劉占梅
(遼寧省有色地質(zhì)局一0九隊,朝陽 122000)
遼寧省喀左縣道虎溝山坡崩塌地質(zhì)災害防治工程設計
劉占梅
(遼寧省有色地質(zhì)局一0九隊,朝陽 122000)
近年來,遼寧西部低山丘陵區(qū)崩塌落石地質(zhì)災害頻繁發(fā)生,喀左縣道虎溝村崩塌地質(zhì)災害為典型的上部陡崖危巖崩落下部斜坡落石滾動崩塌地質(zhì)災害。遼西地區(qū)常用的崩塌地質(zhì)災害防護結構多為圬工結構,圬工結構存在很多缺點,綜合考慮道虎溝村崩塌的地質(zhì)環(huán)境條件,分析崩塌地質(zhì)災害特征,通過多種治理方案比選,確定采用SNS主動防護系統(tǒng)和被動防護系統(tǒng)聯(lián)合使用的治理方案,通過分析和計算確定主動防護系統(tǒng)和被動防護系統(tǒng)型號。本文為類似崩塌地質(zhì)災害治理方案選擇及SNS防護系統(tǒng)選型提供參考。
喀左縣道虎溝;崩塌地質(zhì)災害;SNS防護系統(tǒng);治理方案;防護系統(tǒng)選型
喀左縣山嘴子鎮(zhèn)道虎溝村依山而建,村東山頂為陡崖,陡崖出露巖層為燧石條帶白云質(zhì)灰?guī)r,表層巖石風化嚴重,節(jié)理裂隙發(fā)育,陡崖表層巖石被節(jié)理裂隙分割為長方體塊狀,受風雨、地震等外界因素的擾動,經(jīng)常發(fā)生落石現(xiàn)象。陡崖下方為斜坡,斜坡段出露巖層為安山巖,巖石裸露,表層風化較嚴重,斜坡段散落分布有大量陡崖段墜落的落石,在外界因素擾動下易發(fā)生滾落。緊鄰斜坡下方為居民住宅,已有部分落石滾入村民家中,造成村民財產(chǎn)損毀,所幸未造成人員傷害。
該邊坡崩塌地質(zhì)災害對人民群眾生命財產(chǎn)安全構成了極大的威脅。應當?shù)厝罕姾驼?,對該崩塌地質(zhì)災害進行治理,消除崩塌地質(zhì)災害威脅,給村民創(chuàng)造一個安全的生存發(fā)展環(huán)境。該工程是一項解民之危的民生工程,為朝陽地區(qū)崩塌地質(zhì)災害治理提供參考。
1.1 地形地貌
該坡面位于遼西侵蝕丘陵區(qū),工程區(qū)最高點海拔501.9 m,最低點海拔408.1 m,山體植被較發(fā)育,坡頂植被以灌草為主,坡底以喬灌木為主。工程區(qū)東北部山坡410~500 m標高為自然形成的陡崖,坡度35°~62°,局部近直立或反傾,總體朝向西南方,高12~35 m,總長340 m;陡崖下方410~460 m標高為斜坡,坡度28°~36°,410 m標高以下為居民住宅區(qū)。如圖1所示。
圖1 工程區(qū)地形地貌
1.2 地層巖性
工程區(qū)地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)的燕遼分區(qū),區(qū)內(nèi)地層可分為中元古界長城系、侏羅系中統(tǒng)和第四系。
(1) 中元古界長城系高于莊組(Chg)
高于莊組(Chg):主要巖性為燧石條帶白云質(zhì)灰?guī)r,風化面灰白色,新鮮面深灰色,隱晶結構,中厚層狀構造,組成礦物主要為粘土礦物,局部夾灰黑色硅質(zhì)條帶,巖石巖性脆硬,表面可見明顯“刀砍紋”現(xiàn)象。巖層總體走向約55°,北西傾,傾角40°~50°,主要分布在陡崖段及斜坡段北部。
(2) 侏羅系中統(tǒng)蘭旗組(J2l)
蘭旗組(J2l):主要巖性為紫紅色安山巖,風化面灰紅色,新鮮面紫紅色,玻晶交織結構,塊狀構造,基質(zhì)主要為斜長石、輝石、火山玻璃等組成,斑晶主要由已蝕變的橄欖石構成,巖石風化較強,呈顆粒狀,粉末狀堆積。巖層總體走向20°,傾向南東,傾角64°,主要分布在斜坡段南部。
(3) 第四系(Q)
