岩土工程在地质灾害防治中的进展.

岩土工程在地质灾害防治中的进展
摘要
近年来,随着我国国民经济的快速发展,各种资源的开发和工程建设等人类工程活动的力度也广泛增大,给我国本就十分软弱的地质环境带来了很大的压力,地质灾害的频度和规模有逐年增长的趋势。

为此,本文就岩土工程与地质灾害的内涵、地质灾害的特点,岩土工程在地质灾害防治工程的重要施工技巧标准、防治措施及其进展进行了综合的论述。

关键词:岩土工程;地质灾害;防治措施;进展
1、岩土工程与地质灾害防治的内涵
对岩土工程没有一个准确的定义,很多岩土界的专家对岩土工程都有不同的释义,综合起来大概有三个层次:
(1是以土力学与基础工程、岩石力学与工程为基础,并和工程地质学密切结合的综合性学科;
(2是以岩石和土的利用、整治、或改造作为研究内容;
(3服务于各类主体工程的勘察、设计、与施工的全过程,是这些主体工程的组成部分。

当然,岩土工程不是一门独立与土木工程之外的学科,而是属于各主体工程之中的学科。

岩土工程在地质灾害的防治中涉及到监测、岩石土体的开挖、填土、加固等过程。

地质灾害防治是指对由于自然作用或人为因素诱发的对人民生命和财产安全、人类赖以生存和发展的环境、资源产生严重损害的地质现象,通过有效的地质工程手段,改变这些地质灾害产生的过程,以达到减轻或防止灾害发生的目的。

地质灾害防治工作,实行预防为主、避让与治理相结合的方针,按照以防为主、防治结合、全
面规划、综合治理的原则进行,岩土工程方法是地质灾害防治的主要和直接的方法。

《地质灾害防治条例》中界定的地质灾害,包括山体滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等灾害。

2、我国地质灾害的特点
由于我国地质结构复杂,地球生态环境多变,加之是人口众多的农业大国,承灾能力弱,所有形成灾害类型多、分布广、频度高、强度大、影响面宽。

据材料统计分析,滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等种类的地质灾害在我国十分发育,其中崩塌、滑坡、泥石流的散布领域约占国土面积的50%,其中以西南、西北地区最为严重,这些灾害还在随着社会经济的发展日益增长。

所以要积极有效的开展地质灾害预防,采取切实可行的防治措施,对避免和减轻地质灾害给人民生命财产造成的严重损失,维护社会稳定,保护生态环境,促进社会经济发展都有重要意义。

3、历史回顾
地质灾害的防治是古老而又年轻的领域,说其古老是因为很早以前就意识到地质灾害防治的必要性,说其年轻是因为到现在地质灾害的防治还是一个热门的课题,并且越来越重视。

人们也重新认识了地质灾害的严重性,从观念上重视了地质灾害的防治,其诱因有自然的和人为的,能避免的尽量避免,不能避免的要尽可能的将损失降到最低。

国家也对地质灾害防治越来越重视,1988年国务院赋予地质矿产部对全国地质环境监测、评价和地质灾害防治管理职能后,各层领导都坚决贯彻中央指示,把防治地质灾害作为一项重要任务,做出许多重要指示和部署,使我国地质灾害防治工作进入一个新的、全面发展阶段,为减轻人民生命财产损失,实施重大工程建设,促进经济发展和社会稳定发挥了重要作用。

例如滑坡研究最早的报道是海姆(A.Heim在1882年发表的一篇关于瑞士阿尔卑斯山区某处滑坡的文章,随后诞生很多治理滑坡的理论和技术。

100多年来对地质灾害防治的研究方兴未艾,目前正在形成一门成熟的独立学科,从岩土工程出发,通过
研究岩石力学、土力学、工程地质、以及一些岩土工程新技术和新材料学等对地质灾害的防治有很大贡献。

