河北省平山县大柳树村崩塌地质灾害治理设计

1、河北省平山县大柳树村崩塌地质灾害治理设计第20卷第4期2009年12月中国地质灾害与防治TheChineseJournalofGeologicalHazardandControlVo1.2ONo.4Dec.2009河北省平山县大柳树村崩塌地质灾害治理设计王亚军,王亚民,朱宏斌(1.华北有色工程勘察院,河北石家庄050021;2.湖北宏昌建筑勘测设计有限公司,湖北武汉430200)摘要:崩塌与落石是山区常见的一种地质灾害,传统的治理方法多以圬工结构和钢木结构为主,这些方法存在着材料用量大,施工强度大,破坏当地原始生态环境,缺乏可靠的设计技术保障等缺点.为克服传统治理方法的缺点,本文综合考虑平山县

2、大柳树村崩塌发育的地质环境条件,并详细分析地质灾害的发育特征后,进行设计方案比选,采用SNS柔性防护网系统对其进行治理.作者通过现场实际工程地质条件研究,确定基本计算参数和建立计算模型,计算了崩塌落石的运动能量及弹跳高度.根据计算结果,选用5m高RX一050型被动防护网,达到防灾减灾的目的.关键词:崩塌;SNS柔性防护网系统;被动防护系统;治理设计;河北省平山县文章编号:10038035(2009)04000706中图分类号:P642.21文献标识码:A1日IJ舌平山县大柳树村位于河北省西部,属河北省与山西省的交界处.该村地处太行山东麓,山高谷深,沟壑纵横,地质环境条件复杂.大柳树村村民集中居

3、住在北山脚下,北山西北侧山顶危岩集中分布,四面临空,呈悬崖状.北山东南侧山坡上不均匀分布有较多孤立状基岩露头,节理裂隙发育,表层岩体较破碎.受暴雨,爆破等外界因素的影响下,北山常有崩塌发生,脱离母岩的岩块沿山坡滚落,滑落,毁坏村民房屋,阻挡交通,砸伤人畜.每逢暴雨均让村民心生恐慌,提心吊胆,总担心崩塌的岩块会突然从天而降.崩塌地质灾害对山下大柳树村居民的生命财产安全及交通构成了较大的威胁,影响村民身心健康,急需治理.2地质环境条件2.1地形地貌大柳树村位于太行山东麓,属侵蚀构造中低山区.海拔标高为+681一十1065m,相对高差为384m.山坡坡度多为45.左右,局部较陡峭.沟谷切割较深,多为

4、V字型沟谷.2.2气象水文2.2.1气象该区属温带大陆性季风气候.四季分明,冬季寒冷少雪,春季干燥多风,夏季炎热多雨,秋季晴朗少云.年平均气温12.8qC,极端最高气温42.1,最低气温一26.5.区内降雨量变化较大,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,常发生大暴雨,最大日降雨量76mm(1999年).2.2.2水文该区属滹沱河水系.滹沱河自西向东从大柳树村北约8km处流过,滹沱河为常年性河流,属海河流域子牙河水系.滹沱河发源于山西省繁峙县,多年平均流量8.6210m3,年最大流量为2410m/s(1996年).

5、2.3地层岩性治理区大部分为基岩裸露,局部覆盖有少量第四系残坡积物.地层由老到新分述如下:(1)上太古界阜平群南营组(Am)在治理区内广泛分布,为一套花岗变质岩.含较多黑云母,斜长石,岩性为黑云斜长片麻岩.呈灰黑色,片麻状构造,变晶结构.结构致密,属坚硬岩.(2)第四系(Q)山坡及山顶上的低洼处,存留有少量残坡积物,厚度不一,零星分布.呈棕黄色,黄褐色,结构松散,厚度为0.10.5m.另外,在坡脚有洪坡积物,呈灰黄色,褐黄色,含少量碎石,厚度为0.8m左右.在沟谷中有砂砾卵石分布.2.4地质构造与地震收稿日期:2oo90810;修回日期:2oo9一O828作者简介:王亚军(1977一),男,硕