第四系(Q):主要分布在坡腳及居民住宅區(qū),主要由坡積土和洪積土組成。坡積土位于坡腳,主要為風化的碎石土,一般厚度0.5~3 m;洪積土位于居民住宅區(qū)及溝谷,主要為洪積作用形成的粉土及洪積碎石土和砂礫卵石層組成,一般厚度1~5 m,上部為粉質(zhì)粘土,下部砂礫卵石層由粉質(zhì)粘土、砂及砂礫石組成。
1.3 地質(zhì)構造與地震
(1) 地質(zhì)構造
該工作區(qū)位于大地構造一級大地構造單元為華北地臺,二級構造單元為燕山臺褶帶,三級構造單元為遼西臺陷。經(jīng)調(diào)查,區(qū)內(nèi)無明顯斷裂、破碎等地質(zhì)構造,但在地層接觸部位,由于兩側巖性不一,受侵蝕風化程度不一,導致兩側侵蝕高度不一致,形成數(shù)十米高差,加之灰?guī)r地層節(jié)理縫較為發(fā)育,導致上層巖體不穩(wěn)定,已形成具有崩落危險的危巖體。
(2) 地震
冀東遼西地區(qū)是華北地震塊體的一部分,據(jù)國家質(zhì)量技術監(jiān)督局發(fā)布的1/400萬《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB1836-2001)劃分,工程區(qū)地震動峰值加速度為0.10 g,反應譜特征周期0.35 s,地震基本烈度Ⅶ度。
1.4 工程地質(zhì)條件
依據(jù)區(qū)內(nèi)巖土體的成因類型、結構構造、物質(zhì)成分及堅硬程度,參照《巖土體工程勘察規(guī)范》(GB50021-2009)將區(qū)內(nèi)巖土體劃分為三個組。
(1) 粉質(zhì)黏土:黃褐色,可塑,干強度中等,韌性中等,夾雜棱角狀白云質(zhì)灰?guī)r碎石,層厚1.0~5.0 m,承載力特征值130~160 kPa,主要分布于斜坡段及坡腳。
(2) 強風化安山巖:紫紅色,玻晶交織結構,塊狀構造,巖石風化較強,呈顆粒狀,粉末狀堆積,層厚1~10 m,承載力特征值200~500 kPa,主要分布于斜坡段南部。
(3) 強風化白云質(zhì)灰?guī)r:灰白色,隱晶質(zhì)結構,塊狀構造,主要礦物成分以碳酸鹽礦物為主,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖石質(zhì)量等級為Ⅳ級,層厚5~10 m,承載力特征值500~1 000 kPa,主要分布于陡崖段。
1.5 水文地質(zhì)條件
按照工程區(qū)地下水賦存介質(zhì),可以劃分為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和碳酸巖溶裂隙水。
(1) 松散巖類孔隙水:該含水層由白云質(zhì)灰?guī)r之上坡積土覆蓋層組成,一般厚度0.5~3 m,富水性一般,水化學類型為HCO3-Ca型。除接受大氣降水垂直滲透補給外,還接受基巖裂隙水的側向補給。
(2) 基巖裂隙水:賦存于灰?guī)r和安山巖的風化、構造裂隙之中。富水性亦很不均勻,富水程度主要取決于風化、構造裂隙發(fā)育程度、裂隙性質(zhì)、充填情況等,并受匯水面積大小、巖石的孔隙度、膠結程度等因素影響。其中,構造裂隙非常發(fā)育、地質(zhì)、地貌充水條件有利部位為較強富水地段或構造充水帶。主要接受大氣降水及松散巖類孔隙水垂直滲透補給。
(3) 碳酸巖溶裂隙水:工程區(qū)地層巖性主要為灰?guī)r,巖溶裂隙不發(fā)育,富水性比較差,水化學類型為HCO3-Ca型。補給源主要是大氣降水和松散巖類孔隙水垂直滲透補給。
2.1 崩塌災害歷史及危害對象
根據(jù)村民反映,前幾年有落石滾入居民家中,砸中偏房,所幸未造成人員傷亡。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,陡崖下斜坡上臥有大量滾動過程中停滯的陡崖落石,落石體積0.5~3 m3不等。每逢雨季,村民人心惶惶,提心吊膽,崩塌災害嚴重影響陡崖下方村民的身心健康,對村民的生命財產(chǎn)安全構成極大威脅。
