穆鵬，吳瑋江

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064;2.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西西安710064;3.甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅蘭州730000)

危巖體是指陡峭邊坡上被多組結(jié)構(gòu)面切割，在重力、風化營力、地震和滲透壓力等外力作用下可能與母巖分離而墜落失穩(wěn)的巖石塊體[1－2]。危巖的形成、失穩(wěn)與運動屬于邊坡地貌動力過程演化的一種重要形式，其破壞失穩(wěn)具有突發(fā)性、致災(zāi)具有毀滅性的特點[3]。汶川地震不僅直接造成了巨大的人員和經(jīng)濟損失，同時還誘發(fā)了大量的崩塌、滑坡等次生山地災(zāi)害，地震觸發(fā)形成的大量危巖體成為巨大潛在的隱患[4]。

隴南是汶川地震重災(zāi)區(qū)，是我國四大崩塌、滑坡、泥石流密集區(qū)之一，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育程度、爆發(fā)頻率、發(fā)生規(guī)模和危害均居全國之首[5]。寨子崖危巖體位于隴南武都區(qū)以北8 km處的白龍江支流北峪河邊，汶川地震期間，出現(xiàn)局部崩塌、嚴重開裂現(xiàn)象，崩落的巖塊砸毀多間民房。因受地形限制，災(zāi)后重建集中安置點選在公路旁平緩階地上，970余人生命財產(chǎn)安全仍然受到該危巖體的直接威脅(圖1)，此外危巖體還對省道S307江(洛)—武(都)公路交通安全造成巨大的威脅。為了保證該區(qū)居民生命財產(chǎn)和交通安全，研究該危巖體變形破壞特征及發(fā)展趨勢，對其穩(wěn)定性進行評價，并提出相應(yīng)防治對策，成果將對該區(qū)災(zāi)害防治及災(zāi)后重建具有重要指導(dǎo)意義。

1 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)位于北峪河左岸，屬白龍江群構(gòu)成的中高山。危巖體位于山體中上部，相對高差約200 m，前緣因其巖性特征以及受北峪河沖刷及河流堆積的影響坡度相對較緩，后部為厚層灰?guī)r構(gòu)成的陡崖。危巖體所在部位為一相對突出山梁，上游為一深槽狀負地形(圖1)。

圖1 研究區(qū)地形地貌圖

區(qū)內(nèi)出露的地層主要有志留系、石炭系和第四系。①志留系下統(tǒng)(S1)以千枚巖、炭質(zhì)千枚巖、板巖為主，錯斷非常發(fā)育，主要分布于流域中下游。志留系中上統(tǒng)白龍江群(S2+3bl)分布在流域上游，為泥質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r，巖質(zhì)堅硬。②石炭系(C)主要為厚層灰?guī)r，分布在研究區(qū)以南的白龍江南岸。③第四系中、上更新統(tǒng)黃土(Q2－3eol)主要分布在沖洪積高階地及較高的山嶺上，以粉質(zhì)粘土為主。第四系殘坡積物(Q4dl+del)由炭質(zhì)頁巖、千枚巖、板巖等易風化地層風化后形成。

該區(qū)新構(gòu)造運動強烈、頻繁，而且主要表現(xiàn)為斷裂活動。第四紀以來，本區(qū)斷裂活動明顯且差異性較大，主要是在早期已有構(gòu)造的基礎(chǔ)上發(fā)生發(fā)展，具有一定的繼承性和新生性。該區(qū)處在會寧—武都南北地震帶上，并受鄰近松潘—平武地震帶的強烈影響，屬地震多發(fā)區(qū)，僅有文字記載的7級以上強震達15次。汶川地震強烈波及該區(qū)，在區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了眾多的滑坡、崩塌及地裂縫，是地震特重災(zāi)區(qū)。本區(qū)地震烈度為Ⅷ度，設(shè)計基本地震加速度為0.20 g，地震動反映譜特征周期為0.40 s。

2 危巖體特征及成因分析

2.1 危巖體所處邊坡特征

寨子崖危巖體發(fā)育處為一巖質(zhì)邊坡，其中上部基巖裸露，表層有較薄的黃土或風化層覆蓋，坡度較陡(達65°左右)。中下部為較厚坡積物質(zhì)覆蓋，坡度相對較緩(約25°～40°)。危巖體則主要集中在邊坡中上部，且受兩側(cè)沖溝影響較大，尤其上游側(cè)更是一個寬大的低洼地形。

