黃海韻

(貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院， 貴陽 550000)

貴州受獨特的地質(zhì)環(huán)境條件影響，滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生較為頻繁。通常，崩塌不僅會造成的重大人員傷亡或重大經(jīng)濟損失，還會對社會的發(fā)展產(chǎn)生不利的影響[1]， 因此，展開對崩塌的形成機理及穩(wěn)定性分析，對其防治方案及防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要的現(xiàn)實意義[2]。詹亞輝等[3]以河南焦作龍寺礦山崩塌為工程背景，通過對現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)研，查明巖體破壞結(jié)構(gòu)特征，對其崩塌形成機理進行了研究；李果等[4]以四川省九龍縣石頭崖子崩塌為研究對象，詳細分析了崩塌的影響因素及形成機制,定性定量的對其穩(wěn)定性進行了分析計算；馬品格[5]以中國西南地區(qū)某水電站右岸崩塌堆積體為研究對象，通過詳細的現(xiàn)場調(diào)查和對相關(guān)資料分析，對堆積體的變形破壞特征及其成因機制進行研究。針對崩塌，諸多學(xué)者進行了大量研究，并取得了一系列成果[6-9]。本文通過對水城縣雞場鎮(zhèn)巖腳組崩塌成因及穩(wěn)定性分析，為其邊坡的防治及治理提供科學(xué)的依據(jù)。

1 崩塌區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

研究區(qū)位于構(gòu)造侵蝕而成的盆地凸起的楊梅樹向斜盆地的南部，為中山及低中山地形，屬中山侵蝕-剝蝕地貌，地形高差較大，區(qū)內(nèi)最高標高為1 820 m，北盤江最低侵蝕基準面880 m，相對高差940 m左右，總體地形北西高、南東低，自然坡度10°～45°，河谷地段因河谷切割，相對較陡該地段自然坡度一般為20°～70°。煤系地層一般出露標高為900～1 300 m，煤礦南側(cè)為茅口灰?guī)r形成的盆緣山峰，標高2 000 m以上；上二疊統(tǒng)峨眉山玄武巖為同向單面山；煤系地層為較開闊的走向谷及緩坡地形，被第四系覆蓋面積較大，區(qū)內(nèi)植被較發(fā)育；煤系上覆地層形成桌狀山，山勢陡峻，巖溶較發(fā)育，如圖1所示。

圖1 巖腳組崩塌工程地質(zhì)平面圖

1.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)出露最老地層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)，飛仙關(guān)組(T1f)，最新地層為第四系(Q)，第四系(Q)出露于礦山東部及南東部含煤地層附近，主要為飛仙關(guān)組(T1f)紫灰色、灰綠色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖的風坡積物，厚0～30 m，面積約0.80 km2。

礦山僅出露三段，巖層產(chǎn)狀329°∠29°。三段(T1yn3)：灰色薄層狀至厚層狀灰?guī)r為主，夾泥灰?guī)r。出露不全，可見厚100 m以上。二段(T1yn2)：以黃灰色鈣質(zhì)泥巖及泥灰?guī)r為主，夾鈣質(zhì)粉砂巖及細砂巖，平均厚度154 m。一段(T1yn1)：上部厚層白云質(zhì)灰?guī)r與薄層灰?guī)r互層，下部薄層灰?guī)r、泥灰?guī)r夾鈣質(zhì)泥巖薄層，平均厚度144 m。

飛仙關(guān)組(T1f)，黃灰色薄層泥質(zhì)灰?guī)r夾鈣質(zhì)泥巖及鈣質(zhì)粉砂巖。底部20 m左右紫紅色鈣質(zhì)泥巖、細砂巖，平均厚度161 m。第二亞段(T1f2-2)：鈣質(zhì)泥巖與細砂巖互層，中部及底部夾較多的細砂巖透鏡體，平均厚度198 m。第一亞段(T1f2-1)：紫紅色泥巖夾薄層至厚層狀細砂巖，平均厚度122 m。

