校小娥

(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京100101)

北京房山區(qū)公路地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估研究

校小娥

(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京100101)

在北京山區(qū)修建公路時(shí)，常會(huì)遇到崩塌、滑坡、泥石流、采空塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，這些災(zāi)害危害嚴(yán)重。采用資料搜集、地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)鉆探(坑探)、四維災(zāi)種識(shí)別、多方法耦合數(shù)值模擬(FLAC，ANSYS，GEOSLOPE)、赤平極射投影、集合論地災(zāi)評(píng)估等方法，研究了北京南勝路工程各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)條件、演化機(jī)理、發(fā)育規(guī)律以及穩(wěn)定條件。重點(diǎn)探討了采空塌陷區(qū)煤礦開(kāi)采方式、開(kāi)采深度、開(kāi)采層數(shù)及附加荷載對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定的影響。

地質(zhì)災(zāi)害 危險(xiǎn)性評(píng)估 數(shù)值模擬 赤平極射投影 穩(wěn)定性分析

一擬建公路穿越北京深山地區(qū)，沿線所處地區(qū)地貌類(lèi)型復(fù)雜、自然環(huán)境惡劣，山勢(shì)陡峻，溝谷發(fā)育，山體剝蝕作用強(qiáng)烈，穿越兩組斷裂與褶皺，且上跨安子煤礦采空區(qū)。研究區(qū)災(zāi)害種類(lèi)較多，主要的地質(zhì)災(zāi)害有泥石流、崩塌、滑坡、采空塌陷、活動(dòng)斷裂等。采用常規(guī)評(píng)估方法了解公路沿線災(zāi)害活動(dòng)強(qiáng)度或規(guī)模、災(zāi)害活動(dòng)頻次、災(zāi)害分布密度、災(zāi)害危害強(qiáng)度(尤其是區(qū)內(nèi)的采空塌陷的研究)存在很大難度。為了有效地控制并降低公路建設(shè)期間及使用期間地質(zhì)災(zāi)害帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約工程成本，采用多種方法進(jìn)行評(píng)估研究。

1 工程概況

本次擬建公路位于北京市房山區(qū)，西起南窖鄉(xiāng)紅新路，向東南上跨安子煤礦采空區(qū)、下穿安子煤礦東側(cè)的北嶺、經(jīng)十字寺至燕房衛(wèi)星城西側(cè)與燕山周勝路相接。南窖鄉(xiāng)地處偏僻，交通較為不便。擬建南勝路全長(zhǎng)11.518 km，路線西段主要沿南窖鄉(xiāng)小西嶺北側(cè)坡腳鋪設(shè)，路線中段以隧道形式下穿北嶺，路線東段沿北嶺東部坡腳鋪設(shè)。

南窖鄉(xiāng)為偏遠(yuǎn)山區(qū)，現(xiàn)有資料較少，資料的搜集存在很大難度。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和室內(nèi)研究分析，本區(qū)主要工程地質(zhì)問(wèn)題:地形高差較大，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度中等，發(fā)育有11處崩塌、2處滑坡、7條沖溝以及采空塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。

2 危險(xiǎn)性評(píng)估方法

本次研究采用資料搜集、地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)鉆探(坑探)、四維災(zāi)種識(shí)別、多方法耦合數(shù)值模擬(FLAC，ANSYS，GEOSLOPE)、赤平極射投影、集合論地災(zāi)評(píng)估等方法較準(zhǔn)確地研究了南勝路工程各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)條件、演化機(jī)理、發(fā)育規(guī)律以及對(duì)擬建公路的影響。并探討了采空塌陷區(qū)煤礦開(kāi)采方式、開(kāi)采深度、開(kāi)采層數(shù)及附加荷載對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定的影響。

2.1 地質(zhì)鉆探(坑探)方法的應(yīng)用

本次評(píng)估研究中地質(zhì)鉆探(坑探)的應(yīng)用包括兩個(gè)方面:一是查明線路沿線的工程地質(zhì)條件，現(xiàn)場(chǎng)布置鉆孔7個(gè)、探槽19個(gè)，相關(guān)測(cè)試成果為本次評(píng)估工作奠定了基礎(chǔ)。二是查明采空區(qū)的深度以及煤層開(kāi)采范圍，共布設(shè)了6個(gè)探空鉆孔，其中東區(qū)布置2個(gè)，西區(qū)布置4個(gè)。

