北京市戒臺(tái)寺滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及預(yù)警模型研究

陳國(guó)滸，王海芝，任凱珍

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

北京市戒臺(tái)寺滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及預(yù)警模型研究

陳國(guó)滸，王海芝，任凱珍

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

在綜合分析北京市戒臺(tái)寺滑坡地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對(duì)滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，建立了預(yù)警模型。

滑坡；穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；預(yù)警模型

戒臺(tái)寺滑坡位于北京市門(mén)頭溝區(qū)的馬鞍山北麓，距京城35km，滑坡范圍南起寺院內(nèi)，北至石門(mén)溝底，東西界兩側(cè)為自然溝。

自2004年雨季以來(lái)，戒臺(tái)寺院內(nèi)地坪及部分殿堂的原有裂縫開(kāi)始明顯增大，108國(guó)道多處剪斷下陷，最大下錯(cuò)臺(tái)坎高達(dá)70cm；108國(guó)道的北坡體，產(chǎn)生了幾道橫切南北向山梁的裂縫；山梁的西側(cè)洼地秋坡村發(fā)生地面沉陷、房屋開(kāi)裂。2005年春融時(shí)地面變形突然加速，最大位移量達(dá)6mm/日，千年古剎岌岌可危[1~4]。

為了遏制滑坡變形加大，中鐵西北科學(xué)研究院牽頭于2005年對(duì)戒臺(tái)寺滑坡進(jìn)行了治理，到2009年戒臺(tái)寺寺院內(nèi)變形得到了有效控制，滑坡基本處于穩(wěn)定；但其滑坡前緣仍存在多處安全隱患，畫(huà)家院子內(nèi)地面仍有拉張變形。另外，秋坡村、石門(mén)溝等區(qū)域因不在治理范圍內(nèi)，存在危險(xiǎn)，需進(jìn)一步治理。

本文分析了北京市戒臺(tái)寺滑坡工程地質(zhì)條件，計(jì)算了戒臺(tái)寺滑坡在不同工況條件下的穩(wěn)定性系數(shù)，建立了氣象預(yù)警模型，對(duì)模型進(jìn)行了檢驗(yàn)，取得了較好的結(jié)果。

1 戒臺(tái)寺滑坡形成的地形地質(zhì)條件和人為因素

戒臺(tái)寺滑坡處于近南北山梁，屬低山剝蝕地貌單元。

戒臺(tái)寺周?chē)鷧^(qū)域歷經(jīng)多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，地質(zhì)構(gòu)造以近東西向（或北東東）向和北北東向（或近南北向）為主，北東向和北西西向構(gòu)造次之。因多期構(gòu)造作用，戒臺(tái)寺地段被割裂呈現(xiàn)多塊狀，為發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害提供了基礎(chǔ)。

戒臺(tái)寺滑坡體巖層主要為C2 - C3 煤系地層，巖層軟硬相間。軟弱層強(qiáng)度低，常沿軟弱面發(fā)生滑動(dòng)變形。

戒臺(tái)寺滑坡體之地形多以緩坡和多級(jí)平臺(tái)組成，雨季大量匯水和戒臺(tái)寺內(nèi)生活用水入滲，是誘發(fā)滑坡的主要因素。

近些年來(lái)，采礦規(guī)模擴(kuò)大，對(duì)山體的擾動(dòng)進(jìn)一步加劇。馬鞍山南側(cè)首鋼、永昌、石龍、育德采石場(chǎng)的大藥量爆破，其強(qiáng)度相當(dāng)于強(qiáng)地震，在采石場(chǎng)爆破的頻繁作用下，坡體內(nèi)的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展張開(kāi)，降低了軟弱巖層的強(qiáng)度。另外，開(kāi)山筑路、壘壩造田等工程也是誘發(fā)或加劇滑坡的因素。

2 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算與評(píng)價(jià)

本文采用理正巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析軟件計(jì)算戒臺(tái)寺滑坡的穩(wěn)定性系數(shù),并對(duì)戒臺(tái)寺滑坡宏觀控制，進(jìn)行定性和定量的評(píng)價(jià)。

