北京西部山区典型危岩体危险性评价研究_康向阳.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202302015开放科学（资源服务）标识码（OSID）北京西部山区典型危岩体危险性评价研究康向阳1，王博玉1，李彦漫1，闫方超1，陈治法2，王嘉良1，字 勇1，蔡文军1,3，方 婧1（1.中核大地勘察设计有限公司，北京100013；2.北京市生态地质研究所，北京100143；3.华业地学（北京）科技有限公司，北京100013）摘要：以北京西部山区典型危岩体为例，通过现场调查、赤平投影整体稳定性评价、典型单体稳定性计算和运动轨迹数值模拟等方法，进行综合研究。结果表明：危岩带在自然工况下处于稳定-基本稳定状态，暴雨和地震工况下欠稳定；危岩体一旦发生崩塌，会以滚动、跳跃、撞击的形式威胁到坡脚处人员及设施安全。针对研究区危岩体在暴雨及地震工况下所处的稳定状态、失稳方式及危害对象的特点，提出治理建议。关键词：危岩体；稳定性评价；运动轨迹；数值模拟；致灾分析中图分类号：TU457文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)03 0200 06 0 引言北京市地处华北平原，属于燕山山脉和太行山脉衔接部位，具有复杂的地形地貌条件和地质构造。北京市降水时空差异较大，人类活动的强度较大。占北京地灾隐患总数 51.8%的崩塌是北京西部和北部山区频发的地质灾害之一1，具有小体积、多数量、高集中和广分布的特点2-3，防范化解崩塌灾害发生发展和减轻崩塌带来的损失，成为北京山区地质灾害防治工作的一项重点工程，首要任务便是对危岩体稳定性进行评价4-5。大量学者开展危岩体稳定性评价的研究并取得了较好的进展6。张彬等7对三峡库区凤城危岩主导因素和诱发因素进行分析，划分破坏类型，采用定性、定量方法对危岩体稳定性进行评价；谢全敏等8应用灰色系统理论提出了危岩块体稳定性的灰色聚类评价方法，同时结合可靠性理论和时序分析方法对危岩块体稳定性进行综合评价；罗刚等9分析总结了高位高能岩石崩裂的研究现状与未来研究方向；武中鹏等10以单体危岩崩塌为研究对象，计算不同工况的危岩失稳概率，进行落石轨迹模拟；Fathi A 等11做了大量关于岩体结构面劣化的物理实验；王根龙、孙玉科等12-13基于危岩失稳模式，将危岩分为坠落式、倾倒式和滑移式。对于坠落式危岩主要考虑岩土在自重作用下抗拉破坏机制，对于倾倒式危岩主要关注其抗倾稳定性，而对于滑移式危岩则主要考虑其滑面的抗剪强度；北京市国土资源局则制定了北京市地质灾害治理项目实施技术指南，要求采用岩体结构赤平投影分析方法，对结构面间组合关系以及坡面与结构面的关系分析，进而对危岩体的稳定性做出定性判断14。除此之外，极限平衡法也是目前开展岩质边坡稳定性定量分析计算的常用方法，可根据危岩体结构面和岩体物理力学参数，考虑危岩体失稳工况和破坏形式开展危岩体稳定性计算分析15。综上所述，开展危岩体稳定性评价的方法较多，但任何单一方法均无法得到较为精准的评价结果。为此，开展危岩体稳定性综合评价方法研究意义重大。本文选择北京市西山地区某山区小学崩塌危岩体为研究对象，在现场调查的基础上，采用不同分析方法开展山区地质灾害调查、稳定性分析和隐患治理。1 研究区地质概况及危岩体基本特征 1.1 地理位置及地形地貌北京西山地区地质构造复杂，新生代以抬升较快，侵蚀切割强烈，形成了深切的峡谷。目标崩塌危岩体位于某小学东北侧岩质陡坡，项目区平面，收稿日期：2023 04 20基金项目：中核大地勘察设计有限公司科研项目资助（2022S05）作者简介：康向阳（1983），男，陕西兴平人。高级工程师，硕士，主要从事地质灾害防治、矿山地质环境生态修复治理工作，E-mail：。路基工程 200 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）见图 1，微地貌类型为近 NW-SE 走向河谷岸坡地貌，地形起伏较大，山坡高程 388406 m，相对高差 18 m，裸岩面坡度约 7080，山坡陡峭。坡体上覆盖层较薄，植被覆盖率约 60%。