白云質(zhì)灰?guī)r山體崩塌成因機制及穩(wěn)定性分析

鄒銀先， 董建輝， 李海軍， 陳 靜(.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院， 貴州 貴陽 550004； .成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 四川 成都 6006；.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室， 四川 成都 60059)

0 引 言

我國西南一些地區(qū)受地質(zhì)條件制約.滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(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，研究崩塌的形成機理及其防治方案對防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要的現(xiàn)實意義[2]，針對崩塌，科研人員做了大量工作，并取得了一系列成果[3-6].目前，對于白云質(zhì)灰?guī)r崩塌形成機制與穩(wěn)定性分析的相關(guān)研究報道較少，本研究通過對白云質(zhì)灰?guī)r崩塌體的基本特征和成因機制進行深入分析，擬為該類型崩塌的防治工作提供可靠依據(jù)和借鑒.

1 崩塌區(qū)地質(zhì)環(huán)境

1.1 地形地貌

作為分析對象的研究區(qū)工程地質(zhì)平面圖如圖1所示.就地形地貌而言，研究區(qū)域?qū)賻r溶洼地，由山峰峰叢封閉形成，底部平坦，順四周延伸逐步變陡，地形南高北低，北東向較陡，坡度在35°～60°之間，南西向相對較緩，坡度在15°～45°之間，在與陡巖區(qū)基巖接觸帶地表坡度大于60°，場地底部標高為840.9 m，邊壁標高在840.9～980.0 m之間，組成一個相對閉合的洼地，標高980.0 m以上不閉合，東、南、西、北四面各有一個埡口，其中東埡口標高為1 095.9 m； 南埡口標高為1 003.1 m， 為該區(qū)域主要出入口，與進場地公路相連；西埡口最低，標高為981.2 m.洼地四周共有5個較大山峰，最高峰位于洼地南東東側(cè)，峰頂高程為1 201.2 m，地形最大高差為360.3 m.

圖1 研究區(qū)工程地質(zhì)平面圖

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

據(jù)調(diào)查，研究區(qū)域處于揚子準地臺黔南臺陷貴定南北向構(gòu)造變形區(qū)，南端與廣西山字型構(gòu)造體系的復(fù)合部相連.區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，中心臺址處于克渡向斜東翼，褶皺構(gòu)造不發(fā)育，區(qū)域上的斷層從中心臺址中部呈南北向貫穿，斷層破碎帶寬約30 m，斷層產(chǎn)狀為270°∠60°，為張性正斷層.

1.3 地層巖性

勘探結(jié)果表明，研究區(qū)域出露地層及其巖性分別為第四系黏土和三疊系中統(tǒng)壟頭組(T2l).

1)第四系(Q)：主要為坡、殘積紅黏土以及沖積砂礫層，厚度一般小于5.0 m.地形陡峻位置、洼地底部以及斜坡地帶有成層崩塌塊石堆積層分布，厚度變化大.

2)中統(tǒng)壟頭組(T2l)：場地出露地層及其巖性分別為三疊系中統(tǒng)涼水井組上、中、下三段，即T2l1白云質(zhì)灰?guī)r、T2l2泥質(zhì)灰?guī)r和T2l3白云質(zhì)灰?guī)r.總體節(jié)理裂隙較發(fā)育、巖石硬脆，中至微風(fēng)化.

2 崩塌體基本特征

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域內(nèi)有6塊典型的危巖帶、危巖體，其位置與相關(guān)編號如圖1所示.

2.1 A1危巖體基本發(fā)育特征

A1危巖體為區(qū)域內(nèi)自然高陡邊坡，坡高約150 m，坡向210°，坡度約為70°，下部近公路陡緩交接處緩坡坡度約30°，為殘坡積堆積體，厚約1 m，成分為碎石及黏土，粒徑1～10 cm.A1點巖體結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，中至微風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要為風(fēng)化裂隙，受裂隙面及產(chǎn)狀控制.危巖體受側(cè)壁結(jié)構(gòu)面及層面產(chǎn)狀控制呈楔形體，危巖體由厚層白云巖構(gòu)成，破壞模式為傾倒式.

2.2 A2危巖體基本特征

A2危巖體為工程建設(shè)人工開挖形成，坡體寬50 m、高52 m，坡度75°，坡向256°，巖體結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，整體較為完整，中風(fēng)化，中上部存在軟弱夾層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要為風(fēng)化裂隙及溶蝕裂隙，受節(jié)理裂隙面及產(chǎn)狀控制，坡面上多處形成鍥形體，多數(shù)鍥形體寬0.5 m、高0.5 m、厚0.2 m.此外，A2后緣還存在一條卸荷裂隙，走向與坡體后緣公路平行，裂隙寬3～5 cm，無充填物，破壞模式為傾倒式，在降雨及自身重力等因素作用下可能誘發(fā)崩落.

