貴州納雍“8·28”崩塌破壞過程與變形破壞機理初探

肖銳鏵，陳紅旗，冷洋洋，魏云杰，王文沛

(1.國土資源部地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)中心，北京 100081；2.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，貴州 貴陽 550081)

0 引言

2017年8月28日10時40分左右，貴州省納雍縣張家灣鎮(zhèn)普灑村老鷹巖組發(fā)生山體崩塌，主崩方向約為NW320°，崩塌體積約6×105m3，崩塌源區(qū)老鷹巖標高2 147 m，崩塌形成碎屑流前緣最低標高1 842 m，相對高差305 m，崩塌發(fā)生后巖土體與地面發(fā)生撞擊，形成高速碎屑流，崩塌體長約840 m，寬約410 m，掩埋了下部普灑村大樹腳組部分房屋，共造成35人遇難。崩塌源區(qū)巖土體底部潰屈發(fā)生傾倒式破壞，崩落在崩積區(qū)，由于崩積區(qū)地形近似“自行車座椅”，前部高挑兩側(cè)低洼，崩落巖土體與地面撞擊后，沿“座椅”兩側(cè)相對低洼地形，形成高速碎屑流，進行了長距離的運動和堆積，摧毀了下部居民生活區(qū)。

納雍“8·28”崩塌區(qū)前期有小型崩塌發(fā)生，已被定為崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患點，進行了監(jiān)測和預(yù)警，但是由于目前的認知水平限制，對于高位崩塌轉(zhuǎn)化為碎屑流長距離運動未能提前預(yù)測，釀成了悲劇。納雍“8·28”崩塌災(zāi)害與近些年該區(qū)發(fā)生的幾起崩滑災(zāi)害具有相似特點[1-7]，本文是在應(yīng)急調(diào)查的基礎(chǔ)上取得的初步認識，以期有益于后續(xù)防治規(guī)劃及類似災(zāi)害的防范。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

圖1 納雍崩塌災(zāi)后影像圖Fig.1 Image after collapse in Nayong

崩塌區(qū)地勢北低南高，為構(gòu)造侵蝕、剝蝕型低中山地貌(圖 1、圖2)。山脈總體走向為南西向，三疊系下統(tǒng)夜郎組地層形成陡峭山脊，縱貫全區(qū)，最高點標高2 147 m，最低點標高1 842 m，相對高差305 m，地形坡度10°～25°，局部地段坡度達到55°～70°，坡頂植被主要為淺草?！?·28”崩塌源區(qū)的老鷹巖地勢陡峭，坡頂距坡腳高差175 m左右，與小鷹巖相連寬度約1 km。坡腳地勢平緩，多被第四系覆蓋，土地利用類型為耕地和居民建設(shè)用地。

1.2 地層巖性

崩塌區(qū)出露地層有第四系，三疊系夜郎組，二疊系長興-大隆組和二疊系龍?zhí)督M(圖2、圖3)。地面覆蓋第四系(Q)土層。下三疊系夜郎組(T1y)，上部為青灰-灰褐色，薄至中厚層裝灰?guī)r，下部為灰色粉砂巖。上二疊系長興-大隆組(P2c+d)，頂部與下三疊系夜郎組(T1y)呈整合接觸，為灰色泥質(zhì)灰?guī)r。二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)即煤系地層，為一套近海相含煤建造，巖性以灰至深灰色泥質(zhì)粉砂巖為主，灰綠色-深灰色粉砂巖，夾薄層炭質(zhì)頁巖，場區(qū)出露有多層煤層，在地表被第四系土層覆蓋。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

崩塌區(qū)位于織金三塘向斜北西翼西南段，地層呈單斜產(chǎn)出，煤層產(chǎn)狀和地層產(chǎn)狀一致，受斷裂構(gòu)造影響，地層產(chǎn)狀變化大，傾向138°～187°，傾角7°～10°(圖2、圖3)。附近斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要斷裂三條。F1斷層為正斷層，呈北東向，東端抵F3斷層，傾向155°～167°，傾角63～70°。F2斷層為逆斷層，傾向南東，傾角70°～75°。F3斷層為正斷層，傾向北東，傾角75°～80°。F1和F2斷層穿過堆積區(qū)，F(xiàn)3斷層位于崩塌體東側(cè)約500 m。

