G109国道门头沟区段沿线不良边坡的变形破坏特征及成因分析

赵忠海

(北京市地质矿产勘查开发局,北京 100195)

G109国道门头沟区段沿线不良边坡的变形破坏特征及成因分析

赵忠海

(北京市地质矿产勘查开发局,北京 100195)

山区公路多具有边坡数量众多、地质条件复杂、地质灾害隐患发育且突发性强等特点,故由地质灾害所导致的危害和损失比较严重,由地质灾害隐患所构成的潜在威胁十分巨大。在门头沟区主干公路崩塌灾害隐患勘查工作基础上,对G109国道门头沟区段沿线的不良边坡的变形破坏特征进行初步研究,并对其成因进行分析与探讨。

G109国道;不良边坡;变形破坏特征;成因分析

G109国道是由东向西横穿门头沟区而过的一条国家级公路,它途经门头沟区的龙泉、军庄、妙峰山、王平、雁翅、斋堂和清水,最后在小龙门林场以西的大垭口进入河北省,在门头沟区内的总里程约为96 km,绝大部分属于山区公路。由于修建时开挖和削坡严重,沿途留下了许多人工边坡。加之途经区的地形地貌复杂多变,地层岩性刚弱不均,地质构造较为复杂,故地质灾害较为发育,特别是崩塌灾害隐患比较严重(图1)。本文在门头沟区主干公路崩塌灾害隐患勘查工作基础上,对G109国道门头沟区段沿线的不良边坡的变形破坏特征进行了初步研究,并对其成因进行了分析和探讨。

1 公路沿线的地质环境背景

1.1 地形地貌

门头沟区地处太行山北端与华北平原西北隅的交汇部位,主要以中山、低山、丘陵及山前冲积平原为主,总体地势表现为西北高、东南低。G109国道由东向西穿门头沟区中部而过,沿线的地形地貌以低山、丘陵为主,仅在西段双塘涧—大垭口之间为中山区。

1.2 区域地质

公路沿线出露的主要地层有蓟县系、青白口系、寒武系、奥陶系、石炭系—二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系以及第四系等,岩性主要为白云岩、灰岩、砾岩、页岩、粉砂岩以及山前残坡积物,此外还有少量岩浆岩、脉岩及火山熔岩。沿途地质构造较为复杂,主要有庙安岭—髫髻山向斜及九龙山—香峪向斜等褶皱构造以及沿河城断裂、梁家庄断裂、斋堂—军响断裂及永定河断裂等断裂构造,岩石比较破碎,节理裂隙等十分发育。

1.3 水文地质

公路沿线的地下水含水层主要有碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组、碳酸盐岩—碎屑岩裂隙含水岩组以及碎屑岩裂隙含水岩组,其中碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组的富水性较好,单井出水量500～2 000 m3/d;碎屑岩裂隙含水岩组和碳酸盐岩—碎屑岩裂隙含水岩组的富水性较差,一般单井涌水量50～500 m3/d。地下水的化学类型一般为HCO3—Ca·Mg型水,水位埋深30～150 m不等。地下水的补给方式以大气降水渗入为主,排泄方式主要是自然蒸发、地下迳流及人工开采。

1.4 工程地质

公路沿线的工程岩土体类型大致可分为三类,分别为松散岩类、软弱岩类和半坚硬—坚硬岩类。其中,半坚硬—坚硬岩类主要为白云岩、灰岩、砂岩以及岩浆岩等,岩石质地坚硬,抗压强度较大;软弱岩类主要为细砂岩、粉砂岩以及页岩等,岩石软硬相间,风化较为严重,抗压强度较低;松散岩类主要为第四系残坡积物,工程地质条件较差。

1.5 地质灾害发育概况

公路沿线的地质灾害主要为崩塌灾害。据门头沟区国土分局不完全统计,仅在2006—2010年的5年间,G109国道门头沟区段沿线共发生规模不等的崩塌灾害60余次。本次工作发现和确定的崩塌灾害隐患点共达191处,其中包括危害性比较大的不良边坡变形破坏隐患点70余处[1](图1)。

