田 野

(湖北省城市地質(zhì)工程院,湖北 武漢 430070)

某山區(qū)鑼鍋山危巖體成因、破壞模式及穩(wěn)定性分析

田 野

(湖北省城市地質(zhì)工程院,湖北 武漢 430070)

在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,根據(jù)危巖體特征對其形成影響因素及破壞模式進(jìn)行分析,同時對危巖體穩(wěn)定性進(jìn)行定性和定量評價,為危巖體發(fā)展趨勢預(yù)測及治理提供基礎(chǔ)。

危巖體;破壞模式;穩(wěn)定分析

鑼鍋山崩塌危巖體位于敘永縣落卜鎮(zhèn)三臺村3社,大樹河右岸。地理坐標(biāo)為東經(jīng)105°03′～105°40′,北緯27°42′～28°31′。危巖區(qū)寬約220 m,坡向260°～350°,坡度62°～78°,高程840～1 150 m,高差約310 m,立面面積約11 440 m2。危巖區(qū)主要出露三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)下部的灰?guī)r和鈣質(zhì)泥巖互層。巖層產(chǎn)狀為23°∠12°。危巖帶分布于斜坡上部,高程1 100～1 150 m,立面面積495 m2,均厚20 m,體積約9 500 m3,主崩方向320°。目前,該危巖體處于基本穩(wěn)定狀態(tài),在暴雨、地震或長期風(fēng)化作用下,裂隙進(jìn)一步發(fā)育貫通,失穩(wěn)的可能性大,對坡腳處三臺村3社12戶居民生產(chǎn)生活和生命財產(chǎn)造成威脅[1]。

1 危巖體基本特征

邊坡分為4個危巖單體。危巖體位于鑼鍋山崩塌頂部,其出露的三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)灰色中厚層灰?guī)r或泥巖,表層中—強(qiáng)風(fēng)化,局部有凹腔。節(jié)理、卸荷裂隙發(fā)育,巖體大多被切割成松動的塊體。坡面上可見4處大的危巖單體W1、W2、W3、W4,巖體產(chǎn)狀平緩,由于泥巖、灰?guī)r差異性風(fēng)化,局部有凹腔。

1.1 危巖體W1

危巖W1位于崩塌左側(cè),為中厚層灰?guī)r,坡度75°～90°,高程1 140～1 130 m,分區(qū)立面面積約12 m2(圖1)。邊坡坡面微—中風(fēng)化,巖體被后緣裂隙切割成塊體,巖塊逐漸趨于臨崩狀態(tài),主崩方向320°。W1危巖體其頂部強(qiáng)卸荷帶厚度為2.0 m,未見有延伸長度較長、張開度較大伸入坡背的深大裂隙分布,巖體結(jié)構(gòu)為厚層狀灰?guī)r,風(fēng)化程度微—中等,卸荷裂隙傾角很陡,雖巖體內(nèi)分布有卸荷裂隙,但不會影響坡體內(nèi)側(cè)巖體的整體穩(wěn)定,故W1危巖體頂部強(qiáng)卸荷帶2.0 m以外的巖體穩(wěn)定性較好。

圖1 W1危巖體剖面圖、立面圖、野外照片F(xiàn)ig.1 Profile,elevation drawing and field photo of W1 unstable rock mass

1.2 危巖體W2

危巖體W2位于崩塌中部,危巖體平面呈矩形,寬1 m,立面面積5 m2,均厚2 m,體積約12 m3(圖2)。主崩方向350°,坡度85°,巖層產(chǎn)狀為23°∠12°。裂隙分布不均勻無填充,危巖體下部層狀灰?guī)r、泥巖中等風(fēng)化呈塊體狀,部分剝落,使得層面裂隙張開。

1.3 危巖體W3

W3危巖體位于鑼鍋山崩塌中段上部,危巖體平面呈矩形,寬2 m,立面面積9 m2,均厚3 m,體積約18 m3(圖3)。主崩方向330°,坡度85°,巖層產(chǎn)狀23°∠12°。危巖體下部及頂部層狀灰?guī)r、泥巖強(qiáng)—中風(fēng)化呈塊體狀,部分剝落。

1.4 危巖體W4

W4危巖體位于鑼鍋山崩塌下部右側(cè),危巖體平面呈矩形,寬2 m,立面面積5 m2,均厚2 m,體積約30 m3(圖4)。主崩方向320°,坡度85°,巖層產(chǎn)狀23°∠12°。巖體構(gòu)造裂隙主要集中在中部灰?guī)r夾層至頂部,與坡面近正交,裂隙張開約2～5 cm,局部少量碎塊石充填,兩壁較光滑。