6、士,主要从事地质灾害防治,环境地质及岩土工程勘察与设计等工作.8中国地质灾害与防治ZH0NGGU0DIzHIZAIHAIYUFANGZHIXUEBAO2009正2.4.1地质构造治理区所在的大地构造为,中朝准地台的一个相对稳定的级构造单元一山西断隆的东部边缘,属新华夏构造体系.地处第三隆起带的太行山隆起,主结构面呈NNE向.治理区未发现大的明显构造,仅存在一些小的构造裂隙.2.4.2地震据平山县县志记载,该区域历史上未发生过具有破坏性地震.依据中国地震动参数区划图(CB183062001),治理区地震设防烈度为6度,地震动峰值加速度值为0.05g,地震动反应谱特征周期为0.45s.2.5水文地

7、质条件治理区为黑云斜长片麻岩,富水性弱,透水性差,地下水类型为基岩裂隙水.地下水的补给来源主要是接受大气降水,沿岩石裂隙垂直入渗,转化为地下水.地下水动态基本属于降水入渗一径流型.治理区地形整体呈西南高东北低,冲沟发育,坡度较大,地下水排泄方式以天然排泄为主.水文地质条件简单.2.6岩体工程地质特征治理区岩体为一套花岗变质岩,岩性为黑云斜长片麻岩.结构致密,片麻状构造,节理裂隙不甚发育,属坚硬岩.用地质锤锤击岩体时,岩体锤击声清脆,有回弹,有震手反应,难击碎.向岩体表面倒水时,水沿岩体表面流动,岩体基本无吸水反映.参考工程地质手册(第四版)表3142,3143,取黑云斜长片麻岩岩石密度为2.7

8、g/cm,岩石单轴饱和抗压强度为160MPa,静弹性模量为1.6lOMPa,承载力为4MPa,摩擦系数为0.70,粘聚力为31kPa.2.7人类工程经济活动随着社会经济的发展和人口的增加,相应的人类工程经济活动也在不断加剧.具体表现为:(1)过度放牧,陡坡开垦土地,破坏山上植被,破坏生态环境,为崩塌灾害创造有利条件.(2)该村的大理岩,花岗岩的开采,开采过程中的爆破是诱发崩塌发生的主要因素之一.3崩塌灾害特征3.1崩塌的灾害历史1996年7月,北山山顶西部的危岩体发生崩塌,岩块滚落和滑落在山坡平缓处及出村的小路上,阻碍交通,崩塌岩块体积为0.11.5m大小不等.1997年8月大雨时,北山山体东

9、侧有0.11n13大小不等石块滚落,砸毁房屋2间.1999年7月暴雨造成洪水,北山崩塌物随雨水沿山坡滚落和滑落,该村房屋损坏10间.近年来,由于采石场的爆破及暴雨的影响,北山上常有岩石块滚落至村庄及交通道路上.3.2崩塌灾害危害对象大柳树村位于河北省和山西省交界的偏远山区,该村北山崩塌地质灾害隐患直接威胁大柳树村村民的生命财产的安全,崩塌产生的岩块堵塞进出村庄的唯一道路,破坏耕地庄稼.该村地处暴雨多发区,每逢暴雨,村民人心惶惶,提心吊胆,崩塌灾害严重影响着村民的身心健康.北山崩塌灾害主要的危害对象为:大柳树村住户50户,房屋140间,人口258人;进出村道路约50m;耕地约2hrn2.3.3崩

10、塌的分布特征大柳树村北山山坡高约50m,长约180m,坡度45.左右,面积约为12700m2.山体大部分基岩裸露,表层有少量不连续的薄层状残坡积土,长有杂草.山体西侧山坡上局部岩体陡峭,节理裂隙发育,将岩体分割呈块状,危岩块体积为0.11.5m.不等,呈近似长方体,柱状,楔形状等不规则形状.目前状况下,处于稳定状态.在暴雨,爆破等外界因素的影响下,易形成大面积崩塌.最大危岩体临空面近直立状,该危岩体高约17m,东西宽约15m,南北长约18m.整个危岩崩塌体的体积约4590m3(照片1).岩体节理裂隙发育,可见近垂直节理一组,共6条,产状2O.78.,裂隙张开度115cm.可见近水平节理一组6条

