北京市戒台寺滑坡稳定性评价及预警模型研究

陈国浒，王海芝，任凯珍

（北京市地质研究所，北京 100120）

北京市戒台寺滑坡稳定性评价及预警模型研究

陈国浒，王海芝，任凯珍

（北京市地质研究所，北京 100120）

在综合分析北京市戒台寺滑坡地质条件的基础上，对滑坡进行稳定性评价，建立了预警模型。

滑坡；稳定性评价；预警模型

戒台寺滑坡位于北京市门头沟区的马鞍山北麓，距京城35km，滑坡范围南起寺院内，北至石门沟底，东西界两侧为自然沟。

自2004年雨季以来，戒台寺院内地坪及部分殿堂的原有裂缝开始明显增大，108国道多处剪断下陷，最大下错台坎高达70cm；108国道的北坡体，产生了几道横切南北向山梁的裂缝；山梁的西侧洼地秋坡村发生地面沉陷、房屋开裂。2005年春融时地面变形突然加速，最大位移量达6mm/日，千年古刹岌岌可危[1~4]。

为了遏制滑坡变形加大，中铁西北科学研究院牵头于2005年对戒台寺滑坡进行了治理，到2009年戒台寺寺院内变形得到了有效控制，滑坡基本处于稳定；但其滑坡前缘仍存在多处安全隐患，画家院子内地面仍有拉张变形。另外，秋坡村、石门沟等区域因不在治理范围内，存在危险，需进一步治理。

本文分析了北京市戒台寺滑坡工程地质条件，计算了戒台寺滑坡在不同工况条件下的稳定性系数，建立了气象预警模型，对模型进行了检验，取得了较好的结果。

1 戒台寺滑坡形成的地形地质条件和人为因素

戒台寺滑坡处于近南北山梁，属低山剥蚀地貌单元。

戒台寺周围区域历经多期构造运动作用，地质构造以近东西向（或北东东）向和北北东向（或近南北向）为主，北东向和北西西向构造次之。因多期构造作用，戒台寺地段被割裂呈现多块状，为发生滑坡等地质灾害提供了基础。

戒台寺滑坡体岩层主要为C2 - C3 煤系地层，岩层软硬相间。软弱层强度低，常沿软弱面发生滑动变形。

戒台寺滑坡体之地形多以缓坡和多级平台组成，雨季大量汇水和戒台寺内生活用水入渗，是诱发滑坡的主要因素。

近些年来，采矿规模扩大，对山体的扰动进一步加剧。马鞍山南侧首钢、永昌、石龙、育德采石场的大药量爆破，其强度相当于强地震，在采石场爆破的频繁作用下，坡体内的构造结构面扩展张开，降低了软弱岩层的强度。另外，开山筑路、垒坝造田等工程也是诱发或加剧滑坡的因素。

2 滑坡稳定性计算与评价

本文采用理正岩质边坡稳定性分析软件计算戒台寺滑坡的稳定性系数,并对戒台寺滑坡宏观控制，进行定性和定量的评价。

2.1计算剖面选取

根据戒台寺滑坡的变形状态和勘察资料，认为该滑坡具多级、多块的特征。滑坡主剖面的滑面呈折线形，选取具有代表性的主滑面滑坡稳定性计算，进行定量评价（图1）。

2.2计算工况及参数选取

（1）计算工况选取

本次选取了以下5种工况条件，评价戒台寺滑坡的稳定性。

图1 戒台寺滑坡主滑剖面示意图

工况一：天然状态，即戒台寺滑坡发生前的状态。

工况二：天然状态+采矿爆破。戒台寺寺院后山采矿爆破震动会对戒台寺滑坡产生影响，设定爆破所产生的影响等同于Ⅵ规模的地震烈度，其基本地震加速度为0.05g。

工况三：天然状态+暴雨。戒台寺滑坡岩土体呈饱水状态。

工况四：天然状态+采矿爆破+暴雨。采矿爆破同时受暴雨影响（岩土体饱水）。

工况五：天然状态+地震。据既有的资料分析和现场调查，按《建筑抗震设计规范》GB50011-2001划分，戒台寺周边抗震设防烈度为Ⅷ度，设计基本地震加速度值为0.20g。

