重慶市某公路危巖帶成因分析及防治措施

張學(xué)哲 張 力

(核工業(yè)江西工程勘察研究總院有限公司，江西 南昌 330096)

0 引言

危巖是指位于陡崖或陡坡上被多組巖體結(jié)構(gòu)面切割，在重力、地震、水體等誘發(fā)因素作用下處于不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定或極限平衡狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體，其形成、失穩(wěn)與運(yùn)動(dòng)屬于斜坡動(dòng)力地貌過程的主要表現(xiàn)形式[1]。其孕育過程具有漸進(jìn)性，失穩(wěn)過程具有突變性，致災(zāi)過程具有嚴(yán)重性[2]。陳洪凱等根據(jù)崩塌體發(fā)育的力學(xué)機(jī)制和運(yùn)動(dòng)方式，將危巖分為滑移式危巖、傾倒式危巖及墜落式危巖3類[3]。盧黎，胡克定等從內(nèi)外部多個(gè)因素對(duì)其危巖體成因進(jìn)行了分析[4,5]。葉四橋等[6]結(jié)合排水和監(jiān)測措施，對(duì)危巖采取了綜合防治措施。

1 工程概況

重慶某道路沿線為長江岸坡，道路路面標(biāo)高187 m～202 m，海拔160 m～300 m，地貌類型為構(gòu)造侵蝕丘陵，場區(qū)位于廣佛寺向斜西翼，出露地層巖性主要為第四系河流沖積堆積卵石土、崩坡積砂巖塊石、侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)砂巖及泥質(zhì)砂巖。岸坡地貌形態(tài)為“外灘+陡坡+陡崖”，其中陡崖帶位于道路上方約25 m，高15 m～20 m，厚層砂巖連續(xù)分布。該陡崖帶的大部分地段由于卸荷裂隙和巖腔的切割已形成危巖帶，危巖帶呈串珠狀斷續(xù)分布，累計(jì)長度約1.2 km，總體積約6.4萬m3，屬特大型危巖帶，嚴(yán)重威脅公路過往行人及車輛的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2 危巖帶特征

危巖帶發(fā)育于巨厚層狀結(jié)構(gòu)的砂巖形成的陡崖中，巖層產(chǎn)狀為120°∠6°，發(fā)育構(gòu)造裂隙三組，各裂隙發(fā)育情況如下：

J1裂隙：為危巖的控制性裂隙，優(yōu)勢產(chǎn)狀310°∠60°，傾向河谷，傾角60°～70°，平均間距3 m～5 m，延展長度數(shù)十米～上百米，切穿整個(gè)砂巖陡崖，張開度1 cm～30 cm，多為黏性土和碎石充填，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差，裂隙內(nèi)植被根系發(fā)育。J2裂隙：優(yōu)勢產(chǎn)狀220°∠80°。該組裂隙垂直于岸坡分布，平均間距2 m～5 m，張開度1 cm～5 cm，裂面平直局部可形成弧形，無充填，大多切穿整個(gè)砂巖陡崖，構(gòu)成危巖的側(cè)向切割面。J3裂隙：優(yōu)勢產(chǎn)狀40°∠80°，傾向與J2相反，性質(zhì)一致。

場區(qū)典型工程地質(zhì)剖面見圖1。

陡崖基座為砂質(zhì)泥巖，在砂巖和砂質(zhì)泥巖的界面處分布深0.5 m～4.3 m的巖腔。其下為陡坡，塊石零星分布，最下部為河漫灘，沿線堆積較大崩塌塊石，塊徑一般0.3 m～1.0 m，最大塊徑可達(dá)5 m。

3 危巖帶成因

岸坡地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造是危巖形成的內(nèi)因，暴雨、水文地質(zhì)、人類工程活動(dòng)、根劈作用和溫差等是形成和誘發(fā)危巖失穩(wěn)的外因。

3.1 內(nèi)在因素

1)地層巖性。

岸坡厚層砂巖為脆性巖石，巖質(zhì)堅(jiān)硬，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，易形成陡崖地形，其下部砂質(zhì)泥巖較軟，易風(fēng)化形成巖腔，在上部巖體重壓下變形甚至壓碎，一方面拉應(yīng)力使陡傾裂隙張開，另一方面上部巖體重心外移，造成陡傾裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展[5]，使得穩(wěn)定巖體逐步轉(zhuǎn)化為非穩(wěn)定危巖體，最后突然崩塌破壞。

2)地質(zhì)構(gòu)造。

危巖帶岸坡巖層產(chǎn)狀平緩，傾角6°，傾向坡內(nèi)，巖體發(fā)育受3組裂隙，裂隙多張開，延伸遠(yuǎn)、切割深，將巖層分割成塊體，為岸坡變形破壞提供了邊界條件。

3.2 外動(dòng)力作用

1)暴雨。

暴雨是影響危巖崩塌的主要因素，主要表現(xiàn)為：a.降低了巖體結(jié)構(gòu)面的粘聚力和內(nèi)摩擦角；b.拉裂縫中暫時(shí)性水柱形成水壓效應(yīng)。這兩個(gè)因素都使得危巖在雨季的穩(wěn)定性大幅下降。場區(qū)5月～9月為雨季，日降雨量大于25 mm的大暴雨日數(shù)占全年降雨日數(shù)的62%左右。統(tǒng)計(jì)表明危巖帶的崩塌大多在雨季發(fā)生，尤其在特大暴雨期間易產(chǎn)生突發(fā)性崩塌。