11、,节理面产状15.5.,张开度约110cm.北山东侧山体上不均匀分布有较多孤立的基岩露头,节理裂隙较发育,将露头分割呈块状,各岩块近似呈长方体,体积为0.11.5m不等,目前处于稳定状态.在暴雨,放牧等外界因素的影响下,易沿山坡滑动和滚落(照片2).另外,北山山坡上无规律的分布有大量剥离母岩的孤石,块石,在外界因素的影响下,易沿山坡滑动和滚落(照片3).3.4崩塌灾害的形成条件3.4.1地形地貌第4期王亚军,等:河北省平山县大柳树村崩塌地质灾害治理设计9照片1北山山体西侧危岩体(镜像:北西)Photo1Thedangerousrockmassonthewestofnorthmountain(m

12、irrorimage:northwest)照片2北山山体局部孤立岩体(镜像:北)Photo2Thepartialisolatedrockmassonthenorthmountain(mirrorimage:north)照片3北山山坡上的孤石,块石(镜像:北西)Photo3Theisolatedstonesonthehillsideofnorthmountain(mirrorimage:northwest)大柳树村北山具备高陡的地形地貌条件,山体大部分基岩出露,山坡高约50m,坡度45.左右,局部危岩体近直立状,为岩块的崩塌和滚动创造了条件.3.4.2岩体结构北山岩体为上太古界阜平群南营组黑云斜

13、长片麻岩,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.3.4.3大气降雨该区域每年69月份易降暴雨,大雨不但促进岩体进一步风化,也为崩塌提供了动力条件.3.4.4采石场爆破大柳树村石材资源丰富,近年来,为增加经济收入,村民开始开采大理岩,花岗岩,爆破时产生的震动为北山岩体崩塌产生了动力条件.3.4.5随意放牧在山坡上覆盖有少量残坡积土,长有野草,村民常在北山牧羊,羊群的活动,易造成山坡岩块滑动和滚落,引发崩塌灾害发生.3.5危岩破坏模式北山山体西侧危岩体临空面多近直立状,危岩体后部存在与边坡坡向一致的陡倾角贯通或断续贯通的破坏面,危岩

14、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.北山山体东侧的孤立的基岩露头,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.山体上其它的孤石,块石,多在暴雨,放牧等外界因素影响下,沿山坡滑动滚落.4崩塌灾害治理方案4.1治理工程方案比选(1)方案一:搬迁避让该方案的设计思路是通过主动搬迁受崩塌灾害威胁区域的住户,采取主动避让的方法,有效的防止人民生命财产的损失,达到防灾减灾的目的.直接受崩塌灾害威胁的住户为沿山居住的18户人家,由于该村地处太行山东麓中低山区,地形特征决定,搬迁l8户人家,建房

15、所需用地存在困难,村里难以找到合适的地方建房.而且山区建房需要开挖地基,费用较高,平均按每户8万元计算搬迁费,光搬迁费需要144万元.另外,崩塌威胁到现有进出村道路,再修一条进出村道路或者采取措施保护该道路,困难很大.(2)方案二:清除危岩体该方案的设计思路是直接消除崩塌灾害产生的来源,清除北山上的危岩体,山坡上的孤石,滚石.10中国地质灾害与防治ZH0NGGUODIZHIZAIHAIYUFANGZHIXUEBA02009年北山高约50m,危岩威胁区长约170m,坡度45.左右,坡面面积约为12700m.要彻底消除隐患,需要将北山西侧危岩体爆破除掉,西侧山坡最大危岩体,临空面近直立状,高约17

16、m,东西宽约15m,南北长约18m,整个危岩崩塌体的体积约为4590m3.由于山坡陡峭,爆破施工不便,产生的废石需要场地堆放,同时也造成新的环境问题.另外,在北山山坡遍地滚石,孤石,以及孤立基岩风化露头,约12700m2山坡均需要清理,清理工程量很大,清理后的废石需要场地堆放,将产生新的环境问题.危岩体清除按每立方米100元计算,清理孤石,块石,按每立方米50元计算,该方案需要的治理费为109.4万元,该方案治理费用较大.(3)方案三:主动加固危岩体该方案是采取工程措施主动加固北山危岩体,可以使用锚固法,挂网法,喷浆法等对北山危岩体进行加固,使危岩体稳固,从而消除崩塌地质灾害.本方案,可以有效