龍?zhí)督M(P3l)，由細砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖和煤組成，含煤47～78層，下部含2～3層鋁土巖，煤層底板普遍都有根土巖。含大羽羊齒、帶羊齒、細羊齒等植物化石，并含有稀少的瓣鰓類、腹足類及腕足類化石，厚410～430 m。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)域大地構(gòu)造屬揚子準地臺黔北臺隆六盤水斷陷普安旋扭構(gòu)造變形區(qū)，區(qū)內(nèi)褶皺及斷裂主要為北東-南西向，攀枝花煤礦位于六盤水斷陷普安旋扭構(gòu)造變形區(qū)楊梅樹盆形向斜的次一級構(gòu)造妥倮屯向斜的南東翼。地層傾向326°～356°，傾角25°～46°，上部永寧鎮(zhèn)組平均產(chǎn)狀329°∠29°。區(qū)內(nèi)無較大斷裂構(gòu)造穿過，僅存在部分小型斷裂。

1.4 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水的含水類型、富水性及水動力特征，研究區(qū)地下水類型可劃分為碳酸鹽巖巖溶水、基巖裂隙水及松散巖類孔隙水。碳酸鹽巖溶水賦存于碳酸鹽巖的裂隙、溶洞及巖溶管道中、基巖裂隙水賦存于碎屑巖中，松散巖類孔隙水賦存于第四系殘坡積層孔隙內(nèi)。

2 崩塌體基本特征

水城縣雞場鎮(zhèn)坪地村巖腳組崩塌地質(zhì)災(zāi)害位于巖腳組后山斜坡頂部。受北盤江河谷切割侵蝕以及溶蝕作用的影響，危巖帶所處的斜坡高差達到762 m，斜坡地形起伏較大，自然坡度一般為45°～70°，局部形成陡崖、陡坡。整體斜坡頂部為永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r形成的陡崖，如圖2所示，中部為飛仙關(guān)組砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖組成的陡坡，下部為二疊系龍?zhí)督M煤系地層。整體地形呈現(xiàn)“上硬下軟”的巖體結(jié)構(gòu)，且下部攀枝花煤礦采煤活動頻發(fā)，因此造成上部灰?guī)r中出現(xiàn)多處拉張裂縫。

圖2 巖腳組崩塌全貌

根據(jù)現(xiàn)場勘查，崩塌危巖帶發(fā)育于頂部薄至厚層灰?guī)r之中，巖層產(chǎn)狀329°∠29°。危巖帶分布高程為1 585～1 665 m，分布寬度約233 m，分布高差約80 m，面積約14 942 m2，平均厚度約55 m，總體方量達到102.52×104m3。整體崩塌方向約123°，失穩(wěn)方向與巖層傾向近于反傾。在進行過前兩期治理的崩塌危巖帶上，又形成了多條拉張裂縫，裂縫走向較為凌亂，主要發(fā)育有3組拉張裂縫：①組裂縫張開0.1～0.3 m，裂縫張開最大0.8 m，線密度為3條/m，發(fā)育方向為234°；②組裂縫張開0.05～0.5 m，線密度為2條/m，發(fā)育方向為145°；③組裂縫張開0.05 m～0.1 m，線密度為2條/m，發(fā)育方向為198°，裂縫多呈弧形，被碎石土填充，可見深度較小。有眾多裂縫隱伏于巖體之內(nèi)，主要沿豎直方向發(fā)育，部分裂縫已經(jīng)發(fā)展貫通。在裂縫的切割作用以及整個崩塌危巖體應(yīng)力調(diào)整作用下，使得巖體結(jié)構(gòu)較為破碎，且部分裂縫已經(jīng)貫穿，對崩塌危巖體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。目前，危巖帶部分巖體已經(jīng)發(fā)生崩塌掉塊，崩塌危巖帶下部的斜坡上堆積著眾多的崩塌體，如圖3所示。

受威脅的攀枝花煤礦位于崩塌地質(zhì)災(zāi)害所處斜坡的底部位置，靠近北盤江及其支流的河谷地帶。由于地形高差大，崩塌危巖體失穩(wěn)破壞后能力巨大，危害嚴重。且由于下部采煤活動的影響，坡體上出現(xiàn)多條寬大的拉張裂縫，巖體的整體結(jié)構(gòu)被破壞，穩(wěn)定性大為降低，在降雨、地震等作用下極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，如圖4所示。

