貴州納雍骔嶺鎮(zhèn)危巖帶穩(wěn)定性及危害范圍分析

程 宇，張 健，陳 進(jìn)，龍 舉

(貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院/貴州省地礦局111地質(zhì)大隊,貴州 貴陽 550081)

0 引言

貴州省是環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害給貴州經(jīng)濟(jì)社會帶來極大的損失，納雍縣骔嶺片區(qū)集鎮(zhèn)危巖帶自2000年以來發(fā)生過20多次山體崩塌，2004年12月3日凌晨3時40分，骔嶺鎮(zhèn)左家營村巖腳組發(fā)生山體崩塌，造成44人死亡[1]，近年來，受暴雨和人類工程活動的影響，地質(zhì)災(zāi)害越發(fā)突出。2015年6月6日凌晨3時，骔嶺鎮(zhèn)左家營村巖腳組再次發(fā)生山體崩塌，造成了3人死亡，骔嶺集鎮(zhèn)片區(qū)危巖帶隱患威脅1 698戶8 909人(危險區(qū)內(nèi)1 408戶，7 572人)，潛在經(jīng)濟(jì)損失13.81億元[2]。該地段危巖呈帶狀分布，分布長度7.0 km，共有16處危巖，其地質(zhì)條件復(fù)雜、影響因素眾多、規(guī)模體積大、安全隱患嚴(yán)重，對其開展調(diào)查研究工作勢在必行。

1 研究區(qū)概況

1.1 地學(xué)背景

研究區(qū)位于納雍縣西南部，隸屬納雍縣骔嶺鎮(zhèn)管轄，地理坐標(biāo)：東經(jīng)105°12′41″～105°16′50″，北緯26°40′18″～26°44′48″，地處亞熱帶暖溫濕潤區(qū)，年均氣溫13.6°C，年均降水量為1 243.5 mm(集中在5～10月，約占全年降水量的70%)。受構(gòu)造、侵蝕作用影響，區(qū)內(nèi)中部骔嶺鎮(zhèn)集鎮(zhèn)-半邊街大箐腳一線形成北東走向、坡度50°～80°、高100～300 m的陡崖，陡崖下部斜坡變緩，坡度約30°～45°，地勢總體東高西低，海拔1 623～2 000 m，最高點(diǎn)位于骔嶺鎮(zhèn)集鎮(zhèn)處；陡崖以北區(qū)域山巒起伏，地勢總體東高西低、南高北低，海拔2 100～2 334.5 m。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)處于納雍—百興復(fù)雜褶皺變形區(qū)白巖腳向斜與包谷山背斜交接處。地形總體傾向北西，區(qū)內(nèi)大箐腳以西區(qū)域地層產(chǎn)狀30°～70°∠20°～55°，大箐腳以東區(qū)域地層產(chǎn)狀310°～356°∠12°～25°，無區(qū)域性的構(gòu)造斷裂發(fā)育。受構(gòu)造活動的影響，灰?guī)r中節(jié)理裂隙發(fā)育，西部區(qū)域主要發(fā)育兩組裂隙，產(chǎn)狀200°～253°∠52°～70°、53°～145°∠70°～80°，裂隙率1～4條/m，局部黏土充填；東部區(qū)域主要發(fā)育兩組裂隙，產(chǎn)狀200°～315°∠60°～80°、50°～145°∠55°～85°，裂隙率1～7條/m，東部和西部這兩組節(jié)理將灰?guī)r切割成直立的塊體，斜坡前緣形成優(yōu)勢臨空面，發(fā)生崩塌[3]。

1.3 地層巖性

根據(jù)區(qū)域構(gòu)造綱要圖，區(qū)內(nèi)主要出露的地層有寒武系中統(tǒng)金頂山組(∈2j)，石炭系下統(tǒng)擺佐組(C1b)，石炭系上統(tǒng)黃龍—馬平組(C2h—C2P1m)，二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)，二疊系上統(tǒng)峨嵋山玄武巖組(P2-3em)、二疊統(tǒng)上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)、長興—大隆組(P3c+d)、三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)以及第四系(Q)。

