能，應采取防治措施。由于危巖的發育和失穩影響因素眾多，加上邊家莊村危巖體結構特征及所處地質環境條件的復雜性，危巖體的穩定性不能僅僅依靠單一的治理方法，應采取多種措施聯合治理。根據危巖體所處的地質環境條件、危害影響區情況、災害整治成本以及施工制約條件等，為全面有效保護崩塌災害威脅對象，經綜合分析，建議對3處不同的危巖體采取相應的防治措施，具體見表4。

表4　邊家莊北側危巖體防治措施

5　結論

（1）通過對邊家莊村北側危巖體發育情況的現場調查分析，邊家莊北側危巖體破壞模式可分為3種，分別為：Ⅰ號危巖體為滑塌式破壞、Ⅱ號危巖體為墜落式破壞、Ⅲ號危巖體為傾倒式破壞。

（2）采用極限平衡法計算并評價了邊家莊北側3處危巖體的穩定性，結果表明，3處危巖體都處于欠穩定狀態，在暴雨或地震的作用下，其穩定性大大降低，有失穩的可能。因此，需對危巖體進行治理。

（3）為保證危巖體穩定性，為切實解決這一地質災害安全隱患，經綜合分析，建議對不同危巖體采取相應的防治措施，并提出相應治理方案。

［1］陳洪凱，鮮學福，唐紅梅，等.危巖穩定性分析方法［J］.應用力學學報，2009，26（2）：278-282.

［2］中華人民共和國國土資源部.DZ/T0218-2006滑坡防治工程勘查規范［S］.北京：中國標準出版社，2006.

TU554

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1004-5716（2016）09-0009-03

2015-09-17

2015-09-18

菅艷平（1978-），女（漢族），山西忻州人，太原理工大學工程碩士，研究方向：巖質邊坡的穩定性分析及治理。