河北省平山縣大柳樹村崩塌地質(zhì)災害治理設計

1、河北省平山縣大柳樹村崩塌地質(zhì)災害治理設計第20卷第4期2009年12月中國地質(zhì)災害與防治TheChineseJournalofGeologicalHazardandControlVo1.2ONo.4Dec.2009河北省平山縣大柳樹村崩塌地質(zhì)災害治理設計王亞軍,王亞民,朱宏斌(1.華北有色工程勘察院,河北石家莊050021;2.湖北宏昌建筑勘測設計有限公司,湖北武漢430200)摘要:崩塌與落石是山區(qū)常見的一種地質(zhì)災害,傳統(tǒng)的治理方法多以圬工結構和鋼木結構為主,這些方法存在著材料用量大,施工強度大,破壞當?shù)卦忌鷳B(tài)環(huán)境,缺乏可靠的設計技術保障等缺點.為克服傳統(tǒng)治理方法的缺點,本文綜合考慮平山縣

2、大柳樹村崩塌發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境條件,并詳細分析地質(zhì)災害的發(fā)育特征后,進行設計方案比選,采用SNS柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)對其進行治理.作者通過現(xiàn)場實際工程地質(zhì)條件研究,確定基本計算參數(shù)和建立計算模型,計算了崩塌落石的運動能量及彈跳高度.根據(jù)計算結果,選用5m高RX一050型被動防護網(wǎng),達到防災減災的目的.關鍵詞:崩塌;SNS柔性防護網(wǎng)系統(tǒng);被動防護系統(tǒng);治理設計;河北省平山縣文章編號:10038035(2009)04000706中圖分類號:P642.21文獻標識碼:A1日IJ舌平山縣大柳樹村位于河北省西部,屬河北省與山西省的交界處.該村地處太行山東麓,山高谷深,溝壑縱橫,地質(zhì)環(huán)境條件復雜.大柳樹村村民集中居

3、住在北山腳下,北山西北側山頂危巖集中分布,四面臨空,呈懸崖狀.北山東南側山坡上不均勻分布有較多孤立狀基巖露頭,節(jié)理裂隙發(fā)育,表層巖體較破碎.受暴雨,爆破等外界因素的影響下,北山常有崩塌發(fā)生,脫離母巖的巖塊沿山坡滾落,滑落,毀壞村民房屋,阻擋交通,砸傷人畜.每逢暴雨均讓村民心生恐慌,提心吊膽,總擔心崩塌的巖塊會突然從天而降.崩塌地質(zhì)災害對山下大柳樹村居民的生命財產(chǎn)安全及交通構成了較大的威脅,影響村民身心健康,急需治理.2地質(zhì)環(huán)境條件2.1地形地貌大柳樹村位于太行山東麓,屬侵蝕構造中低山區(qū).海拔標高為+681一十1065m,相對高差為384m.山坡坡度多為45.左右,局部較陡峭.溝谷切割較深,多為

4、V字型溝谷.2.2氣象水文2.2.1氣象該區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候.四季分明,冬季寒冷少雪,春季干燥多風,夏季炎熱多雨,秋季晴朗少云.年平均氣溫12.8qC,極端最高氣溫42.1,最低氣溫一26.5.區(qū)內(nèi)降雨量變化較大,多年平均降水量560.3mm,年最大降水量1209mm(1996年),降水量多集中在69月份,占全年降水量80%以上,常發(fā)生大暴雨,最大日降雨量76mm(1999年).2.2.2水文該區(qū)屬滹沱河水系.滹沱河自西向東從大柳樹村北約8km處流過,滹沱河為常年性河流,屬海河流域子牙河水系.滹沱河發(fā)源于山西省繁峙縣,多年平均流量8.6210m3,年最大流量為2410m/s(1996年).

