内江朝阳危岩灾害特征分析及其治理技术_杨有莲.pdf

第 卷 第 期 年 月 成都大学学报（自然科学版）（）文章编号：（）：收稿日期：作者简介：杨有莲（），女，博士，讲师，从事土木工程领域研究：通信作者：吴启红（），男，博士，教授，从事土木工程领域研究：内江朝阳危岩灾害特征分析及其治理技术杨有莲，吴启红，唐 然，董建辉，邱洪志，张 华，（成都大学 建筑与土木工程学院，四川 成都；成都大学 非饱和土力学特性及工程技术工程研究中心，四川 成都）摘 要：以内江市某工程朝阳危岩为例，通过对危岩地质灾害体规模和空间分布、形状特征、结构特征和运动特征进行调查，并且对危岩崩落运动水平速度、石块腾越、弹跳和落石能量进行了计算 根据治理区危岩体的形成，结合危岩体基座特征、后缘裂隙发育特征和前缘临空状况，对危岩变形破坏模式进行了分析，在已有危岩、和 崩塌分析结果的基础上，对危岩的稳定性进行了分析 结果表明，在工况和工况条件下，危岩、和 处于欠稳定状态 通过几种方案比选及方案进一步优化和细化，得到优化的危岩治理方案为清除危石 锚杆锚固 砂浆填缝 扩建截水沟，并对方案具体实施及其实施效果进行了评价，具有明显的经济和社会效益，对类似工程具有一定的参考价值关键词：危岩；灾害；破坏模式；稳定验算；治理方案中图分类号：文献标志码：引 言危岩灾害的发育与形成是诸多致灾因子共同作用的结果，目前国内外已经积累了较多治理技术，如锚固、支撑、清除、拦截和注浆加固等 但大多仅针对某单一灾害因素采取单一防治措施，单纯地采取加固、拦截或清理等治理技术，缺乏系统思维，既不经济也不合理 鉴于危岩灾害是诸多致灾因素的共同作用，因此要有效防治危岩灾害，必须采取统合治理技术，即依据具体工程实际，采用多种工程技术，预防与治理相结合，多方协调，综合治理 工程概况内江市市中区朝阳危岩地处内江市市中区朝阳镇张家场社区正东街道，地理坐标东经 ，北纬 ，距离内江市市中心约 公里，县道内荣路西南侧，朝阳镇卫生院与场镇居住点后方综合利用槽探及地面调绘等方法手段，经过野外调查与室内综合分析，系统地查明了区内危岩的规模和性质）区内地质灾害的类型有危岩，危岩危害对象分级为级）区内有危岩体共 处，危石 处，发育于侏罗系中统沙溪庙组砂岩层中，危岩体积 ，危石体积 危岩呈坠落式、倾倒式和滑移式破坏模式等 经分析，朝阳危岩在不同工况下所处的状态见表表 朝阳危岩安全性分析结果工况稳定状态天然稳定自重 暴雨稳定或欠稳定自重 地震欠稳定或不稳定 地质灾害体特征.危岩规模与空间分布朝阳危岩位于内江市市中区朝阳镇张家场社区正东街道南侧陡坡上，朝阳危岩带平面呈“”形，呈北西南东向展布，由西向东和由南向北共分布 处危岩体（见图），危岩体主要分布在斜坡中上部和陡坡顶部，规模大小不等，体积.，总体积约 主要分布于陡崖段，仅 和 危岩分布于陡坎和陡坡上，高程在 ，形态有柱状和块状等（B）WY2 分布图（A）WY1 分布图（C）WY3 分布图（D）WY4 分布图图 朝阳危岩体的分布图.