2 危巖基本特征

2.1 危巖分布特征及規(guī)模

危巖主要分布于納雍縣骔嶺集鎮(zhèn)—大箐腳陡崖帶范圍，全長7.0 km，形態(tài)呈不規(guī)則的反“L”形，折線帶狀展布(圖1)，共發(fā)育危巖16處。

圖1 危巖及其影響范圍分布圖Fig.1 Map of distribution and influence area of dangerous rock mass

危巖被節(jié)理裂隙切割，受外傾節(jié)理面及巖層面控制，空間幾何形態(tài)呈柱狀、塊狀等不規(guī)則形狀。危巖多處于地形轉(zhuǎn)折處，優(yōu)勢臨空面突出，卸荷裂隙作用強(qiáng)等特點(diǎn)。據(jù)野外調(diào)查，危巖的破壞模式主要為滑移式和傾倒式。滑移式崩塌點(diǎn)多面廣，影響范圍也最大，滑移式失穩(wěn)危巖多數(shù)情況下在山體陽面突出部位，斜靠在母巖上，因其本身三面臨空，加上下部基座在不利因素影響下強(qiáng)度降低，導(dǎo)致危巖沿剪力面破壞，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，滑移式破壞的危巖底部結(jié)構(gòu)面，傾角處于8°～20°之間，分布離散，均外傾，破壞后果嚴(yán)重特點(diǎn)[4]。傾倒式失穩(wěn)多數(shù)情況下由于底部基座的風(fēng)化、剝蝕、剝離等外力作用，支撐面減小，在支撐力矩減小和傾覆力矩增加的相互轉(zhuǎn)化中，導(dǎo)致上部危巖的重心外移，巖體以底部基座為受力點(diǎn)發(fā)生傾倒。

研究區(qū)內(nèi)危巖規(guī)模差異甚大，最小的危巖體積2.88×102m3，最大體積為2.9×106m3，危巖總體規(guī)模8.03×106m3，各危巖幾何特征及規(guī)模見表1。

表1 危巖幾何尺寸及規(guī)模統(tǒng)計表

2.2 危巖穩(wěn)定性控制因素和影響因素分析

(1)自然環(huán)境脆弱

一方面巖體自身強(qiáng)度低，由粉砂質(zhì)黏土巖、炭質(zhì)黏土、粉砂巖、白云巖、灰?guī)r互層狀組成，巖層中存在大量軟弱夾層及泥化夾層，陡崖巖體中存在上硬下軟組合巖體，黏土巖、粉砂巖抵抗風(fēng)化的能力弱，受風(fēng)化作用影響，陡傾巖體下部軟弱層風(fēng)化，軟化、崩解，形成空腔，在重力作用下向臨空面方向進(jìn)一步變形，逐漸演化為危巖。

另一方面巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，西部區(qū)域主要發(fā)育兩組裂隙(圖2-a)，產(chǎn)狀200°～253°∠52°～70°、53°～145°∠70°～80°，裂隙率1～4條/m，局部黏土充填；東部區(qū)域主要發(fā)育兩組裂隙(圖2-b)，產(chǎn)狀200°～315°∠60°～80°、50°～145°∠55°～85°，裂隙率1～7條/m，東部和西部這兩組節(jié)理將灰?guī)r切割成直立的塊體，斜坡前緣形成優(yōu)勢臨空面，其優(yōu)勢方向與區(qū)域構(gòu)造方向一致，表現(xiàn)出構(gòu)造對裂隙發(fā)育的控制作用[5]。