另外一方面加强了对地质灾害的预报,把一切工作做在灾害来临之前,防患于未然,达到“防”的目的。

围绕地质灾害成因机理和诱发机理及其动力学过程探索预测途径的理论,主要从地质灾害形成演化的静力学和动力学原理出发,探
讨地质灾害形成演化过程和机理,从不断认识和揭示泥石流、滑坡等形成机理方面研究线性和非线性动力学预测预报途径。

有关地质灾害动力学和成因机制方面的预测预报思路大多以岩石力学和土力学分析为基础,从岩土力学的蠕变-破坏理论,到岩土体蠕变破坏的实验曲线研究,进而探索地质灾害体临界破裂状态和稳定性,一直是地质灾害破坏扩展预测和各种相关预测预报模型建立的基础。

从早期地质灾害静力学的极限平衡原理,采用力矩平衡、推力传递计算、力多边形图解及多种投影方法,通过计算地质灾害稳定性系数,评价地质灾害体稳定状态;到80年代,从地质灾害动力学探索地质灾害破裂源、扩展源和启动过程及爆发机理;至近年来兴起的非线性动力学,探讨地质灾害尖点突变失稳过程、涨落和反馈机制及非线性响应等等,这些研究揭示了地质灾害形成演化过程及其动力学机制,初步构成地质灾害成因动力学预测预报理论基础,从而达到地质灾害的预报。

总之,随着社会经济的发展,防灾减灾的措施也层出不穷,我国也出现了很多新理论、新材料、新方法、新技术,与此同时大批国外的先进技术被引进,从而大大促进了我国在地质灾害防治领域的成就和地位。

4、地质灾害分类及岩土工程防治措施
首先,地质灾害的防治不是某一个人的责任,是我们每一个公民的义务和责任,要全民行动起来,减轻对自然环境的压力,地质灾害就不会频发。