圖2 W2危巖體剖面圖、立面圖、野外照片F(xiàn)ig.2 Profile,elevation drawing and field photo of W2 unstable rock mass

圖3 W3危巖體剖面圖、立面圖、野外照片F(xiàn)ig.3 Profile,elevation drawing and field photo of W3 unstable rock mass

2 危巖體形成影響因素分析

影響區(qū)內(nèi)危巖體形成的因素主要是自然因素和人類工程活動等。自然因素包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、降雨等,其中地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造是內(nèi)因,對危巖的形成和發(fā)展起控制性作用;降雨、地震是外因,對危巖的形成和發(fā)展起促進(jìn)作用。人類工程活動造成的影響主要為采礦放炮使坡體表層基巖松動,加劇了卸荷裂隙的發(fā)生與發(fā)展。

2.1 地形地貌

鑼鍋山危巖體地形坡度較大,表現(xiàn)為陡崖—陡坡—緩坡地貌,其中陡崖坡度一般為77°～87°,陡崖段多處形成小巖腔,地形陡峻,是危巖形成的必要條件。陡坡坡度一般為39°～41°,陡峻的地形使得失穩(wěn)巖體沿斜坡快速往下運(yùn)動(滾動),對坡腳處居民造成嚴(yán)重威脅。

圖4 W4危巖體剖面圖、立面圖、野外照片F(xiàn)ig.4 Profile,elevation drawing and field photo of W4 unstable rock mass

2.2 地層巖性

危巖處巖層平緩,巖性為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)灰?guī)r,該類巖石巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,為崩塌的形成提供了物質(zhì)及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

項目區(qū)褶皺構(gòu)造發(fā)育,巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,受層面和結(jié)構(gòu)面的組合切割,巖體破碎—較完整,呈碎裂狀—塊狀結(jié)構(gòu),易產(chǎn)生崩塌。

2.4 降雨

項目區(qū)全年降雨量主要集中在雨季(5—9月),短時的強(qiáng)降雨表現(xiàn)較為頻繁,降雨量大。降雨滲入危巖體裂隙形成的靜水壓力、凍脹力,使得危巖體在雨季、雪季的穩(wěn)定性大幅下降。暴雨或連續(xù)降雨過后,危巖體會出現(xiàn)急劇變形。雨水的滲入,除起沖刷作用外,其本身具有靜水壓力及動水壓力,會在裂縫中形成瞬時高水頭產(chǎn)生劈楔作用,加速裂縫的發(fā)展,破壞巖體的穩(wěn)定性。另外,雨水會使結(jié)構(gòu)面的填充物軟化,降低其抗剪強(qiáng)度,若裂隙中為粘土填充,粘土被液化產(chǎn)生膨脹力,也會破壞巖體的穩(wěn)定性,加劇潤滑作用,促進(jìn)危巖體失穩(wěn)。

2.5 重力

據(jù)統(tǒng)計,崩塌落石多發(fā)生在陡峭的斜坡上,一般高度>20 m,坡度>45°的巖體突出部分在風(fēng)化作用影響下,巖石力學(xué)強(qiáng)度削弱,重力作用使得巖體產(chǎn)生向下傾墜的趨勢,很可能給巖體內(nèi)部某結(jié)構(gòu)面一個向下的分力,這個分力又與另一結(jié)構(gòu)面大致垂直時,沿后一個結(jié)構(gòu)面最易被拉開,這樣形成潛在危巖體,當(dāng)裂隙發(fā)展到臨界程度,整體平衡條件被破壞時,巖體就會突然發(fā)生崩塌;斜坡體上的危石部分出現(xiàn)基腳松動,在重力的作用下,容易順坡向下滾動;表層松散土體在重力的牽引作用下也易出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象。

2.6 風(fēng)化

巖石長期裸露于地表,在溫度變化、大氣、水溶液、生物等因素作用下,使巖石在原地逐漸破碎疏松,化學(xué)成分、礦物成分均會發(fā)生變化。項目區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,四季分明,氣溫日差較大;春季冷空氣活動頻繁,常出現(xiàn)持續(xù)低溫陰雨;夏季氣溫高,降雨多而集中;秋季氣溫下降快,綿雨時間長;冬季多云霧,山區(qū)氣溫低,有冰凍出現(xiàn)。加之該區(qū)陡坡地帶均有灌木發(fā)育,常沿裂隙生長,植物的根劈以及生物腐蝕作用同時加快了裂隙的發(fā)育和擴(kuò)展,為降雨入滲提供有利條件,進(jìn)而降低巖體的穩(wěn)定性。