圖2 節(jié)理裂隙玫瑰花圖Fig.2 Rose diagram of joint fissure

(2)巖溶地質(zhì)作用

石灰?guī)r分布地區(qū)，巖石在溶蝕作用下產(chǎn)生碎屑，為外營力提供了侵蝕地面的條件，相繼出現(xiàn)搬運(yùn)作用和堆積作用，使地貌改觀，出現(xiàn)了獨(dú)特的喀斯特地貌，為崩塌體提供了一面、二面或三面臨空的條件。由于巖體中存在溶蝕裂隙，地表水沿巖石的節(jié)理裂隙流動而不斷地進(jìn)行溶蝕和侵蝕，在巖石表面形成槽狀形態(tài)，長時間的溶蝕作用下，山體巖石表面形板狀、柱狀、峰狀、塔狀巖體，為危巖的形成創(chuàng)造了有利條件。

(3)人工活動

人工活動表現(xiàn)為兩類，一類是為修路切坡、建設(shè)采石，對地表山體有不同程度破壞作用；二類是人工采煤活動，區(qū)內(nèi)為煤系地層，煤礦為地方政府經(jīng)濟(jì)來源和當(dāng)?shù)鼐用袢剂嫌妹海擅夯顒釉谏襟w下形成采空區(qū)，會有地面沉降和地面裂縫發(fā)生，沉降變形會引起山體應(yīng)力發(fā)生變化，巖體產(chǎn)生劈裂破壞，山體后緣地面裂縫使山體與山體母巖脫開，形成危巖。

(4)根劈作用

樹木生長在山體巖石中，根系會沿著巖體節(jié)理方向不斷延伸和長大，對山體裂隙不斷產(chǎn)生擠壓力，使巖體裂隙慢慢擴(kuò)大，從而引起巖石裂隙不斷張開破壞，樹木的根劈作用，使巖體的整體性遭到破壞，進(jìn)而加速危巖崩塌的形成[6]。

(5)降雨誘發(fā)

據(jù)調(diào)查訪問得知，在暴雨過后或長期下雨后連續(xù)干旱會發(fā)生危巖崩塌或危石墜落現(xiàn)象，一方面山體后緣存在卸荷裂隙，降水滲入卸荷裂隙內(nèi)引起水壓力增大，另一方面，巖體自身呈上硬下軟的結(jié)構(gòu)，降水滲入節(jié)理裂隙、溶蝕管道等通道內(nèi)，致使下部軟弱巖層降強(qiáng)度低，在卸荷裂隙充水作用和基座軟化雙重作用下，最終使巖體穩(wěn)定性降低，發(fā)生崩塌[7]。

2.3 危巖力學(xué)參數(shù)取值

巖體重度γ(kN/m3)、內(nèi)聚力c(kPa)、內(nèi)摩擦角φ(°)三個指標(biāo)是危巖穩(wěn)定與否的重要參數(shù)，它的取值依據(jù)直接影響到計算結(jié)果的合理性。由于研究區(qū)是多個典型的巖質(zhì)邊坡，邊坡危巖主要以灰?guī)r、泥巖為主，調(diào)查中取了大量灰?guī)r、泥巖進(jìn)行了室內(nèi)巖體抗剪試驗，危巖后緣雖然產(chǎn)生了地面裂縫、卸荷裂隙，但危巖未產(chǎn)生滑動，未形成摩擦面，將抗剪強(qiáng)度試驗值進(jìn)行折減后結(jié)合同類工程經(jīng)驗和反算對比取值。在天然狀態(tài)下，灰?guī)r重度γ值取27.0 kN/m3，c值取80 kPa、φ值取25°，泥巖重度γ值取26.2 kN/m3，c值取47 kPa、φ值取18°，飽和狀態(tài)下，灰?guī)r重度γ值取27.5 kN/m3，c值取65 kPa、φ值取22°，泥巖重度γ值取26.4 kN/m3，c值取42 kPa、φ值取16°，本區(qū)不考慮地震影響。