2.2 崩塌的分布特征
團山子西側邊坡總高約80 m,邊坡上部為陡崖,陡崖出露巖層為中厚層灰?guī)r,風化嚴重,平行和垂直斜坡坡面的節(jié)理裂隙很發(fā)育,垂直節(jié)理0.5~3 m/條,產(chǎn)狀50°~110°,傾角75°~90°,裂隙張開度1~15 cm;水平節(jié)理0.5~5 m/條,產(chǎn)狀30°~60°,傾角0°~15°,張開度約1~10 cm。平行和垂直節(jié)理將寒武系中統(tǒng)厚層灰?guī)r切割成巨大的塊狀危巖體,危巖體體積為0.1~1.0 m3不等,多呈長方體。目前狀況下,處于不穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨、爆破等外界因素的影響下,易形成散落型崩塌。
道虎溝陡崖出露巖層為燧石條帶白云質(zhì)灰?guī)r,風化嚴重,平行和垂直斜坡坡面的節(jié)理裂隙很發(fā)育,垂直坡面節(jié)理0.5~5 m/條,走向5°~90°,傾角近乎直立,裂隙張開度1~10 cm;平行坡面節(jié)理0.5~3 m/條,走向335°~355°,傾向南西,傾角45°~90°,張開度約1~15 cm。平行和垂直坡面節(jié)理將長城系高于莊組燧石條帶白云質(zhì)灰?guī)r切割成大小不等的塊狀,形成具有崩塌落石危險的危巖體,危巖體體積為0.1~6.0 m3不等,多呈長方體,目前狀況下,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在降雨、震動等外界因素的影響下,易形成散落型崩塌,陡崖段為崩塌地質(zhì)災害形成區(qū)。陡崖下方為斜坡,斜坡段為落石滾動區(qū),斜坡段東南部停滯有大量陡崖段掉落的危巖,落石體積0.5~3 m3不等,落石散落段斜坡長170 m,在降雨、震動等外界因素的影響下,停滯于斜坡的落石易繼續(xù)滾動,加劇崩塌地質(zhì)災害。
2.3 崩塌災害的形成條件
(1) 地形地貌
道虎溝邊坡具備高陡的地形地貌條件,山體大部分基巖出露,陡崖段高12~35 m,坡度35°~62°,局部危巖體近直立或反傾狀,斜坡段高約50 m,坡度28°~36°,為巖塊的崩塌和滾動創(chuàng)造了條件。
(2) 巖體結構
道虎溝陡崖巖體為長城系高于莊組燧石條帶白云質(zhì)灰?guī)r,長期受風化剝蝕作用,表層節(jié)理裂隙發(fā)育,裸露巖體多被切割呈塊狀,在外界因素影響下,巖塊較易形成崩塌和滾落。
(3) 大氣降雨
該區(qū)域每年6~9月份易降雨,降雨不但促進巖體進一步風化,也為崩塌提供了動力條件。
(4) 地震
遼西是華北地震塊體的一部分,地震也會為崩塌提供動力條件。
2.4 危巖破壞模式
道虎溝陡崖段西北部基巖裸露,多被節(jié)理裂隙分割呈塊狀,巖體后部存在與邊坡傾向一致的貫通或斷續(xù)貫通的破裂面,傾角較緩,危巖體沿著破壞面滑移破壞,屬滑塌式破壞,且崩塌類型屬于散落型崩塌。
道虎溝陡崖段東南部危巖體臨空面多近直立或反傾狀,危巖體后部存在與邊坡傾向一致的陡傾角貫通或斷續(xù)貫通的破壞面,危巖體底部局部臨空,危巖體可能沿底部支點向臨空方向傾倒破壞,屬傾倒式破壞,且崩塌類型也屬于散落型崩塌。
3.1 方案比選
治理危巖崩塌邊坡,常用的方法可分為主動防治法和被動防治法。主動防治法包括:錨固技術對危巖進行加固處理,對危巖裂隙進行封閉、注漿;對懸挑的危巖、險石即時進行清除;對崖腔、空洞等進行撐頂和鑲補;限制坡面巖土體風化剝落、危巖崩塌的SNS主動防護系統(tǒng)。被動防治法包括:坡腳設置攔石墻、落石槽和SNS被動防護系統(tǒng)等。
根據(jù)目前掌握的邊坡基本情況,坡面并未見明顯的崖腔、空洞,撐頂和鑲補的方法不適用。
陡崖風化面面積大,地勢高,危巖險石多,采用清除危巖方法工程量大,施工風險高,除確保施工人員人身安全外,還需保證坡腳建筑物免遭破壞,且危巖清除后露出的新鮮巖體今后又會風化為危巖,不能從根本上解決問題。