2.2 危巖體基本特征

經(jīng)勘查并根據(jù)危巖體結(jié)構(gòu)和變形破壞特征，寨子崖危巖體可劃分為5個區(qū)(圖2)。

圖2 寨子崖危巖體分布圖

各區(qū)受所在位置的巖體結(jié)構(gòu)和地形地貌特征影響較大，其規(guī)模及分布范圍見表1。

表1 危巖體特征及分布

Ⅰ區(qū)位于邊坡頂部，該危巖體厚度約7 m，坡向242°，長32 m左右，寬約14 m。斜坡前部近直立，基巖裸露(圖3)。頂部小平臺上發(fā)育多條大規(guī)模拉張裂縫(圖2、圖3)，裂縫深度大，寬度一般20～30 cm，最寬者逾1 m;裂縫下錯明顯，下錯位移多為10～20 cm;受下錯的影響，頂部表面表現(xiàn)出明顯的陷落，中部明顯較前部和后部低。拉張裂縫多呈弧形展布，部分相互搭接，向上游和下游兩側(cè)擴展，向下延伸至底部控制面(圖3)。該危巖體受緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面(產(chǎn)狀265°∠38°)控制，此面構(gòu)成該危巖體底部控制結(jié)構(gòu)面，面上有擦痕，面內(nèi)充填巖塊，局部架空，前部出口處局部表現(xiàn)出巖塊壓碎現(xiàn)象。由此可見，結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)差。該區(qū)的破壞方式為地震作用下的崩塌滑移，穩(wěn)定性極差，是整個危巖體穩(wěn)定性最差且規(guī)模最大者。

Ⅱ區(qū)位于I區(qū)上游側(cè)下方，坡向245°。坡高6 m左右，坡寬11 m，長約10 m。基巖裸露，坡體上發(fā)育一組緩傾坡外結(jié)構(gòu)面231°∠50°，該組結(jié)構(gòu)面對危巖體起到控制作用。坡體頂部及上游側(cè)(小沖溝)與斜坡面近平等的卸荷裂隙發(fā)育，其底部見貫通裂縫與I區(qū)上游邊界相連。

Ⅲ區(qū)位于Ⅰ、Ⅱ兩危巖體上游側(cè)(其間有相對較穩(wěn)定的Ⅴ區(qū)相隔)，坡向258°。該區(qū)同Ⅰ、Ⅱ兩區(qū)較為相似，但規(guī)模小于I區(qū)危巖體。坡高5 m左右，長約11 m，寬7 m。坡體頂部近水平，發(fā)育2條深大裂隙，裂隙近直立，向上下游兩側(cè)呈弧形展布并向深部交接于一緩傾坡外偏上游的緩傾結(jié)構(gòu)面。坡體中下部較陡，基巖裸露。

Ⅳ區(qū)位于I區(qū)危巖體下方，表部巖體較為破碎。其頂部邊界即Ⅰ區(qū)危巖體底邊界，坡向242°。該區(qū)因受I區(qū)崩塌之影響，表部基巖裸露，地形上表現(xiàn)為一凹槽。經(jīng)勘查，該區(qū)除傾向坡內(nèi)的層面組結(jié)構(gòu)面外，無明顯緩傾坡外的連通性結(jié)構(gòu)面。但該區(qū)與I區(qū)相連處的上部的下游側(cè)局部發(fā)育多條小規(guī)模裂隙，但未見其在下部出露或與緩傾坡外結(jié)構(gòu)面組合。

Ⅴ區(qū)位于Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)之間，地貌上為一小凹槽(小溝)，坡向236°，坡寬約8 m，長約20 m。該區(qū)未見明顯貫通性大型控制結(jié)構(gòu)面和緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面，但表面巖體風化破碎，多呈碎塊狀。

圖3 寨子崖危巖體I區(qū)特征

2.3 危巖體成因分析

危巖體的形成是多方面因素綜合影響的結(jié)果，既有內(nèi)在原因也有外在因素作用。寨子崖危巖體形成的內(nèi)在因素包括地形地貌、地層巖性和巖體結(jié)構(gòu)等;外因歸納起來主要是降雨的作用、人類活動和地震。