2.7 人類工程活動

區(qū)內(nèi)主要人類工程活動為硫鐵礦開采和居民農(nóng)耕開墾。采礦活動改變了原有的斜坡結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布,同時,頻繁的放炮對巖體造成擾動,加劇了裂隙擴(kuò)張速度和貫穿深度,不利于巖體穩(wěn)定;另外,農(nóng)作物耕作也不利于斜坡的穩(wěn)定,但對危巖穩(wěn)定性的影響較小。

3 危巖體破壞模式分析

根據(jù)節(jié)理裂隙的空間組合關(guān)系,按危巖體形成的力學(xué)機(jī)制可分為滑移式、墜落式和傾倒式三種[2],其中本項目區(qū)涉及墜落式和傾倒式二種。

(1) 墜落式危巖。W2、W3危巖體處于陡崖中部,該處邊坡陡峻、基巖裸露,危巖體三面臨空,側(cè)壁完全裸露,巖體向外凸出,底部形成約1 m深凹腔,外傾裂隙發(fā)育;危巖體主要受后壁及右側(cè)裂隙、底部裂隙切割控制,在重力及各種致災(zāi)外動力的作用下,當(dāng)巖體剪切面的剪切力不足以支撐巖體自重時,巖體容易自下而上脫離母體發(fā)生崩落;基于本區(qū)地層結(jié)構(gòu)、節(jié)理裂隙的空間組合,及變形跡象和破壞模式W1、W4可能產(chǎn)生墜落式崩塌。

(2) 傾倒式危巖。W1、W4危巖體受三組結(jié)構(gòu)面控制,外傾裂隙發(fā)育,呈張開狀,張開度約5～20 cm,裂縫切割深度約1～2 m,局部危巖體裂隙接近貫穿,裂隙內(nèi)可見少量碎石土填充;側(cè)面垂直坡面裂隙發(fā)育較寬且延伸長,貫通性好;危巖壁巖層面內(nèi)傾且平緩,傾角約12°;同時調(diào)查發(fā)現(xiàn),局部裂縫中間生長有灌木,加速了裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)張,該類巖體在重力、降雨作用下,危巖體繞下部基座支點(diǎn)向坡外發(fā)生轉(zhuǎn)動傾倒崩落,發(fā)生傾倒式破壞。

4 危巖體穩(wěn)定性定性分析

4.1 危巖體W1

圖5 W1危巖體結(jié)構(gòu)面赤平投影圖Fig.5 Stereographic projection of structural plane about W1 unstable rock

表1 W1危巖體各組結(jié)構(gòu)面相交棱線與坡面的空間關(guān)系及穩(wěn)定性評價表

Table 1 Stability evaluation form of W1 unstable rock mass

結(jié)構(gòu)面交線傾向與坡面傾向關(guān)系交線傾角與坡度關(guān)系穩(wěn)定性判別①∧③內(nèi)傾穩(wěn)定①∧②內(nèi)傾穩(wěn)定②∧③外傾傾角<坡角欠穩(wěn)定

危巖體W1內(nèi)①、③節(jié)理與坡向(臨空面)均成大角度相交,對危巖的穩(wěn)定性影響不大。危巖②組裂隙與③組裂隙交角較大,切割巖體成塊狀,結(jié)構(gòu)面兩兩組合②與④組合面對危巖的穩(wěn)定性影響大,不利于危巖的穩(wěn)定;巖層層面與3組節(jié)理面兩兩組合面對危巖的穩(wěn)定性影響不大(圖5)。W1危巖體其頂部強(qiáng)卸荷帶厚度為2.0 m,未見延伸長度較長、張開度較大伸入坡背的深大裂隙分布,巖體結(jié)構(gòu)為厚層狀灰?guī)r,風(fēng)化程度微—中等,巖層傾向坡內(nèi),卸荷裂隙傾角很陡,雖巖體內(nèi)分布有卸荷裂隙,但不會影響坡體內(nèi)側(cè)巖體的整體穩(wěn)定,故W1危巖體頂部強(qiáng)卸荷帶2.0 m以外的巖體穩(wěn)定性較好(表1)?？傮w評價該危巖處基本穩(wěn)定狀態(tài),易發(fā)生傾倒式破壞。

4.2 危巖體W2

W2區(qū)內(nèi)①、③節(jié)理與坡向(臨空面)均成大角度相交,對危巖的穩(wěn)定性影響不大。危巖②組裂隙與③組裂隙交角較大,切割巖體成塊狀,結(jié)構(gòu)面兩兩組合②與④組合面對危巖的穩(wěn)定性影響大,不利于危巖的穩(wěn)定;巖層層面與3組節(jié)理面兩兩組合面對危巖的穩(wěn)定性影響不大(圖6)。W2危巖體其頂部強(qiáng)卸荷帶厚度為2 m,未見發(fā)育有延伸長度進(jìn)入坡背基巖、張開度較大的裂隙(表2)?？傮w評價該危巖受節(jié)理切割多處巖體在結(jié)構(gòu)面的切割下成立方體或楔形體結(jié)構(gòu),形成局部掉塊崩落。