地质灾害的治理要贯彻“预防为主,整治为辅”的原则,通过有效的地质工程手段,改变这些地质灾害产生的过程,以达到减轻或防止灾害发生的目的。

4.1滑坡
滑坡是指在某种诱发因素下,斜坡土和岩体在重力作用下失去原有的稳定状态,沿着斜坡内某些滑动面(或滑动带作整体向下滑动的现象。

滑坡防治工程方面,常常可采用的措施主要有:地下排水工程、刷方减重工程、支挡工程、滑带土质改良工程、绕避等几个方面。

4.1.1地下排水
地下水排水主要采用平孔、支撑盲沟、渗水盲洞等工程,这已广泛地应用于滑坡的治理当中。

关于虹吸排水,20世纪80年代以来在法国已用虹吸排水方法稳定了约100个滑坡。

其最大优点是可以自流排水,降低滑坡地下水位。

4.1.2刷方减重
减重和反压工程是经济有效的防治滑坡的措施,得到了广泛的应用,特别对厚度大的、主滑段和牵引段滑面较陡的滑坡效果更为明显。

但其合理应用则需先行准确判定主滑、牵引和抗滑段落。

英国人Hutchinson提出的“中性线”方法为减重和反压计算提供了理论论据。

该方法是在滑坡断面上用稳定性计算将滑坡上部土体移多少压于滑坡下部即可达到要求的稳定系数。

4.1.3支挡工程
支挡工程的主要发展表现在“一大、二锚、三小”,即大直径抗滑桩、锚索和微型桩的研究和应用。

在桩方面,除了广泛应用的单排桩外,成都铁路局还采用过排架桩,铁道部第四设计院设计过刚架式椅式桩墙,但由于施工上的一些困难,后来应用不多。

很多单位通过室内和现场试验研究了抗滑桩的受力模式和计算方法。

我国在这一方面居于世界前列。

在20世纪80年代研究提出的锚索抗滑桩,使抗滑桩形成上、下两个支点,这样桩的弯矩大大减少,因而其截面尺寸和埋深也随之减小。

先后在四川省金鸡岩煤矿滑坡、四川省江油松花岭滑坡、成昆线莫洛滑坡、川藏公路二郎山龙胆溪滑坡等40余个滑坡上应用,比单桩节省约30%投资。

微型桩群:20世纪80年代以来,微型桩群发展迅速,使早期用于房屋地基加固的微型桩也用于斜坡和滑坡加固。

其设计方法分两类:一是极限平衡分析,二是位移分析。

但目前设计方法和参数还研究不足,是今后的一个课题。

锚索:近20年来,随着高强度锚索的生产和防腐技术的解决,预应力锚索在边坡加固和滑坡治理中已广泛应用,或与抗滑桩联合使用,或单独使用。

在国内李家峡水电站、漫湾水电站滑坡治理,敦煌、榆林窟和山东蓬莱阁丹崖加固等几十处广泛应用。

4.1.4滑带土质改良
滑带土质改良目的在于提高滑带土的强度,增加滑坡自抗滑力。

过去曾研究过灌浆、爆破、焙烧等方法,但至今进展甚小,没有广泛应用,主要是处理效果难以检验。

此外,在滑坡治理工程竣工后还需要通过监测以检验治理效果。

如发现治理效果未达到预期目标就需要修改设计或进行第二期治理工程论证。

如治理工程达到预期目的仍需进行定期监测,以便判定是否某些工程失效而需加维护。

4.2崩塌
崩塌是指陡峻或极陡斜坡上,某些大块或巨块岩块,突然地崩落或滑落,顺山坡猛烈地翻滚跳跃,岩块相互撞击破碎,最后堆积于坡脚的这一过程。

岩土类型、地质构造、地形地貌三个条件,又统称地质条件,它是形成崩塌的基本条件。

崩塌地发生是突然地,但是不平衡因素却是长期积累的。

崩塌地规模往往很大,崩塌堆积以大块岩石为主,直径大于0.5m者往往达50%-70%以上。

它对崖壁下的房屋、道路和其他建筑物常带来威胁,尤其对各种线性工程的危害最严重,
如:2011年11月24日上午9时30分,山西大宁县昕水镇小冯村东发生滑坡,四间平房被掩埋,一家三口失踪,其中包括一名刚满周岁的男童。

经过黄土崩塌经专家勘察,黄土崩塌量达9000多立方。

随着人们对崩塌地研究,对崩塌有了更深的了解,有利于崩塌的防治工程。

最有效的也是最主要的防治方法还是岩土工程方法,例如:常规方法有遮挡、拦截、支挡、护墙护坡、削坡、排水等措施,与滑坡的防治的方法和原则是相同的,这里不再赘述。

近几年来,一种全新的SNS柔性拦石网防护技术在我国水电站、矿山、道路等各种工程现场的崩塌落石防护中得到了广泛的应用。

SNS系统是利用钢绳网作为主要构成部分来防护崩塌落石危害的柔性安全网防护系统。

当崩塌落石能量高且坡度较陡时,SNS钢绳网系统不失为一种十分理想的防护方法。

4.3泥石流
泥石流是山区常见的一种自然地质灾害,大都形成于沟谷和坡地,由于暴雨或冰湖、水库等溃决而在沟谷或坡面产生的一种携带有大量泥砂、石块等固体物质的特殊洪流。

泥石流是一种危害性极强的地质灾害,其灾害具有突然爆发、历时短暂和破坏力强大的特点,是各种自然因素和人类工程活动因素共同作用的产物。

泥石流的形成必须具备:地形、地质、和气象三个基本条件。

我国对泥石流的治理始于20世纪50年代,经历了一个由被动的灾后治理到主动地灾前预防与灾后治理相结合的过程,目前已经发展到工程防御、生物防御、
预测与报警、环境保护等综合防治体系。

