辽宁省喀左县道虎沟山坡崩塌地质灾害防治工程设计

刘占梅

(辽宁省有色地质局一0九队,朝阳 122000)

辽宁省喀左县道虎沟山坡崩塌地质灾害防治工程设计

刘占梅

(辽宁省有色地质局一0九队,朝阳 122000)

近年来，辽宁西部低山丘陵区崩塌落石地质灾害频繁发生，喀左县道虎沟村崩塌地质灾害为典型的上部陡崖危岩崩落下部斜坡落石滚动崩塌地质灾害。辽西地区常用的崩塌地质灾害防护结构多为圬工结构，圬工结构存在很多缺点，综合考虑道虎沟村崩塌的地质环境条件，分析崩塌地质灾害特征，通过多种治理方案比选，确定采用SNS主动防护系统和被动防护系统联合使用的治理方案，通过分析和计算确定主动防护系统和被动防护系统型号。本文为类似崩塌地质灾害治理方案选择及SNS防护系统选型提供参考。

喀左县道虎沟；崩塌地质灾害；SNS防护系统；治理方案；防护系统选型

喀左县山嘴子镇道虎沟村依山而建，村东山顶为陡崖，陡崖出露岩层为燧石条带白云质灰岩，表层岩石风化严重，节理裂隙发育，陡崖表层岩石被节理裂隙分割为长方体块状，受风雨、地震等外界因素的扰动，经常发生落石现象。陡崖下方为斜坡，斜坡段出露岩层为安山岩，岩石裸露，表层风化较严重，斜坡段散落分布有大量陡崖段坠落的落石，在外界因素扰动下易发生滚落。紧邻斜坡下方为居民住宅，已有部分落石滚入村民家中，造成村民财产损毁，所幸未造成人员伤害。

该边坡崩塌地质灾害对人民群众生命财产安全构成了极大的威胁。应当地群众和政府要求，对该崩塌地质灾害进行治理，消除崩塌地质灾害威胁，给村民创造一个安全的生存发展环境。该工程是一项解民之危的民生工程，为朝阳地区崩塌地质灾害治理提供参考。

1 地质环境条件

1.1 地形地貌

该坡面位于辽西侵蚀丘陵区，工程区最高点海拔501.9 m，最低点海拔408.1 m，山体植被较发育，坡顶植被以灌草为主，坡底以乔灌木为主。工程区东北部山坡410～500 m标高为自然形成的陡崖，坡度35°～62°，局部近直立或反倾，总体朝向西南方，高12～35 m，总长340 m；陡崖下方410～460 m标高为斜坡，坡度28°～36°，410 m标高以下为居民住宅区。如图1所示。

图1 工程区地形地貌

1.2 地层岩性

工程区地层区划属华北地层区的燕辽分区，区内地层可分为中元古界长城系、侏罗系中统和第四系。

(1) 中元古界长城系高于庄组(Chg)

高于庄组(Chg)：主要岩性为燧石条带白云质灰岩，风化面灰白色，新鲜面深灰色，隐晶结构，中厚层状构造，组成矿物主要为粘土矿物，局部夹灰黑色硅质条带，岩石岩性脆硬，表面可见明显“刀砍纹”现象。岩层总体走向约55°，北西倾，倾角40°～50°，主要分布在陡崖段及斜坡段北部。

(2) 侏罗系中统兰旗组(J2l)

兰旗组(J2l)：主要岩性为紫红色安山岩，风化面灰红色，新鲜面紫红色，玻晶交织结构，块状构造，基质主要为斜长石、辉石、火山玻璃等组成，斑晶主要由已蚀变的橄榄石构成，岩石风化较强，呈颗粒状，粉末状堆积。岩层总体走向20°，倾向南东，倾角64°，主要分布在斜坡段南部。

(3) 第四系(Q)

第四系(Q)：主要分布在坡脚及居民住宅区，主要由坡积土和洪积土组成。坡积土位于坡脚，主要为风化的碎石土，一般厚度0.5～3 m；洪积土位于居民住宅区及沟谷，主要为洪积作用形成的粉土及洪积碎石土和砂砾卵石层组成，一般厚度1～5 m，上部为粉质粘土，下部砂砾卵石层由粉质粘土、砂及砂砾石组成。