錨固方法需要完全清理坡面危石,施工難度大,且該邊坡巖體已經(jīng)風化松散,單獨采用錨固措施不合適。另外,錨固方法需在危石上進行鉆孔錨固作業(yè),鉆機振動可能危及危石穩(wěn)定,施工風險十分大。
落石槽+攔石墻,在斜坡段的合適位置開挖一定寬度和深度的落石槽來攔截滾石,為防止高速運動的滾石從落石槽內(nèi)彈跳至防護區(qū)域,在落石槽的外側增設攔石墻。開挖落石槽會給坡體的穩(wěn)定性帶來不利影響,且?guī)磔^大的環(huán)境破壞,且在安山巖質(zhì)的高斜坡上開挖落石槽施工難度很大;為保證攔石墻可以去抵抗落石的動力沖擊,必須在陡峻山坡上建造龐大的攔石墻,開挖較大的基坑,施工非常困難;修建攔石墻施工速度慢,工期長,施工過程中一旦發(fā)生崩塌,將會危及施工人員安全。
SNS防護系統(tǒng)是以高強度柔性網(wǎng)作為主要構成部分,并以覆蓋和攔截兩大基本類型來防治各類斜坡坡面崩塌落石、風化剝落等地質(zhì)災害和雪崩、岸坡沖刷、爆破飛石、墜物等危害的新型柔性防護結構。與傳統(tǒng)的典型圬工結構相比,SNS防護系統(tǒng)不僅能起到以圬工結構為代表的傳統(tǒng)防治之作用,而且還具有以下幾個方面的綜合技術經(jīng)濟優(yōu)勢:①整體柔性。柔性結構具有以柔克剛的功能優(yōu)勢,具有非常好的荷載擴散傳遞功能,能夠避免過多和過大的局部應力集中,充分調(diào)動系統(tǒng)整體功能的發(fā)揮。②良好的地形適應性。充分利用柔性結構的易鋪展性,采用積木式組合方式來構筑整體性的系統(tǒng)結構,對坡面形態(tài)特征無特殊要求。③系統(tǒng)的開放性。由于系統(tǒng)的開放性,地下水可以自由排泄,避免了由于地下水壓力的升高而引起的邊坡失穩(wěn)問題,同時開放式結構帶來視覺的通透性,不需進行額外的開挖,從而對原有地貌和坡面植被具有良好的保護作用。④施工快速方便,施工干擾小。柔性防護系統(tǒng)開挖工程量很少并且不需徹底清坡,大大節(jié)省了施工時間;由于結構和構件的輕型化,以及半成品化構件的積木式安裝,保證了材料的易于搬運和快速安裝。
3.2 方案確定
根據(jù)道虎溝邊坡的工程特點,綜合考慮坡面的災害類型特征、災害風險水平、工程投資和維護費用等因素,確定本工程的治理方案為SNS主動防護系統(tǒng)和被動防護系統(tǒng)聯(lián)合使用。崩塌地質(zhì)災害發(fā)生的源頭在陡崖段,為在根源上防止崩塌地質(zhì)災害發(fā)生,在陡崖段采用SNS主動防護系統(tǒng),防止陡崖段危巖墜落;為防止斜坡段停滯的落石受干擾后繼續(xù)運動,危及坡腳居民生命財產(chǎn)安全,在斜坡段中下部落石停滯區(qū)下方設置SNS被動防護系統(tǒng)。
4.1 SNS主動防護網(wǎng)設計
從防止災害發(fā)生的思路考慮進行治理,本工程陡崖段宜采用SNS主動防護系統(tǒng),防止危巖脫離母巖墜落。在目前SNS防護系統(tǒng)的產(chǎn)品系列中,適合該工程邊坡的地形特征、危害防護特點及防護要求的產(chǎn)品類型為GPS2型。
GPS2型主動防護網(wǎng)以強度為1 770 MPa、經(jīng)過熱鍍鋅處理的鋼絲繩編織成的網(wǎng)孔為300 mm的鋼絲繩網(wǎng)DO/08/300/4 m×4m(或4 m×2 m)為主要受力構件,結合經(jīng)過超強防腐處理的鋼絲編織成的SO/2.2/50型格柵網(wǎng)組成的雙層主動防護系統(tǒng)。它選用強度足夠的材質(zhì)并經(jīng)過有效的防腐處理,在該工程使用時不僅有足夠的防護效果,同時可以確保系統(tǒng)滿足30 a以上的使用壽命。
