北京房山区公路地质灾害危险性评估研究

校小娥

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京100101)

北京房山区公路地质灾害危险性评估研究

校小娥

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京100101)

在北京山区修建公路时，常会遇到崩塌、滑坡、泥石流、采空塌陷等地质灾害，这些灾害危害严重。采用资料搜集、地质调查、地质钻探(坑探)、四维灾种识别、多方法耦合数值模拟(FLAC，ANSYS，GEOSLOPE)、赤平极射投影、集合论地灾评估等方法，研究了北京南胜路工程各类地质灾害的地质条件、演化机理、发育规律以及稳定条件。重点探讨了采空塌陷区煤矿开采方式、开采深度、开采层数及附加荷载对采空区稳定的影响。

地质灾害 危险性评估 数值模拟 赤平极射投影 稳定性分析

一拟建公路穿越北京深山地区，沿线所处地区地貌类型复杂、自然环境恶劣，山势陡峻，沟谷发育，山体剥蚀作用强烈，穿越两组断裂与褶皱，且上跨安子煤矿采空区。研究区灾害种类较多，主要的地质灾害有泥石流、崩塌、滑坡、采空塌陷、活动断裂等。采用常规评估方法了解公路沿线灾害活动强度或规模、灾害活动频次、灾害分布密度、灾害危害强度(尤其是区内的采空塌陷的研究)存在很大难度。为了有效地控制并降低公路建设期间及使用期间地质灾害带来的安全风险，节约工程成本，采用多种方法进行评估研究。

1 工程概况

本次拟建公路位于北京市房山区，西起南窖乡红新路，向东南上跨安子煤矿采空区、下穿安子煤矿东侧的北岭、经十字寺至燕房卫星城西侧与燕山周胜路相接。南窖乡地处偏僻，交通较为不便。拟建南胜路全长11.518 km，路线西段主要沿南窖乡小西岭北侧坡脚铺设，路线中段以隧道形式下穿北岭，路线东段沿北岭东部坡脚铺设。

南窖乡为偏远山区，现有资料较少，资料的搜集存在很大难度。通过现场调查和室内研究分析，本区主要工程地质问题:地形高差较大，地质灾害发育程度中等，发育有11处崩塌、2处滑坡、7条冲沟以及采空塌陷等地质灾害。

2 危险性评估方法

本次研究采用资料搜集、地质调查、地质钻探(坑探)、四维灾种识别、多方法耦合数值模拟(FLAC，ANSYS，GEOSLOPE)、赤平极射投影、集合论地灾评估等方法较准确地研究了南胜路工程各类地质灾害的地质条件、演化机理、发育规律以及对拟建公路的影响。并探讨了采空塌陷区煤矿开采方式、开采深度、开采层数及附加荷载对采空区稳定的影响。

2.1 地质钻探(坑探)方法的应用

本次评估研究中地质钻探(坑探)的应用包括两个方面:一是查明线路沿线的工程地质条件，现场布置钻孔7个、探槽19个，相关测试成果为本次评估工作奠定了基础。二是查明采空区的深度以及煤层开采范围，共布设了6个探空钻孔，其中东区布置2个，西区布置4个。

探空钻孔说明，线路K3+850—K4+100段附近有小窑开采迹象，在深度为22～85 m范围内有薄层黑色砂岩(煤矸石)分布，可确定附近有小煤窑开采的痕迹。

2.2 数值模拟滑坡稳定性

2#滑坡为下陡、中缓、上陡的复合型坡，坡度30°～50°，坡体厚约3～5 m，纵向长95 m。采用ANSYS建模(如图1)，GeoStudio软件二维计算的方法用到极限平衡分析中，Bishop Method方法计算安全系数大致在1.140，即天然边坡整体处于较稳定状态。

根据上述模拟，进行应力变形及塑性应变图分析。可见坡体在天然状态下，坡体表层的风化残积物是边坡变形破坏的主要原因，滑坡塌滑主要发生在滑体表层堆积物。滑动前缘临空面附近发生滑塌的可能性较大，而边坡整体滑动趋势可能性较小。现场勘查分析滑坡形成机制，得出的边坡稳定性结论基本一致。

2.3 数值模拟采空区塌陷稳定性

根据现场勘查，仅发现明春窑、道根崖及老窑沟风井位置等几处小窑井口。根据搜集到的煤矿资料显示，有200多个小煤窑，而现场其余小煤窑的井口位置未发现。小窑采空深度浅、危害较大，且小窑的采空区域未明确，因而以采空区域不断加大进行模拟，模拟随着工作面的不断加大，上覆基岩的变形及碎裂情况。

1)传统计算方法评价

建设用地下主采煤层为9槽及15槽煤层，14槽、3槽煤层仅在北部局部开采。根据煤层的采厚及距离地表的距离可用下式对各槽煤层的冒落带及裂隙带进行估算(影响范围计算见图2)。