1.3 地质构造与地震

(1) 地质构造

该工作区位于大地构造一级大地构造单元为华北地台，二级构造单元为燕山台褶带，三级构造单元为辽西台陷。经调查，区内无明显断裂、破碎等地质构造，但在地层接触部位，由于两侧岩性不一，受侵蚀风化程度不一，导致两侧侵蚀高度不一致，形成数十米高差，加之灰岩地层节理缝较为发育，导致上层岩体不稳定，已形成具有崩落危险的危岩体。

(2) 地震

冀东辽西地区是华北地震块体的一部分，据国家质量技术监督局发布的1/400万《中国地震动参数区划图》(GB1836-2001)划分，工程区地震动峰值加速度为0.10 g，反应谱特征周期0.35 s，地震基本烈度Ⅶ度。

1.4 工程地质条件

依据区内岩土体的成因类型、结构构造、物质成分及坚硬程度，参照《岩土体工程勘察规范》(GB50021-2009)将区内岩土体划分为三个组。

(1) 粉质黏土：黄褐色，可塑，干强度中等，韧性中等，夹杂棱角状白云质灰岩碎石，层厚1.0～5.0 m，承载力特征值130～160 kPa，主要分布于斜坡段及坡脚。

(2) 强风化安山岩：紫红色，玻晶交织结构，块状构造，岩石风化较强，呈颗粒状，粉末状堆积，层厚1～10 m，承载力特征值200～500 kPa，主要分布于斜坡段南部。

(3) 强风化白云质灰岩：灰白色，隐晶质结构，块状构造，主要矿物成分以碳酸盐矿物为主，节理裂隙发育，岩石质量等级为Ⅳ级，层厚5～10 m，承载力特征值500～1 000 kPa，主要分布于陡崖段。

1.5 水文地质条件

按照工程区地下水赋存介质，可以划分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水和碳酸岩溶裂隙水。

(1) 松散岩类孔隙水：该含水层由白云质灰岩之上坡积土覆盖层组成，一般厚度0.5～3 m，富水性一般，水化学类型为HCO3-Ca型。除接受大气降水垂直渗透补给外，还接受基岩裂隙水的侧向补给。

(2) 基岩裂隙水：赋存于灰岩和安山岩的风化、构造裂隙之中。富水性亦很不均匀，富水程度主要取决于风化、构造裂隙发育程度、裂隙性质、充填情况等，并受汇水面积大小、岩石的孔隙度、胶结程度等因素影响。其中，构造裂隙非常发育、地质、地貌充水条件有利部位为较强富水地段或构造充水带。主要接受大气降水及松散岩类孔隙水垂直渗透补给。

(3) 碳酸岩溶裂隙水：工程区地层岩性主要为灰岩，岩溶裂隙不发育，富水性比较差，水化学类型为HCO3-Ca型。补给源主要是大气降水和松散岩类孔隙水垂直渗透补给。

2 崩塌灾害特征

2.1 崩塌灾害历史及危害对象

根据村民反映，前几年有落石滚入居民家中，砸中偏房，所幸未造成人员伤亡。根据现场调查，陡崖下斜坡上卧有大量滚动过程中停滞的陡崖落石，落石体积0.5～3 m3不等。每逢雨季，村民人心惶惶，提心吊胆，崩塌灾害严重影响陡崖下方村民的身心健康，对村民的生命财产安全构成极大威胁。

2.2 崩塌的分布特征

团山子西侧边坡总高约80 m，边坡上部为陡崖，陡崖出露岩层为中厚层灰岩，风化严重，平行和垂直斜坡坡面的节理裂隙很发育，垂直节理0.5～3 m/条，产状50°～110°，倾角75°～90°，裂隙张开度1～15 cm；水平节理0.5～5 m/条，产状30°～60°，倾角0°～15°，张开度约1～10 cm。平行和垂直节理将寒武系中统厚层灰岩切割成巨大的块状危岩体，危岩体体积为0.1～1.0 m3不等，多呈长方体。目前状况下，处于不稳定状态，在暴雨、爆破等外界因素的影响下，易形成散落型崩塌。