GPS2型防護網(wǎng)的主要防護功能為坡面加固,抑制崩塌和風化剝落、溜坍的發(fā)生,限制局部或少量落石(含小塊落石)運動范圍。其明顯特征是采用系統(tǒng)錨桿固定,通過錨桿對柔性網(wǎng)部分實現(xiàn)預張拉,從而對整個邊坡形成連續(xù)支撐,并通過其預張拉作用使系統(tǒng)盡可能緊貼坡面,形成抑制局部巖土體移動或在發(fā)生局部位移、破壞后將其裹縛于原位附近的預應力,從而實現(xiàn)其坡面加固穩(wěn)定功能。該系統(tǒng)在施工工藝上為確保其盡可能緊貼坡面,錨桿孔口應開鑿孔口凹坑或靈活利用天然低凹位置設置錨桿進行系統(tǒng)布置。
4.2 SNS被動防護網(wǎng)設計
從避免已墜落物造成危害的思路考慮進行治理,本工程斜坡段落石散布區(qū)宜采用SNS被動防護系統(tǒng),防止斜坡段停滯的落石繼續(xù)運動,危及坡腳居民生命財產(chǎn)安全。在目前SNS防護系統(tǒng)的產(chǎn)品系列中,適合該工程邊坡的地形特征、危害防護特點及防護要求的產(chǎn)品類型有RXI型防護網(wǎng),因為每個坡面坡高不同,墜落物重力大小不同,所以應在計算墜落物沖擊動能和彈跳高度的情況下選擇具體的防護網(wǎng)型號和高度。
為保證SNS防護系統(tǒng)足夠安全,本次設計按照最不利參數(shù)組合計算,假定落石位于斜坡段最高處,斜坡段坡度取最大值,落石體積取最大值,防護網(wǎng)設置位置為430 m標高處(斜坡現(xiàn)有鐵絲圍欄處)。
(1) 基本設計參數(shù)
山坡參數(shù):斜坡上半段坡度36°,斜坡上半段坡高27 m,斜坡下半段坡度30°,斜坡上半段坡高10 m,坡腳長220 m;落石參數(shù):落石體積3.0 m3;巖體參數(shù):巖性白云質(zhì)灰?guī)r,密度2.75 g/cm3。
(2) 落石運動模式分析
停滯于斜坡段的落石,在外界因素作用下,容易繼續(xù)運動。由于落石初始運動速度很小且斜坡段坡度較緩,落石運動過程中發(fā)生彈跳的可能很小,落石的運動模式為滑動滾動模式。
(3) 計算簡圖(如圖2)
(4) 落石運動速度計算
斜坡段山坡為折線形山坡,共分兩段,上陡下緩,停滯于斜坡段的落石,在降雨、地震等擾動下繼續(xù)向下滾動,在斜坡上半段終端的運動速度v1和斜坡下半段防護網(wǎng)處的運動速度v2計算如下:
圖2 落石運動計算簡圖
K=0.543-0.004 8α+0.000 162α2
式中,v1為落石在斜坡上半段終端的運動速度(m/s);v2為落石在斜坡下半段防護網(wǎng)處的運動速度(m/s);H1為斜坡上半段高度(m);H2為防護網(wǎng)位置至斜坡上半段終端高度(m);g為重力加速度(m/s2);K為阻力特征系數(shù);α為山坡坡度角(°);μ為運動摩擦系數(shù);ε為落石速度系數(shù)。落石運動速度計算結果如表1。
表1 落石運動速度計算結果表
根據(jù)計算,落石滾落至防護網(wǎng)處的速度為10.92 m/s,落石滾動實質(zhì)上是一系列連續(xù)的、彈跳距離很小的、彈跳高度很低的拋物線運動。
(5) 落石的沖擊動能計算
(6) SNS被動防護網(wǎng)設計
①型號選擇
通過計算,最大落石沖擊動能E=590 kJ,考慮一定的安全儲備,根據(jù)《鐵路沿線斜坡柔性安全防護網(wǎng)》(TB/T3089-2004)表2選用被動防護網(wǎng)。選用的防護網(wǎng)系統(tǒng)如下:
型號:RXI-075(攔截撞擊能750 kJ以內(nèi)的落石)。
網(wǎng)型:R7/3/300。
結構配置:鋼柱+支撐繩+拉錨系統(tǒng)+縫合繩+減壓環(huán)。
②防護網(wǎng)設置位置及網(wǎng)高