3 危巖穩(wěn)定性分析

3.1 危巖穩(wěn)定性計算

危巖穩(wěn)定性分析是研究危巖永恒的主題，定性分析已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足危巖勘察和防治工程、設(shè)計需要，定量計算去求解得唯一的確定解。按《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》(DB50/143—2003)提供的計算公式，對現(xiàn)場具有代表性的8處危巖進(jìn)行穩(wěn)定性計算。特別說明的是，根據(jù)現(xiàn)場初判，WY12為16處危巖中最危險的，WY16為16處危巖中相對最安全的。由于危巖數(shù)量較多，所以計算中未對每處計算，未計算的8處危巖可通過具有代表性的另外8處危巖的計算結(jié)果推導(dǎo)出穩(wěn)定范圍。

(1)滑移式

滑移式危巖穩(wěn)定性計算模型見圖3，計算公式見公式(1)。

圖3 滑移式危巖穩(wěn)定性計算模型Fig.3 Calculation model of stability on sliding dangerous rock mass

式中：F——危巖穩(wěn)定性系數(shù)；

W——危巖自重/(kN·m-1)；

α——滑面傾角/(°)；

Q——地震力/(kN·m-1)；

V——后緣裂隙水壓力/(kN·m-1)；

U——滑面水壓力/(kN·m-1)；

φ——滑面內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值/(°)；

c——滑為滑面黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值/kPa；

l——滑面長度/m。

(2)傾倒式(危巖重心在傾覆點(diǎn)內(nèi))

圖4 傾倒式危巖穩(wěn)定性計算模型Fig.4 Calculation model of stability on dangerous rock

傾倒式危巖穩(wěn)定性計算模型見圖4，計算公式見公式(2)。

(2)

式中：F——危巖穩(wěn)定性系數(shù)；

flk——危巖抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值/kPa；

H——后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距離/m；

h——后緣裂隙深度/m；

β——后緣裂隙傾角/(°)；

b——后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點(diǎn)之間的水平距離/m；

α——危巖與基座接觸面傾角/(°)；

W——危巖自重/(kN·m-1)；

a——危巖重心到傾覆點(diǎn)的水平距離/m；

Q——地震力/(kN·m-1)；

h0——危巖重心到傾覆點(diǎn)的垂直距離/m；

V——裂隙水壓力/(kN·m-1)；

hw——后緣裂隙充水高度/m。

穩(wěn)定性計算中主要考慮2種工況和荷載組合，工況1：自重；工況2：自重+裂隙水壓力(50年一遇暴雨，充水高度按2/3裂隙高度計算)。計算結(jié)果見表3和表4。

表3 滑移式危巖計算表

表4 傾倒式危巖計算表

3.2 危巖穩(wěn)定性評價

根據(jù)表3、表4穩(wěn)定性計算結(jié)果，天然工況下危巖整體穩(wěn)定性較高，處于穩(wěn)定或者基本穩(wěn)定狀態(tài)，但暴雨工況下穩(wěn)定性驟降，其中WY9、WY11安全系數(shù)小于1.0，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，WY1、WY2、WY4、WY12、WY14安全系數(shù)大于1.0小于1.15，WY16安全系數(shù)大于1.0小于1.25，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，與實(shí)際野外調(diào)查結(jié)果完全吻合。由于危巖后緣變形跡象顯著，一旦發(fā)生崩塌，易形成災(zāi)害鏈效應(yīng)，引發(fā)更大規(guī)模的災(zāi)害，應(yīng)對危巖進(jìn)行監(jiān)測，除此之外，還有必要對其進(jìn)入深入研究[8]。