17、的阻止崩塌灾害的发生,但是由于坡高,坡度大,无工作面,施工难度很大,施工费用高.(4)方案四:坡脚修建缓冲沟该方案的设计思路是采取被动防护的措施,沿山坡坡脚修建一条具有一定宽度和深度的缓冲沟,使滚落,滑落下来的岩块落在缓冲沟内,避免冲进村庄造成损失.该方案需要开挖坡脚,北山山体多为基岩出露,开挖难度大,工程量大,开挖坡脚易造成滑坡等新的地质灾害出现.(5)方案五:坡脚修建挡石墙在北山山坡脚修建挡石墙一道,拦截崩塌危岩块.该方案工程量大,费用昂贵,且村后修建大型挡土墙存在安全隐患.(6)方案六:SNS柔性防护网SNS柔性防护网系统自1995年从瑞士引入我国以来,已成功的应用于国内铁路,公路,水电

18、站,矿山和市政工程的上千个边坡工程中,解决了传统防治措施难以解决的大量难题,其可靠的安全保障性,施工的快速标准化和利于环保等综合技术经济优势极其新颖而巧妙的防护观念和设计思想,已被广大工程技术界人员所认识和认同.该方案的设计思路是发生崩塌后进行有效拦截,达到减灾防灾的目的.SNS柔性防护网系统采用的是一种开放式防护方法,按设计正确组织实施,较传统的防治方法可节约大量资金,降低工程造价,不会引起新的环境问题,有效的保护治理区原始生态环境.4.2治理工程方案选择根据大柳树村实际地质环境条件,以及北山崩塌灾害的分布特征,结合崩塌灾害的危害对象,综合运用地质学,环境学,农林学,生态学,岩土工程学等相关

19、知识,按照经济合理,安全有效的原则,对大柳树村北山崩塌灾害防治工程采用:SNS柔性防护网治理方案.SNS柔性防护网在地质灾害治理工程中应用不多,本方案的实施,可以为今后同类工程探索积累相关经验.该方案还具有以下突出特点:(1)以柔克刚,拦截能力强.目前最大能及标准已达5000kJ,理论上可以承受质量为10t的巨石以31.6m/s的速度直接冲击.(2)整个防护设计思想表现为降落石动能成功转化为系统变形能,使设计相对简化.不需要考虑落石与挡石网之间的冲击位置及力的相互作用,仅需根据现场条件进行落石计算,选用相应能级系统.(3)SNS柔性防护网系统材料性能稳定,安装标准化,方便快捷,施工简单,易操作

20、,防崩塌效果好.(4)工厂化生产,标准化的设计安装保证了系统的经济性能,造价低.(5)现场适应能力强,限制条件小,陡坡,沟壑均能适应,对原始景观破坏少.5治理工程设计5.1基本设计参数(1)北山山坡参数坡度:45.;坡高:50m;坡长:170m.(2)最大危岩体参数坡度:近直立;最大高度:17m;危岩块体积:0.11.5m3.(3)岩体参数岩性:黑云斜长片麻岩;密度:2.7g/em3.5.2计算简图根据实际情况,取大柳树村北山最大危岩体进行计算,计算简图如下图1所示.5.3落石运动速度计算第4期王亚军,等:河北省平山县大柳树村崩塌地质灾害治理设计图1危岩崩塌落石计算简图Fig.1Thecalc

21、ulationdiagramabouttherockfallfromthedangerousrockmass危岩体临空面近直立状,危岩块在开始17m的下落阶段近似按自由落体运动对危岩块进行初速度计算.岩块自危岩体低端向坡下运动的反射切线分速度,运用崩塌与落石(胡厚田,中国铁道出版社)第87页公式67和第90页表68进行计算.设崩塌危岩块崩塌至缓坡坡面时的速度为,取沿山坡向前运动的反射切线瞬时分速度为.,则:=/2gHI0=(1一)VCOS(口l一口)其中:落石与坡面初次碰撞时的速度(m/s);日危岩体高度(m),取17m;重力加速度(m/s),取10m/s;Vo落石与坡面第一次碰撞后反射速度(

22、m/S);瞬时摩擦系数,查表取0.3;a危岩体坡度(.),取90.;山坡坡度角(.),取45o.代人参数,计算得:=18.4m/s,.=9.1m/s.5.4落石对斜坡面的最大偏离lm.x计算落石对斜坡面的最大偏离z,运用崩塌与落石(胡厚田,中国铁道出版社)第92页公式615和第95页公式616进行计算.(tanacotf1)一2gtan口(1+cot)200十2a(1一番)p=-二Vo其中:z落石对斜面的最大偏离(m);Vo落石与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.的方向与纵坐标轴问的夹角(o).代人参数,计算得:95.8.,z=5.0m.5.