391.32ZK47ZK47ZK57ZK57霞云岭中心小学教学楼教学楼教学楼宿舍楼警卫室#2危岩带#3危岩带#3危岩带WY7WY7WY8WY8QdlQdlZK34ZK34WY6WY6Jxwb+c15N#1危岩带WY3WY3WY4WY4WY2WY5WY5WY9WY9ZK25ZK25ZK15ZK15TC0.6WY1WY1图1项目区平面 1.2 水文地质及工程地质条件研究区无大断裂发育，出露地层主要为中元古界蓟县系雾迷山组(Jxw)硅质条带层状白云岩、叠层石白云岩，岩层产状为 2352421525，总体呈单斜缓倾坡体结构。局部出露有蓟县系洪水庄组(Jxh)白云质页岩、白云岩。新生界第四系(Q)残坡积土、洪积以及人工堆积土等。目标危岩体节理裂隙较为发育，大大破坏了岩体的完整性。本研究对象以走向 NE38和 NE86的两组节理最为发育，其中走向 NE38的节理面倾向多为 NW，倾角 7085，尤其以 7075最为常见；走向 NE86的节理面倾向以 NW 为主，倾角 6575。还发育有 NE12、SE230和 NE55等几组节理。根据钻探结果，研究区深度 7 m 内未见地下水位。第四系覆盖层残坡积土以碎石土为主，厚度小，储水条件差，透水性强，富水性极弱。基岩为白云岩，地下水赋存于岩体裂隙或破碎带中，水位埋藏较深，边坡无泉水出露或渗水现象。危岩体中没有稳定的地下含水层。1.3 危岩体分布和结构特征崩塌危岩体所在陡崖沿走向长约 130 m，地面高差 1129 m，临空面产状为：2208026085。坡体物质组成主要为雾迷山组白云岩，边坡岩层产状为 32020，反向缓倾坡内，边坡上未见大的构造断裂和贯通性裂缝，植被覆盖较高，坡体整体稳定性较好，但边坡表层节理裂隙较为发育，岩体受节理裂隙切割完整性破坏，存在局部垮塌、落石的危险。根据现场调查结果，岩质陡坡上可见 3 处危岩带及 9 个典型危岩体，见图 2图 4。其分布特征，见表 1。WY2WY2WY3WY4WY3WY4WY1#1危岩带（a）镜向NE40（b）WY1（镜向NE30）（c）WY2（镜向NE55）（d）WY3（镜向NE50）（e）WY4（镜向NE50）WY1WY1图21#危岩带#2危岩带#2危岩带WY6WY5图32#危岩带（镜向 NE30）#3危岩带#3危岩带WY9WY8WY7WY9WY8WY7图43#危岩带（镜向 NE60）康向阳，等：北京西部山区典型危岩体危险性评价研究 201 表1危岩带及典型危岩体特征编号失稳类型高差/m形态及空间尺寸（高宽厚）/m体积/m3结构面特征组数产状宽度/mm#1危岩带WY1倾倒28.1块状2.02.00.31.241287028875176701501551552010151020WY2倾倒8.7楔形状，上1.52.00.4；下1.51.00.41.8WY3倾倒1.5块状5.01.02.010.0WY4滑移4.8楔形状4.02.01.512.0#2危岩带WY5倾倒9.5楔形状3.01.50.41.83224841358016020152510201520WY6倾倒11.5楔形状0.80.70.40.224#3危岩带WY7滑移9.0块状7.01.00.53.5231080260651002501020WY8滑移5.8块状2.01.51.03.0WY9滑移5.7块状2.02.01.04.0 2 危岩体危险性评价 2.1 评价方法研究构建三个层次的危岩体危险性分析方法。采用赤平投影法开展危岩体带总体稳定性评价，同时筛选出局部不稳定结构或者块体、或者典型危岩体；采用极限平衡法开展典型危岩体在不同工况下的稳定性计算，判定其危险性；对危险性较大的危岩体开展失稳后运动路径分析，根据其运动轨迹和能量耗损，计算得出最大运动距离（致灾危险范围）。2.1.1 危岩体总体稳定性分析根据调查结果，结合危岩带或危岩体范围、规模、裂缝发育程度、危岩破坏模式等，采用赤平投影法，进行初步定性稳定性定性判定，见表 2。