（2）物理力学参数取值

戒台寺滑坡的各项物理力学参数指标的确定，主要根据戒台寺滑坡的地质环境条件、滑坡性质、环境变化，同时参考岩土试验指标、类似工程实例的相关经验指标，综合确定选取的力学参数值列入表1。

表1 不同工况条件下滑坡体各物理力学参数取值

稳定性系数在1.05以下的说明滑坡处于不稳定状态。从计算结果来看，工况三、工况四、工况五情况下滑坡均易发生失稳破坏。戒台寺滑坡2004年在一场大暴雨中发生失稳变形，计算结果与实际情况比较符合。

2.3计算结果

本文采用理正岩质边坡稳定性分析软件计算戒台寺滑坡的稳定性系数，计算结果如表2。

表2 不同工况条件下滑坡安全系数

稳定性系数在1.05以下的说明滑坡处于不稳定状态。从计算结果来看，工况三、工况四、工况五情况下滑坡均易发生失稳破坏。戒台寺滑坡2004年在一场大暴雨中发生失稳变形，计算结果与实际情况比较符合。

3 戒台寺滑坡预警模型研究

国内外针对单点滑坡灾害的预警研究大体分为两种类型：一类是以滑坡灾害位移监测数据为基础，结合室内模型实验进行预警预报研究；另一类是基于大气降水观测，研究降水量、降水强度和降水过程与滑坡灾害的空间分布、时间上的对应关系，建立滑坡灾害时空分布与降水过程的统计关系，进行预报预警。以上两种研究途径各有侧重，前者强调滑坡灾害位移机理研究，后者强调滑坡灾害受外界触发因素影响的统计学研究。本文主要通过调查及分析戒台寺滑坡的基础资料，从气象角度对地区滑坡灾害的成因进行分析，选取影响因子，建立了戒台寺滑坡预警模型。

（1）预警模型建立与计算

我们将戒台寺滑坡进行简化，将每个滑体分别视为简单的斜面刚体下滑的力学模型[13~15]（如图2所示）。下滑符合牛顿力学平衡原理，沿滑面垂直方向的移动几乎可以忽略，滑动过程视为平衡；滑坡体的下滑主要是由于沿滑面方向的受力失衡所致。当滑坡尚未发生移动时，沿滑面垂直方向和沿滑面方向均处于受力平衡状态。当降水发生时，一方面滑坡体渗透吸收一部分水分，使得滑坡体质量增加，重力G增加，重力分量G1同时增加；另一方面，从滑坡裂缝灌入的降水使得滑坡体的抗剪强度减小，滑坡体与滑面的摩察系数减小，从而使ΣF减小，最终，使Gl-ΣF>0，滑坡体下滑造成滑坡。

图2 戒台寺滑坡简化力学模型

根据这个力学模型，我们建立如下滑坡预警数学模型[15]：

式中：

H 滑坡危险度；

Ir 代表降水诱发因子。Ip为预报日前连续累积降水等级，If为预报的降水等级，表达为降水级别得分。

D 代表地质因素因子引起的潜势度(固有危险度)。表达为已知的不同地质地貌因子分级权重综合得分。

Yi 影响戒台寺滑坡的地质地貌因子；yi：地质地貌因子权重。

在量斜坡的潜势度（固有危险度）时，选取了5个因子：方量(规模)、坡长、坡度、植被覆盖度、岩土结构。以这5个因子为基础构建了固有危险度量化标准[13~15]。影响斜坡固有危险度的各项因子(Yi)的严重程度分为4级，分别赋分如下，不严重：0分；轻微：2分；中等：4分；严重：8分。利用量化评分标准，根据戒台寺地区实地调查和前期资料得到各个滑体的固有危险度（D）得分。