1.4 水文地質(zhì)

三疊系夜郎組石灰?guī)r屬可溶巖類，二疊系長興大隆、龍?zhí)督M地層屬非可溶巖類?？扇軒r出露區(qū)，溶蝕谷地、溶蝕塌陷發(fā)育，大氣降水通過落水洞、漏斗等巖溶負地形迅速灌入地下補給地下水。非可溶巖地區(qū)，大氣降水通過巖石的裂隙和孔隙深入地下，補給地下水。

圖2 納雍崩塌工程地質(zhì)平面圖Fig.2 Engineering geological map of Nayong collapse1—三疊系夜郎組；2—二疊系長興-大隆組；3—二疊系龍?zhí)督M；4—巖層產(chǎn)狀；5—斷層；6—地層界限；7—等高線；8—陡崖；9—崩塌邊界；10—分區(qū)界限；11—前期崩塌隱患；12—剖面線；13—塌陷坑；14—地裂縫；15—串珠狀溶蝕洼地；16—水溝；17—道路；18—房屋和居民區(qū)。(圖中裂縫、塌陷坑和崩塌，紅色為災(zāi)害后新發(fā)生的，玫紅色為災(zāi)前發(fā)生的)

圖3 納雍崩塌工程地質(zhì)剖面示意圖Fig.3 Cross section of Nayong collapse1—三疊系夜郎組；2—二疊系長興-大隆組；3—二疊系龍?zhí)督M；4—斷層；5—崩塌界面；6—崩塌后地形線；7—灰?guī)r；8—粉砂巖；9—泥灰?guī)r；10—煤層；11—崩塌堆積物。

老鷹巖處上部巖層屬可溶巖，下部巖層屬非可溶巖，降雨通過巖溶通道入滲后有利于地下水的匯集。

2 崩塌破壞過程

本次崩塌發(fā)生過程中留下了珍貴的影像資料。資料包括側(cè)面的錄像和正面的錄像，結(jié)合兩份影像資料將變形破壞過程分為“沉陷帶變形崩塌-坡面局部崩塌-整體潰屈崩塌-撞擊地面-碎屑流”5個階段。

首先是沉陷帶變形崩塌階段(圖4a、圖5a)。拉裂沉陷帶的東南端切穿斜坡，出露在坡表，是整個崩塌災(zāi)害最先發(fā)生局部崩塌的位置。后續(xù)是坡面崩塌階段(圖4b、圖5b、c)。坡面崩塌自崩塌源區(qū)右邊界逐漸向崩塌源區(qū)中間發(fā)展，既有坡頂表面崩塌也有坡體中部表面崩塌，說明整體崩塌發(fā)生前整個坡體應(yīng)力不斷調(diào)整，水平向位移不斷增大。隨著坡體整體水平位移的增加，邊坡變形破壞進入整體潰屈階段(圖4c、圖5d)。從整體崩塌運動形態(tài)可以看出，崩塌源區(qū)巖土體底部潰屈發(fā)生傾倒式破壞，崩塌源區(qū)巖土體一瀉而下，崩積在近似平臺的地面。由于崩塌源區(qū)頂部距崩積平臺高差近200余m，勢能瞬間轉(zhuǎn)化為動能，崩塌物質(zhì)沒有停留在崩積區(qū)，而是轉(zhuǎn)化為高速碎屑流沖向下部老鷹巖組居民區(qū)，碎屑流所經(jīng)之地房屋和植被被全部摧毀。

圖4 崩塌過程圖(側(cè)視)Fig.4 Images of collapse process (side-view)

圖5 崩塌過程圖(正視)Fig.5 Images of collapse process (front view)

3 崩塌分區(qū)特征

根據(jù)納雍“8·28”崩塌變形破壞過程和特征，將崩塌進行了分區(qū)，共分為四個大區(qū)：崩塌源區(qū)(圖2中A區(qū)，圖6)、崩積區(qū)(圖2中B區(qū)，圖6)、碎屑流區(qū)(圖2中C區(qū)，圖6)和變形區(qū)(圖6中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ)。