图1 G109国道沿线地质略图

Fig.1 Schematic geological map along the national road G109

1.第四系;2.奥陶系;3.花岗斑岩;4.白垩系;5.寒武系;6.辉绿岩;7.侏罗系;8.青白口系;9.角度不整合;10.三叠系;11.蓟县系;12.断层;13.二叠系;14.长城系;15.地质界线;16.石炭—二叠系;17.石英二长岩;18.边坡变形破坏隐患点。

2 公路沿线不良边坡的变形破坏特征及成因分析

通常所说的边坡,指的是在建(构)筑物或其周边由于建(构)筑物和市政工程开挖或填筑施工所形成的人工边坡和对建(构)筑物安全或稳定有影响的自然边坡[2]。本文所说的不良边坡,指的是那些发生变形破坏的可能性极大且一旦发生将会造成很大危害的边坡。

2.1 不良边坡的分布状况

G109国道门头沟区段沿线的不良地质边坡主要分布于军庄—雁翅、斋堂—清水路段以及灵山风景区内。多为岩质边坡,坡高15～55 m,坡度15°～85°,主要分布在寒武系和奥陶系的灰岩、侏罗系的粉砂岩和火山岩以及风化较严重的岩浆岩地区。

2.2 不良边坡的变形破坏特征

岩体边坡的变形与破坏是边坡发展演化过程中两个不同的阶段,变形属量变阶段,破坏则是质变阶段,二者形成一个累进性变形破坏过程。岩质边坡在发生破坏前,通常都需要经历一个“卸荷回弹”及“蠕变变形”的阶段,当这种变形积累到一定程度,边坡内的应力超过了岩体的长期强度时,就会导致坡体发生崩塌、滑塌及倾倒等破坏,形成地质灾害。

根据坡体已发生的破坏情况或呈现出的变形趋势来看,G109国道门头沟区段沿线不良边坡的破坏类型主要有崩塌、坍塌、滑塌、倾倒、错落以及落石等(图2)。其中,崩塌是指陡坡上巨大的岩块在重力和其他外力作用下,突然向下崩落的现象;坍塌是指由残坡积层或风化碎裂岩组成的顺向层面坡,因土石孔隙中水的作用、雨水冲刷作用以及坡脚切坡等人类工程活动造成坡度陡于岩土体自稳强度所能保持的坡度,从而所导致的逐层塌落的变形破坏现象;滑塌是指高陡顺向坡上的岩土体,在重力和其他外力作用下,沿土岩界面或坡体内新形成的滑面整体向下滑移的现象;倾倒是指直立或被垂直裂隙切割的岩块由于卸荷回弹和其他外力作用,绕其底部某点向临空方向倾倒的现象;错落是指被直立岩层或构造裂隙等结构面与后部完整岩体分开的碎裂、散裂岩体,因坡脚受冲刷、人工开挖或震动影响,下伏软弱层不足以承受上部岩体压力而被压缩,从而所引起的坡体垂直下错的变形破坏现象;落石是指碎裂岩块受外力作用影响而逐渐松动、坠落的现象。总的来看,G109公路门头沟区段沿线不良边坡的破坏类型以崩塌、倾倒、错落及落石为主,坍塌和滑塌类型并不多见。

图2 G109国道门头沟区段沿线不良边坡的破坏类型

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

2.3 不良边坡的稳定性评判

本次工作对不良边坡的稳定性评判主要采取了地质分析法和几何图解法,均为定性评判方法。其中地质分析法主要是根据边坡的地貌形态、地质条件和边坡变形破坏的基本规律,去追溯边坡演变的全过程,预测边坡稳定性发展的总趋势及边坡变形破坏的方式,从而对边坡的稳定性作定性的评价;几何图解法主要是通过分析坡面与那些对边坡上可能不稳定的楔形体的形态、规模及分布起控制作用的结构面(如节理、裂隙、层理等)之间的空间关系,来判断边坡的稳定性。图3是小龙门林场西北一处岩质边坡(图2-⑤)的赤平投影图,该边坡的岩性为花岗岩,发育有两组节理,通过赤平投影图解分析,发现两组节理的交点M与坡面投影弧在同一侧,M点位于坡面投影弧的外侧,说明结构面组合交线的倾向与坡面倾向一致,但倾角小于开挖坡角,且结构面交线在坡面上有出露。故判断此边坡为欠稳定边坡;又由于结构面交线MO在两个结构面的倾向线AO和BO之间,故判断这两个结构面均为滑动面。考虑到不稳定结构体只是坡面上由两组节理控制的楔形块体,均质边坡整体失稳的可能性不大,故判断此边坡的破坏类型为楔形体错落[3]。