危岩形状分析根据陡坡的分布情况和危岩崩塌后所带来的危害程度和损失大小不同，把危岩带区分成 段，即东段和西段 西段：位于治理区西面，斜坡长 左右，宽（高），厚 ，坡向 局部分布陡崖，地形坡角下缓（）上陡（），陡崖高 ，横断面总体呈折线型 据槽探揭露，未见发育卸荷裂隙 据调查，发育 组裂隙，：，：，：，裂隙间距.，裂隙张开度.岩层倾斜方向与坡面倾斜方向接近垂直，所以不影响危岩体的稳定性 裂隙组合切割岩体，局部形成楔形体，因此斜坡整体现状下处于稳定状态（见图），局部发育危岩体列隙 1 5050列隙 2 31060列隙 3 15530边坡28970产状1451ESWN图 西段赤平投影图 该段共发育危岩体 处，即 和 危岩 危岩呈楔体状，长 ，宽.，厚，体积为 ，发育高程为 ，高差；危岩呈楔体状，长，宽.，厚 ，体积为，发育高程为 ，高差 东段：位于治理区东面，斜坡带总长 ，宽（高）左右，厚 ，坡向 地形分布以斜坡为主，以陡崖为辅 地形坡角下缓（）上陡（），陡崖高 ，横断面总体呈直线型 据槽探揭露，坡顶卸荷裂隙发育宽度.据调查，发育 组裂隙，：，：，裂隙间距.，裂隙张开度.裂隙组合切割岩体，局部形成楔形体，因此斜坡整体现状下处于稳定状态（见图），局部发育危岩体列隙 1 2659列隙 2 33085边坡4580产状1451ESWN图 东段赤平投影图 第 期 杨有莲，等：内江朝阳危岩灾害特征分析及其治理技术 该段共发育危岩体 处，即 和 危岩 危岩已被支顶治理；危岩长，宽 ，厚 ，体积 ，分布高程在 ，危岩的垂直落差 各危岩体变形破坏特征及稳定性评价见表 表 危岩体变形破坏特征及稳定性评价表危岩编号危岩顶标高危岩底标高顶宽 底宽 高 厚 体积 岩层产状斜坡倾向 危岩前缘倾角 斜坡结构类型崩塌方向 破坏方式 切向坡滑移 切向坡倾倒 切向坡坠落 切向坡滑移.危岩结构分析在具有分层结构的砂岩斜坡或斜坡上的朝阳区危险岩石，岩层倾向，倾角 ，危险岩体与斜坡或斜坡方向相交的倾向为大角度的切向斜坡滑动的主要方向实际上与斜坡或斜坡的方向相同 朝阳区危岩体为侏罗系，因主要由中细粒、长石和石英砂岩组成，具有直接影响岩体结构生长的稳定性治理区内共发育 组优势裂隙结构面，裂隙倾角 以上，组裂隙岩体优势结构面产状特征分别为：第 组结构裂隙倾向 ，倾角 ，裂隙局部地带倾向反倾，裂隙面多较平直粗糙，一般呈张开状，张开度 ，间距.；第 组结构裂隙倾向多在，倾角，裂隙面多较平直粗糙，一般呈张开状，张开度 ，间距.危岩运动特征.危岩崩落运动水平速度计算治理区危岩崩落在单坡运动的过程中，沿斜坡的方向向下运动，会因为斜坡上树木和坡状态的变化，产生跳跃运动 往往先短距离跳跃，到达缓坡地带，又变为滑动或滚动，少量大石块因运动速度快，可能下崩，形成危害场区危岩崩落运动水平速度除了受岩体坡度和高度影响，还受岩体大小、形状、斜坡形状、植被和覆盖层厚度的影响 因此，可采用最上部坡段的坡脚初始速度来计算危岩崩落运动水平速度 （）式中，；为石块坠落高度（根据图，危岩最大高度达 ）；为重力加速度，；为山坡坡度，取；为阻力特征系数，取.；为速度系数.H图 单一坡度的山坡示意图 剩余任意坡段 末端的速度为，（）（）（）（）（）式中，为相应坡段的坡度，；为相邻的前一坡段的坡度，；当 ，假定 ，即上部坡度较缓，下部坡度较陡，岩体可能成为自由落体，不会发生阻滞作用.