道虎沟陡崖出露岩层为燧石条带白云质灰岩，风化严重，平行和垂直斜坡坡面的节理裂隙很发育，垂直坡面节理0.5～5 m/条，走向5°～90°，倾角近乎直立，裂隙张开度1～10 cm；平行坡面节理0.5～3 m/条，走向335°～355°，倾向南西，倾角45°～90°，张开度约1～15 cm。平行和垂直坡面节理将长城系高于庄组燧石条带白云质灰岩切割成大小不等的块状，形成具有崩塌落石危险的危岩体，危岩体体积为0.1～6.0 m3不等，多呈长方体，目前状况下，处于不稳定状态。在降雨、震动等外界因素的影响下，易形成散落型崩塌，陡崖段为崩塌地质灾害形成区。陡崖下方为斜坡，斜坡段为落石滚动区，斜坡段东南部停滞有大量陡崖段掉落的危岩，落石体积0.5～3 m3不等，落石散落段斜坡长170 m，在降雨、震动等外界因素的影响下，停滞于斜坡的落石易继续滚动，加剧崩塌地质灾害。

2.3 崩塌灾害的形成条件

(1) 地形地貌

道虎沟边坡具备高陡的地形地貌条件，山体大部分基岩出露，陡崖段高12～35 m，坡度35°～62°，局部危岩体近直立或反倾状，斜坡段高约50 m，坡度28°～36°，为岩块的崩塌和滚动创造了条件。

(2) 岩体结构

道虎沟陡崖岩体为长城系高于庄组燧石条带白云质灰岩，长期受风化剥蚀作用，表层节理裂隙发育，裸露岩体多被切割呈块状，在外界因素影响下，岩块较易形成崩塌和滚落。

(3) 大气降雨

该区域每年6～9月份易降雨，降雨不但促进岩体进一步风化，也为崩塌提供了动力条件。

(4) 地震

辽西是华北地震块体的一部分，地震也会为崩塌提供动力条件。

2.4 危岩破坏模式

道虎沟陡崖段西北部基岩裸露，多被节理裂隙分割呈块状，岩体后部存在与边坡倾向一致的贯通或断续贯通的破裂面，倾角较缓，危岩体沿着破坏面滑移破坏，属滑塌式破坏，且崩塌类型属于散落型崩塌。

道虎沟陡崖段东南部危岩体临空面多近直立或反倾状，危岩体后部存在与边坡倾向一致的陡倾角贯通或断续贯通的破坏面，危岩体底部局部临空，危岩体可能沿底部支点向临空方向倾倒破坏，属倾倒式破坏，且崩塌类型也属于散落型崩塌。

3 治理方案

3.1 方案比选

治理危岩崩塌边坡，常用的方法可分为主动防治法和被动防治法。主动防治法包括：锚固技术对危岩进行加固处理，对危岩裂隙进行封闭、注浆；对悬挑的危岩、险石即时进行清除；对崖腔、空洞等进行撑顶和镶补；限制坡面岩土体风化剥落、危岩崩塌的SNS主动防护系统。被动防治法包括：坡脚设置拦石墙、落石槽和SNS被动防护系统等。

根据目前掌握的边坡基本情况，坡面并未见明显的崖腔、空洞，撑顶和镶补的方法不适用。

陡崖风化面面积大，地势高，危岩险石多，采用清除危岩方法工程量大，施工风险高，除确保施工人员人身安全外，还需保证坡脚建筑物免遭破坏，且危岩清除后露出的新鲜岩体今后又会风化为危岩，不能从根本上解决问题。

锚固方法需要完全清理坡面危石，施工难度大，且该边坡岩体已经风化松散，单独采用锚固措施不合适。另外，锚固方法需在危石上进行钻孔锚固作业，钻机振动可能危及危石稳定，施工风险十分大。

落石槽+拦石墙，在斜坡段的合适位置开挖一定宽度和深度的落石槽来拦截滚石，为防止高速运动的滚石从落石槽内弹跳至防护区域，在落石槽的外侧增设拦石墙。开挖落石槽会给坡体的稳定性带来不利影响，且带来较大的环境破坏，且在安山岩质的高斜坡上开挖落石槽施工难度很大；为保证拦石墙可以去抵抗落石的动力冲击，必须在陡峻山坡上建造庞大的拦石墙，开挖较大的基坑，施工非常困难；修建拦石墙施工速度慢，工期长，施工过程中一旦发生崩塌，将会危及施工人员安全。