由于形成泥石流的诱因很多,所以泥石流也经常发生,例如:1970年,秘鲁的瓦斯卡兰山爆发泥石流,500多万立方米的雪水夹带泥石,以100公里每小时的速度冲向秘鲁的容加依城,造成2.3万人死亡,灾难景象惨不忍睹;2010年8月7日晚10时,甘肃舟曲县发生特大泥石流;2 010年8月18日云南怒江贡山县发生泥石流等,损失都很惨重。

近20年来,特别是“国际减灾十年活动”开展以来,国际上研究和防治泥石流灾害空前活跃,防治工程措施也在不断完善和发展,其中主要的岩土工程措施有蓄引水工程、支挡工程、拦挡工程、储淤工程、排导工程等。

4.3.1畜引水工程
在泥石流形成区依照地形地质条件修建一系列的塘、池、坑、中小型水库蓄集地表径流,减少沟道洪水流量。

将拦蓄洪水通过引排水渠、涵洞等引出泥石流沟域排泄,或作为农田灌溉用水。

4.3.2支挡工程
支挡工程有挡土墙、护坡等。

在形成区内崩塌、滑坡严重地段,可在坡脚处修建挡墙和护坡,以稳定斜坡。

此外,挡流域内某地段山体不稳定,树木难以“定居”时,应先辅以支挡建筑物以稳定山体,生物措施才能奏效。

4.3.3拦挡工程
在泥石流流经的沟道上,利用峡谷、窄口等形成的具有一定库容的地形修建拦砂坝,拦截泥石流携带的固体物质,过滤大颗粒物质,以减少泥石流对下游防护工程的撞击、磨蚀,增加下游工程的安全度。

坝体可采用浆砌石坝、混凝土坝等实体坝或格栅坝。

对冲击力大的泥石流,宜采用柔性结构格栅坝(如SNS钢绳网坝。

实体坝高不宜超过30m,格栅坝坝高不宜超过20m。

坝址尽可能向上游布置,距离城市等重要防护目标应大于5km。

靠近城市的坝,坝高应低些,远离城市的坝,坝高可高些。

拦砂坝总库容应大于五年内泥石流输出固体物质量的总和。

4.3.4储淤工程
在泥石流出山口冲积扇等地形较宽缓处,可修建停淤场用于调节泥石流流量,不能用作永久拦砂场。

必须适时清淤,以确保有足够的调节库容。

停淤场主要用防护堤、导流堤、桩林等建筑物来引导泥石流分解停淤。

4.3.5排导工程
在泥石流通过城市等重要保护目标区河道段,加高加固两岸河道,减小河道弯度,疏掏拓宽河道,设置潜坝防止河床下切等,以利于泥石流安全通过,输入到下游河道中。

对跨河建筑物进行改造留足排洪断面,也可建急流槽使泥石流快速通过跨河建筑物,而不致发生阻塞。

4.4地面塌陷
地面塌陷是指地表岩土体受自然因素作用或人类工程活动影响向下陷落,并在地面形成塌陷坑洞而造成灾害的现象或过程。

引起地面塌陷的动力因素主要有地震活动、降雨、地下采矿及大量抽排地下水等。

地面塌陷按其成因可分为自然塌陷(暴雨塌陷、洪水塌陷、地震塌陷、重力塌陷和人为塌陷(坑道排水突水塌陷、采空区塌陷、抽汲岩溶地下水塌陷、水库蓄水或引水塌陷、振动或加载塌陷、地表水或污水下渗塌陷、多种成因复合塌陷两大类。

地面塌陷的案例很多,由于人们对自然资源的肆意的开采,人为塌陷越来越多。

2009年4月5日上午7时许,位于成都市一环路西三段路口一段近30米的河堤突然塌陷,深达1米;由于附近酒店的停车场就设在河堤上,5辆停在河堤上的汽车当场被“吞没”,所幸未造成人员伤亡。