2.3.1 內(nèi)因

(1)地形地貌是影響危巖體發(fā)育的決定因素之一，適宜的坡度和較大的高差是產(chǎn)生危巖體甚至崩塌的基本地形條件。研究區(qū)山高坡陡，基巖出露部分坡度高達65°。從地形地貌特征來看，該區(qū)經(jīng)過復(fù)雜而強烈的構(gòu)造運動，最終形成了高差約200 m的峽谷地貌。

(2)地層巖性和巖體結(jié)構(gòu)是形成危巖的重要內(nèi)在因素之一[6]，當岸坡結(jié)構(gòu)以上硬下軟的層狀斜坡時，地震地質(zhì)災(zāi)害易于發(fā)生[7]，該區(qū)前部軟硬相間(薄層磁巖夾千枚巖或板巖)的巖層組合以及河流對其侵蝕塑造了斜坡前部低洼地形而形成特殊臨空條件，坡體中上部局部發(fā)育緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面、坡體表層卸荷并產(chǎn)生一定深度的卸荷裂隙，降低了斜坡中上部巖體的穩(wěn)定性。

2.3.2 外因

(1)降雨是危巖體崩塌的主要誘發(fā)因素之一，研究區(qū)雨量充沛，降雨過程長，多暴雨?？梢允褂晁罅繚B入巖體，部分雨水沿節(jié)理、裂隙入滲進入到巖體內(nèi)部帶內(nèi)，動水壓力增加進一步加速坡體蠕動變形的發(fā)展。隨著雨水的沖刷、巖體的風化、裂隙貫通和張開程度的增加，在強降雨引發(fā)下，危巖體產(chǎn)生崩塌的可能性較大。

(2)人類活動也對該危巖體有一定的影響。I區(qū)頂部局部崩塌發(fā)生前為坡度約10°的平臺，系在山頂開墾所致。在山頂開墾并壘筑耕地平臺，改變原有地貌特征，增加了I區(qū)前部的重量。此外，平臺的開墾也影響了原來地表水的匯聚特征，平臺更易積水并加劇其沿某些裂縫現(xiàn)巖體深部入滲，進而使該區(qū)穩(wěn)定性變差。

(3)地震是寨子崖危巖體形成及局部崩塌的直接原因。該危巖體原本處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于汶川大地震的影響，導(dǎo)致危巖體局部失去平衡，出現(xiàn)巖體崩塌現(xiàn)象。并使后緣產(chǎn)生較多拉裂縫，最寬處達到1 m，同時使危巖體穩(wěn)定性進一步降低。

3 危巖體穩(wěn)定性分析

危巖體穩(wěn)定性評價較為復(fù)雜，本文采用工程地質(zhì)分析與極限平衡方法定性與定量相結(jié)合對寨子崖危巖體進行穩(wěn)定性分析。對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)采用定性判別以及定量計算相結(jié)合的方法，對Ⅳ、Ⅴ區(qū)采取定性評價為主的方法。

3.1 危巖體穩(wěn)定性定性分析

根據(jù)危巖體的發(fā)育特征、所處的地質(zhì)環(huán)境條件，結(jié)合現(xiàn)有的變形破壞跡象等因素，對研究區(qū)內(nèi)危巖體穩(wěn)定性進行定性評價，評價結(jié)果見表2。

表2 寨子崖危巖體穩(wěn)定性分析結(jié)果表(定性分析)

3.2 危巖體穩(wěn)定性定量計算

危巖體穩(wěn)定性計算力學(xué)參數(shù)的選定非常重要。本次危巖體穩(wěn)定性計算參數(shù)選取是在室內(nèi)外試驗資料基礎(chǔ)上，參考了已有工程的取值經(jīng)驗，并根據(jù)該危巖體的地質(zhì)特征和環(huán)境因素綜合確定的，主要計算參數(shù)見表3。

表3 危巖體穩(wěn)定性計算參數(shù)

利用《滑坡防治設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T0219－2006)和《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(DZT0218－2006)推薦的方法對危巖體Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的穩(wěn)定性進行計算。計算公式如下:

式中:G為重量(kN);C為結(jié)構(gòu)面粘聚力(kPa);φ為結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角(°);A為結(jié)構(gòu)面面積(m2);U、V為結(jié)構(gòu)面上水的作用力(kN);α1為后緣拉裂面傾角(°);α2為結(jié)構(gòu)面傾角(°);E1為推力(kN);P為地震力(kN)，P=a0G;a0為地震系數(shù)。