表2危岩体稳定性定性判定危岩带边坡结构特征赤平投影图稳定性评价#1边坡面：坡向220，坡度80；发育4组结构面：SE12870NW28875SE17670SE15015NSWE稳定性较好；节理面、节理面为切割面；节理面与节理面交线倾向与坡向一致，且倾角小于边坡倾角，形成楔形体，属于不稳定结构，局部岩块存在崩塌可能性#2边坡面：坡向235坡度80；发育3组结构面：SW22484SE13580SE16020NSWE稳定性较好；节理面，节理面为切割面；节理面与节理面的交于边坡面外侧，且倾角小于边坡倾角，形成楔形体，属于不稳定结构，存在局部岩块崩塌可能性#3边坡面：坡向255坡度85发育2组结构面：NW31080SW26065NSWE稳定性较好；节理面与节理面组合形成楔形体，属于不稳定结构，局部块体存在滑移崩塌的可能性3 条危岩体带总体稳定性都较好，但受构造节理面组合控制，形成了局部不稳定楔形危岩体，局部块体存在崩塌失稳的危险性。2.1.2 典型危岩体危险性分析研究区存在局部块体失稳的可能性，根据危岩体失稳诱发荷载分别为危岩自重、裂隙水压力和地震力，分自然工况（工况 1）、暴雨工况（工况 2）和地震工况（工况 3）计算典型危岩体稳定性。暴雨工况设置为二十年一遇暴雨。对 3 个危岩带中的 9 个典型危岩体采用极限平衡法进行稳定性定量计算分析。2.1.3 计算模型针对不同危岩体的失稳模式采用不同的计算模型，根据北京市地质灾害治理项目实施技术指南分为滑移式危岩和倾倒式危岩两种模型。滑移式危岩可根据其背后是否有黏连划分为后缘无陡倾裂隙和后缘陡倾裂隙，倾倒式危岩则根据其岩体抗拉强度的来源划分为后缘岩体抗拉强度控制和底部岩体抗拉强度控制两种情况16。模型计算公式见地质灾害防治工程勘察规范。2.1.4 计算参数选取通过开展岩石物理力学性质测试，并结合现场岩体节理裂隙的贯通性、填充程度及裂隙面特征等确定危岩体的物理力学参数。裂隙面黏聚力 c及内摩擦角 根据建筑边坡工程技术规范（GB 503302013）中“结构面抗剪强度指标标准值”确定，岩体抗拉强度根据室内岩石抗拉强度试验值按岩土工程勘察规范的折减要求，折减时考虑陡崖体的裂隙贯通程度。自然状态下裂隙充水高度取裂隙深度的 0.2 倍，暴雨时裂隙充水高度取裂隙深度的 0.5 倍。本次危岩稳定性计算参数，见表 3。路基工程 202 Subgrade Engineering2023 年第 3 期（总第 228 期）表3危岩稳定性计算参数岩石类型重度/（gcm3）抗压强度/MPa抗拉强度/MPa黏聚力/MPa内摩擦角/（）天然饱和天然 饱和 天然 饱和天然 饱和白云岩2.232.2540.85 38.20 2.28 1.051.9035.6 34.6 2.1.5 稳定性计算结果根据稳定性计算及北京市地方危岩稳定状态划分标准，对危岩体稳定性进行定量计算，见表 4。危岩稳定状态评价划分及安全系数，依据地质灾害治理工程实施技术规范（DB11/T 1524 2018）确定。9 个典型危岩体在现状工况下均处于稳定状态；3 个危岩带在暴雨工况、地震工况下均处于欠稳定状态；WY4 在地震工况下处于基本稳定状态。强降雨作用和地震作用对危岩体的稳定影响较大，在发生强降雨或地震情况下，危岩体发生崩塌失稳的危险性大。表4危岩稳定性计算结果危岩带编号破坏模式危岩编号工况稳定性系数F稳定性评价危险性危岩带编号破坏模式危岩编号工况稳定性系数F稳定性评价危险性#1倾倒式WY1工况12.38稳定#2倾倒式WY6工况11.27稳定工况21.05欠稳定危险工况21.05欠稳定工况31.12欠稳定危险工况31.13欠稳定WY2工况12.38稳定#3滑移式WY7工况11.33稳定工况21.05欠稳定危险工况21.12欠稳定工况31.12欠稳定危险工况30.92不稳定WY3工况12.45稳定WY8工况11.48稳定工况21.01欠稳定危险工况21.00欠稳定工况31.06欠稳定危险工况31.01欠稳定滑移式WY4工况11.70稳定WY9工况11.58稳定工况21.46稳定工况21.05欠稳定工况31.15基本稳定工况31.10欠稳定#2倾倒式WY5工况11.43稳定工况21.02欠稳定工况31.12欠稳定 3 致灾危险范围分析本次研究区地形条件差，以陡崖、陡坡为主，坡面起伏变化较小，危岩体失稳后主要以滚动、跳跃形式运动，采用 Rockfall 模型开展典型危岩体运动范围分析。3.1 计算模型针对每个危岩带中典型高位危岩体进行运动轨迹计算。