2009年3月1日,湖南省长沙县跳马乡一家村民屋前突然冒出了一个“大水塘”,不远处的农田也多处出现坍塌缺口,不少村民家的房屋出现了地面、墙面开裂现象,村里的十几户居民整天提心吊胆,害怕自己家的房屋哪天也像这样跟着往下陷。

2008年11月15日15时许,杭州风情大道地铁施工工地突然发生大面积地面塌陷,正在路面行驶的多辆汽车陷入深坑,多名施工人员被困地下,结果,事故造成了风情大道路面坍塌75米,下陷15米,死亡17人,失踪4人,受伤24
人。

可见地面塌陷也是比较可怕的,地面塌陷防治工作是一个系统工程,但也因地制宜,确定陷的成因、形成条件和形成机理等三个主导因素,找出病根,达到药到病除。

发展至今,塌陷的治理也还是采用岩土工程的方法,例如:清除填堵法、跨越法、强夯法、灌注法等方法。

4.4.1清除填堵法
常用于塌坑较浅或浅埋的土洞,首先清除其中的松土,填入块石、碎石,做成反滤层,然后上覆粘土穷实。

对于重要建筑物,一般需要将坑底或洞底与基岩
面的通道堵塞,可开挖回填混凝土或设置钢筋混凝土板,也可灌浆处理。

4.4.2跨越法
用于塌陷坑或土洞较深大,开挖回填有困难的处理方法。

一般以梁板跨越,两端支承在可靠的岩、土体上。

据广西的经验,每边支承长度不小于1.0~1.5m。

4.4.3强夯法
把10~20t的夯锤起吊到一定高度(0~40m,让其自由下落,造成强烈的冲击对土体强力夯实。

一方面是夯实塌陷后松软的土层和塌陷坑或土洞内的回填土,以提高土体强度;另一方面可消除隐伏土洞和软弱带,是一种处理结合预防的措施。

Christain(1984的试验:锤重15t,落距20m,将影响到地表下8~ 9m的深度。

4.4.4灌注法
把灌注材料通过钻孔或岩溶洞口进行注浆,其目的是强化土层或洞穴充填物、充填岩溶洞隙、隔断地下水流通道、加固建筑物地基。

灌注材料主要是水泥、碎料(砂、矿渣等和速凝剂(水玻璃、氧化钙。

水泥标号应大于450号。

灌浆方式可采用低压间歇定量式或循环式灌注,目的是减少浆液流失,间歇时间可控制在7~8h。

4.5地裂缝
地裂缝是指地表岩层、土体在自然因素(地壳活动、水的作用等或人为因素(抽水、灌溉、开挖等作用下,产生开裂,并在地面形成一定长度和宽度的裂缝的一种宏观地表破坏现象。

地裂缝是一种独特的城市地质灾害,自50年代后期发现,1976年唐山大地震以后活动明显加强,特别是进入80年代以来,由于过量抽汲承压水导致的地裂缝两侧不均匀地面沉降进一步加剧了地裂缝的活动。

地裂缝所经之处,地面及地下各类建筑物开裂,破坏路面,错断地下供水、输气管道,危及一些著名文物古迹的安全,不但造成了较大经济损失,也给居民生活带来不便。

在中国发育的各类地裂缝中,除地裂缝和基底断裂活动裂缝外,其他各类均能人为地加以控制和防御,甚至避免和根除。

而对地震裂缝和基底断裂活动裂缝,目前的技术手段还难以抗御。

改善人类活动和一些治理措施只能起到一定的减轻作用。

在目前的技术水平和认识状况下,各类工程建
筑绕、避这类裂缝区段,是一种最为有效的减灾措施。

如地裂缝灾害严重的西安市,制订了《地裂区建筑场地勘察
设计暂行条例》,规定各类建筑物按其类型和重要程度在地裂缝两侧各避让一定的距离,这对减轻西安的地裂缝灾害起了重要的作用。