SNS防护系统是以高强度柔性网作为主要构成部分，并以覆盖和拦截两大基本类型来防治各类斜坡坡面崩塌落石、风化剥落等地质灾害和雪崩、岸坡冲刷、爆破飞石、坠物等危害的新型柔性防护结构。与传统的典型圬工结构相比，SNS防护系统不仅能起到以圬工结构为代表的传统防治之作用，而且还具有以下几个方面的综合技术经济优势：①整体柔性。柔性结构具有以柔克刚的功能优势，具有非常好的荷载扩散传递功能，能够避免过多和过大的局部应力集中，充分调动系统整体功能的发挥。②良好的地形适应性。充分利用柔性结构的易铺展性，采用积木式组合方式来构筑整体性的系统结构，对坡面形态特征无特殊要求。③系统的开放性。由于系统的开放性，地下水可以自由排泄，避免了由于地下水压力的升高而引起的边坡失稳问题，同时开放式结构带来视觉的通透性，不需进行额外的开挖，从而对原有地貌和坡面植被具有良好的保护作用。④施工快速方便，施工干扰小。柔性防护系统开挖工程量很少并且不需彻底清坡，大大节省了施工时间；由于结构和构件的轻型化，以及半成品化构件的积木式安装，保证了材料的易于搬运和快速安装。

3.2 方案确定

根据道虎沟边坡的工程特点，综合考虑坡面的灾害类型特征、灾害风险水平、工程投资和维护费用等因素，确定本工程的治理方案为SNS主动防护系统和被动防护系统联合使用。崩塌地质灾害发生的源头在陡崖段，为在根源上防止崩塌地质灾害发生，在陡崖段采用SNS主动防护系统，防止陡崖段危岩坠落；为防止斜坡段停滞的落石受干扰后继续运动，危及坡脚居民生命财产安全，在斜坡段中下部落石停滞区下方设置SNS被动防护系统。

4 防护网设计

4.1 SNS主动防护网设计

从防止灾害发生的思路考虑进行治理，本工程陡崖段宜采用SNS主动防护系统，防止危岩脱离母岩坠落。在目前SNS防护系统的产品系列中，适合该工程边坡的地形特征、危害防护特点及防护要求的产品类型为GPS2型。

GPS2型主动防护网以强度为1 770 MPa、经过热镀锌处理的钢丝绳编织成的网孔为300 mm的钢丝绳网DO/08/300/4 m×4m(或4 m×2 m)为主要受力构件，结合经过超强防腐处理的钢丝编织成的SO/2.2/50型格栅网组成的双层主动防护系统。它选用强度足够的材质并经过有效的防腐处理，在该工程使用时不仅有足够的防护效果，同时可以确保系统满足30 a以上的使用寿命。

GPS2型防护网的主要防护功能为坡面加固，抑制崩塌和风化剥落、溜坍的发生，限制局部或少量落石(含小块落石)运动范围。其明显特征是采用系统锚杆固定，通过锚杆对柔性网部分实现预张拉，从而对整个边坡形成连续支撑，并通过其预张拉作用使系统尽可能紧贴坡面，形成抑制局部岩土体移动或在发生局部位移、破坏后将其裹缚于原位附近的预应力，从而实现其坡面加固稳定功能。该系统在施工工艺上为确保其尽可能紧贴坡面，锚杆孔口应开凿孔口凹坑或灵活利用天然低凹位置设置锚杆进行系统布置。

4.2 SNS被动防护网设计

从避免已坠落物造成危害的思路考虑进行治理，本工程斜坡段落石散布区宜采用SNS被动防护系统，防止斜坡段停滞的落石继续运动，危及坡脚居民生命财产安全。在目前SNS防护系统的产品系列中，适合该工程边坡的地形特征、危害防护特点及防护要求的产品类型有RXI型防护网，因为每个坡面坡高不同，坠落物重力大小不同，所以应在计算坠落物冲击动能和弹跳高度的情况下选择具体的防护网型号和高度。

