节应力解析及梯式固坡法在地质灾害防治中的应用

（贵州省有色金属和核工业地质勘查局物化探总队 贵州都匀558004）

（贵州省有色金属和核工业地质勘查局物化探总队 贵州都匀558004）

危险边坡对公路、铁路、建筑物构成巨大威胁，给国家和人民生命财产造成严重损失，如何加大危险边坡的有效治理和控危，已摆在目前工程建设领域亟待解决的重大工程治危技术问题。如何有效防范地质灾害对已建成工程的危害呢？通过对节理、断层、裂隙等地质构造易产生危险地质灾害应力的分析和研究，并结合易产生危险地质灾害地段布置多样防治工程验证，最终得出在高角度边坡中治理地质灾害采用梯式固坡法是最有效方法之一。

危险边坡工程建设治危技术应力解析高角度边坡有效防控方法和唯一途径

1 引言

目前在我国西部山区大多数交通基础设施建设施工过程中，不论缓坡还是高角度边坡治理滑坡塌方都采用此种方法，因为这种方法省工、省时、省建设费用，一些基础设施建成完工后，虽在短期内未出现滑坡塌方等地质灾害，但在后期运行过程中，由于采用防治工程不当，在后续自然灾害（如暴雨）影响下，会造成大面积地质滑坡和塌方，给国家及人民群众的生命财产带来巨大损失，社会影响极其恶劣、教训极其深刻。之所以会产生如此严重后果，就是我们的勘查单位只注重事物的表象，未对产生灾害性地质构造体作深入查证，重表象不注重实际才会产生如此严重后果。譬如在兰海高速都匀东方机床厂对面山体在高速路开通几个月后，遇大雨就产生大面积滑坡塌方；又譬如在沪昆高速三穗至麻江段，也是在高速路开通几个月后产生大面积滑坡塌方；再譬如在遵赤高速习水二郎乡路段也是高速路开通后产生滑坡塌方，给国家及人民群众的生命财产造成严重损失，教训极其深刻。那么，如何做到有效防治地质灾害现象的发生呢，我想创新工作机制，求真求实，采取合适的工程防治措施是防止交通基础设施建成后不发生滑坡塌方等地质灾害最有效的手段，除此没有它法。

随着我国经济的飞速发展，制约经济发展的各种交通基础设施建设也齐头并进。如何使建成好的各种交通基础设施能高效安全地运转，是规划设计部门和工程地质勘察部门必须考虑的重大技术课题；一是如何对交通基础设施经过地各种地质构造进行有效统计，对地质构造的倾向、倾角进行精确测量，找出对交通设施产生危害的地质构造是工程勘察部门在勘察过程中必须作的一项重要工作；二是工程勘察部门必须对勘察过程中所记录的可能对交通设施产生危害的地质构造要进行应力解析，作出各种构造及节理玫花图并找出对交通基础设施产生危害的最大应力聚集滑动构造面；三是设计部门根据工程勘察部门提供的勘察报告及建议，是否选择更改最初设计线路或优选设计并提交交通基础设施建设实施方案；四是设计部门提交交通基础设施建设实施方案后，工程勘察部门必须根据工程勘察成果编制交通基础设施经过地段可能产生的地质灾害及工程防治措施报告概算出工程防治建设总费用；五是财政部门根据设计部门最终提供的建设实施方案，根据先前设计预算基础上，是否追加地质灾害防治费用。

2 高角度危险边坡性质特征

在高原山区和丘陵地区修建交通基础设施都免不了要经过山地峡谷地带，因此，交通基础设施在建设过程中自然就形成一些边坡，坡度低于10°的平缓斜坡对建成的交通基础设施不会构成地质危害；坡度介于11°—35°之间的斜坡对建成的交通基础设施将构成地质危害，必须布置工程进行防治；坡度大于36°以上的斜坡属于高角度危险边坡，这样的危险边坡易产生大面积滑坡、滚石等地质灾害，必须发大财力布置工程进行有效治理、防患于未然。

那么，哪些高角度边坡会对建成的交通基础设施构成大的地质危害呢？按岩石特征来排位变质岩为最，二是沉积岩，三是岩浆岩；按岩性特征来排位泥岩、页岩、板岩、砂岩为最，二是灰岩，三是玄武岩、花岗岩。现就泥岩、页岩、板岩、砂岩路段高角度边坡用梯式固坡法治理岩石塌方技术论述如下：

