趙忠海

(北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局,北京 100195)

G109國道門頭溝區(qū)段沿線不良邊坡的變形破壞特征及成因分析

趙忠海

(北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局,北京 100195)

山區(qū)公路多具有邊坡數(shù)量眾多、地質(zhì)條件復(fù)雜、地質(zhì)災(zāi)害隱患發(fā)育且突發(fā)性強(qiáng)等特點(diǎn),故由地質(zhì)災(zāi)害所導(dǎo)致的危害和損失比較嚴(yán)重,由地質(zhì)災(zāi)害隱患所構(gòu)成的潛在威脅十分巨大。在門頭溝區(qū)主干公路崩塌災(zāi)害隱患勘查工作基礎(chǔ)上,對G109國道門頭溝區(qū)段沿線的不良邊坡的變形破壞特征進(jìn)行初步研究,并對其成因進(jìn)行分析與探討。

G109國道;不良邊坡;變形破壞特征;成因分析

G109國道是由東向西橫穿門頭溝區(qū)而過的一條國家級公路,它途經(jīng)門頭溝區(qū)的龍泉、軍莊、妙峰山、王平、雁翅、齋堂和清水,最后在小龍門林場以西的大埡口進(jìn)入河北省,在門頭溝區(qū)內(nèi)的總里程約為96 km,絕大部分屬于山區(qū)公路。由于修建時(shí)開挖和削坡嚴(yán)重,沿途留下了許多人工邊坡。加之途經(jīng)區(qū)的地形地貌復(fù)雜多變,地層巖性剛?cè)醪痪?地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜,故地質(zhì)災(zāi)害較為發(fā)育,特別是崩塌災(zāi)害隱患比較嚴(yán)重(圖1)。本文在門頭溝區(qū)主干公路崩塌災(zāi)害隱患勘查工作基礎(chǔ)上,對G109國道門頭溝區(qū)段沿線的不良邊坡的變形破壞特征進(jìn)行了初步研究,并對其成因進(jìn)行了分析和探討。

1 公路沿線的地質(zhì)環(huán)境背景

1.1 地形地貌

門頭溝區(qū)地處太行山北端與華北平原西北隅的交匯部位,主要以中山、低山、丘陵及山前沖積平原為主,總體地勢表現(xiàn)為西北高、東南低。G109國道由東向西穿門頭溝區(qū)中部而過,沿線的地形地貌以低山、丘陵為主,僅在西段雙塘澗—大埡口之間為中山區(qū)。

1.2 區(qū)域地質(zhì)

公路沿線出露的主要地層有薊縣系、青白口系、寒武系、奧陶系、石炭系—二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系以及第四系等,巖性主要為白云巖、灰?guī)r、礫巖、頁巖、粉砂巖以及山前殘坡積物,此外還有少量巖漿巖、脈巖及火山熔巖。沿途地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜,主要有廟安嶺—髫髻山向斜及九龍山—香峪向斜等褶皺構(gòu)造以及沿河城斷裂、梁家莊斷裂、齋堂—軍響斷裂及永定河斷裂等斷裂構(gòu)造,巖石比較破碎,節(jié)理裂隙等十分發(fā)育。

1.3 水文地質(zhì)

公路沿線的地下水含水層主要有碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組、碳酸鹽巖—碎屑巖裂隙含水巖組以及碎屑巖裂隙含水巖組,其中碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組的富水性較好,單井出水量500～2 000 m3/d;碎屑巖裂隙含水巖組和碳酸鹽巖—碎屑巖裂隙含水巖組的富水性較差,一般單井涌水量50～500 m3/d。地下水的化學(xué)類型一般為HCO3—Ca·Mg型水,水位埋深30～150 m不等。地下水的補(bǔ)給方式以大氣降水滲入為主,排泄方式主要是自然蒸發(fā)、地下逕流及人工開采。

1.4 工程地質(zhì)

公路沿線的工程巖土體類型大致可分為三類,分別為松散巖類、軟弱巖類和半堅(jiān)硬—堅(jiān)硬巖類。其中,半堅(jiān)硬—堅(jiān)硬巖類主要為白云巖、灰?guī)r、砂巖以及巖漿巖等,巖石質(zhì)地堅(jiān)硬,抗壓強(qiáng)度較大;軟弱巖類主要為細(xì)砂巖、粉砂巖以及頁巖等,巖石軟硬相間,風(fēng)化較為嚴(yán)重,抗壓強(qiáng)度較低;松散巖類主要為第四系殘坡積物,工程地質(zhì)條件較差。