圖6 納雍崩塌分區(qū)圖Fig.6 Zonation map of Nayong collapse

3.1 崩塌源區(qū)

位于老鷹巖中上部(圖2、圖6)，主要分布在高程1 990～2 147 m范圍內(nèi)，地層巖性主要為三疊系夜郎組(T1y)，上部為灰?guī)r夾泥灰?guī)r，下部為砂質(zhì)泥巖夾粉砂巖，原始地形55°～70°。崩塌發(fā)生時崩塌源區(qū)巖土體底部潰屈發(fā)生傾倒式破壞，崩塌源區(qū)上部巖體重力作用導(dǎo)致下部巖土體逐漸發(fā)生潰屈，上部發(fā)生近似傾倒式的壓裂潰屈破壞，崩塌發(fā)生后后緣殘留近直立的陡壁，中下部則殘留有近于平面的陡坡(圖7)。

圖7 崩塌源區(qū)和變形區(qū)Ⅰ區(qū)Fig.7 Image of source area and the deformation zoneⅠ

3.2 崩積區(qū)

崩積區(qū)主要分布在高程1 920～1 990 m，地形坡度10°～25°，原始地形較緩似“自行車座椅”狀(圖2)，中間為平臺，略高于左右兩側(cè)，形成前部高挑兩側(cè)低洼地勢，兩側(cè)的低洼處與下部負地形相連。崩落巖土體與地面撞擊后，沿“座椅”兩側(cè)相對低洼地形，形成高速碎屑流，進行了長距離的運動和堆積?！白巍?崩積區(qū))前部高挑地形下方為一陡坡，災(zāi)害尚有樹木存活，說明崩積區(qū)前部對崩塌體的運動有一定的阻滯作用。

3.3 碎屑流區(qū)

碎屑流區(qū)主要分布在高程1 920～1 842 m，原始地形為緩坡平臺，左側(cè)相對較低，有沖溝發(fā)育，是普灑村老鷹巖組的生活聚居地。災(zāi)害發(fā)生后碎屑流堆積體呈“褲衩狀”，左側(cè)由于地勢較低，運動距離較右側(cè)運動距離遠。碎屑流區(qū)中部由于崩積區(qū)中部地形相對高挑，崩塌堆積物較少，運動距離較短。

3.4 變形區(qū)

變形區(qū)可分為強烈變形區(qū)(Ⅰ)、次強烈變形區(qū)(Ⅱ)和一般變形區(qū)(Ⅲ)(圖6)。強烈變形區(qū)(Ⅰ)位于崩塌源區(qū)正后方，左側(cè)未貫通山體，右側(cè)貫通山體在坡面上出露(圖7)。災(zāi)前(2009年)此處已發(fā)生過地裂縫和塌陷(圖2中DL1、DL2和TX1、TX2)，災(zāi)后此處已經(jīng)形成了寬30～40 m，長100余m的拉陷槽，可見槽深超過7 m，走向25°～51°，槽內(nèi)巖體破碎，塊石土散落，系表層強全風化物，槽兩壁呈米黃色，為強風化灰?guī)r，可見局部球形風化。槽兩側(cè)(圖2中DL3、DL4)與2009年發(fā)生的TX1、TX2兩個塌陷坑對應(yīng)良好，推測為老拉裂縫新擴展形成的。災(zāi)害以崩塌形式發(fā)生，沒有發(fā)生較大的水平運動，而陷槽規(guī)模較大，推測前期底部應(yīng)有一定的溶蝕空間，本次既發(fā)生了一定的拉裂沉降也發(fā)生了較大的溶蝕沉降。