根據(jù)研究區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境以及該危巖體的特征，計算在天然條件、暴雨條件和地震條件這三種工況下危巖體的穩(wěn)定性，計算結(jié)果見表4。

表4 危巖體穩(wěn)定計算結(jié)果表

分析計算結(jié)果可知，危巖體I區(qū)在天然狀態(tài)下處于極限平衡狀態(tài)，暴雨使其穩(wěn)定性大為降低達到臨界值有失穩(wěn)滑動的可能，地震作用下其穩(wěn)定性系數(shù)小于1。Ⅱ和Ⅲ區(qū)穩(wěn)定性略好于Ⅰ區(qū)，天然狀態(tài)下處于極限平衡狀態(tài)，在暴雨和再次地震作用下，穩(wěn)定性大大降低，有滑動的可能。因此，上述危巖體應(yīng)盡快進行治理。

4 危巖體防治對策

我國對危巖體的治理措施大體上分為3類:主動治理、被動治理和主動－被動聯(lián)合治理[8]。一個具體的危巖防治工程通常涉及數(shù)個危巖單體，各個危巖單體特征不同，因此選擇危巖治理措施應(yīng)特別強調(diào)針對性。對上述5處危巖體的穩(wěn)定性分析表明，這5處危巖體都需要采取治理措施。由于寨子崖危巖體結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)狀況的復(fù)雜性，單一的危巖體治理方法難以保證危巖體的穩(wěn)定，必須采取多種措施。根據(jù)寨子崖危巖體的工程地質(zhì)條件、各危巖體的發(fā)育特征、破壞方式、穩(wěn)定程度和危害對象等，經(jīng)綜合分析，建議對不同的危巖體采取相應(yīng)的防治措施，治理工程措施見表5。

表5 寨子崖危巖體防治措施

續(xù)表5

5 結(jié)論

(1)隴南寨子崖危巖體在汶川地震期間出現(xiàn)局部崩塌開裂現(xiàn)象，震后崩塌落石不斷，嚴重威脅災(zāi)后重建集中安置點居民生命財產(chǎn)安全。根據(jù)危巖體結(jié)構(gòu)及其破壞特征將其劃分為5個區(qū)。危巖體前部軟硬相間的巖層組合、巖體卸荷裂隙及結(jié)構(gòu)面發(fā)育等巖性特征，地勢高陡等地形特征，以及區(qū)內(nèi)降雨強度大及地震等觸發(fā)因素，共同構(gòu)成該危巖失穩(wěn)的控制因素。

(2)寨子崖危巖體穩(wěn)定性定性及定量分析結(jié)果表明，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)危巖體在天然狀態(tài)下處于極限平衡狀態(tài)，在暴雨和地震影響下，有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，需對危巖體進行治理。

(3)寨子崖危巖體結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，為保證危巖體的穩(wěn)定性，提出了采用了人工清除、錨固和SNS主動防護等方法的綜合治理方案。

[1] 何思明，張曉剛，沈鈞，等.樂山大佛景區(qū)景云亭危巖災(zāi)害分析及防治研究[J].災(zāi)害學(xué)，2009，24(3):39－45.

[2] 黃潤秋，劉衛(wèi)華.滾石在平臺上的運動特征分析[J].地球科學(xué)進展，2008，23(5):517－519.

[3] 李明，陳洪凱，葉四橋，等.重慶市洪崖洞危巖發(fā)育機理[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2008，19(2):1－6.

[4] 崔鵬，韋方強，何思明，等.“5·12”汶川地震誘發(fā)的山體災(zāi)害及減災(zāi)措施[J].山地學(xué)報，2008，26(3):280－282.

[5] 黃忠恕，余應(yīng)中.長江上游隴南地區(qū)泥石流分布發(fā)育特征[J].人民長江，1998，29(7):44－47.

[6] 張業(yè)成.中國崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害基本特征與防治途徑[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，1993，4(1):11－18.

[7] 王運生，羅永紅，吉峰，等.汶川大地震山地災(zāi)害發(fā)育的控制因素分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2008，16(6):759－763.

[8] 陳洪凱，唐紅梅.三峽水庫區(qū)危巖防治技術(shù)[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2005，15(2):27－30.