1.5 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育概況

公路沿線的地質(zhì)災(zāi)害主要為崩塌災(zāi)害。據(jù)門頭溝區(qū)國土分局不完全統(tǒng)計(jì),僅在2006—2010年的5年間,G109國道門頭溝區(qū)段沿線共發(fā)生規(guī)模不等的崩塌災(zāi)害60余次。本次工作發(fā)現(xiàn)和確定的崩塌災(zāi)害隱患點(diǎn)共達(dá)191處,其中包括危害性比較大的不良邊坡變形破壞隱患點(diǎn)70余處[1](圖1)。

圖1 G109國道沿線地質(zhì)略圖

Fig.1 Schematic geological map along the national road G109

1.第四系;2.奧陶系;3.花崗斑巖;4.白堊系;5.寒武系;6.輝綠巖;7.侏羅系;8.青白口系;9.角度不整合;10.三疊系;11.薊縣系;12.斷層;13.二疊系;14.長城系;15.地質(zhì)界線;16.石炭—二疊系;17.石英二長巖;18.邊坡變形破壞隱患點(diǎn)。

2 公路沿線不良邊坡的變形破壞特征及成因分析

通常所說的邊坡,指的是在建(構(gòu))筑物或其周邊由于建(構(gòu))筑物和市政工程開挖或填筑施工所形成的人工邊坡和對建(構(gòu))筑物安全或穩(wěn)定有影響的自然邊坡[2]。本文所說的不良邊坡,指的是那些發(fā)生變形破壞的可能性極大且一旦發(fā)生將會(huì)造成很大危害的邊坡。

2.1 不良邊坡的分布狀況

G109國道門頭溝區(qū)段沿線的不良地質(zhì)邊坡主要分布于軍莊—雁翅、齋堂—清水路段以及靈山風(fēng)景區(qū)內(nèi)。多為巖質(zhì)邊坡,坡高15～55 m,坡度15°～85°,主要分布在寒武系和奧陶系的灰?guī)r、侏羅系的粉砂巖和火山巖以及風(fēng)化較嚴(yán)重的巖漿巖地區(qū)。

2.2 不良邊坡的變形破壞特征

巖體邊坡的變形與破壞是邊坡發(fā)展演化過程中兩個(gè)不同的階段,變形屬量變階段,破壞則是質(zhì)變階段,二者形成一個(gè)累進(jìn)性變形破壞過程。巖質(zhì)邊坡在發(fā)生破壞前,通常都需要經(jīng)歷一個(gè)“卸荷回彈”及“蠕變變形”的階段,當(dāng)這種變形積累到一定程度,邊坡內(nèi)的應(yīng)力超過了巖體的長期強(qiáng)度時(shí),就會(huì)導(dǎo)致坡體發(fā)生崩塌、滑塌及傾倒等破壞,形成地質(zhì)災(zāi)害。

根據(jù)坡體已發(fā)生的破壞情況或呈現(xiàn)出的變形趨勢來看,G109國道門頭溝區(qū)段沿線不良邊坡的破壞類型主要有崩塌、坍塌、滑塌、傾倒、錯(cuò)落以及落石等(圖2)。其中,崩塌是指陡坡上巨大的巖塊在重力和其他外力作用下,突然向下崩落的現(xiàn)象;坍塌是指由殘坡積層或風(fēng)化碎裂巖組成的順向?qū)用嫫?因土石孔隙中水的作用、雨水沖刷作用以及坡腳切坡等人類工程活動(dòng)造成坡度陡于巖土體自穩(wěn)強(qiáng)度所能保持的坡度,從而所導(dǎo)致的逐層塌落的變形破壞現(xiàn)象;滑塌是指高陡順向坡上的巖土體,在重力和其他外力作用下,沿土巖界面或坡體內(nèi)新形成的滑面整體向下滑移的現(xiàn)象;傾倒是指直立或被垂直裂隙切割的巖塊由于卸荷回彈和其他外力作用,繞其底部某點(diǎn)向臨空方向傾倒的現(xiàn)象;錯(cuò)落是指被直立巖層或構(gòu)造裂隙等結(jié)構(gòu)面與后部完整巖體分開的碎裂、散裂巖體,因坡腳受沖刷、人工開挖或震動(dòng)影響,下伏軟弱層不足以承受上部巖體壓力而被壓縮,從而所引起的坡體垂直下錯(cuò)的變形破壞現(xiàn)象;落石是指碎裂巖塊受外力作用影響而逐漸松動(dòng)、墜落的現(xiàn)象?？偟膩砜?G109公路門頭溝區(qū)段沿線不良邊坡的破壞類型以崩塌、傾倒、錯(cuò)落及落石為主,坍塌和滑塌類型并不多見。