5、2.3地層巖性治理區(qū)大部分為基巖裸露,局部覆蓋有少量第四系殘坡積物.地層由老到新分述如下:(1)上太古界阜平群南營組(Am)在治理區(qū)內(nèi)廣泛分布,為一套花崗變質(zhì)巖.含較多黑云母,斜長石,巖性為黑云斜長片麻巖.呈灰黑色,片麻狀構造,變晶結構.結構致密,屬堅硬巖.(2)第四系(Q)山坡及山頂上的低洼處,存留有少量殘坡積物,厚度不一,零星分布.呈棕黃色,黃褐色,結構松散,厚度為0.10.5m.另外,在坡腳有洪坡積物,呈灰黃色,褐黃色,含少量碎石,厚度為0.8m左右.在溝谷中有砂礫卵石分布.2.4地質(zhì)構造與地震收稿日期:2oo90810;修回日期:2oo9一O828作者簡介:王亞軍(1977一),男,碩

6、士,主要從事地質(zhì)災害防治,環(huán)境地質(zhì)及巖土工程勘察與設計等工作.8中國地質(zhì)災害與防治ZH0NGGU0DIzHIZAIHAIYUFANGZHIXUEBAO2009正2.4.1地質(zhì)構造治理區(qū)所在的大地構造為,中朝準地臺的一個相對穩(wěn)定的級構造單元一山西斷隆的東部邊緣,屬新華夏構造體系.地處第三隆起帶的太行山隆起,主結構面呈NNE向.治理區(qū)未發(fā)現(xiàn)大的明顯構造,僅存在一些小的構造裂隙.2.4.2地震據(jù)平山縣縣志記載,該區(qū)域歷史上未發(fā)生過具有破壞性地震.依據(jù)中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖(CB183062001),治理區(qū)地震設防烈度為6度,地震動峰值加速度值為0.05g,地震動反應譜特征周期為0.45s.2.5水文地

7、質(zhì)條件治理區(qū)為黑云斜長片麻巖,富水性弱,透水性差,地下水類型為基巖裂隙水.地下水的補給來源主要是接受大氣降水,沿巖石裂隙垂直入滲,轉化為地下水.地下水動態(tài)基本屬于降水入滲一徑流型.治理區(qū)地形整體呈西南高東北低,沖溝發(fā)育,坡度較大,地下水排泄方式以天然排泄為主.水文地質(zhì)條件簡單.2.6巖體工程地質(zhì)特征治理區(qū)巖體為一套花崗變質(zhì)巖,巖性為黑云斜長片麻巖.結構致密,片麻狀構造,節(jié)理裂隙不甚發(fā)育,屬堅硬巖.用地質(zhì)錘錘擊巖體時,巖體錘擊聲清脆,有回彈,有震手反應,難擊碎.向巖體表面倒水時,水沿巖體表面流動,巖體基本無吸水反映.參考工程地質(zhì)手冊(第四版)表3142,3143,取黑云斜長片麻巖巖石密度為2.7

8、g/cm,巖石單軸飽和抗壓強度為160MPa,靜彈性模量為1.6lOMPa,承載力為4MPa,摩擦系數(shù)為0.70,粘聚力為31kPa.2.7人類工程經(jīng)濟活動隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增加,相應的人類工程經(jīng)濟活動也在不斷加劇.具體表現(xiàn)為:(1)過度放牧,陡坡開墾土地,破壞山上植被,破壞生態(tài)環(huán)境,為崩塌災害創(chuàng)造有利條件.(2)該村的大理巖,花崗巖的開采,開采過程中的爆破是誘發(fā)崩塌發(fā)生的主要因素之一.3崩塌災害特征3.1崩塌的災害歷史1996年7月,北山山頂西部的危巖體發(fā)生崩塌,巖塊滾落和滑落在山坡平緩處及出村的小路上,阻礙交通,崩塌巖塊體積為0.11.5m大小不等.1997年8月大雨時,北山山體東

9、側有0.11n13大小不等石塊滾落,砸毀房屋2間.1999年7月暴雨造成洪水,北山崩塌物隨雨水沿山坡滾落和滑落,該村房屋損壞10間.近年來,由于采石場的爆破及暴雨的影響,北山上常有巖石塊滾落至村莊及交通道路上.3.2崩塌災害危害對象大柳樹村位于河北省和山西省交界的偏遠山區(qū),該村北山崩塌地質(zhì)災害隱患直接威脅大柳樹村村民的生命財產(chǎn)的安全,崩塌產(chǎn)生的巖塊堵塞進出村莊的唯一道路,破壞耕地莊稼.該村地處暴雨多發(fā)區(qū),每逢暴雨,村民人心惶惶,提心吊膽,崩塌災害嚴重影響著村民的身心健康.北山崩塌災害主要的危害對象為:大柳樹村住戶50戶,房屋140間,人口258人;進出村道路約50m;耕地約2hrn2.3.3崩

