莫春雷,易春瑤,常亮(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢430034)
陳家灣崩塌形成演化過(guò)程與成因機(jī)制分析
莫春雷,易春瑤,常亮(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢430034)
崩塌是山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害中的一種類型,也是一種自然動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)陳家灣崩塌基本特征進(jìn)行調(diào)查,綜合分析了陳家灣崩塌的形成演化過(guò)程和形成條件,為陳家灣崩塌的治理方案設(shè)計(jì)提供參考。
崩塌;演化過(guò)程;成因機(jī)制
陳家灣崩塌危巖體位于湖北省??悼h馬橋鎮(zhèn)橫溪村三組山體北側(cè)坡,斜坡坡度較陡,略向北西傾斜,高差約120多米,坡腳為人工采空區(qū),對(duì)坡體進(jìn)行了一定程度的開(kāi)挖,對(duì)坡形破壞較大。據(jù)調(diào)查,2008年10月該崩塌體發(fā)生變形,后緣出現(xiàn)寬10~20cm的拉張裂縫,并出現(xiàn)0.2m的垂直錯(cuò)距。2015年2月因保康地震再次變形,垂向裂縫貫穿山頂,遠(yuǎn)處清晰可見(jiàn)。位于后緣的3根監(jiān)測(cè)樁完全滑落,現(xiàn)已重新安裝。
崩塌體基本特征表現(xiàn)為:整體坡向350°,坡形呈凹形,上陡下緩,在高程1330~1360m處形成高約30m的危巖體,危巖體寬40m,長(zhǎng)10m,危巖體向外凸出,自然地形近直線傾斜狀,潛在崩塌危巖體總體積12000m3,為一錯(cuò)斷式中型崩塌。崩塌體巖性為神農(nóng)架群大巖坪組白云巖,巖層產(chǎn)狀62°∠42°,根據(jù)產(chǎn)狀與坡向的組合關(guān)系,斜坡為橫向坡(見(jiàn)圖1)。
陳家灣崩塌形成條件復(fù)雜,根據(jù)對(duì)崩塌危巖體和崩塌堆積物的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,高陡斜坡是此崩塌發(fā)生的必要條件,不均一的巖層為其形成提供了物質(zhì)條件,采礦活動(dòng)改變了斜坡的應(yīng)力分布,局部出現(xiàn)應(yīng)力集中產(chǎn)生裂隙,在降雨和地震外界影響因素作用下,隨著裂隙的擴(kuò)展、延伸直至連通,巖體變形增大,脫離母體的危巖體向臨空面方向位移,巖體抗力不斷減少,局部巖體失穩(wěn)產(chǎn)生崩塌,最后發(fā)生此漸進(jìn)性破壞,形成崩塌堆積體。該崩塌堆積體的形成機(jī)制分為以下三個(gè)階段:
圖1 陳家灣崩塌全景
1.1 應(yīng)力重分布卸荷回彈階段
斜坡在形成過(guò)程中,應(yīng)力發(fā)生重分布。表現(xiàn)為主應(yīng)力跡線發(fā)生偏轉(zhuǎn),最大主應(yīng)力跡線平行于臨空面,最小主應(yīng)力跡線則與臨空面正交,導(dǎo)致在坡腳和坡頂相應(yīng)的出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。斜坡在卸荷階段,臨空面附近產(chǎn)生拉應(yīng)力集中帶,坡腳附近剪應(yīng)力增高。坡體向臨空方向卸荷回彈,并與坡體上部形成自上而下的卸荷裂隙帶,使原有巖體在應(yīng)力集中和卸荷雙重作用下,結(jié)構(gòu)變得破碎。
1.2 裂隙發(fā)展及潛在崩塌體形成階段
主要為風(fēng)化、剝蝕、降雨沖刷等外部自然營(yíng)力下產(chǎn)生形成現(xiàn)今崩塌形態(tài)特征的過(guò)程。巖體受日照、降雨等風(fēng)化作用下,發(fā)生差異性風(fēng)化,促使結(jié)構(gòu)面不斷的擴(kuò)展、延伸,同時(shí)又為后期風(fēng)化提供了條件。加之地震、人類工程活動(dòng)的擾動(dòng)等特殊外力作用,巖體結(jié)構(gòu)變得更加破碎,巖體的穩(wěn)定性顯著降低。由于巖層的不均一性,坡面巖層經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的差異風(fēng)化而出現(xiàn)凹巖腔,從而在坡面上出現(xiàn)局部倒懸坡。倒懸坡坡體內(nèi)部與邊緣的應(yīng)力分布十分不均勻,斜坡的眉峰兩面臨空,處于極不穩(wěn)定的狀態(tài),此處的巖土塊體也就成了潛在危巖體。
1.3 漸進(jìn)性破壞崩塌階段
當(dāng)在強(qiáng)降雨或者地震等敏感性因素作用下,導(dǎo)致局部巖體失穩(wěn)產(chǎn)生崩塌,在重力的作用下,經(jīng)過(guò)滾動(dòng)、碰撞,最后堆積于坡腳。軟硬相間的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其形成許多大大小小的凹巖腔,為巖體的進(jìn)一步崩塌提供了條件,其又會(huì)接著(1)(2)階段產(chǎn)生漸進(jìn)性破壞,發(fā)生崩塌。