2.1 当岩层倾向与坡向相反时梯式固坡法解析

如下图（1）所示，当岩层倾向与坡向相反时，公路左侧高角度边坡治理滑坡现阶段大多数基础设施建设施工过程中一般采用网格状混凝土桩基固坡加植物法，也就是在网格中种草或栽一些树木来防治滑坡，实践证明此种固坡法只适合缓坡有效治理滑坡塌方。

上图（1）中1、2、3为顺坡向泥岩、砂岩类岩石节理滑动面。岩层倾向与坡向相反，如果是岩石结构、构造稳定性好。岩石节理、劈理及断层构造不发育的灰岩、玄武岩和花岗岩，则岩层倾向方向会产生一种大于切应力（dT）的直应力（dN），这样的高角度基础设施边坡是稳定的，不易产生滑坡塌方等地质灾害，如果山高，则主要防止风化岩落石的危害。当基础设施高角度边坡岩性为泥岩、页岩、板岩、砂岩且岩石节理、劈理构造发育，则该边坡会产生如图（1）中1、2、3的节理滑动面，而2、3这两个滑动面会对交通基础设施构成灾害性地质危害。主要原因会产生如图中三个红箭头表示的内力（dP）、直应力（dN）和切应力（dT）。当2、3号滑动面在雨水润滑作用下，滑动面中的内力（dP）和直应力（dN）值为零时，下滑切应力（dT）聚集达到无任何阻挡力的状态时，就会产生大面积滑坡塌方，2015年1月5日发生在遵赤高速习水二郎乡路段的滑坡塌方就属于此种情况。

那么，在交通基础设施建成后高角度边坡采取什么样的工程防治，才能不发生地质灾害呢？上截面图（1）中绿色线就是消除交通基础设施建成后不发生地质灾害有效防治线，在实际工程施工过程中，这种方法叫梯式固坡法（也可叫阶梯式固坡法），采取这种办法可有效消除绿色线以上岩石构造体及岩石、土壤自身重量产生的切应力（dT）破坏作用，工程完工后事先消除了这种破坏性作用，就不会在工程使用过程中发生滑坡、塌方等地质灾害，从而可避免交通基础设施建成后因工程防治不利而产生的地质危害。

从上截面图（1）中可看出，在已完工的交通基础设施高角度边坡治理中采用梯式固坡法（也可叫阶梯式固坡法）可有效治理滑坡塌方等地质灾害的发生。图中绿色线为交通基础设施建成后不发生地质危害的安全线（也叫工程稳固线），为什么称它为安全线、工程稳固线呢？因为，从工程力学的角度去分析研究，这条线每一级台阶都可有效消剥除掉2、3号节理滑动面由切应力（dT）而产生的岩层下滑，从而避免因岩层下滑导致的滑坡塌方等地质灾害的发生，达到有效防治地质灾害之目的。

2.2 当岩层倾向与坡向相同时梯式固坡法解析

当岩层倾向与坡向一致时，岩性如果是薄层灰岩时且层理面夹有泥土，这样的高角度边坡岩层也是极不稳定，一旦遇雨水长期冲刷作用也极易造成滑坡塌方等地质灾害发生。当交通基础设施建成后高角度边坡岩性为泥岩、页岩、板岩、砂岩时就要根据高角度边坡坡度特征，布置梯式固坡工程可有效防治滑坡塌方等地质灾害，下图（2）中绿色线就是有效防治滑坡塌方等地质灾害发生的稳固线和安全线。

为什么称其为稳固线和安全线呢！从图（2）中可分析，当岩层倾向和坡向倾斜方向一致时，且组成边坡岩性为泥质砂岩，泥岩，砂质泥岩或是页岩时，经多次构造运动影响，岩层极易产生顺坡向的节理裂隙地质构造，当内力（dP）和直应力（dN）相互作用力抵消为零时，这时切应力（dT）就会受外力（如暴雨、振动、地震等）作用，导致大面积滑坡塌方等地质灾害。如果在工程建设过程中采用梯式固坡法，就会有效地剥除绿色线以上节理裂隙构造隐患而产生的滑坡塌方等地质灾害，使交通基础设施建成后安全可靠。