停滯于斜坡段的落石繼續(xù)運動的運動模式為滑動滾動模式,實質(zhì)上是一系列連續(xù)的、彈跳距離很小的、彈跳高度非常低的拋物線運動,按照相關標準及技術手冊,防護網(wǎng)高度不宜低于3 m,因此,確定防護網(wǎng)高度為3 m。綜合考慮施工方便、居民住宅分布及落石運動情況,選擇落石散落區(qū)下部的現(xiàn)有鐵絲圍欄處,在同一等高線上(約430 m標高)設置被動防護網(wǎng)一道。
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HILLSIDE COLLAPSE GEOLOGICAL HAZARD MANAGEMENT ENGINEERING DESIGN IN DAOHUGOU VILLAGE KAZUO COUNTY OF LIAONING PROVINCE
LIU Zhan-mei
(Team 109 of The Bureau of Non-ferrous Geology of Liaoning Province,Chaoyang,Liaoning 122000,China)
In recent years, collapse rockfall geological hazard frequently occurred in the hilly areas of western Liaoning. Collapse geological hazard in Daohugou village Kazuo county is a typical collapse rockfall geological hazard of upper cliff dangerous rocks falling and lower slope falling rocks rolling. In western Liaoning area commonly used masonry structure as collapse geological hazard protection structure. Masonry structure exist many shortcomings. Comprehensively considering geological conditions of collapse geological hazard in Daohugou village, analysising its features, through a variety of governance scheme comparison and selection, determine using a combined plan of SNS active protection system and passive protection system. Through analysis and calculation, determine type of SNS active protection system and passive protection system. This paper provides a reference for similar collapse geological hazard governance scheme selection and SNS protection system type selection.
Daohugou village Kazuo county; collapse geological hazard; SNS protection system; management plan; protection system type selection
1006-4362(2017)02-0016-05
2017-03-17 改回日期: 2017-04-15
P642.21
A
劉占梅(1985- ),女,碩士,工程師,主要從事巖土工程和地質(zhì)災害防治工程工作,E-mail:liuzhanmei106@126.com