探空鉆孔說(shuō)明，線路K3+850—K4+100段附近有小窯開(kāi)采跡象，在深度為22～85 m范圍內(nèi)有薄層黑色砂巖(煤矸石)分布，可確定附近有小煤窯開(kāi)采的痕跡。

2.2 數(shù)值模擬滑坡穩(wěn)定性

2#滑坡為下陡、中緩、上陡的復(fù)合型坡，坡度30°～50°，坡體厚約3～5 m，縱向長(zhǎng)95 m。采用ANSYS建模(如圖1)，GeoStudio軟件二維計(jì)算的方法用到極限平衡分析中，Bishop Method方法計(jì)算安全系數(shù)大致在1.140，即天然邊坡整體處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)上述模擬，進(jìn)行應(yīng)力變形及塑性應(yīng)變圖分析?？梢?jiàn)坡體在天然狀態(tài)下，坡體表層的風(fēng)化殘積物是邊坡變形破壞的主要原因，滑坡塌滑主要發(fā)生在滑體表層堆積物。滑動(dòng)前緣臨空面附近發(fā)生滑塌的可能性較大，而邊坡整體滑動(dòng)趨勢(shì)可能性較小。現(xiàn)場(chǎng)勘查分析滑坡形成機(jī)制，得出的邊坡穩(wěn)定性結(jié)論基本一致。

2.3 數(shù)值模擬采空區(qū)塌陷穩(wěn)定性

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，僅發(fā)現(xiàn)明春窯、道根崖及老窯溝風(fēng)井位置等幾處小窯井口。根據(jù)搜集到的煤礦資料顯示，有200多個(gè)小煤窯，而現(xiàn)場(chǎng)其余小煤窯的井口位置未發(fā)現(xiàn)。小窯采空深度淺、危害較大，且小窯的采空區(qū)域未明確，因而以采空區(qū)域不斷加大進(jìn)行模擬，模擬隨著工作面的不斷加大，上覆基巖的變形及碎裂情況。

1)傳統(tǒng)計(jì)算方法評(píng)價(jià)

建設(shè)用地下主采煤層為9槽及15槽煤層，14槽、3槽煤層僅在北部局部開(kāi)采。根據(jù)煤層的采厚及距離地表的距離可用下式對(duì)各槽煤層的冒落帶及裂隙帶進(jìn)行估算(影響范圍計(jì)算見(jiàn)圖2)。

圖1 模型建立

圖2 采空區(qū)影響范圍計(jì)算

式中:Hm為冒落帶高度，Hli為裂隙帶高度，ΣM為累計(jì)采厚。

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，并根據(jù)國(guó)內(nèi)相似煤田礦井開(kāi)采地表沉陷變形的經(jīng)驗(yàn)，預(yù)測(cè)煤層開(kāi)采后，地表最大移動(dòng)、變形和傾斜值如下:最大下沉值Wmax=η m cos α;最大傾斜值Imax=Wmax/r;最大曲率值Kmax=±1.52Wmax/ r2;最大水平變形值εmax=±1.52bImax;最大水平移動(dòng)值Umax=bWmax。

上式中:Wmax為最大下沉值，mm;m為礦層厚度，m;η為下沉系數(shù)，取η=0.45;α為礦層傾角;b為水平移動(dòng)系數(shù);r為開(kāi)采影響半徑。

經(jīng)計(jì)算，開(kāi)采后所形成的冒落帶及裂隙帶距離地表的距離＜200 m，會(huì)引發(fā)地面塌陷災(zāi)害，并引起采空變形。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算，建設(shè)用地的剩余沉降量可達(dá)375 mm，下沉量稍大。確定建設(shè)用地采空塌陷的現(xiàn)狀為危險(xiǎn)性中等。

評(píng)估區(qū)內(nèi)采空塌陷計(jì)算模式僅是初步的，可能與實(shí)際變形量有一定的偏差。因而后面將對(duì)采空的變形用FLAC數(shù)值軟件進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

2)FLAC數(shù)值模擬

本次研究根據(jù)鉆探資料及現(xiàn)場(chǎng)勘查采空區(qū)分布情況，以5#煤層為例，建立采空區(qū)的地質(zhì)模型。通過(guò)對(duì)采空區(qū)模型的數(shù)值模擬計(jì)算，可得出各采空區(qū)圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律及評(píng)價(jià)采空區(qū)的穩(wěn)定性。