危块腾越计算危石的运行路径计算公式为，（）（）（）式中，为危石落至 点时的切线方向速度，；为危石切向速度 的方向与竖直线的夹角，；当.时，危石的运动路径偏离坡体表面的水平方向和竖直方向的距离最大，并根据以下公式进行计算成都大学学报（自然科学版）第 卷（）（）（）（）（）（）根据图 和图 计算，最大速度.，.，危岩落石最大水平偏离距离.，垂直落距 .石块弹跳计算石块撞击平台后的运动轨迹图如图 和图 所示坡面线运动轨迹V0图 石块运动轨迹曲线图VjyV0yx图 石块撞击平台后的运动轨迹图 由图 可知，当石块撞击平台后其运动轨迹方程为，（）式中，为反射角，（）；为反射速度，（）；为恢复系数，松散的坡积层和堆积层恢复系数取.；为瞬间摩擦系数，其为瞬间作用，损失量为.，故系数为.；为入射角，；为石块撞击山坡某点距平台的高度；为重力加速度；为石块撞击平台时的速度，；为石块撞击山坡某点跃起时的速度石块第一次弹跳的最远距离 为，（）石块第一次弹跳的最大高度 及相应的水平距离 为，（）（）.落石能量计算危岩最大落石体积为 ，位置在最大落石高度，此处落石运动初速度为，考虑安全因素按坡脚落石的运动速度.计算落石在坡面上的运动过程非常复杂，可以看作是平面运动和旋转运动的复合运动，所以落石的运动过程包括 部分，一是由平面运动所产生平面运动的动能，二是由旋转运动产生旋转动能，落石总动能 为这二者之和，即 根据经验，旋转动能 约为平面运动动能 的.倍，即.，故，.（）式中，；为崩落块石质量，；为块石撞击被动防护时的速度，.根据石块运动速度计算有，.，计算得 .，.，.按块石体积为 进行计算，石块能量为.危岩体变形破坏模式分析结合朝阳区危岩体基座、前端临空面特征和后端裂隙发育情况，以及地质构造和外动力等 可以发现朝阳区危岩体破坏以倾倒式为主（处），滑移式（处）和坠落式（处）为辅 坠落式一旦裂缝完全发育，裂缝就会切开整个危岩体，使其与母岩分离，危岩体因重力而突然脱离不稳定的母岩，从而发生崩塌 经过调研发现危险岩体，即危岩体，很可能发生坠落式滑坡，已被暂时处理，目前处于安全状态 滑移式当附在母岩上的危岩体以一定角度与裂隙口（卸荷裂隙口）接触，并且自重和地面水渗入作用把 第 期 杨有莲，等：内江朝阳危岩灾害特征分析及其治理技术裂隙固定部分逐渐连通，发生剪切破坏，呈渐变特点，临空特点决定危岩体的破坏程度 区内 和 危岩即是滑移式破坏 倾倒式倾倒式破坏的形成机制是岩体在不稳定时绕根部一点发生旋转，当重心偏离斜坡时，岩体便会骤然坍塌 在强烈振动或者长期暴雨作用下，欠稳定岩体容易产生失稳倒塌 经此次调查区内可能产生倾倒式崩塌的危岩体 处，即 危岩 危岩的稳定性验算根据危岩结构特征和形态特征，结合、和 危岩崩塌分析结果，危岩稳定性验算工况考虑的荷载主要为天然自重荷载、饱和自重荷载及地震荷载 类 设计计算工况划分为工况（自重）、工况（自重 暴雨）和工况（自重 地震）种综合考虑，确定工况 和工况为设计工况，工况为校核工况，设计抗滑安全系数.计算参数本次计算参数直接采用勘查报告中提供的相关参数，土层参数为 ，基底摩擦系数取.砂岩天然密度取.，值取 ，值取.；饱和密度取.