图3 小龙门林场西边坡的赤平投影图

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

2.4 不良边坡变形破坏的成因分析

导致和影响边坡变形和破坏的因素很多,总体可分为内在因素和外在因素两个方面。其中,内在因素主要包括岩土体性质、岩土体结构以及地质构造等,它对边坡的稳定性起控制作用;外在因素主要包括水的作用、岩石风化、地震以及人类工程活动等,它可以使岩土体的强度降低,抗滑力削弱,从而对边坡变形破坏的发生和发展起到了促进作用。

(1) 地层岩性是决定边坡变形和破坏的物质基础,其差异对边坡变形和破坏影响很大。G109国道沿线的地层岩性有砂岩、灰岩、白云岩、粉砂岩、页岩、泥岩、凝灰岩、岩浆岩以及火山熔岩等。如果不考虑岩土体结构及地质构造活动等因素的影响,总的看来,由粉砂岩、页岩、泥岩以及凝灰岩等薄层状软弱岩层组成的边坡更容易发生变形破坏,特别是当它们以互层方式出露的时候,边坡的变形和破坏往往更加严重。而由中厚层状砂岩、灰岩以及白云岩等坚硬岩层组成的边坡则不易发生变形破坏。

(2) 岩体结构及结构面的发育特征是影响边坡变形和破坏的控制性因素。本次工作发现,由那些节理、裂隙结构比较发育的岩体所组成的边坡,其变形破坏也比较强烈。如岩浆岩中的共轭节理比较发育,由其组成的边坡常发生落石;火山熔岩中的柱状节理比较发育,由其组成的边坡常发生崩塌;此外,在一些中薄层状的灰岩和砂岩中,常发育一组与层面垂直的节理,加之这些岩石本身中的层理特别发育,故由其组成的边坡常发生错落。

(3) 地质构造活动以及岩石风化作用对边坡的变形和破坏起到了促进作用。地质构造活动以及岩石风化作用会严重破坏岩石的完整性,使岩石的强度降低,抗滑力削弱,从而加速和加剧边坡的变形破坏。图4反映了构造活动与风化作用对岩石完整性和边坡稳定性的影响。其中图4-①是一经过边坡的断层,它形成的破碎带为滑塌灾害的形成提供了松散物源;图4-②则是风化作用形成的危岩体。它为崩塌和落石的产生提供了有利条件。

图4 构造活动及风化作用对边坡稳定性的影响

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

(4) 降雨和人类工程活动是边坡发生变形和破坏的最大诱因。降雨使岩土体软化,质量增大,还会产生动水压力和静水压力,从而使其抗剪强度降低,诱发和加剧边坡的变形和破坏;人类工程活动改变了坡体的天然形态、坡体结构以及坡体内的应力分布特征,从而导致边坡的变形破坏,并会对坡体变形和破坏的方式、类型产生较大影响。

除上述因素外,流水的冲刷、树木的根劈、微震以及人类的耕种和采矿活动等均会对边坡变形破坏产生较大的影响。

3 结语

G109国道门头沟区段沿线的不良边坡规模较小、数量较多,分布较广,危害较大,变形破坏的方式多样,应根据各边坡不同的变形、破坏特征及影响、诱发因素,采取有针对性的防范和治理措施,以排除隐患,降低威胁,减少损失。

[1] 北京市地质研究所.门头沟区主干公路崩塌灾害隐患勘查报告[R].北京:北京市地质研究所,2011:10-63

[2] 中华人民共和国建设部.建筑边坡工程技术规范:GB 50330—2002[S].北京:中国建筑工业出版社,2002:1-18.

[3] 吴绍强.极射赤平投影法在岩质边坡稳定性分析中的应用[J].西部探矿工程,2009(10):117-119.

(责任编辑：陈姣霞)

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

赵忠海(1970-),男,教授级高级工程师,环境工程专业,从事区域地质调查、矿产资源勘查、工程物探勘察以及地质灾害评估、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

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161208.1017.004.html 数字出版日期:2016-12-08 10:17