为保证SNS防护系统足够安全，本次设计按照最不利参数组合计算，假定落石位于斜坡段最高处，斜坡段坡度取最大值，落石体积取最大值，防护网设置位置为430 m标高处(斜坡现有铁丝围栏处)。

(1) 基本设计参数

山坡参数：斜坡上半段坡度36°，斜坡上半段坡高27 m，斜坡下半段坡度30°，斜坡上半段坡高10 m，坡脚长220 m；落石参数：落石体积3.0 m3；岩体参数：岩性白云质灰岩，密度2.75 g/cm3。

(2) 落石运动模式分析

停滞于斜坡段的落石，在外界因素作用下，容易继续运动。由于落石初始运动速度很小且斜坡段坡度较缓，落石运动过程中发生弹跳的可能很小，落石的运动模式为滑动滚动模式。

(3) 计算简图(如图2)

(4) 落石运动速度计算

斜坡段山坡为折线形山坡，共分两段，上陡下缓，停滞于斜坡段的落石，在降雨、地震等扰动下继续向下滚动，在斜坡上半段终端的运动速度v1和斜坡下半段防护网处的运动速度v2计算如下：

图2 落石运动计算简图

K=0.543-0.004 8α+0.000 162α2

式中，v1为落石在斜坡上半段终端的运动速度(m/s)；v2为落石在斜坡下半段防护网处的运动速度(m/s)；H1为斜坡上半段高度(m)；H2为防护网位置至斜坡上半段终端高度(m)；g为重力加速度(m/s2)；K为阻力特征系数；α为山坡坡度角(°)；μ为运动摩擦系数；ε为落石速度系数。落石运动速度计算结果如表1。

表1 落石运动速度计算结果表

根据计算，落石滚落至防护网处的速度为10.92 m/s，落石滚动实质上是一系列连续的、弹跳距离很小的、弹跳高度很低的抛物线运动。

(5) 落石的冲击动能计算

(6) SNS被动防护网设计

①型号选择

通过计算，最大落石冲击动能E=590 kJ，考虑一定的安全储备，根据《铁路沿线斜坡柔性安全防护网》(TB/T3089-2004)表2选用被动防护网。选用的防护网系统如下：

型号：RXI-075(拦截撞击能750 kJ以内的落石)。

网型：R7/3/300。

结构配置：钢柱+支撑绳+拉锚系统+缝合绳+减压环。

②防护网设置位置及网高

停滞于斜坡段的落石继续运动的运动模式为滑动滚动模式，实质上是一系列连续的、弹跳距离很小的、弹跳高度非常低的抛物线运动，按照相关标准及技术手册，防护网高度不宜低于3 m，因此，确定防护网高度为3 m。综合考虑施工方便、居民住宅分布及落石运动情况，选择落石散落区下部的现有铁丝围栏处，在同一等高线上(约430 m标高)设置被动防护网一道。

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HILLSIDE COLLAPSE GEOLOGICAL HAZARD MANAGEMENT ENGINEERING DESIGN IN DAOHUGOU VILLAGE KAZUO COUNTY OF LIAONING PROVINCE

LIU Zhan-mei

(Team 109 of The Bureau of Non-ferrous Geology of Liaoning Province，Chaoyang，Liaoning 122000，China)

In recent years, collapse rockfall geological hazard frequently occurred in the hilly areas of western Liaoning. Collapse geological hazard in Daohugou village Kazuo county is a typical collapse rockfall geological hazard of upper cliff dangerous rocks falling and lower slope falling rocks rolling. In western Liaoning area commonly used masonry structure as collapse geological hazard protection structure. Masonry structure exist many shortcomings. Comprehensively considering geological conditions of collapse geological hazard in Daohugou village, analysising its features, through a variety of governance scheme comparison and selection, determine using a combined plan of SNS active protection system and passive protection system. Through analysis and calculation, determine type of SNS active protection system and passive protection system. This paper provides a reference for similar collapse geological hazard governance scheme selection and SNS protection system type selection.

Daohugou village Kazuo county; collapse geological hazard; SNS protection system; management plan; protection system type selection

1006-4362(2017)02-0016-05

2017-03-17 改回日期： 2017-04-15

P642.21

A

刘占梅(1985- )，女，硕士，工程师，主要从事岩土工程和地质灾害防治工程工作，E-mail：liuzhanmei106@126.com