次強烈變形區(qū)(Ⅱ)位于崩塌源區(qū)左后方小鷹巖一代，發(fā)生的變形主要為地裂縫和巖溶塌陷(圖2)。其中，DL9裂縫總長約200 m，西南端走向55°，寬約30 cm，北側(cè)輕微下錯，可見深度大于3 m(圖8)，裂縫內(nèi)可見充填殘積土(含量較好，泥化)、掉落塊石(塊徑小于20 cm)；東北端走向46°，寬20 cm，無位錯。DL10裂縫走向65°～59°，山體沿結(jié)構(gòu)面拉裂，寬約1 m，北側(cè)下錯30 cm，北側(cè)10 m處見走向100°方向巖體裂縫。DL10裂縫與DL11裂縫近平行。DL12裂縫為一陷槽，槽寬1 m，可見槽深20 cm，表層草皮覆蓋。延展長度超過20 m。與下方串珠狀溶蝕洼地發(fā)育的干溝相連(圖2)。

圖8 DL9裂縫(鏡向235°)Fig.8 Ground fissure DL9

一般變形區(qū)(Ⅲ)位于崩塌源區(qū)的右后方，本次災(zāi)害過程中未發(fā)生明顯變形，前緣在災(zāi)前發(fā)生過崩塌。

4 變形破壞機理

引發(fā)納雍“8·28”崩塌變形破壞的主要因素有以下幾個方面：不利于巖體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面發(fā)育、灰?guī)r巖體溶蝕風化強烈、前期過程降雨量較大和采礦工程的采空區(qū)及振動影響。

4.1 巖體結(jié)構(gòu)不利于巖體穩(wěn)定

受構(gòu)造運動和卸荷作用影響，巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育?，F(xiàn)場調(diào)查獲取了4組主要結(jié)構(gòu)面(圖9)，產(chǎn)狀分別為：110°∠87°(J1)，326°∠86°(J2)，140°∠88°(J3)，225°∠88°(J4)。老鷹巖邊坡面坡向320°，頂部陡崖坡度70°，灰?guī)r巖層面產(chǎn)狀179°∠8°(P)。其中，J1和J2兩組節(jié)理走向與坡面走向基本一致，且均為陡傾節(jié)理，有利于形成沿坡頂?shù)牧芽p和溶蝕作用的發(fā)展，有利于降雨的入滲，不利于老鷹巖頂部巖體的穩(wěn)定性。根據(jù)搜集資料(圖2)，老鷹巖坡頂在2009年時已形成L1、L2兩條裂縫和TX1、TX2兩個塌陷坑，本次崩塌發(fā)生后變形區(qū)產(chǎn)生的裂縫也基本與主要的節(jié)理面產(chǎn)狀一致。

圖9 主要結(jié)構(gòu)面赤平投影圖Fig.9 Stereogram of main structure planes

4.2 溶蝕風化強烈

三疊系夜郎組在老鷹巖處主要為上部灰?guī)r和下部粉砂巖，上部灰?guī)r屬于可溶巖。疊加附近巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育，巖體溶蝕風化強烈，發(fā)育有多個巖溶塌陷坑，在小鷹巖處發(fā)育一條串珠狀溶蝕洼地(圖10)，部分溶蝕洼地發(fā)育成塌陷坑(圖11)。2009年在老鷹巖坡頂發(fā)生的TX1、TX2兩個塌陷坑，說明老鷹巖頂部巖體溶蝕強烈，溶蝕風化作用對老鷹巖的穩(wěn)定性有較大影響。

圖10 串珠狀溶蝕洼地Fig.10 A string of uvalas

圖11 新發(fā)生的巖溶塌陷坑Fig.11 The new karst collapse pits

老鷹巖上部為可溶巖，下部為非可溶巖，特殊的巖層結(jié)構(gòu)既為降雨提供了加大的入滲通道，又提供了下部隔水面，有利于地下水的匯集。

本次災(zāi)害以崩塌形式發(fā)生，沒有發(fā)生較大的水平運動，而陷槽規(guī)模較大，推測前期底部應(yīng)有一定的溶蝕空間，本次既發(fā)生了一定的拉裂沉降也發(fā)生了較大的溶蝕沉降。拉陷槽在右側(cè)貫通山體，并在整體崩塌發(fā)生前發(fā)生了局部崩塌，推測后緣拉陷槽在崩塌發(fā)生前發(fā)生了沉陷變形，拉陷槽在災(zāi)前的楔形沉降變形和地下水所產(chǎn)生的側(cè)向推擠作用和底劈作用是整體崩塌發(fā)生的直接觸發(fā)因素。