23、5落石对斜坡面的最大偏离计算落石对斜坡面的最大偏离h,运用崩塌与落石(胡厚田,中国铁道出版社)第95页公式617进行计算.,(tan口一cotf1)其中:落石对斜坡面的最大偏离,m;落石与坡面初次碰撞时的速度,取18.4m/s;a山坡坡度角(.),取45.;落石反射速度v0的方向与纵坐标轴间的夹角,取95.8.;重力加速度(m/s),取10m/s.代人参数,计算得:=5.0m.5.6落石撞击能E计算根据查尔斯(Chasles)理论,落石撞击能E为运动能my与滚动能之和,这里运用危岩防治原理(陈洪凯,地震出版社)第90页经验公式5.63进行计算.E=0.6mvmmm其中:E落石的撞击能(kJ);

24、m落石质量(kg);.落石与坡面第一次碰撞后反射速度,取9.1m/s;m一预计最大落石的质量(kg);p落石密度,取2.7g/cm;Vmax预计最大落石的体积,取1.5m.代人参数,计算得:m=4.0510kg,E=201kJ.5.7SNS被动防护网设计5.7.1型号选择通过计算,最大落石撞击能E=201kJ,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/T30892004)表2选用被动防护网.选用的防护网系统如下:H12中国地质灾害与防治ZHONGGUODIZHIZAIHAIYUFANGZHIXUEBAO2009正型号:RX一050.网型:D0/08/200.结构配置:钢柱+支撑

25、绳+拉锚系统+缝合绳+减压环.5.7.2防护网离危岩边的距离及网高通过上述计算,可确定出危岩块在距离危岩体坡底水平方向5.0m范围内,可产生的滚动跳跃最大高度为5.0m,远离危岩体顺坡滚动跳跃高度逐渐降低.综合考虑施工方便及危岩的分布情况,选择距离危岩体坡脚水平距离约20m的平缓处,在一条等高线上设置被动防护网一道.被动防护网高度取b=一=5m.5.7.3钢绳锚杆长度及抗拔力选用被动网高度b=5m,根据铁路沿线斜坡柔性安全防护网(TB/T30892004)附录B,表B.1,选用钢绳锚杆长度(m)/抗拔力(kN).(1)上拉锚杆:2m/50kN.(2)侧拉锚杆:2.5m/60kN.(3)下拉锚杆

26、:2m/50kN.(4)中间加固锚杆:2m/50kN.(5)钢绳锚杆孔径应大于钢绳直径15mm.(6)锚固体砂浆标号不低于M20.6结论(1)大柳树村北山崩塌灾害防治工程采用SNS柔性防护网治理方案,改变了传统的刚性或低强度低柔性的设计方法,运用高强度柔性结构达到减灾防灾的目的.(2)治理工程的实施,不影响原始生态环境,亦不会引起新的环境问题.(3)该设计方案使施工安装标准化,技术简单,施工快捷,治理费用低.参考文献:1工程地质手册编委会.工程地质手册(第四版)M.北京:中国建筑工业出版社,2007:165170.2胡厚田.崩塌与落石M.北京:中国铁道出版社,1989:71105.3陈洪凯.危

27、岩防治原理M.北京:地震出版社,2006:679O.4TB/T30892004.铁路沿线斜坡柔性安全防护网s.TheDesigningaboutgeologicaldisasterofrockFallTreatmentWorkinDaliushuVillageofPingshanCounty,HebeiProvinceWANGYajun,WANGYa.min,ZHUHong.bin(1.NorthChinaEngineeringInvestigationInstitute,Shijiazhuang050021,China;2.HubeiHongchangConstructionSueyDesigningLimitedCompany,Wuhan430200,China)Abstract:Therockfallisakindofcommongeologicaldisasterinthemountainousarea,andthemasonrystructureandthesteal-woodconstructionaretraditionalmethodstomanagetherockfal1.Thesetraditionalmeasuresh