10、塌的分布特征大柳樹村北山山坡高約50m,長約180m,坡度45.左右,面積約為12700m2.山體大部分基巖裸露,表層有少量不連續(xù)的薄層狀殘坡積土,長有雜草.山體西側山坡上局部巖體陡峭,節(jié)理裂隙發(fā)育,將巖體分割呈塊狀,危巖塊體積為0.11.5m.不等,呈近似長方體,柱狀,楔形狀等不規(guī)則形狀.目前狀況下,處于穩(wěn)定狀態(tài).在暴雨,爆破等外界因素的影響下,易形成大面積崩塌.最大危巖體臨空面近直立狀,該危巖體高約17m,東西寬約15m,南北長約18m.整個危巖崩塌體的體積約4590m3(照片1).巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,可見近垂直節(jié)理一組,共6條,產(chǎn)狀2O.78.,裂隙張開度115cm.可見近水平節(jié)理一組6條

11、,節(jié)理面產(chǎn)狀15.5.,張開度約110cm.北山東側山體上不均勻分布有較多孤立的基巖露頭,節(jié)理裂隙較發(fā)育,將露頭分割呈塊狀,各巖塊近似呈長方體,體積為0.11.5m不等,目前處于穩(wěn)定狀態(tài).在暴雨,放牧等外界因素的影響下,易沿山坡滑動和滾落(照片2).另外,北山山坡上無規(guī)律的分布有大量剝離母巖的孤石,塊石,在外界因素的影響下,易沿山坡滑動和滾落(照片3).3.4崩塌災害的形成條件3.4.1地形地貌第4期王亞軍,等:河北省平山縣大柳樹村崩塌地質(zhì)災害治理設計9照片1北山山體西側危巖體(鏡像:北西)Photo1Thedangerousrockmassonthewestofnorthmountain(m

12、irrorimage:northwest)照片2北山山體局部孤立巖體(鏡像:北)Photo2Thepartialisolatedrockmassonthenorthmountain(mirrorimage:north)照片3北山山坡上的孤石,塊石(鏡像:北西)Photo3Theisolatedstonesonthehillsideofnorthmountain(mirrorimage:northwest)大柳樹村北山具備高陡的地形地貌條件,山體大部分基巖出露,山坡高約50m,坡度45.左右,局部危巖體近直立狀,為巖塊的崩塌和滾動創(chuàng)造了條件.3.4.2巖體結構北山巖體為上太古界阜平群南營組黑云斜

13、長片麻巖,長期受風化剝蝕作用,表層節(jié)理裂隙發(fā)育,裸露巖體多被切割呈塊狀,在外界因素影響下,巖塊較易形成崩塌和滾落.3.4.3大氣降雨該區(qū)域每年69月份易降暴雨,大雨不但促進巖體進一步風化,也為崩塌提供了動力條件.3.4.4采石場爆破大柳樹村石材資源豐富,近年來,為增加經(jīng)濟收入,村民開始開采大理巖,花崗巖,爆破時產(chǎn)生的震動為北山巖體崩塌產(chǎn)生了動力條件.3.4.5隨意放牧在山坡上覆蓋有少量殘坡積土,長有野草,村民常在北山牧羊,羊群的活動,易造成山坡巖塊滑動和滾落,引發(fā)崩塌災害發(fā)生.3.5危巖破壞模式北山山體西側危巖體臨空面多近直立狀,危巖體后部存在與邊坡坡向一致的陡傾角貫通或斷續(xù)貫通的破壞面,危巖