3 处危岩带的落石分别理想化为直径 1.32、1.50、1.96 m 的球体，密度 2.27 g/cm3，法向恢复系数 Rn取 0.300.33，切向恢复系数 Rt取 0.820.85，滚动摩擦系数 取 0.500.85，危岩体先从陡崖上滑动或倾倒破坏，并以一定初速度在陡坡上碰撞弹跳，弹跳结束后以一定的速度沿坡面滚动，直至运动停止。3.2 模型设定及模拟步骤陡崖上危岩体不管以何种形式破坏，最终将以一定的初速度崩落至坡脚斜坡上发生碰撞弹跳或是滚落、滑动。碰撞弹跳是落石运动中最为复杂和不确定的一种运动，落石碰撞弹跳时，做斜抛运动，其运动轨迹是抛物线。滚石在弹跳运动结束后，受坡面覆盖层缓冲、阻滑作用，滚石能量逐渐消减，最后沿坡面滚动，作减速运动，并在滚动摩擦作用下停止。陡崖上危岩体当自重下滑分力大于摩擦力时发生滑移式的破坏，致灾危险的范围即崩塌最大影响范围。危岩运动轨迹模拟步骤为：确定坡面形态和物质特征并对相关参数赋值；确定落石启动位置及其参数初值；确定落石统计数量，分析落石轨迹和落点；绘制落石运动轨迹图，获得冲击能量、弹跳高度及运动速度等指标17-18。3.3 计算结果危岩体 WY1 数值模拟计算结果，见图 5。危岩崩落运动计算结果，见表 5。边坡危岩体在坡面的运动方式受下部斜坡的物质组成、坡度、滚石大小和形状等因素的影响，其运动距离、冲击破坏程度和危害范围各不相同，危岩体影响范围为 1.038.5 m，最大距离为 38.5 m。#1 危岩带下方为中心小学浴室和男生宿舍，危石可能崩落撞击到房屋墙壁，对学生及学校房屋设施造康向阳，等：北京西部山区典型危岩体危险性评价研究 203 成危害；#2 危岩带危石可能威胁到男生宿舍西北侧；#3 危岩带危石距地面高差较小，落石会危及到道路行人。50101082063044020（b）弹跳高度与水平位置高度Y/m水平距离X/m1816141210864210203040050转运速度/（ms1）（d）转动速度与水平位置水平距离X/m16141210864210203040050水平速度/（rads1）（e）水平速度与水平位置水平距离X/m水平距离X/m50040010300202003010040050滚石动能/kJ（c）水平影响范围与水平位置31125719131319725131 37 43 49高度Y/m水平距离X/m威胁对象（a）崩塌落石斜坡碰撞弹跳模拟计算危岩体WY1（1.2 m3），H=28.1 m，W=26.76 kN图5危岩体 WY1 数值模拟计算结果 表5危岩崩落运动计算结果危岩体编号危岩直径/m最大跳高/m最大影响范围/m最大平移速度/（ms1）最大转动角速度/（rads1）滚石总动能/kJWY10.663.2238.5018.4017.40529.80WY20.741.203.0010.603.80231.70WY31.300.201.004.402.50283.10WY41.400.923.507.600.90353.40WY50.751.517.9012.807.40358.60WY60.371.105.2013.6122.5150.91WY70.981.106.5012.007.90747.40WY80.892.104.705.204.00119.80WY90.980.405.005.504.20167.90 4 防灾减灾治理建议根据现场调查、危岩体稳定性计算及危险性评价结果，建议采取“局部削坡清危+支撑嵌补+挂主动防护网+挡墙+排水沟等”综合治理措施。对突出外伸的孤石、浮石浮土以及危岩体进行清除；对#2 危岩带下方的岩腔采用浆砌石及水泥砂浆进行嵌补支撑加固；#1 危岩带清危后，挂主动防护网；坡脚处建挡墙，加固坡脚，拦截土石；在边坡顶部修建排水沟，拦截坡面水流，减轻水对坡面的侵蚀作用。5 结语本文选择北京西山区某山区小学崩塌危岩体为研究对象，在现场调查基础上，采用不同分析方法开展山区地质灾害调查、稳定性分析和隐患治理。（1）根据赤平投影定性分析，研究区 3 处危岩带稳定性较好；定量分析 9 个危岩体在自然工况下处于稳定-基本稳定状态，但在暴雨和地震工况下处于欠稳定状态，危岩体在风化、降雨等综合作用下，失稳过程缓慢，但具很强的持续性和累积叠加性，结构面、应力条件不断变化，外加地震等突发因素，很容易发生崩塌。