圖3 崩塌危巖帶

圖4 崩塌危巖帶裂縫

3 崩塌成因機制分析

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查，雞場鎮(zhèn)坪地村巖腳組崩塌主要的失穩(wěn)破壞方式為滑移式，伴隨著墜落式等失穩(wěn)破壞方式，其形成機理具有一定規(guī)律性。以下將根據(jù)地形、巖體組合、結(jié)構(gòu)特征等方面分析其形成機理。

崩塌危巖帶所處的山體為反向斜坡，上部永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r形成高陡直立的陡崖，中下部為飛仙關(guān)組粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖構(gòu)成的陡崖、陡坡。本次勘查中威脅攀枝花煤礦生命財產(chǎn)安全的危巖帶主要發(fā)育于頂部永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r形成的陡崖上，部分巖體結(jié)構(gòu)面臨空。陡崖這一微地貌為危巖體的失穩(wěn)提供了有力的地形條件。

危巖帶下部地層巖性為粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖互層，危巖帶所處的地層巖性為灰?guī)r，形成“上硬下軟”的地層結(jié)構(gòu)，由于巖層的差異性風化卸荷作用，使陡傾層狀邊坡在局部坡面上，極易形成眾多深淺不一的凹巖腔。這些凹巖腔的產(chǎn)生和發(fā)展，使得凹巖腔上覆巖體逐漸發(fā)展為危巖。這一巖性特征也為危巖體的形成提供了有利的巖性組合條件。

巖體因極發(fā)育的拉張裂隙及層理相互切割，形成不穩(wěn)定塊體，巖體多呈碎裂結(jié)構(gòu)。高度發(fā)育的節(jié)理裂隙，導(dǎo)致部分危巖體與母巖接觸的部分裂隙貫通或部分貫通。降雨水匯入各種節(jié)理切割形成的裂隙，為巖體進一步的風化、侵蝕提供了有利條件。

人類工程活動的擾動，加快了巖體變形演變的過程，使得原本需要很長時間的卸荷斜坡風化變形，在短時間內(nèi)發(fā)生變形破壞。

在這一系列的綜合作用下，裂隙進一步延長、加深，巖體重心外傾，形成了孤石及可能失穩(wěn)的危巖塊體。部分危巖體所在斜坡坡度較陡，且?guī)r體中節(jié)理發(fā)育，為這類危巖體形成滑移式崩塌提供了有利條件。

4 崩塌體穩(wěn)定性分析

4.1 崩塌體穩(wěn)定性定性分析

受采煤活動影響，整個危巖帶內(nèi)發(fā)育3組明顯貫穿的深大裂縫，但巖體層面傾向坡內(nèi)，危巖帶整體暫時穩(wěn)定。然而破碎的巖體結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)力調(diào)整，危巖帶將逐漸有外向內(nèi)由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定狀態(tài)，受節(jié)理裂隙的切割影響，尤其是坡內(nèi)存在一組陡傾向臨空面的節(jié)理裂隙，整個危巖帶也逐漸由外向內(nèi)發(fā)生滑移式失穩(wěn)破壞，危巖體穩(wěn)定性較差。

4.2 崩塌體穩(wěn)定性定量分析

危巖帶上危巖體隨著應(yīng)力調(diào)整將逐漸有外向內(nèi)發(fā)生滑移式破壞，因此根據(jù)現(xiàn)場勘查情況，選取危巖帶上的典型危巖體WY1、WY2(圖5、圖6)進行穩(wěn)定性計算，計算公式如下：

圖5 WY1現(xiàn)狀圖

圖6 WY2現(xiàn)狀圖

1)滑移式崩塌穩(wěn)定性計算。

(1)

式中：V為裂隙水壓力，kN/m；F為危巖穩(wěn)定性系數(shù)；c為后緣裂隙黏聚力標準值，kPa，當裂隙未貫通時，取貫通段和未貫通段黏聚力標準值按長度加權(quán)的加權(quán)平均值，未貫通段黏聚力標準值取巖石黏聚力標準值的0.3倍；φ為后緣裂隙內(nèi)摩擦角標準值，(°)，當裂隙未貫通時，取貫通段和未貫通段內(nèi)摩擦角標準值按長度加權(quán)的加權(quán)平均值，未貫通段內(nèi)摩擦角標準值取巖石內(nèi)摩擦角標準值的0.95倍；α為滑面傾角，(°)；W為危巖體自重，kN/m；l為滑移面長度。