14、體底部局部臨空,危巖體可能沿底部支點向臨空方向傾倒破壞,屬傾倒式破壞.北山山體東側的孤立的基巖露頭,多被節(jié)理裂隙分割呈塊狀,巖體后部存在與邊坡傾向一致的貫通或斷續(xù)貫通的破裂面,傾角較緩,危巖體沿著破壞面滑移破壞,屬滑塌式破壞.山體上其它的孤石,塊石,多在暴雨,放牧等外界因素影響下,沿山坡滑動滾落.4崩塌災害治理方案4.1治理工程方案比選(1)方案一:搬遷避讓該方案的設計思路是通過主動搬遷受崩塌災害威脅區(qū)域的住戶,采取主動避讓的方法,有效的防止人民生命財產(chǎn)的損失,達到防災減災的目的.直接受崩塌災害威脅的住戶為沿山居住的18戶人家,由于該村地處太行山東麓中低山區(qū),地形特征決定,搬遷l8戶人家,建房

15、所需用地存在困難,村里難以找到合適的地方建房.而且山區(qū)建房需要開挖地基,費用較高,平均按每戶8萬元計算搬遷費,光搬遷費需要144萬元.另外,崩塌威脅到現(xiàn)有進出村道路,再修一條進出村道路或者采取措施保護該道路,困難很大.(2)方案二:清除危巖體該方案的設計思路是直接消除崩塌災害產(chǎn)生的來源,清除北山上的危巖體,山坡上的孤石,滾石.10中國地質(zhì)災害與防治ZH0NGGUODIZHIZAIHAIYUFANGZHIXUEBA02009年北山高約50m,危巖威脅區(qū)長約170m,坡度45.左右,坡面面積約為12700m.要徹底消除隱患,需要將北山西側危巖體爆破除掉,西側山坡最大危巖體,臨空面近直立狀,高約17

16、m,東西寬約15m,南北長約18m,整個危巖崩塌體的體積約為4590m3.由于山坡陡峭,爆破施工不便,產(chǎn)生的廢石需要場地堆放,同時也造成新的環(huán)境問題.另外,在北山山坡遍地滾石,孤石,以及孤立基巖風化露頭,約12700m2山坡均需要清理,清理工程量很大,清理后的廢石需要場地堆放,將產(chǎn)生新的環(huán)境問題.危巖體清除按每立方米100元計算,清理孤石,塊石,按每立方米50元計算,該方案需要的治理費為109.4萬元,該方案治理費用較大.(3)方案三:主動加固危巖體該方案是采取工程措施主動加固北山危巖體,可以使用錨固法,掛網(wǎng)法,噴漿法等對北山危巖體進行加固,使危巖體穩(wěn)固,從而消除崩塌地質(zhì)災害.本方案,可以有效

17、的阻止崩塌災害的發(fā)生,但是由于坡高,坡度大,無工作面,施工難度很大,施工費用高.(4)方案四:坡腳修建緩沖溝該方案的設計思路是采取被動防護的措施,沿山坡坡腳修建一條具有一定寬度和深度的緩沖溝,使?jié)L落,滑落下來的巖塊落在緩沖溝內(nèi),避免沖進村莊造成損失.該方案需要開挖坡腳,北山山體多為基巖出露,開挖難度大,工程量大,開挖坡腳易造成滑坡等新的地質(zhì)災害出現(xiàn).(5)方案五:坡腳修建擋石墻在北山山坡腳修建擋石墻一道,攔截崩塌危巖塊.該方案工程量大,費用昂貴,且村后修建大型擋土墻存在安全隱患.(6)方案六:SNS柔性防護網(wǎng)SNS柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)自1995年從瑞士引入我國以來,已成功的應用于國內(nèi)鐵路,公路,水電

18、站,礦山和市政工程的上千個邊坡工程中,解決了傳統(tǒng)防治措施難以解決的大量難題,其可靠的安全保障性,施工的快速標準化和利于環(huán)保等綜合技術經(jīng)濟優(yōu)勢極其新穎而巧妙的防護觀念和設計思想,已被廣大工程技術界人員所認識和認同.該方案的設計思路是發(fā)生崩塌后進行有效攔截,達到減災防災的目的.SNS柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)采用的是一種開放式防護方法,按設計正確組織實施,較傳統(tǒng)的防治方法可節(jié)約大量資金,降低工程造價,不會引起新的環(huán)境問題,有效的保護治理區(qū)原始生態(tài)環(huán)境.4.2治理工程方案選擇根據(jù)大柳樹村實際地質(zhì)環(huán)境條件,以及北山崩塌災害的分布特征,結合崩塌災害的危害對象,綜合運用地質(zhì)學,環(huán)境學,農(nóng)林學,生態(tài)學,巖土工程學等相關