4.3 崩塌前過程降雨較大

崩塌發(fā)生前一周內(nèi)有一次較強的降雨過程，本次搜集了距離崩塌災(zāi)害距離較近的兩個雨量站的雨量數(shù)據(jù)，分別是布置在織金縣三塘鎮(zhèn)的雨量站(位于普灑村東北方向，距普灑村約10 km)和納雍縣雍熙鎮(zhèn)上的一個雨量站(位于普灑村西北方向，距普灑村約13 km)。崩塌發(fā)生前一周，附近有60～120 mm的降雨過程(圖12)，特別是8月24日的24 h降雨量已經(jīng)達到了暴雨級別，周圍站點在24日的12 h降雨量均達到了26.8 mm，加上前期斜坡頂部裂縫和塌陷坑發(fā)育，下部粉砂巖相對隔水，有利于地下水的入滲和匯集，增加了沉陷帶內(nèi)巖土體的容重和靜水壓力，沉陷帶形成的土體楔形體和水楔作用產(chǎn)生側(cè)向推擠力加大。

圖12 納雍崩塌前降雨過程曲線圖Fig.12 The diagram of the rainfall process before the Nayong collapse

根據(jù)有關(guān)估算[3]，結(jié)合老鷹巖頂部前期的裂縫分布情況，假定后緣裂縫前期長約100 m、平均寬約0.1 m，深約50 m，估算后緣裂縫的充水情況。根據(jù)微地形情況和24日降雨量可得到：

匯水區(qū)域面積S=19 531 m2

匯入后緣裂縫總水量Q1=914～1 404 m3

裂縫可儲水量Q2=500 m3

不考慮降雨損耗或僅考慮降雨有部分損耗時24日降雨量足以將后緣裂縫填充滿，為老鷹巖巖體的傾倒破壞提供水平向推力。

4.4 采礦工程活動的影響

下部煤層的開采活動會影響和改變上覆山體的應(yīng)力場環(huán)境，影響上部巖土體的穩(wěn)定性。采礦產(chǎn)生的采空區(qū)會對上覆巖土體產(chǎn)生一定的影響。同時采礦的產(chǎn)生的振動活動，引起上覆巖體振動，加劇沉陷帶土體和水的楔形劈裂作用。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)崩塌過程還原分析，崩塌可分為“沉陷帶變形崩塌-坡面局部崩塌-整體潰屈崩塌-撞擊地面-碎屑流”五個階段；根據(jù)崩塌變形和運動特征，崩塌可分為崩塌源區(qū)、崩積區(qū)、碎屑流區(qū)和變形區(qū)四個區(qū)。

(2)崩塌主要發(fā)生在三疊系夜郎組灰?guī)r、粉砂巖巖層中，引發(fā)崩塌變形破壞的主要因素主要為：不利于巖體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面發(fā)育、灰?guī)r巖體溶蝕風化強烈、前期過程降雨量較大和采礦工程的采空區(qū)及振動影響。崩塌發(fā)生前的降雨過程對崩塌的發(fā)生有重要的促進作用。

(3)高位地質(zhì)災(zāi)害隱蔽性強和危害性大，其運動形式呈現(xiàn)出高速遠程的特點，應(yīng)加強對高位地質(zhì)災(zāi)害隱患點的排查和防范工作。在針對高位地質(zhì)災(zāi)害點的調(diào)查、評價、監(jiān)測預(yù)警和防治工作時，應(yīng)研究其轉(zhuǎn)化為高速遠程碎屑流的可能性來進行風險評價。

致謝：本文的研究工作尤其是資料來源方面包含了眾多人員的心血。感謝殷躍平研究員的指導(dǎo)，感謝貴州省國土資源廳、應(yīng)急中心、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院、108地質(zhì)隊各級領(lǐng)導(dǎo)和工作人員的幫助。四川省川核測繪地理信息有限公司提供了航拍數(shù)據(jù)支持，國家氣象中心提供了雨量數(shù)據(jù)，在此表示衷心地感謝。

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