2.1計(jì)算剖面選取

根據(jù)戒臺(tái)寺滑坡的變形狀態(tài)和勘察資料，認(rèn)為該滑坡具多級(jí)、多塊的特征?；轮髌拭娴幕娉收劬€(xiàn)形，選取具有代表性的主滑面滑坡穩(wěn)定性計(jì)算，進(jìn)行定量評(píng)價(jià)（圖1）。

2.2計(jì)算工況及參數(shù)選取

（1）計(jì)算工況選取

本次選取了以下5種工況條件，評(píng)價(jià)戒臺(tái)寺滑坡的穩(wěn)定性。

圖1 戒臺(tái)寺滑坡主滑剖面示意圖

工況一：天然狀態(tài)，即戒臺(tái)寺滑坡發(fā)生前的狀態(tài)。

工況二：天然狀態(tài)+采礦爆破。戒臺(tái)寺寺院后山采礦爆破震動(dòng)會(huì)對(duì)戒臺(tái)寺滑坡產(chǎn)生影響，設(shè)定爆破所產(chǎn)生的影響等同于Ⅵ規(guī)模的地震烈度，其基本地震加速度為0.05g。

工況三：天然狀態(tài)+暴雨。戒臺(tái)寺滑坡巖土體呈飽水狀態(tài)。

工況四：天然狀態(tài)+采礦爆破+暴雨。采礦爆破同時(shí)受暴雨影響（巖土體飽水）。

工況五：天然狀態(tài)+地震。據(jù)既有的資料分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2001劃分，戒臺(tái)寺周邊抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g。

（2）物理力學(xué)參數(shù)取值

戒臺(tái)寺滑坡的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)的確定，主要根據(jù)戒臺(tái)寺滑坡的地質(zhì)環(huán)境條件、滑坡性質(zhì)、環(huán)境變化，同時(shí)參考巖土試驗(yàn)指標(biāo)、類(lèi)似工程實(shí)例的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)，綜合確定選取的力學(xué)參數(shù)值列入表1。

表1 不同工況條件下滑坡體各物理力學(xué)參數(shù)取值

穩(wěn)定性系數(shù)在1.05以下的說(shuō)明滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，工況三、工況四、工況五情況下滑坡均易發(fā)生失穩(wěn)破壞。戒臺(tái)寺滑坡2004年在一場(chǎng)大暴雨中發(fā)生失穩(wěn)變形，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況比較符合。

2.3計(jì)算結(jié)果

本文采用理正巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析軟件計(jì)算戒臺(tái)寺滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 不同工況條件下滑坡安全系數(shù)

穩(wěn)定性系數(shù)在1.05以下的說(shuō)明滑坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，工況三、工況四、工況五情況下滑坡均易發(fā)生失穩(wěn)破壞。戒臺(tái)寺滑坡2004年在一場(chǎng)大暴雨中發(fā)生失穩(wěn)變形，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況比較符合。

3 戒臺(tái)寺滑坡預(yù)警模型研究

國(guó)內(nèi)外針對(duì)單點(diǎn)滑坡災(zāi)害的預(yù)警研究大體分為兩種類(lèi)型：一類(lèi)是以滑坡災(zāi)害位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)研究；另一類(lèi)是基于大氣降水觀測(cè)，研究降水量、降水強(qiáng)度和降水過(guò)程與滑坡災(zāi)害的空間分布、時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立滑坡災(zāi)害時(shí)空分布與降水過(guò)程的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警。以上兩種研究途徑各有側(cè)重，前者強(qiáng)調(diào)滑坡災(zāi)害位移機(jī)理研究，后者強(qiáng)調(diào)滑坡災(zāi)害受外界觸發(fā)因素影響的統(tǒng)計(jì)學(xué)研究。本文主要通過(guò)調(diào)查及分析戒臺(tái)寺滑坡的基礎(chǔ)資料，從氣象角度對(duì)地區(qū)滑坡災(zāi)害的成因進(jìn)行分析，選取影響因子，建立了戒臺(tái)寺滑坡預(yù)警模型。