，值取，值取.，承载力特征值取 ；基底摩擦系数取.；锚杆锚固长度按照危岩卸荷裂隙及边坡理论破裂角进行控制，边坡破裂角取 具体参数见表 表 边坡岩土体设计计算参数建议值岩性岩体密度抗拉强度天然（）饱和（）天然 饱和 岩体弹性模量岩石与锚固体粘结强度特征 基底摩擦系数 边坡岩体等效内摩擦角 中风化砂岩.采用公式 滑移式）后缘无陡峭裂隙时，安全系数计算公式为，（）（）后缘无陡峭裂隙时，危岩滑动稳定计算示意图如图 所示VhwWsin Wcos 图 后缘无陡峭裂隙时危岩滑动稳定计算示意图 ）后缘有陡峭裂隙时，安全系数计算公式为，（）（）式中，为危岩自身的重量和地面外荷载之和，；为后缘处单位宽度裂缝面上的总孔隙水压力值，；为整个破裂面上总的水压力值，；为水的天然重度，计算时可取 ；为后缘裂缝的充水高度，取裂缝深度的；为潜在的滑动面沿滑动方向的倾角；、分别为滑面粘聚力，和内摩擦角，；为滑面长度后缘有陡峭裂隙时危岩滑动稳定计算示意图如图 所示Wsin Wcos 危岩后缘后缘裂隙地下水位静水压力 Vhw软弱结构面扬压力 U危岩前缘图 后缘有陡峭裂隙时危岩滑动稳定计算示意图 坠落式）对于后缘有陡峭裂缝的危险飞越岩石，安全系数按以下公式计算，取计算结果的较小值 ()（）成都大学学报（自然科学版）第 卷（）（）式中，为危岩体的抵抗弯曲力矩计算系数，根据可能的裂缝面形状进行取值，通常取 ，当可能的裂缝面为矩形时，可以取；为危岩体的自身重力形心至可能破裂面的水平方向的距离，；其余符号意义同前）对于后缘无陡倾裂隙的悬挑式危岩，安全系数按以下公式计算，取计算结果的较小值（）（）式中，为危岩体的后缘处可能的破裂面高度，；其余符号意义同前 倾倒式 ）由顶部岩体抗拉强度控制，危岩体的自身重力的形心位于倾覆点的外侧时，采用以下公式计算安全系数 ()|()|（）由顶部岩体抗拉强度控制，危岩体的自身重力的形心位于倾覆点的内侧时，采用以下公式计算安全系数 ()|()|（）式中，为后端缘处裂缝的深度，；为后端缘处裂缝的充水高度，；为后端缘处裂缝顶端部与尚未贯穿段底端部的竖直距离，；为危岩体的自身重力的形心与倾覆点的水平距离，；为后端缘处裂缝的尚未贯穿段下端与倾覆点之间的水平距离，；为危岩体的自身重力的形心与倾覆点的垂直距离，；为危岩体的抵抗拉伸的强度标准值，根据岩石抗拉强度标准值乘以.的折减系数；为危岩体和底座之间的接触所形成的夹角，当向外倾斜时，取正值，当向内倾斜时，取负值；为后缘处的裂缝的倾斜角，；其余符号意义同前由后缘顶部岩体抗拉强度控制时的示意图如图 所示bHhVhwavh0图 后缘岩土体抗拉强度控制时危岩稳定计算示意图 ）由底端部岩体抗拉伸强度控制时，按下式进行计算|（）式中，符号意义同前 由底部岩体抗拉伸强度控制时危岩稳定计算示意图如图 所示bVhwavh0图 底部岩体抗拉伸强度控制时危岩稳定计算示意图 稳定性评价标准稳定系数 的风险评估标准见表 结果表明，从定性和定量 个方面对危岩体进行评价，二者的评价结果基本吻合 即处理区域内所分布的不稳定岩石在自然状态下是稳定的，在自重 暴雨状态下处于稳定或欠稳定状态，在自重 地震力作用下处于欠稳定或不稳定状态，定量分析的结论与定性分析的结论基本统一 稳定性计算结果危石主要指崩落堆积于陡坡上的大块石，并且在地震和降雨的影响下发生滚动，对陡峭山坡下的居民及周围环境的建筑物可能产生威胁的大块石 第 期 杨有莲，等：内江朝阳危岩灾害特征分析及其治理技术表 稳定系数 的危岩稳定性评价标准状态危岩类型不稳定欠稳定基本稳定稳定滑塌式.