2)墜落式危巖穩(wěn)定性計算。多組結(jié)構(gòu)面將巖體切割成不穩(wěn)定的塊體, 當?shù)撞堪记话l(fā)育時, 使局部巖體臨空, 不穩(wěn)定塊體發(fā)生崩塌, 進而使上部巖體失去支撐，卸荷作用加劇，形成切割巖體的結(jié)構(gòu)面，從而形成墜落危巖。

對后緣有陡傾裂隙的崩塌式危巖按式(2)計算，穩(wěn)定性系數(shù)取兩種計算結(jié)果中的較小值。

(2)

式中：ζ為危巖抗彎力矩計算系數(shù)，依據(jù)潛在破壞面形態(tài)取值，一般可取1/12～1/16；a0為危巖體重心到潛在破壞面的水平距離，m；b0為危巖體重心到潛在破壞面的鉛垂距離，m；flk為危巖體抗拉強度標準值，kPa；H為后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距；h為后緣裂深度；Q為地震力。

3)計算參數(shù)。裂隙和滑面參數(shù)主要包括后緣裂隙高度、裂隙充水高度、裂隙黏聚力和內(nèi)摩擦角等，主要從計算剖面中量取和采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)。裂隙抗剪強度參照《工程巖體分級標準》，巖體結(jié)構(gòu)面抗剪斷峰值強度、《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)、《工程地質(zhì)手冊》(第四版)等有關(guān)結(jié)構(gòu)面抗剪強度指標標準值來確定；巖體抗拉強度根據(jù)當?shù)貛r石抗拉強度經(jīng)驗值按《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2009)的折減要求進行折減，折減時考慮危巖的裂隙貫通程度；天然狀態(tài)下裂隙充水高度取1/7h～1/3.5h，暴雨狀態(tài)取1/4h～1/2h(根據(jù)裂隙發(fā)育情況和匯水情況而定)。計算參數(shù)取值如表1所示。

表1 滑坡穩(wěn)定性分析計算參數(shù)取值

4)計算結(jié)果分析。根據(jù)危巖體的失穩(wěn)破壞方式，選取WY1滑移式危巖體和WY2墜落式危巖體按照穩(wěn)定性計算公式進行計算，計算結(jié)果見表2。

表2 巖腳組崩塌各危巖體穩(wěn)定性計算結(jié)果統(tǒng)計

通過穩(wěn)定性計算表明，危巖體WY1在天然工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下將會發(fā)生失穩(wěn)破壞，危巖體WY2在天然工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。強降雨對危巖體的影響極大，敏感性也極強，因此，強降雨將會引起危巖體發(fā)生破壞。

5 結(jié)論

通過巖腳組崩塌成因機制及穩(wěn)定性分析，得到以下結(jié)論：

1)該危巖帶分布范圍廣、高差大，包含的危巖體規(guī)模大，主要以滑移式、墜落式等方式失穩(wěn)破壞，局部已經(jīng)發(fā)生崩塌掉塊現(xiàn)象。

2)影響該危巖帶變形破壞的主要因素包括內(nèi)在因素和外在因素2個方面，內(nèi)在因素主要包括地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)特征、地形地貌，在這些因素中巖體結(jié)構(gòu)特征起著控制性的作用；外在因素主要包括降雨和人類工程活動工程。內(nèi)在因素對危巖體的穩(wěn)定性起控制作用，而外因是危巖體失穩(wěn)的主要激發(fā)因素。

3)采用定性分析與定量計算相結(jié)合的方法對危巖帶進行穩(wěn)定性評價，在工況1天然工況下處于基本穩(wěn)定到欠穩(wěn)定狀態(tài)，在工況2暴雨工況條件下為欠穩(wěn)定到失穩(wěn)破壞狀態(tài)。