19、知識,按照經(jīng)濟合理,安全有效的原則,對大柳樹村北山崩塌災害防治工程采用:SNS柔性防護網(wǎng)治理方案.SNS柔性防護網(wǎng)在地質(zhì)災害治理工程中應用不多,本方案的實施,可以為今后同類工程探索積累相關經(jīng)驗.該方案還具有以下突出特點:(1)以柔克剛,攔截能力強.目前最大能及標準已達5000kJ,理論上可以承受質(zhì)量為10t的巨石以31.6m/s的速度直接沖擊.(2)整個防護設計思想表現(xiàn)為降落石動能成功轉化為系統(tǒng)變形能,使設計相對簡化.不需要考慮落石與擋石網(wǎng)之間的沖擊位置及力的相互作用,僅需根據(jù)現(xiàn)場條件進行落石計算,選用相應能級系統(tǒng).(3)SNS柔性防護網(wǎng)系統(tǒng)材料性能穩(wěn)定,安裝標準化,方便快捷,施工簡單,易操作

20、,防崩塌效果好.(4)工廠化生產(chǎn),標準化的設計安裝保證了系統(tǒng)的經(jīng)濟性能,造價低.(5)現(xiàn)場適應能力強,限制條件小,陡坡,溝壑均能適應,對原始景觀破壞少.5治理工程設計5.1基本設計參數(shù)(1)北山山坡參數(shù)坡度:45.;坡高:50m;坡長:170m.(2)最大危巖體參數(shù)坡度:近直立;最大高度:17m;危巖塊體積:0.11.5m3.(3)巖體參數(shù)巖性:黑云斜長片麻巖;密度:2.7g/em3.5.2計算簡圖根據(jù)實際情況,取大柳樹村北山最大危巖體進行計算,計算簡圖如下圖1所示.5.3落石運動速度計算第4期王亞軍,等:河北省平山縣大柳樹村崩塌地質(zhì)災害治理設計圖1危巖崩塌落石計算簡圖Fig.1Thecalc

21、ulationdiagramabouttherockfallfromthedangerousrockmass危巖體臨空面近直立狀,危巖塊在開始17m的下落階段近似按自由落體運動對危巖塊進行初速度計算.巖塊自危巖體低端向坡下運動的反射切線分速度,運用崩塌與落石(胡厚田,中國鐵道出版社)第87頁公式67和第90頁表68進行計算.設崩塌危巖塊崩塌至緩坡坡面時的速度為,取沿山坡向前運動的反射切線瞬時分速度為.,則:=/2gHI0=(1一)VCOS(口l一口)其中:落石與坡面初次碰撞時的速度(m/s);日危巖體高度(m),取17m;重力加速度(m/s),取10m/s;Vo落石與坡面第一次碰撞后反射速度(

22、m/S);瞬時摩擦系數(shù),查表取0.3;a危巖體坡度(.),取90.;山坡坡度角(.),取45o.代人參數(shù),計算得:=18.4m/s,.=9.1m/s.5.4落石對斜坡面的最大偏離lm.x計算落石對斜坡面的最大偏離z,運用崩塌與落石(胡厚田,中國鐵道出版社)第92頁公式615和第95頁公式616進行計算.(tanacotf1)一2gtan口(1+cot)200十2a(1一番)p=-二Vo其中:z落石對斜面的最大偏離(m);Vo落石與坡面第一次碰撞后反射速度,取9.1m/s;a山坡坡度角(.),取45.;落石反射速度.的方向與縱坐標軸問的夾角(o).代人參數(shù),計算得:95.8.,z=5.0m.5.