图（3）

在已建成的交通基础设施高角度边坡治理滑坡、塌方大都采用网格状混凝土桩基加植物固坡法，采用此种方法可省工、省时、省建设费用。交通基础设施建成完工后虽在短期内未出现滑坡、塌方等地质灾害，但遇到自然灾害如暴雨就会沿顺坡向岩层构造面发生滑坡塌方等地质灾害，如上图（3）中就是一典型工程防治采用不当方法而造成的地质灾害，虽然滑坡未造成重大财产损失和生命安全，但影响了工程进度和材料的浪费。采用这样的防治措施在一些工程建设领域带有普遍性，究其原因不外乎以下几点，一是施工方为节省建设费用和赶工期，二是工程在施工前未进行详细地质灾害勘查和地质灾害隐患排查论证，没有把防治地质灾害的发生摆在工程建设过程中的突出地位来抓，三是工程施工前的地质灾害勘查经费投入不足，致使地勘部门没有投入更多的人力来排查产生潜在地质灾害隐患，致使工程在完工后，由于采取不当防治工程，导致工程建成后再次发生地质灾害。

如何做到工程建成后的使用安全，是摆在我们国家各工程施工单位面前的重大课题，也是国家在项目论证和规划实施过程中必须考虑的重大课题，也就是说国家在论证带区域性全局性重大交通基础设施过程中，就必须把前期地质勘查作为整个工程建设过程中的重要一环加以技术标准细化，针对不同工程建设编制不同地质勘查技术规范和资金投入标准，从而可避免在工程地质勘查中执行一套固定笼统的技术规范及资金投入标准。

当前，在我们国家所面临的现实问题是不论工程大小、重点工程还是一般工程都是按一个技术规范和资金投入标准进行前期工程地质勘查，故而造成工程地质勘查技术成果粗糙，对潜在易造成后期安全隐患的地质灾害构造没有仔细勘察论证，如上图（3）中就是一典型工程防治措施不当，导致再发性地质灾害产生的工程安全事故。要是在工程防治措施得当或有一点工程安全常识，也不会在工程防治措施实施后，还发生如此地质灾害。

2.3 岩层倾向、倾角、节理滑动面与坡度基本相同，但岩层倾角平缓，梯式固坡法解析

上图（4）中，当岩层倾向与坡向相同，但岩层倾角平缓，在泥质砂岩和砂质泥岩地段施工形成的高角度边坡中，常常可见呈网格状线条布满岩层中，这是由于受多次构造挤压作用使得岩层破碎而形成的节理、劈理、线理等地质构造线；同时还会形成如图（4）中2、3节理构造滑动面。当构造滑动面不断扩张时蠕动，这时岩层在自身重量产生的切应力（dT）作用影响下，就会形成极不稳定的地质构造面，一旦遇到自然灾害时，譬如暴雨冲刷、震动或地震等外力作用，就会造成大面积的滑坡坍塌，对已建成使用的交通基础设施造成很大的地质危害。

如果在工程勘察过程中仔细收集这些不利工程建成后的安全地质隐患，采取适当的工程防患措施，就会避免工程设施建成后的地质灾害的发生。如图（4）中的绿色线就是工程设施在遇到泥质砂岩和砂质泥岩边坡中所采用的梯式固坡的安全线。

4 结论

预防工程后期地质灾害的发生，工程前期的地质勘查是关键。

要改变传统的工程地质勘查笼统的技术规范和资金预算标准；要针对不同工程制定相应的工程地质勘查技术规范和资金预算标准。譬如铁路、公路建设工程地质勘查技术规范和资金预算标准就要区分于地产、水利和一般性工程建设工程地质勘查技术规范和资金预算标准。总之针对不同工程建设要制定相应工程地质勘查技术规范和资金预算标准，只有这样，才能针对不同工程设施采取不同工程防治措施来预防工程设施建成后不发生或少发生地质灾害，减少国家及人民群众生命财产损失。

节应力解析及梯式固坡法在地质灾害防治中的应用

■刘建平

P694[文献码]B

1000-405X（2016）-10-378-2