陳家灣崩塌所在山體下部為采礦礦洞,地下采礦活動(dòng)誘發(fā)山體斜坡內(nèi)部巖體應(yīng)力變化,導(dǎo)致巖體工程地質(zhì)條件改變,隨著開(kāi)采工作面的推進(jìn),導(dǎo)致其上部巖層局部失去支撐。采空區(qū)上覆巖體在垂直方向和水平方向上均會(huì)受到先拉后壓的應(yīng)力應(yīng)變作用,在上覆巖體自重力作用下產(chǎn)生壓縮及塑性變形,使陡傾角卸荷裂隙帶的拉裂擴(kuò)張隨時(shí)間累進(jìn)性發(fā)展,在坡體的后緣產(chǎn)生張性裂縫。受采空區(qū)影響,巖體卸荷裂隙發(fā)育,裂隙面不斷擴(kuò)展貫通,造成巖層逐漸錯(cuò)斷形成倒懸危巖體 (圖2~3),陳家灣崩塌現(xiàn)正處于漸進(jìn)性破壞崩塌階段。
圖2 陳家灣崩塌剖面示意圖
圖3 陳家灣崩塌平面示意圖
崩塌是斜坡體系統(tǒng)在外部因素作用下,部分巖土塊體脫離斜坡母體而形成的。陳家灣崩塌的形成條件主要有人類工程活動(dòng)、地震、構(gòu)造、地層巖性、地形地貌、氣象水文等。
2.1 人類工程活動(dòng)
人為活動(dòng)會(huì)引起斜坡體系統(tǒng)外部環(huán)境的變化,為崩塌的發(fā)生創(chuàng)造了激發(fā)條件。采礦時(shí),地下坑道洞室開(kāi)挖,采空區(qū)周圍一定范圍內(nèi)的應(yīng)力發(fā)生變化,應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)新的分布,破壞原來(lái)的平衡狀態(tài),使山體開(kāi)裂,貫穿的裂縫切割巖體,造成了危巖體的形成失穩(wěn)。此外,采礦的爆破震動(dòng),使巖層松動(dòng),卸荷裂隙發(fā)育。
2.2 地震及構(gòu)造活動(dòng)
地震引起的山體震動(dòng)可引起斜坡體在垂直方向和水平方向上的急劇、反復(fù)的應(yīng)力變化,破壞坡體內(nèi)部和臨空面原有的脆弱力學(xué)平衡,導(dǎo)致危巖體失去重心。地震甚至可以使一些原本較穩(wěn)定的巖土塊體也發(fā)生崩塌。2015年2月陳家灣崩塌因??档卣鹱冃危率勾瓜蛄芽p貫穿山頂。因此,地震是崩塌發(fā)生頻率和規(guī)模最大的一種外在激發(fā)因素。
而構(gòu)造對(duì)崩塌形成的影響表現(xiàn)為:構(gòu)造作用形成的各向節(jié)理面,對(duì)坡體產(chǎn)生切割、分離,使巖體破碎,其中沿一組外傾陡節(jié)理327°∠87°最為發(fā)育,為采空區(qū)變形裂縫延伸、卸荷裂隙追蹤擴(kuò)容及地下水滲流創(chuàng)造了條件。
2.3 地層巖性
災(zāi)害體發(fā)育巖層為中厚層堅(jiān)硬的白云巖,因巖石強(qiáng)度較大,裂隙發(fā)育時(shí),巖石常呈塊體,塊體之間分離面摩擦力也較大,塊體之間相互鉸合,形成高而陡的坡形。由于巖層的不均一性,巖石的差異性風(fēng)化,在陡坡上形成凹巖腔,使上部塊體巖層懸空,當(dāng)巖層自身重力超出巖層間的摩擦力及相互的鉸合力時(shí),巖層即崩落失穩(wěn)。
2.4 地形地貌
崩塌危巖體位于自然斜坡坡頂?shù)亩噶⒚嫔希瑪嗝娼谥绷?,略向北西傾斜,高差約120多米,坡形呈凹型,上陡下緩,崩塌危巖體呈塊狀懸空,巖體下方的凹槽腔及凹形地形使危巖體部分臨空,為卸荷裂隙形成及剪出提供了有利條件。
2.5 氣象水文
降水入滲可增大巖石裂隙網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)水壓力,提高坡體向臨空面方向的推力;同時(shí)雨水的浸潤(rùn)使裂隙分離面兩側(cè)的巖土軟化,或減小分離面的抗滑阻力。此外,晝夜溫差變化也會(huì)對(duì)崩塌發(fā)育造成不同程度影響,使暫時(shí)穩(wěn)定的危巖體可能在某一時(shí)刻突然失穩(wěn)。
根據(jù)崩塌現(xiàn)今變形跡象及地形地質(zhì)條件綜合分析,陳家灣崩塌危巖體變形破壞模式為錯(cuò)斷式崩塌。錯(cuò)斷式崩塌形成于斜坡體上部陡立巖體,受控于巖體中主要發(fā)育的3組節(jié)理裂隙面,L1:327°∠87°,為主控裂隙面,使山體巖層垂向錯(cuò)斷,山頂后緣可見(jiàn)縫寬0.2m;L2:88°∠49°;L3:62°∠24°,為巖層的層面裂隙。各節(jié)理裂隙斜交切割巖層,將巖層分割成大的塊體,卸荷裂隙沿3組節(jié)理面追蹤破壞,在巖體自重下沿某一巖面產(chǎn)生最大剪應(yīng)力超過(guò)巖體抗減強(qiáng)度時(shí),危巖易沿節(jié)理面錯(cuò)斷崩塌。
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P642.22
A
2095-2066(2016)22-0061-02
2016-7-12
莫春雷(1987-),男,助理工程師,碩士研究生,主要從事水工環(huán)工作。