圖6 W2危巖體結(jié)構(gòu)面赤平投影圖Fig.6 Stereographic projection of structural plane about W2 unstable rock

表2 W2危巖體各組結(jié)構(gòu)面相交棱線與坡面的空間關(guān)系及穩(wěn)定性評價表

Table 2 Stability evaluation form of W2 unstable rock mass

結(jié)構(gòu)面交線傾向與坡面傾向關(guān)系交線傾角與坡度關(guān)系穩(wěn)定性判別①∧③內(nèi)傾穩(wěn)定①∧②內(nèi)傾穩(wěn)定②∧③外傾傾角<坡角欠穩(wěn)定

4.3 危巖體W3

圖7 W3危巖體結(jié)構(gòu)面赤平投影圖Fig.7 Stereographic projection of structural plane about W3 unstable rock

表3 W3危巖體各組結(jié)構(gòu)面相交棱線與坡面的空間關(guān)系及穩(wěn)定性評價表

Table 3 Stability evaluation form of W3 unstable rock mass

結(jié)構(gòu)面交線傾向與坡面傾向關(guān)系交線傾角與坡度關(guān)系穩(wěn)定性判別①∧③外傾傾角<坡角欠穩(wěn)定①∧②內(nèi)傾穩(wěn)定②∧③內(nèi)傾穩(wěn)定

W3區(qū)內(nèi)①、③節(jié)理與坡向(臨空面)均成大角度相交,對危巖的穩(wěn)定性影響不大。危巖②組裂隙與③組裂隙交角較大,切割巖體成塊狀,結(jié)構(gòu)面兩兩組合②與④組合面對危巖的穩(wěn)定性影響大,不利于危巖的穩(wěn)定;巖層層面與3組節(jié)理面兩兩組合面對危巖的穩(wěn)定性影響不大(圖7)?？傮w評價該受節(jié)理切割多處的巖體在結(jié)構(gòu)面的切割下成立方體或楔形體結(jié)構(gòu),形成局部掉塊崩落(表3)。

4.4 危巖體W4

W4區(qū)內(nèi)①、③節(jié)理與坡向(臨空面)均成大角度相交,對危巖的穩(wěn)定性影響不大。危巖②組裂隙與③組裂隙交角較大,切割巖體成塊狀,結(jié)構(gòu)面兩兩組合②與④組合面對危巖的穩(wěn)定性影響大,不利于危巖的穩(wěn)定;巖層層面與3組節(jié)理面兩兩組合面對危巖的穩(wěn)定性影響不大(圖8)。W4危巖體頂部強(qiáng)卸荷帶2 m以外的巖體穩(wěn)定性較好。受巖體層面裂隙、構(gòu)造裂隙和重力卸荷裂隙的控制,危巖變形破壞方式為傾倒式(表4)。

5 危巖體穩(wěn)定性定量分析

巖體抗壓強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)室內(nèi)巖石抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值[1],參照《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DB50/143—2003)10.6.7條的折減要求進(jìn)行折減,因裂隙較發(fā)育,折減系數(shù)取0.67。

水重度取10 kN/m3?，F(xiàn)狀下裂隙充水高度取裂隙深度的0倍,暴雨時裂隙充水高度取裂隙深度的0.5倍。計算參數(shù)見表5。

圖8 W4危巖體結(jié)構(gòu)面赤平投影圖Fig.8 Stereographic projection of structual plane about W4 unstable rock

表4 W4危巖體各組結(jié)構(gòu)面相交棱線與坡面的空間關(guān)系及穩(wěn)定性評價表

Table 4 Stability evaluation form of W4 unstable rock

結(jié)構(gòu)面交線傾向與坡面傾向關(guān)系交線傾角與坡度關(guān)系穩(wěn)定性判別①∧③內(nèi)傾穩(wěn)定①∧②內(nèi)傾穩(wěn)定②∧③內(nèi)傾穩(wěn)定

表5 危巖體穩(wěn)定性計算參數(shù)建議值一覽表

根據(jù)勘查地面測繪資料成果,崩塌體邊坡后緣,即陡崖頂部,陡傾裂隙發(fā)育。對不同破壞模式危巖的穩(wěn)定性計算依據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DB50/143—2003)12.2條危巖穩(wěn)定性評價進(jìn)行計算并按規(guī)范中危巖穩(wěn)定性狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價[3],結(jié)果見表6。