4 危巖失穩(wěn)過程數(shù)值模擬及危害范圍預(yù)測

4.1 危巖失穩(wěn)過程數(shù)值模擬

危巖失穩(wěn)破壞后，它的彈跳高度、運(yùn)動速度、運(yùn)動距離存在著較多方面的影響因素[9]，如危巖落石運(yùn)動初始速度、危巖落石本身的大小、危巖落石本身的形狀、危巖落石本身的堅硬強(qiáng)度、邊坡固有的高度、自然坡度和坡形、坡面的起伏程度狀況、坡面的物質(zhì)組成成分、坡面的覆蓋層狀況及植被情況等。危巖失穩(wěn)后在區(qū)內(nèi)坡面以跳躍、滾動、滑動方式運(yùn)動，確定崩落體的運(yùn)動距離具有現(xiàn)實(shí)的工程意義。

為了確定落石失穩(wěn)后的運(yùn)動距離，劃定安全避險區(qū)域，采取Rockfall模擬落石運(yùn)動，為使模擬過程更加接近現(xiàn)場實(shí)際，通過滾石試驗復(fù)原模擬左家營崩塌落石的最終運(yùn)動距離來反演坡面材料參數(shù)Rn和Rt，此次為了方便分析，坡面材料參數(shù)取一致。通過反演分析，得到巖塊與坡面碰撞后的速度衰減法向阻尼系數(shù)Rn和切面阻尼系數(shù)Rt(表5)。

表5 落石運(yùn)動數(shù)值模擬參數(shù)表

落石樣本按現(xiàn)場堆積落石尺寸選取，重量為1 000 kg，假設(shè)各個落石樣本初始狀態(tài)為靜止，對10條剖面進(jìn)行計算模擬得出落石的運(yùn)動軌跡(圖5)。對整個危巖帶擬定的10條剖面，通過Rockfall數(shù)值模擬分析，自崩落點(diǎn)起算，崩塌距離最小626 m， 最大1 260 m，各剖面具體模擬崩塌距離見表6。

4.2 危巖失穩(wěn)危害范圍預(yù)測

由于崩落塊體大，崩落后的彈跳高度和撞擊能量大，破壞力強(qiáng)，隨著崩落距離的增加，彈跳高度和撞擊能量逐漸減小，直至停止。根據(jù)崩塌距離，圖解剖面對崩塌落石可能達(dá)到的范圍作出了圈定，軟件模擬分析具有其缺陷性，與實(shí)際情況會有一定的差異。因此，在模擬計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，放大0.2～0.4倍的崩塌距離作為安全距離，預(yù)測出整個危巖帶危巖失穩(wěn)后破壞所影響的范圍，涉及到大箐腳、關(guān)寨、墳山腳、雨青底、楊家寨、骔嶺鎮(zhèn)人民政府、骔嶺中學(xué)等地段都具備成災(zāi)風(fēng)險。

圖5 10-10′剖面崩塌危巖水平位置最終落點(diǎn)運(yùn)動軌跡模擬圖Fig.5 Simulated trajectory the final falling point of the collapsed dangerous rock in section 10-10′

表6 各剖面模擬計算滾動距離

5 危巖崩塌影范圍分區(qū)

5.1 分區(qū)原則

根據(jù)走訪調(diào)查及實(shí)測的納雍縣骔嶺鎮(zhèn)2017年9月以前發(fā)生的崩塌邊界范圍及落石的最遠(yuǎn)位置，結(jié)合崩塌危巖帶調(diào)查現(xiàn)狀，分析可能發(fā)生崩塌的巖土結(jié)構(gòu)組合特征、規(guī)模及破壞模式[10]，按照“以人為本”的原則，對納雍縣骔嶺片區(qū)崩塌影響區(qū)域進(jìn)行劃分為三個區(qū)(圖1)，分別為崩塌堆積區(qū)(A)、崩塌嚴(yán)重影響區(qū)(B)、監(jiān)測預(yù)警避讓區(qū)(C)。

5.2 劃分依據(jù)