目前岩土工程防治地裂缝措施是对已有裂缝进行回填、夯实等,并改善地裂区土体的性质,改进地裂区建筑物的基础形式,提高建筑物的抗裂性能。

4.6地面沉降
地面沉降是指在自然因素或人为因素影响下发生的幅度较大、速率较大的地表高程垂直下降的现象。

意大利威尼斯城最早发现地面沉降,之后随着经济发展,人口增加和地下水(油气开采量增大,世界上许多国家如美国、日本、墨西哥、欧洲和东南亚一些国家均发生了严重的地面沉降。

地面沉降的特征是主要发生于大型沉积盆地和沿海平原地区的工业发达城市及油气田开采区。

由软土等不良工程地质岩土体引起的软土沉陷或不均匀沉降对人类工程建设的影响十分普遍,主要分布在河口三角洲平原和滨海平原,应给予足够的重视和防范。

软土具承载力低,含水量大、高压缩性,软—流塑,稳定性差,易因软土压缩或触变引起地面工程建筑不均匀沉陷,造成房屋倾斜或倒塌、桥墩下沉等地质灾害。

近20年来由于软土触变引起的地面建筑不均匀沉陷灾害时有发生。

灾害所产生的原因主要是地基软弱夹层没有查清,软基处理不当或设计不合理,当荷载不断增加并超过容许承载力或受力不均时,地面建筑即开始下沉或倾斜,严重的甚至倒塌。

因此地面沉降对于建筑物、城市建设和农田水利设施危害极大。

中国已经陆续发现具有不同程度的区域性地面沉降的城市有30多座,这里只列举几个典型的城市:
上海市从1921年发现地面下沉开始,到1965年止,最大的累计沉降量已达2.63米,影响范围达400平方公里,有关部门采取了综合治理措施后,市区地面沉降已基本
上得到控制;从1966—1987年22年间,累计沉降量36.7毫米,年平均沉降量为1.7毫米。

北京市自从70年代以来,北京的地下水位平均每年下降1—2米,最严重的地区水位下降可达3—5米,地下水位的持续下降导致了地面沉降,有的地区(如东北部沉降量590毫米,沉降总面积超过600平方公里。

而北京城区面积仅440平方公里,所以,沉降范围已波及到郊区。

西安市地面沉降发现于1959年,1971年后随着过量开采地下水而逐渐加剧。

1972—1983年,最大累计沉降量777毫米,年平均沉降量30—70毫米的沉降中心有5处。

1983年后,西安市地面沉降趋于稳定发展,部分地区还有减缓的趋势。

到1988年最大累计沉降量已达1.34米,沉降量100毫米的范围达200平方公里。

这些典型的案例和数据说明地面沉降在减缓,表明地表沉降具有可控制性,说明地面沉降的防治技术在发展。

当然地面沉降的防治主要是通过控制地下水的开采,岩土工程方面就是从土的本质出发,研究土(特别是软土和特殊土的基本性质和土层的分布,为预防和监测地面沉降提供可靠地保障。

5、结束语
地质灾害的防治始终要贯彻“预防为主,整治为辅”的原则,加强地质灾害的预防和监测,要主动预防,不要灾后治理。

而2006年2月17日,发生在菲律宾中部南莱特省的泥石流灾难,导致1000多人死亡和失踪,震惊了全世界,更震撼了那些从事地质灾害防治研究的科研工作者,引起深思和警示。

随后以岩土力学为基础,围绕地质灾害成因机理和诱发机理及其动力学过程探索预测途径的理论就出台了,主要从地质灾害形成演化的静力学和动力学原理出发,探讨地质灾害形成演化过程和机理,从不断认识和揭示滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的形成机理方面研究线性和非线性动力学预测预报途径,使得地质灾害的预报预测又上了一个新的台阶,达到“预防为主”的目的。

总之,地质灾害防治工程是一项长期的工作,岩土工程任重而道远。