（1）預(yù)警模型建立與計(jì)算

我們將戒臺(tái)寺滑坡進(jìn)行簡(jiǎn)化，將每個(gè)滑體分別視為簡(jiǎn)單的斜面剛體下滑的力學(xué)模型[13~15]（如圖2所示）。下滑符合牛頓力學(xué)平衡原理，沿滑面垂直方向的移動(dòng)幾乎可以忽略，滑動(dòng)過(guò)程視為平衡；滑坡體的下滑主要是由于沿滑面方向的受力失衡所致。當(dāng)滑坡尚未發(fā)生移動(dòng)時(shí)，沿滑面垂直方向和沿滑面方向均處于受力平衡狀態(tài)。當(dāng)降水發(fā)生時(shí)，一方面滑坡體滲透吸收一部分水分，使得滑坡體質(zhì)量增加，重力G增加，重力分量G1同時(shí)增加；另一方面，從滑坡裂縫灌入的降水使得滑坡體的抗剪強(qiáng)度減小，滑坡體與滑面的摩察系數(shù)減小，從而使ΣF減小，最終，使Gl-ΣF>0，滑坡體下滑造成滑坡。

圖2 戒臺(tái)寺滑坡簡(jiǎn)化力學(xué)模型

根據(jù)這個(gè)力學(xué)模型，我們建立如下滑坡預(yù)警數(shù)學(xué)模型[15]：

式中：

H 滑坡危險(xiǎn)度；

Ir 代表降水誘發(fā)因子。Ip為預(yù)報(bào)日前連續(xù)累積降水等級(jí)，If為預(yù)報(bào)的降水等級(jí)，表達(dá)為降水級(jí)別得分。

D 代表地質(zhì)因素因子引起的潛勢(shì)度(固有危險(xiǎn)度)。表達(dá)為已知的不同地質(zhì)地貌因子分級(jí)權(quán)重綜合得分。

Yi 影響戒臺(tái)寺滑坡的地質(zhì)地貌因子；yi：地質(zhì)地貌因子權(quán)重。

在量斜坡的潛勢(shì)度（固有危險(xiǎn)度）時(shí)，選取了5個(gè)因子：方量(規(guī)模)、坡長(zhǎng)、坡度、植被覆蓋度、巖土結(jié)構(gòu)。以這5個(gè)因子為基礎(chǔ)構(gòu)建了固有危險(xiǎn)度量化標(biāo)準(zhǔn)[13~15]。影響斜坡固有危險(xiǎn)度的各項(xiàng)因子(Yi)的嚴(yán)重程度分為4級(jí)，分別賦分如下，不嚴(yán)重：0分；輕微：2分；中等：4分；嚴(yán)重：8分。利用量化評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)戒臺(tái)寺地區(qū)實(shí)地調(diào)查和前期資料得到各個(gè)滑體的固有危險(xiǎn)度（D）得分。

產(chǎn)生滑坡的降水誘發(fā)因子(Ir)分為前期降水(Ip)和預(yù)報(bào)降水(If)，也為四級(jí)嚴(yán)重程度[13~15]。前期降水一般規(guī)定為10之內(nèi)，連續(xù)降水5d以上，且以連陰雨為主，且過(guò)程降水量≥10.0mm。由于前期降水受蒸發(fā)、匯流等因素的影響，不能等同于當(dāng)日降水，故對(duì)二降水因子的嚴(yán)重程度分別賦分。前期降水(Ip)賦分為：不嚴(yán)重：0分；輕微：1分；中等：2分；嚴(yán)重：4分。前期降水量的分級(jí)依據(jù)雨量監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行賦值，嚴(yán)重程度參考相關(guān)研究成果。未來(lái)預(yù)報(bào)降水(If)賦分為：不嚴(yán)重：0分；輕微：2分；中等：4分；嚴(yán)重：8分。嚴(yán)重程度則依據(jù)預(yù)報(bào)雨量進(jìn)行賦值。