按現(xiàn)狀崩塌堆積體堆積及前緣滾石范圍直接連線進(jìn)行圈定崩塌堆積體范圍為崩塌堆積區(qū)； 采用Rockfall數(shù)值模擬分析方法，對實(shí)際滾動距離進(jìn)行模擬反演計算取得各試驗剖面滾動距離，按模擬計算滾動距離的1.2～1.4倍，并結(jié)合地形地貌及危巖規(guī)模，相應(yīng)確定各試驗剖面為危巖崩塌嚴(yán)重影響區(qū)范圍；危巖崩塌嚴(yán)重影響區(qū)以外的區(qū)域為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警風(fēng)險區(qū)。

5.3 分區(qū)評述

(1)危巖崩塌堆積區(qū)(A)

位于納雍縣骔嶺集鎮(zhèn)—大箐腳一帶，區(qū)內(nèi)分布本次調(diào)查以前發(fā)生的不同規(guī)模崩塌地質(zhì)災(zāi)害堆積體11處，編號為A1-A11共11個崩塌堆積區(qū)，堆積體分布面積為448 352 m2，平均厚度約7.0 m，規(guī)模約3 173 420 m3。

(2)危巖崩塌嚴(yán)重影響區(qū)(B)

位于納雍縣骔嶺集鎮(zhèn)—大箐腳延伸帶受危巖威脅的村寨有大箐腳、彭家寨、關(guān)寨、墳山腳、梁子上、丫口田、骔嶺政府、骔嶺中小學(xué)、骔嶺集鎮(zhèn)、骔嶺煤礦等企業(yè)，大致以新水納路為界，為緊急搬遷避讓范圍。

(3) 監(jiān)測預(yù)警避讓區(qū)(C)

位于納雍縣骔嶺鎮(zhèn)集鎮(zhèn)—大箐腳危巖崩塌嚴(yán)重影響區(qū)南側(cè)處，可能遭受因強(qiáng)降雨引發(fā)溝谷泥石流次生災(zāi)害的危害，對區(qū)內(nèi)溝谷沿線的墳山腳，雨箐底、楊家寨、羅家寨等區(qū)域的村民構(gòu)成威脅，強(qiáng)降雨期間在監(jiān)測預(yù)警基礎(chǔ)上采取臨時避讓措施，防患于未然。

6 結(jié)論

(1)納雍縣骔嶺集鎮(zhèn)片區(qū)危巖帶整體規(guī)模8.03×106m3，共計危巖16處，分布范圍廣，危巖單體差異大，最大體積為WY16，崩塌規(guī)模為2.9×106，屬特大型危巖。

(2)納雍縣骔嶺集鎮(zhèn)—大箐腳一帶危巖是在特殊的巖溶地貌、脆弱的自然環(huán)境和地層巖性等地質(zhì)環(huán)境條件下，由于危巖底部存在軟弱層，在長期重力以及降水作用下，受巖溶地質(zhì)作用、風(fēng)化作用等多種因素共同作用形成的。

(3)納雍縣骔嶺集鎮(zhèn)—大箐腳一帶危巖在自然工況下穩(wěn)定性較好，處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在暴雨工況下，穩(wěn)定性驟降，處于欠穩(wěn)定和不穩(wěn)定狀態(tài)，具有較高的成災(zāi)可能性，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測預(yù)警工作。

(4)開展陡崖崩塌危巖強(qiáng)烈變形區(qū)的變形發(fā)展趨勢監(jiān)測，應(yīng)在陡崖強(qiáng)烈變形地段設(shè)置北斗云自動位移監(jiān)測，地形裂縫伸縮變形監(jiān)測儀，地基干涉雷達(dá)等自動監(jiān)測設(shè)備對強(qiáng)烈變形危巖區(qū)域變形實(shí)時監(jiān)測，為政府提供減災(zāi)防災(zāi)依據(jù)是十分必要和緊迫的。

(5)對劃定為地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響區(qū)(緊急搬遷避讓區(qū))內(nèi)的政府、學(xué)校及村寨立即采取緊急搬遷避讓措施，設(shè)置警告標(biāo)志，嚴(yán)禁人員，牲畜進(jìn)入，確保人民財產(chǎn)生命安全。