图1 模型建立

图2 采空区影响范围计算

式中:Hm为冒落带高度，Hli为裂隙带高度，ΣM为累计采厚。

依据经验公式，并根据国内相似煤田矿井开采地表沉陷变形的经验，预测煤层开采后，地表最大移动、变形和倾斜值如下:最大下沉值Wmax=η m cos α;最大倾斜值Imax=Wmax/r;最大曲率值Kmax=±1.52Wmax/ r2;最大水平变形值εmax=±1.52bImax;最大水平移动值Umax=bWmax。

上式中:Wmax为最大下沉值，mm;m为矿层厚度，m;η为下沉系数，取η=0.45;α为矿层倾角;b为水平移动系数;r为开采影响半径。

经计算，开采后所形成的冒落带及裂隙带距离地表的距离＜200 m，会引发地面塌陷灾害，并引起采空变形。根据经验公式估算，建设用地的剩余沉降量可达375 mm，下沉量稍大。确定建设用地采空塌陷的现状为危险性中等。

评估区内采空塌陷计算模式仅是初步的，可能与实际变形量有一定的偏差。因而后面将对采空的变形用FLAC数值软件进行稳定性评价。

2)FLAC数值模拟

本次研究根据钻探资料及现场勘查采空区分布情况，以5#煤层为例，建立采空区的地质模型。通过对采空区模型的数值模拟计算，可得出各采空区围岩的应力分布规律及评价采空区的稳定性。

根据地质、采矿资料，建立简化的结构模型，分析采空区应力变形图及裂隙带演变规律，计算模型按实际公路中心线(轴向)断面建立。

根据有限元模拟计算结果可知:国窑开采深度比较深，在整个模拟采动过程中，始终没有发生明显的冒落、裂隙和弯沉，地表也没有出现明显的移动和变形。这说明本模型所选采空区对拟建线路影响相对较小，相对比较安全。

小煤窑煤层被采动后，采煤开采初期对地表几乎没什么影响，随着开采范围扩大，岩体裂隙自下而上逐步发展。当工作面推进距离为20 m时，岩层移动开始波及到地表，煤层推进距离为650 m时，岩层移动波及到地表。煤层开采进尺100 m时，裂隙由底部发展到地表。同时地表在中心与两侧出现5条水平裂缝。如果荷载加大，裂隙贯通，上覆基岩破坏严重，该变形量将会影响高速公路的运营安全。

3 赤平投影方法的应用

本次现场调查确定了14个崩塌点，为分析边坡岩体的稳定性，本次运用赤平极射投影对坡面和不利于岩体稳定的节理面的组合关系进行分析。以崩塌体BT1为例，见图3。BT1岩体中风化，较破碎，崩落体体积约1.5 m3，坡高约15 m，坡角85°～90°。

根据图4分析，人工开挖边坡(CS)较陡，坡角为83°。J1，J2的交点及J2，J3的交点处于天然边坡面(NS)投影弧的外侧，说明软弱面交线较边坡平缓，目前尚处于稳定状态。由于人工开挖边坡较陡，在多组节理裂隙切割及岩块自重作用下，易发生岩石块体的崩落。

图3 崩塌体BT1形态特征及现状

4 地灾综合评估

综合分区评估涉及工程地质条件、已存在的地质灾害、诱发与加剧的地质灾害的强度、地质灾害的危害程度、危险性等级等内容。如图5所示，其中白色代表危险性小区，灰色代表危险性中等区，由于采空塌陷对本线路的影响较大，特别用深灰色表示采空区段危险性中等区。

图4 赤平极射投影分析

图5 研究区综合分区

5 结论

1)模拟结果与实际现场调查及室内分析结果基本吻合，比较符合现场实际情况。

2)评估区地质环境条件复杂，地质灾害中等发育，对拟建道路危害程度中等，地质灾害总体危险性中等。综合评估本单元地质灾害危险性级别为中等。

3)评估区分两个区段:Ⅰ区段危险性级别为小级，建设用地适宜性分级为适宜;Ⅱ区段危险性级别为中级，建设用地适宜性分级为基本适宜。

［1］中华人民共和国国土资源部.地质灾害危险性评估技术要求(试行)［S］.北京:国土资源部，2004.

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［3］乔晓霞.基于GIS的复杂山区高速公路沿线地质灾害危险性评价研究［D］.西安:长安大学，2006.

［4］吴亚子.山区公路地质灾害危险性评估方法研究［D］.成都:成都理工大学，2005.

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［6］刘江波.建设项目地质灾害危险性评估分区定量方法研究［D］.昆明:昆明理工大学，2006.

［7］校小娥.房山南胜路工程地质灾害危险性评估报告［R］.北京:北京城建勘测设计研究院有限责任公司，2010.

［8］邓亚虹，彭建兵，卢全中.地铁工程地质灾害危险性综合评估定量方法——以西安地铁一号线为例［J］.地球科学与环境学报，2009，31(3):291-298.

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(责任审编赵其文)

P642.2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.29

1003-1995(2015)06-0114-03

2014-11-05;

2015-03-20

校小娥(1977—)，女，陕西富平人，工程师，硕士。