根據(jù)地質(zhì)、采礦資料，建立簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)模型，分析采空區(qū)應(yīng)力變形圖及裂隙帶演變規(guī)律，計(jì)算模型按實(shí)際公路中心線(軸向)斷面建立。

根據(jù)有限元模擬計(jì)算結(jié)果可知:國(guó)窯開(kāi)采深度比較深，在整個(gè)模擬采動(dòng)過(guò)程中，始終沒(méi)有發(fā)生明顯的冒落、裂隙和彎沉，地表也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的移動(dòng)和變形。這說(shuō)明本模型所選采空區(qū)對(duì)擬建線路影響相對(duì)較小，相對(duì)比較安全。

小煤窯煤層被采動(dòng)后，采煤開(kāi)采初期對(duì)地表幾乎沒(méi)什么影響，隨著開(kāi)采范圍擴(kuò)大，巖體裂隙自下而上逐步發(fā)展。當(dāng)工作面推進(jìn)距離為20 m時(shí)，巖層移動(dòng)開(kāi)始波及到地表，煤層推進(jìn)距離為650 m時(shí)，巖層移動(dòng)波及到地表。煤層開(kāi)采進(jìn)尺100 m時(shí)，裂隙由底部發(fā)展到地表。同時(shí)地表在中心與兩側(cè)出現(xiàn)5條水平裂縫。如果荷載加大，裂隙貫通，上覆基巖破壞嚴(yán)重，該變形量將會(huì)影響高速公路的運(yùn)營(yíng)安全。

3 赤平投影方法的應(yīng)用

本次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定了14個(gè)崩塌點(diǎn)，為分析邊坡巖體的穩(wěn)定性，本次運(yùn)用赤平極射投影對(duì)坡面和不利于巖體穩(wěn)定的節(jié)理面的組合關(guān)系進(jìn)行分析。以崩塌體BT1為例，見(jiàn)圖3。BT1巖體中風(fēng)化，較破碎，崩落體體積約1.5 m3，坡高約15 m，坡角85°～90°。

根據(jù)圖4分析，人工開(kāi)挖邊坡(CS)較陡，坡角為83°。J1，J2的交點(diǎn)及J2，J3的交點(diǎn)處于天然邊坡面(NS)投影弧的外側(cè)，說(shuō)明軟弱面交線較邊坡平緩，目前尚處于穩(wěn)定狀態(tài)。由于人工開(kāi)挖邊坡較陡，在多組節(jié)理裂隙切割及巖塊自重作用下，易發(fā)生巖石塊體的崩落。

圖3 崩塌體BT1形態(tài)特征及現(xiàn)狀

4 地災(zāi)綜合評(píng)估

綜合分區(qū)評(píng)估涉及工程地質(zhì)條件、已存在的地質(zhì)災(zāi)害、誘發(fā)與加劇的地質(zhì)災(zāi)害的強(qiáng)度、地質(zhì)災(zāi)害的危害程度、危險(xiǎn)性等級(jí)等內(nèi)容。如圖5所示，其中白色代表危險(xiǎn)性小區(qū)，灰色代表危險(xiǎn)性中等區(qū)，由于采空塌陷對(duì)本線路的影響較大，特別用深灰色表示采空區(qū)段危險(xiǎn)性中等區(qū)。

圖4 赤平極射投影分析

圖5 研究區(qū)綜合分區(qū)

5 結(jié)論

1)模擬結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及室內(nèi)分析結(jié)果基本吻合，比較符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

2)評(píng)估區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害中等發(fā)育，對(duì)擬建道路危害程度中等，地質(zhì)災(zāi)害總體危險(xiǎn)性中等。綜合評(píng)估本單元地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性級(jí)別為中等。

3)評(píng)估區(qū)分兩個(gè)區(qū)段:Ⅰ區(qū)段危險(xiǎn)性級(jí)別為小級(jí)，建設(shè)用地適宜性分級(jí)為適宜;Ⅱ區(qū)段危險(xiǎn)性級(jí)別為中級(jí)，建設(shè)用地適宜性分級(jí)為基本適宜。

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(責(zé)任審編趙其文)

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10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.29

1003-1995(2015)06-0114-03

2014-11-05;

2015-03-20

校小娥(1977—)，女，陜西富平人，工程師，碩士。