（2）对欠稳定状态下的崩塌危岩体，对其运动轨迹进行模拟计算，确定每个危岩体的危险性范围。一旦发生崩塌，WY1 会威胁到坡脚处道路行人、中心小学的学生以及校舍、浴室等设施的安全。（3）对边坡陡崖上 1#3#危岩带突出外伸的孤石、浮石浮土以及危岩体进行清除，消除其崩塌隐患。对#2#3 危岩带下方的岩腔进行嵌补支撑加固。坡体悬挂主动防护网，在坡脚处建挡墙，加固坡脚，拦截土石，保障道路行人和学生的安全，减轻对校舍等设施的危害。参考文献(References)：1 刘连刚.北京市地质灾害防治历程与展望 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305.StudyonRiskAssessmentofTypicalUnstableRockBlocksinaMountainAreaintheWestofBeijingKANG Xiangyang1，WANG Boyu1，LI Yanman1，YAN Fangchao1，CHEN Zhifa2，WANG Jialiang1，ZI Yong1，CAI Wenjun1,3，FANG Jing1（1.China Nuclear Dadi Exploration&Design Co.,Ltd.,Beijing 100013,China；2.Beijing Institute of Ecological Geology,Beijing 100143,China；3.Huaye Dixue(Beijing)Science and Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013,China）Abstract:Taking the typical unstable rock block in the mountainous area of western Beijing as an example,it iscomprehensively studied by means of field investigation,overall stability evaluation of stereographic projection,stability calculation of typical unit and numerical simulation of motion trajectory.The results show that theunstable rock zone is in a stable-basically stable state under natural working conditions and unstable underrainstorm and earthquake conditions.Once the unstable rock block collapses,it will threaten the safety ofpersonnel and facilities at the foot of the slope in the form of rolling,jumping and impact.According to the stablestate,instability mode and hazard object characteristics of unstable rock block in the study area under rainstormand earthquake conditions,some control suggestions are put forward.Key words:unstable rock block；stability evaluation；motion trajectory；numerical simulation；disaster-inducing analysis康向阳，等：北京西部山区典型危岩体危险性评价研究 205