表6 危巖體穩(wěn)定性評價結(jié)果

為了計算方便,危巖體運(yùn)動速度、彈跳高度及距離計算采用鐵道部第一設(shè)計院介紹的由蘇聯(lián)尼·米·羅依尼什維里教授提出的落石運(yùn)動速度的計算方法[4]。同時根據(jù)動能計算落石撞擊能量。計算結(jié)果參見表7、表8。

表7 危巖體計算結(jié)果

表8 危巖體運(yùn)動參數(shù)計算表

6 結(jié)語

崩塌W2危巖體,在天然狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)>1.3,處于穩(wěn)定狀態(tài);在飽和工況或地震工況條件下穩(wěn)定性系數(shù)在1.10～1.25之間,處于欠穩(wěn)定狀態(tài);W3危巖體,在天然狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)>1.2,處于穩(wěn)定狀態(tài),在飽和或地震工況條件下穩(wěn)定性系數(shù)在1.15～1.25之間,處于欠穩(wěn)定狀態(tài);兩處危巖單體,受地質(zhì)構(gòu)造作用、風(fēng)化卸荷作用影響,未來失穩(wěn)的可能性較大,應(yīng)盡快予以清除。

崩塌W1、W4危巖體,在天然狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)>1.3,均處于穩(wěn)定狀態(tài);在飽和工況條件下W4穩(wěn)定性系數(shù)在1.10～1.25之間,處于欠穩(wěn)定狀態(tài),W1穩(wěn)定系數(shù)>1.25處于穩(wěn)定狀態(tài);在地震工況條件下,W1處于欠穩(wěn)定狀態(tài),W4處于基本穩(wěn)定狀態(tài),兩處危巖單體,受地質(zhì)構(gòu)造作用、風(fēng)化卸荷作用影響,結(jié)構(gòu)面發(fā)育,巖體較為破碎,后緣外傾裂隙發(fā)育,且局部裂隙內(nèi)灌木叢生,同時受植被根劈作用影響,未來在暴雨、地震、人工擾動等因素影響下,失穩(wěn)的可能性大,易發(fā)生傾倒式破壞。

通過理論計算,崩塌的危巖體最大運(yùn)動速度達(dá)29.5 m/s,崩塌落石進(jìn)入村中的最大沖擊能量達(dá)940.8 kJ,對房屋具有很強(qiáng)的沖擊力和破壞力。

鑼鍋山崩塌危巖體嚴(yán)重威脅到敘永縣落卜鎮(zhèn)大樹村四社的12戶居民,52人的生產(chǎn)生活和生命財產(chǎn)安全。經(jīng)分析,W1、W2、W3和W4危巖體(區(qū))處于欠穩(wěn)定狀態(tài),由于該處崩塌一直處于漸進(jìn)性變形中,在余震、暴雨或人類活動強(qiáng)烈影響下,很可能再次發(fā)生崩塌,其后果不堪設(shè)想,因此及時對該危巖體進(jìn)行治理顯得非常必要。

[1] 郭培國,張云衛(wèi),何為康,等.敘永縣落卜片區(qū)硫鐵礦礦山地質(zhì)環(huán)境治理示范工程二期項目鑼鍋山崩塌勘查報告[R].武漢:湖北地礦建設(shè)工程承包集團(tuán)有限公司,2014.

[2] 徐邦棟.滑坡分析與防治[M].北京:中國鐵道出版社,2001.

[3] 重慶市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范:DB50/143—2003[S].重慶:重慶市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,2003.

[4] 胡厚田.崩塌與落石[M].北京:中國鐵道出版社,1989.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

Genesis,Failure Mode and Stability Analysis of Unstable Rock Mass ofLuoguo Mountain in a Mountain Area

TIAN Ye

(HubeiInsitituteofUrbanGeologicalEngineering,Wuhan,Hubei430070)

By the method of field geological survey,the influencing factors and failure mode of unstable rock mass are analyzed. According to unstable rock feature,the paper evaluates the stability of unstable rocks quantitatively and qualitatively.This paper provides a basis for forecasting the development trend of unstable rock and treatment.

unstable rock mass; failure mode; stability analysis

2016-01-06;改回日期:2016-01-25

田野(1984-),男,工程師,碩士,地下水科學(xué)與工程專業(yè),從事巖土設(shè)計工作。E-mail:23997194@QQ.com

TU457

A

1671-1211(2016)04-0622-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.04.017

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160707.1528.028.html 數(shù)字出版日期:2016-07-07 15:28