23、5落石對斜坡面的最大偏離計算落石對斜坡面的最大偏離h,運用崩塌與落石(胡厚田,中國鐵道出版社)第95頁公式617進行計算.,(tan口一cotf1)其中:落石對斜坡面的最大偏離,m;落石與坡面初次碰撞時的速度,取18.4m/s;a山坡坡度角(.),取45.;落石反射速度v0的方向與縱坐標軸間的夾角,取95.8.;重力加速度(m/s),取10m/s.代人參數(shù),計算得:=5.0m.5.6落石撞擊能E計算根據(jù)查爾斯(Chasles)理論,落石撞擊能E為運動能my與滾動能之和,這里運用危巖防治原理(陳洪凱,地震出版社)第90頁經(jīng)驗公式5.63進行計算.E=0.6mvmmm其中:E落石的撞擊能(kJ);

24、m落石質(zhì)量(kg);.落石與坡面第一次碰撞后反射速度,取9.1m/s;m一預計最大落石的質(zhì)量(kg);p落石密度,取2.7g/cm;Vmax預計最大落石的體積,取1.5m.代人參數(shù),計算得:m=4.0510kg,E=201kJ.5.7SNS被動防護網(wǎng)設計5.7.1型號選擇通過計算,最大落石撞擊能E=201kJ,考慮一定的安全儲備,根據(jù)鐵路沿線斜坡柔性安全防護網(wǎng)(TB/T30892004)表2選用被動防護網(wǎng).選用的防護網(wǎng)系統(tǒng)如下:H12中國地質(zhì)災害與防治ZHONGGUODIZHIZAIHAIYUFANGZHIXUEBAO2009正型號:RX一050.網(wǎng)型:D0/08/200.結構配置:鋼柱+支撐

25、繩+拉錨系統(tǒng)+縫合繩+減壓環(huán).5.7.2防護網(wǎng)離危巖邊的距離及網(wǎng)高通過上述計算,可確定出危巖塊在距離危巖體坡底水平方向5.0m范圍內(nèi),可產(chǎn)生的滾動跳躍最大高度為5.0m,遠離危巖體順坡滾動跳躍高度逐漸降低.綜合考慮施工方便及危巖的分布情況,選擇距離危巖體坡腳水平距離約20m的平緩處,在一條等高線上設置被動防護網(wǎng)一道.被動防護網(wǎng)高度取b=一=5m.5.7.3鋼繩錨桿長度及抗拔力選用被動網(wǎng)高度b=5m,根據(jù)鐵路沿線斜坡柔性安全防護網(wǎng)(TB/T30892004)附錄B,表B.1,選用鋼繩錨桿長度(m)/抗拔力(kN).(1)上拉錨桿:2m/50kN.(2)側拉錨桿:2.5m/60kN.(3)下拉錨桿

26、:2m/50kN.(4)中間加固錨桿:2m/50kN.(5)鋼繩錨桿孔徑應大于鋼繩直徑15mm.(6)錨固體砂漿標號不低于M20.6結論(1)大柳樹村北山崩塌災害防治工程采用SNS柔性防護網(wǎng)治理方案,改變了傳統(tǒng)的剛性或低強度低柔性的設計方法,運用高強度柔性結構達到減災防災的目的.(2)治理工程的實施,不影響原始生態(tài)環(huán)境,亦不會引起新的環(huán)境問題.(3)該設計方案使施工安裝標準化,技術簡單,施工快捷,治理費用低.參考文獻:1工程地質(zhì)手冊編委會.工程地質(zhì)手冊(第四版)M.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007:165170.2胡厚田.崩塌與落石M.北京:中國鐵道出版社,1989:71105.3陳洪凱.危

27、巖防治原理M.北京:地震出版社,2006:679O.4TB/T30892004.鐵路沿線斜坡柔性安全防護網(wǎng)s.TheDesigningaboutgeologicaldisasterofrockFallTreatmentWorkinDaliushuVillageofPingshanCounty,HebeiProvinceWANGYajun,WANGYa.min,ZHUHong.bin(1.NorthChinaEngineeringInvestigationInstitute,Shijiazhuang050021,China;2.HubeiHongchangConstructionSueyDesigningLimitedCompany,Wuhan430200,China)Abstract:Therockfallisakindofcommongeologicaldisasterinthemountainousarea,andthemasonrystructureandthesteal-woodconstructionaretraditionalmethodstomanagetherockfal1.Thesetraditionalmeasuresh