算出各點(diǎn)的固有危險(xiǎn)度（D）之后，加入降水誘因Ir（Ip+ If），根據(jù)公式H=Ir·D可以算出各點(diǎn)的危險(xiǎn)度H，并以此構(gòu)建出預(yù)警模型。各因子的權(quán)重及其分值及預(yù)警值的確定以前期滑坡資料和歷史滑坡發(fā)生情況并結(jié)合有關(guān)研究成果給出[5~7]，具體設(shè)置如表3～5。根據(jù)表4可將前期降水(Ip)和未來(lái)預(yù)報(bào)降水(If)結(jié)合因子(Ir)分為11級(jí)，最高l2分，最低為0分。

表3 滑坡固有危險(xiǎn)度量化評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

表4 降水分級(jí)

表5 預(yù)警閾值

根據(jù)戒臺(tái)寺滑坡的調(diào)查和相關(guān)資料收集，確定戒臺(tái)寺滑坡的各個(gè)固有危險(xiǎn)度因子參數(shù)值及賦值得分如下表6、表7所示。

表6 戒臺(tái)寺滑坡的危險(xiǎn)度參數(shù)

表7 據(jù)量化評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)戒臺(tái)寺滑坡固有危險(xiǎn)度賦值得分

根據(jù)表3給出的各個(gè)危險(xiǎn)度因子權(quán)重系數(shù)計(jì)算得到戒臺(tái)寺固有危險(xiǎn)度為：D=8 5+8 3+0 3+0 4+4 5=84。

由此根據(jù)Ir等級(jí)來(lái)計(jì)算戒臺(tái)寺滑坡危險(xiǎn)度H并依照預(yù)警閾值進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)等級(jí)發(fā)布見(jiàn)表8。

表8 戒臺(tái)寺滑坡預(yù)警等級(jí)發(fā)布表

（2）預(yù)警模型檢驗(yàn)

2004年戒臺(tái)寺發(fā)生大規(guī)模滑移，當(dāng)時(shí)前期降雨Ip未知，但預(yù)報(bào)降雨為暴雨（If=8），Ir=Ip+ If≥8，此時(shí)戒臺(tái)寺滑坡的危險(xiǎn)度H=D Ir≥84 8=692，應(yīng)發(fā)地質(zhì)災(zāi)害紅色預(yù)警，檢驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際相符。

4 結(jié)論

本文以戒臺(tái)寺滑坡為研究對(duì)象，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查資料對(duì)戒臺(tái)寺滑坡進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和預(yù)警模型的初步研究，取得如下結(jié)論。

（1）通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查和資料分析，戒臺(tái)寺滑坡主要受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件及人類(lèi)工程活動(dòng)綜合因素作用所致。

（2）利用理正巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析軟件進(jìn)行了戒臺(tái)寺滑坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如下：在天然工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.456，采礦爆破工況條件下為1.371，采礦爆破+暴雨工況條件下為0.979，暴雨工況下為1.040，地震工況下為1.043，其后面3種工況條件下均易發(fā)生變形失穩(wěn)。2004年戒臺(tái)寺滑坡在一場(chǎng)大暴雨下發(fā)生失穩(wěn)變形，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況比較符合。

（3）結(jié)合地質(zhì)資料構(gòu)建了戒臺(tái)寺滑坡氣象預(yù)警模型，并對(duì)2004年發(fā)生較大規(guī)?；七M(jìn)行了檢驗(yàn)，與實(shí)際較為符合。

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Study on Landslide Stability Evaluation and Warning Model of Jietai Tample Landslide in Beijing

CHEN Guohu WANG Haizhi REN Kaizhen
( Beijing Institute of Geology, Beijing 100120)

This paper analyzed the engineering geological conditions of Jietai temple landslide in Beijing, calculated the ratios of landslide stability and established landslide early warning model base on the geology survey data and meteorological survey data. The results of the stability ratios and early warning model are verifed and satisfactory by the historical data.

Landslide;Stability evaluation;Warning model

P644.22

A

1007-1903(2011)03-0017-05

陳國(guó)滸（1981—），男，工程師，碩士，主要從事區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與監(jiān)測(cè)預(yù)警工作。E-mail：8110300@163.com。