圖2 G109國道門頭溝區(qū)段沿線不良邊坡的破壞類型

Fig.2 Destruction type of adverse slope along the national road G109

2.3 不良邊坡的穩(wěn)定性評判

本次工作對不良邊坡的穩(wěn)定性評判主要采取了地質(zhì)分析法和幾何圖解法,均為定性評判方法。其中地質(zhì)分析法主要是根據(jù)邊坡的地貌形態(tài)、地質(zhì)條件和邊坡變形破壞的基本規(guī)律,去追溯邊坡演變的全過程,預(yù)測邊坡穩(wěn)定性發(fā)展的總趨勢及邊坡變形破壞的方式,從而對邊坡的穩(wěn)定性作定性的評價(jià);幾何圖解法主要是通過分析坡面與那些對邊坡上可能不穩(wěn)定的楔形體的形態(tài)、規(guī)模及分布起控制作用的結(jié)構(gòu)面(如節(jié)理、裂隙、層理等)之間的空間關(guān)系,來判斷邊坡的穩(wěn)定性。圖3是小龍門林場西北一處巖質(zhì)邊坡(圖2-⑤)的赤平投影圖,該邊坡的巖性為花崗巖,發(fā)育有兩組節(jié)理,通過赤平投影圖解分析,發(fā)現(xiàn)兩組節(jié)理的交點(diǎn)M與坡面投影弧在同一側(cè),M點(diǎn)位于坡面投影弧的外側(cè),說明結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與坡面傾向一致,但傾角小于開挖坡角,且結(jié)構(gòu)面交線在坡面上有出露。故判斷此邊坡為欠穩(wěn)定邊坡;又由于結(jié)構(gòu)面交線MO在兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的傾向線AO和BO之間,故判斷這兩個(gè)結(jié)構(gòu)面均為滑動(dòng)面?？紤]到不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體只是坡面上由兩組節(jié)理控制的楔形塊體,均質(zhì)邊坡整體失穩(wěn)的可能性不大,故判斷此邊坡的破壞類型為楔形體錯(cuò)落[3]。

圖3 小龍門林場西邊坡的赤平投影圖

Fig.3 Stereographic projection of west slope of Xiaolongmen forest farm

2.4 不良邊坡變形破壞的成因分析

導(dǎo)致和影響邊坡變形和破壞的因素很多,總體可分為內(nèi)在因素和外在因素兩個(gè)方面。其中,內(nèi)在因素主要包括巖土體性質(zhì)、巖土體結(jié)構(gòu)以及地質(zhì)構(gòu)造等,它對邊坡的穩(wěn)定性起控制作用;外在因素主要包括水的作用、巖石風(fēng)化、地震以及人類工程活動(dòng)等,它可以使巖土體的強(qiáng)度降低,抗滑力削弱,從而對邊坡變形破壞的發(fā)生和發(fā)展起到了促進(jìn)作用。

(1) 地層巖性是決定邊坡變形和破壞的物質(zhì)基礎(chǔ),其差異對邊坡變形和破壞影響很大。G109國道沿線的地層巖性有砂巖、灰?guī)r、白云巖、粉砂巖、頁巖、泥巖、凝灰?guī)r、巖漿巖以及火山熔巖等。如果不考慮巖土體結(jié)構(gòu)及地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)等因素的影響,總的看來,由粉砂巖、頁巖、泥巖以及凝灰?guī)r等薄層狀軟弱巖層組成的邊坡更容易發(fā)生變形破壞,特別是當(dāng)它們以互層方式出露的時(shí)候,邊坡的變形和破壞往往更加嚴(yán)重。而由中厚層狀砂巖、灰?guī)r以及白云巖等堅(jiān)硬巖層組成的邊坡則不易發(fā)生變形破壞。