产生滑坡的降水诱发因子(Ir)分为前期降水(Ip)和预报降水(If)，也为四级严重程度[13~15]。前期降水一般规定为10之内，连续降水5d以上，且以连阴雨为主，且过程降水量≥10.0mm。由于前期降水受蒸发、汇流等因素的影响，不能等同于当日降水，故对二降水因子的严重程度分别赋分。前期降水(Ip)赋分为：不严重：0分；轻微：1分；中等：2分；严重：4分。前期降水量的分级依据雨量监测站的监测情况进行赋值，严重程度参考相关研究成果。未来预报降水(If)赋分为：不严重：0分；轻微：2分；中等：4分；严重：8分。严重程度则依据预报雨量进行赋值。

算出各点的固有危险度（D）之后，加入降水诱因Ir（Ip+ If），根据公式H=Ir·D可以算出各点的危险度H，并以此构建出预警模型。各因子的权重及其分值及预警值的确定以前期滑坡资料和历史滑坡发生情况并结合有关研究成果给出[5~7]，具体设置如表3～5。根据表4可将前期降水(Ip)和未来预报降水(If)结合因子(Ir)分为11级，最高l2分，最低为0分。

表3 滑坡固有危险度量化评分标准

表4 降水分级

表5 预警阈值

根据戒台寺滑坡的调查和相关资料收集，确定戒台寺滑坡的各个固有危险度因子参数值及赋值得分如下表6、表7所示。

表6 戒台寺滑坡的危险度参数

表7 据量化评分标准戒台寺滑坡固有危险度赋值得分

根据表3给出的各个危险度因子权重系数计算得到戒台寺固有危险度为：D=8 5+8 3+0 3+0 4+4 5=84。

由此根据Ir等级来计算戒台寺滑坡危险度H并依照预警阈值进行预警预报，预报等级发布见表8。

表8 戒台寺滑坡预警等级发布表

（2）预警模型检验

2004年戒台寺发生大规模滑移，当时前期降雨Ip未知，但预报降雨为暴雨（If=8），Ir=Ip+ If≥8，此时戒台寺滑坡的危险度H=D Ir≥84 8=692，应发地质灾害红色预警，检验结果与实际相符。

4 结论

本文以戒台寺滑坡为研究对象，结合地质调查资料对戒台寺滑坡进行了稳定性评价和预警模型的初步研究，取得如下结论。

（1）通过野外实地调查和资料分析，戒台寺滑坡主要受地层岩性、地质构造、水文条件及人类工程活动综合因素作用所致。

（2）利用理正岩质边坡稳定性分析软件进行了戒台寺滑坡稳定性评价，评价结果如下：在天然工况下稳定系数为1.456，采矿爆破工况条件下为1.371，采矿爆破+暴雨工况条件下为0.979，暴雨工况下为1.040，地震工况下为1.043，其后面3种工况条件下均易发生变形失稳。2004年戒台寺滑坡在一场大暴雨下发生失稳变形，其计算结果与实际情况比较符合。

（3）结合地质资料构建了戒台寺滑坡气象预警模型，并对2004年发生较大规模滑移进行了检验，与实际较为符合。

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Study on Landslide Stability Evaluation and Warning Model of Jietai Tample Landslide in Beijing

CHEN Guohu WANG Haizhi REN Kaizhen
( Beijing Institute of Geology, Beijing 100120)

This paper analyzed the engineering geological conditions of Jietai temple landslide in Beijing, calculated the ratios of landslide stability and established landslide early warning model base on the geology survey data and meteorological survey data. The results of the stability ratios and early warning model are verifed and satisfactory by the historical data.

Landslide;Stability evaluation;Warning model

P644.22

A

1007-1903(2011)03-0017-05

陈国浒（1981—），男，工程师，硕士，主要从事区域地质调查、地质灾害调查与监测预警工作。E-mail：8110300@163.com。