2)水文地質(zhì)。

岸坡厚層砂巖裂隙發(fā)育，透水性強(qiáng)；而其下砂質(zhì)泥巖為相對(duì)隔水層，降雨所產(chǎn)生的水壓效應(yīng)和砂泥巖交界面的強(qiáng)度軟化效應(yīng)，均將加速危巖體崩塌破壞。

3)人類工程活動(dòng)。

主要為公路修建過程中的爆破，由此產(chǎn)生的震動(dòng)可使欠穩(wěn)定的危巖突然失穩(wěn)。

4)植物根劈作用。

岸坡陡崖上部植被較發(fā)育。根劈作用一方面降低了巖體強(qiáng)度，另一方面加快了裂隙的發(fā)育，為降雨入滲提供有利條件。

5)溫差。

溫度的變化引起巖體膨脹、收縮，一方面加速巖體風(fēng)化，降低巖體強(qiáng)度，另一方面進(jìn)一步貫通巖體微裂隙，均加快了巖體的變形破壞。

4 穩(wěn)定性分析

按危巖離開母巖的方式，危巖體的變形破壞模式分為滑移式、傾倒式和墜落式三種[9]，依據(jù)DB 50/143—2003地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范12.2條推薦的公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算工況考慮現(xiàn)狀工況(工況1)、暴雨工況(工況2)和地震工況(校核工況)，荷載考慮危巖自重、裂隙水壓力和地震力，巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)指標(biāo)見表1，表2。

表1 巖體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

表2 結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)現(xiàn)場勘查，危巖帶發(fā)育危巖體17處，其中傾倒式危巖12處，墜落式危巖2處，滑移式危巖3處，對(duì)每處危巖選擇代表性剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，危巖穩(wěn)定性系數(shù)參考DB 50/143—2003地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范表14。結(jié)果表明：現(xiàn)狀工況下，處于穩(wěn)定狀態(tài)的有15處，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)的有2處；暴雨工況下，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)的有15處，處于不穩(wěn)定狀態(tài)的有2處；地震工況下，均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

由此可見，場區(qū)內(nèi)17個(gè)危巖體，在暴雨工況下處于欠穩(wěn)定～不穩(wěn)定的狀態(tài)，在突遇特大暴雨或地震作用時(shí)，可能加速崩塌。

5 危害性預(yù)測

崩塌落石在斜坡面上的運(yùn)動(dòng)以滾動(dòng)和滑動(dòng)為主，見圖2。為便于計(jì)算，落石運(yùn)動(dòng)可簡化為沿斜坡面的綜合摩擦運(yùn)動(dòng)。根據(jù)功能原理，落石勢能的變化等于動(dòng)能變化和克服綜合摩擦所做的功[8]，見式(1)：

(1)

式中：vi——落石在斜坡面上的速度,m/s；

di——各直線段斜坡的平均坡度,(°)；

Δhi——各直線段斜坡的垂直高度,m；

φr——落石與坡面之間的綜合摩擦角,(°)；

Li——各直線段斜坡的長度,m。

令末速度vi=0，即可求得總落距∑Li,∑Licosdi就是崩塌的最大水平運(yùn)動(dòng)距離。

危巖帶距公路的斜坡長40 m～60 m，危巖底部距路面相對(duì)高差20 m～30 m，地形坡度30°～50°，地表植被主要為灌木，無阻擋大塊危巖滾落的地形屏障和生物屏障。據(jù)計(jì)算，危巖脫離母巖后崩落的斜距一般在70 m以上，將直接威脅到公路過往車輛及行人的生命財(cái)產(chǎn)安全，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行防治。

6 防治措施

綜合考慮危巖體的形態(tài)特征、規(guī)模大小、破壞形式和施工可行性等多方面因素，采取相應(yīng)防護(hù)措施，如表3所示。

表3 危巖帶防治措施

危巖帶防治措施分述如下：

1)對(duì)巖體破碎的危巖體，按陡崖的外傾結(jié)構(gòu)面放坡清除，然后采用主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)對(duì)坡面進(jìn)行防護(hù)，通過柔性防護(hù)網(wǎng)的嵌鎖作用維持危巖體的穩(wěn)定[7]。

2)對(duì)巖體較完整的滑移式和傾倒式危巖體上部進(jìn)行錨固。一方面通過錨桿預(yù)應(yīng)力使結(jié)構(gòu)面壓緊，增強(qiáng)巖體完整性，提高滑動(dòng)面的抗滑力，另一方面錨桿本身也提供了部分抗剪力。

3)對(duì)巖體較完整、基座巖腔較大的墜落式危巖進(jìn)行支撐加固。為確保支撐力指向坡內(nèi)，支撐體底部巖體削成內(nèi)傾斜坡；同時(shí)為確保支撐體與危巖體之間的有效接觸，危巖體底部10 cm～20 cm采用膨脹型混凝土。

4)對(duì)頂部存在明顯裂隙的危巖體[10]，采用灌漿封閉措施補(bǔ)充加固。

5)對(duì)危巖帶布置長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測工作，減少因突發(fā)事件帶來的損失[5]。

7 結(jié)語

通過調(diào)查場區(qū)危巖帶的發(fā)育特征，從內(nèi)在因素和外動(dòng)力作用兩個(gè)方面闡述了危巖帶的成因，其中暴雨是影響危巖崩塌的主要因素。通過對(duì)17處危巖代表性剖面進(jìn)行穩(wěn)定性分析，在暴雨工況下，危巖處于欠穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)，在突遇特大暴雨或地震作用時(shí)，可能加速崩塌，威脅公路過往車輛及行人的生命財(cái)產(chǎn)安全，鑒于此，筆者提出了相應(yīng)防治措施，對(duì)類似危巖帶防治工程具有一定參考意義。