(2) 巖體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征是影響邊坡變形和破壞的控制性因素。本次工作發(fā)現(xiàn),由那些節(jié)理、裂隙結(jié)構(gòu)比較發(fā)育的巖體所組成的邊坡,其變形破壞也比較強(qiáng)烈。如巖漿巖中的共軛節(jié)理比較發(fā)育,由其組成的邊坡常發(fā)生落石;火山熔巖中的柱狀節(jié)理比較發(fā)育,由其組成的邊坡常發(fā)生崩塌;此外,在一些中薄層狀的灰?guī)r和砂巖中,常發(fā)育一組與層面垂直的節(jié)理,加之這些巖石本身中的層理特別發(fā)育,故由其組成的邊坡常發(fā)生錯(cuò)落。

(3) 地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)以及巖石風(fēng)化作用對邊坡的變形和破壞起到了促進(jìn)作用。地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)以及巖石風(fēng)化作用會(huì)嚴(yán)重破壞巖石的完整性,使巖石的強(qiáng)度降低,抗滑力削弱,從而加速和加劇邊坡的變形破壞。圖4反映了構(gòu)造活動(dòng)與風(fēng)化作用對巖石完整性和邊坡穩(wěn)定性的影響。其中圖4-①是一經(jīng)過邊坡的斷層,它形成的破碎帶為滑塌災(zāi)害的形成提供了松散物源;圖4-②則是風(fēng)化作用形成的危巖體。它為崩塌和落石的產(chǎn)生提供了有利條件。

圖4 構(gòu)造活動(dòng)及風(fēng)化作用對邊坡穩(wěn)定性的影響

Fig.4 Effect of tectonic activity and weathering on slope stability

(4) 降雨和人類工程活動(dòng)是邊坡發(fā)生變形和破壞的最大誘因。降雨使巖土體軟化,質(zhì)量增大,還會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力和靜水壓力,從而使其抗剪強(qiáng)度降低,誘發(fā)和加劇邊坡的變形和破壞;人類工程活動(dòng)改變了坡體的天然形態(tài)、坡體結(jié)構(gòu)以及坡體內(nèi)的應(yīng)力分布特征,從而導(dǎo)致邊坡的變形破壞,并會(huì)對坡體變形和破壞的方式、類型產(chǎn)生較大影響。

除上述因素外,流水的沖刷、樹木的根劈、微震以及人類的耕種和采礦活動(dòng)等均會(huì)對邊坡變形破壞產(chǎn)生較大的影響。

3 結(jié)語

G109國道門頭溝區(qū)段沿線的不良邊坡規(guī)模較小、數(shù)量較多,分布較廣,危害較大,變形破壞的方式多樣,應(yīng)根據(jù)各邊坡不同的變形、破壞特征及影響、誘發(fā)因素,采取有針對性的防范和治理措施,以排除隱患,降低威脅,減少損失。

[1] 北京市地質(zhì)研究所.門頭溝區(qū)主干公路崩塌災(zāi)害隱患勘查報(bào)告[R].北京:北京市地質(zhì)研究所,2011:10-63

[2] 中華人民共和國建設(shè)部.建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范:GB 50330—2002[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002:1-18.

[3] 吳紹強(qiáng).極射赤平投影法在巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].西部探礦工程,2009(10):117-119.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

Deformation Characteristics and Cause Analysis on the Unstable Slope alongthe National Road G109 in Mentougou Section

ZHAO Zhonghai

(BeijingGeologyProspectingandDevelopingBureau,Beijing100195)

There are a lot of slope along the mountain road,they have complicated geological conditions,become many potential disasters that may happen suddenly.It is likely to cause serious harm and loss,constitute a huge potential threat.On the basis of the potential collapse disasters exploration along the trunk road in Mentougou county area,the paper discusses the potential collapse disasters along the national road G109 Mentougou section,preliminarily studies the deformation characteristics of the unstable slope,analyses the causes of the unstable slope deformation.

the national road G109; the unstable slope; deformation characteristics; cause analysis

2016-03-22;改回日期:2016-05-25

趙忠海(1970-),男,教授級高級工程師,環(huán)境工程專業(yè),從事區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘查、工程物探勘察以及地質(zhì)災(zāi)害評估、勘查、防治工作。E-mail:zhaozhonghai2011@126.com

U416.1+4

A

1671-1211(2017)01-0075-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.01.013

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161208.1017.004.html 數(shù)字出版日期:2016-12-08 10:17