倾倒式.本次调查的 处危岩，总体积 危岩体稳定性评价结果详见表 表 表 危岩稳定验算成果统计表编号工 况危岩高度 厚度 重度（）重量 （）地震水平作用系数裂隙深度 裂隙充水高度 孔隙水压力 后缘裂隙倾角 天然自重状态.自重 暴雨.自重 地震.天然自重状态.自重 暴雨.自重 地震.天然自重状态.自重 暴雨.自重 地震.表 危岩稳定验算成果统计表编号工 况重心到倾覆点（破坏面）水平距离 重心到倾覆点的垂直距离 后缘未贯通点至倾覆点水平距离 结构面抗剪强度 岩体抗剪强度 岩体内聚力 岩体内摩擦角 天然自重状态.自重 暴雨.自重 地震.天然自重状态.自重 暴雨.自重 地震.天然自重状态.自重 暴雨.自重 地震.表 危岩稳定验算成果统计表编号工 况抗力力矩 动力力矩 抗滑力 下滑力 稳定系数破坏模式稳定性评价天然自重状态.滑移式稳定自重 暴雨.滑移式欠稳定自重 地震.滑移式欠稳定天然自重状态倾倒式稳定自重 暴雨.倾倒式欠稳定自重 地震.倾倒式不稳定天然自重状态 .滑移式稳定自重 暴雨 .滑移式欠稳定自重 地震 .滑移式欠稳定成都大学学报（自然科学版）第 卷 危岩 已进行支撑加固，根据现场调查，支撑加固后上部岩体未再发生变形和坠落，支撑柱完好，无变形迹象，支撑柱放置于基岩上，基础现状下未发生变形 因此，在支撑加固后已处于稳定状态在已经形成破坏性结构面的不稳危险岩体的情况下，发生破裂坍塌的可能性很高；在基本形成破坏性结构面的欠稳危险岩体的情况下，如有外部动力因素的影响，如暴雨和地震力等，可能产生失稳塌方；在破坏结构性结构面还没有全部形成的情况，但在降水等多种因素的影响下，将逐渐形成破坏性结构面，短时间内不会产生明显的塌陷 治理方案比较分析及优化.治理方案比较分析针对朝阳危岩地质灾害的基本特征和预测分析，可行性研究报告针对灾害体提出的 种治理方案进行了对比，如下：方案：人工清除危石 格构锚杆 锚喷 镶补勾缝 封闭裂隙；方案：人工清除危岩、危石 格构锚杆 锚喷 镶补勾缝 封闭裂隙从技术、工期及投资 个方面比较：方案 技术可行性优于方案；方案 工期条件优于方案；方案 投资优于方案 因此，推荐方案 方案优化原初设方案 和 危岩以锚喷为主，结合镶补勾缝，底部凹腔已采用 支撑柱支撑，应加强支撑柱的变形及 位移监测，以格构锚杆为主，结合锚喷和镶补勾缝，此外 顶部的卸荷裂隙用 砂浆封闭本次设计对方案 进行了优化和细化 对 和 危岩采用锚喷治理优化为锚杆锚固；危岩治理后效果较好，但在雨季危岩下水沟排水不畅，淹没危岩下居民，为此对 危岩进一步采用砼柱支撑，并加深加宽排水沟；危岩高陡，坡度呈，局部呈倒坡状，不具备实施喷锚和格构施工条件，原来对 危岩仅进行了简单凹腔填补，砌体在危岩体作用下略有臌胀，因此对 危岩上进行锚杆锚固，危岩下砌体进行人工注浆 防治工程具体布置 危岩体：锚杆锚固 砂浆填缝 采用 根 普通水泥砂浆锚杆加固危岩体 排，每排 根，锚杆纵向间距 ，横向间距 ，下倾角，注 水泥砂浆 单根锚杆长.，锚固段长 ，共计 采用 水泥砂浆封填裂缝，自上而下人工自流注浆，数量据实而计 危岩体：锚杆锚固 砂浆填缝 采用 根 普通水泥砂浆锚杆加固危岩体 排，每排 根，锚杆纵向间距 ，横向间距 ，下倾角，注 水泥砂浆 单根锚杆长.，锚固段长 ，共计 采用 水泥砂浆封填裂缝，自上而下人工自流注浆，数量据实而计 危岩体：砼柱加强支撑 扩建排水沟 对 危岩进行进一步砼柱加强支撑，本设计采用 钢筋混凝土砼柱支撑，砼柱内配 钢筋 根，砼柱截面 砼柱地基以中风化基岩为持力层，并嵌入中风化基岩.，设计地基承载力 在原有排水沟基础上加深加宽，加深为 ，加宽为上 ，下为 ，圬工厚.截排水沟采用.浆砌块石砌筑，表面勾缝，截水沟每 设 宽伸缩缝，沿着内表面和上表面用沥青大麻填充接缝，填塞深度为 危岩体：锚杆锚固 砂浆填缝 砌体注浆 采用 根 普通水泥砂浆锚杆加固危岩体 排，每排 根，锚杆纵向间距 ，横向间距，下倾角，注 水泥砂浆 单根锚杆长 ，锚固段长 ，共计 采用 水泥砂浆封填裂缝，自上而下人工自流注浆，数量据实而计 危岩底部岩腔砌体采用 砂浆注浆，砂浆自上而下人工自流注浆，待砂浆凝固收缩后，进行多次注浆，加强支顶砌体强度 工程实施效果评价总体而言，在工程建设期内，工程治理施工对当地人的生活、劳作造成了一定的不良影响，但是该工程建设目的旨在保护灾居范围内居民的生命和财产，以及增加城市的美感，促进地方区域经济的发展，并对水土起到保护作用 可见，就工程所带来的 第 期 杨有莲，等：内江朝阳危岩灾害特征分析及其治理技术环境负面而言，利远大于弊）经济效益 危岩防治工程投资为约.万元，可有效减轻危岩下部朝阳镇张家场社区正东街道居民及周边居民所受威胁，可为地方经济发展创造良好的环境，为地方带来良好的经济效益，因此，朝阳危岩防治工程的经济效益将是非常明显的）社会效益 朝阳危岩多次发生变形和崩落，对坡下居民造成了一定威胁 通过对危岩锚固，能有效保护灾害治理区域内居民的生命和财产安全，有效避免危险岩层的威胁 将对当地居民的安家乐业发挥积极作用，由此产生的社会效益将十分显著参考文献：熊超 赵鹏 武超，等 三峡库区岩溶景区危岩破坏模式及稳定性 以重庆天生三桥深秀洞陡崖危岩为例 科学技术与工程，（）：孙彩婷 三峡库区危岩稳定性计算方法研究 成都：西南交通大学，邓俊晔 边坡极限平衡有限元稳定分析的 算法的理论及应用 南京：河海大学，周黛君 公路危岩边坡稳定性数值模拟分析及治理方法研究 重庆：重庆交通大学，王波，郭洪，朱术云 四川省巴中地区某危岩体特征及稳定性分析 地质灾害与环境保护，（）：李雪峰，李红 一般路基边坡的病害形式及预防措施 黑龙江交通科技，（）：熊高，罗群 重庆市某危岩的稳定性评价与治理 中国水运，（）：于若龙 丹巴县双拥路后山危岩体稳定性分析及其失稳运动特征研究 成都：成都理工大学，周成彬 重庆市巴南区一陈路段危岩体稳定性分析及其失稳运动特征研究 成都：成都理工大学，（实习编辑：姚运秀），（，；，）：，：；成都大学学报（自然科学版）第 卷