2.3 A3危巖體基本特征

A3危巖體位于公路上方，為工程建設(shè)人工開挖形成的高陡邊坡，坡體高9 m，坡度75°，坡向235°，巖體結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，中至微風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要為風(fēng)化裂隙，受裂隙面控制，坡面形成一處鍥形體，鍥形體(WY1)寬3 m、高7 m，厚3 m.另外，坡體頂部有一處松散危巖(WY2)寬1.2 m，高0.3 m，厚1.0 m，破壞模式為墜落式，在降雨及自身重力等因素作用下可能誘發(fā)崩落.底部泥質(zhì)夾層被浸濕風(fēng)化后形成臨空面、凹巖腔，側(cè)壁受節(jié)理裂隙控制，總體形成三面臨空.

2.4 A4危巖體基本特征

A4危巖體位于公路上方，坡高12 m，坡度75°，坡向235°，巖體結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，中至微風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要為風(fēng)化裂隙，坡面上存在一塊危巖，寬8 m、高3 m、厚2 m，巖體側(cè)面受兩組垂直裂隙控制，底部泥質(zhì)夾層通過溶蝕風(fēng)化后出現(xiàn)凹巖腔，形成三面臨空的危巖體，危巖體呈塊狀，受后緣一組卸荷裂隙控制，切割較深，危巖體破壞模式為墜落式危巖體，在降雨及自身重力等因素作用下可能誘發(fā)崩落.

2.5 A5危巖體基本特征

A5危巖體區(qū)域東南側(cè)平臺上方，為工程建設(shè)人工開挖形成，坡體寬35 m、高42 m，坡度75°，坡向256°，巖體結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，整體較為完整，局部較為破碎，中至強風(fēng)化，中上部存在軟弱夾層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要為風(fēng)化裂隙，受節(jié)理裂隙面及產(chǎn)狀控制，坡面上多處形成鍥形體，多數(shù)鍥形體寬0.5 m、高0.5 m、厚0.2 m.此外，A5后緣還存在一條卸荷裂隙，走向與坡體后緣公路平行，裂隙寬3～5 cm，無充填物，目前無變化，破壞模式為傾倒式，在降雨及自身重力等因素作用下可能誘發(fā)崩落.

2.6 A6危巖體基本特征

A6危巖體為工程建設(shè)人工開挖形成，坡向237°，坡度82°，坡高10 m，寬30 m，巖體結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，整體較為完整，中部存在軟弱夾層，中至微風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，坡面中段有軟弱夾層，溶蝕風(fēng)化后局部形成凹巖腔，坡面受結(jié)構(gòu)面及層面產(chǎn)狀控制，局部形成鍥形體，主要為風(fēng)化裂隙及溶蝕裂隙，受節(jié)理裂隙面及產(chǎn)狀控制，坡面上多處形成鍥形體，最大鍥形體寬0.5 m、高1 m、厚0.2 m，危巖體破壞模式為傾倒式危巖體，在降雨及自身重力等因素作用下可能誘發(fā)崩落.

3 崩塌成因機制分析

由于研究區(qū)域坡體上部分鍥形體存在風(fēng)化裂隙及卸荷裂隙，巖體在自身重力及長期裂隙水作用下，出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象，部分孤石已產(chǎn)生滾落及垮塌.

3.1 崩塌形成條件

3.1.1 巖體結(jié)構(gòu).

研究區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)主要為層狀結(jié)構(gòu)，中至微風(fēng)化，整體較為完整，巖性為淺灰、灰色白云質(zhì)灰?guī)r，產(chǎn)狀8°∠10°，斜坡坡度在45°～78°，坡面形成小塊懸掛石、小塊懸石及鍥形體，方量0.5～50 m3.節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要為風(fēng)化裂隙，裂隙面延展性小、連續(xù)性差，結(jié)構(gòu)面較粗糙，區(qū)內(nèi)主要受兩組裂隙面控制，裂隙產(chǎn)狀為L1：275°∠75°、L2：185°∠75°，裂隙張開寬度為0.2～10 cm，線密度平均為2 m/條，呈半充填狀，充填物以碎石及黏土居多，少量為方解石充填，總體裂隙面延展性差，連續(xù)性差.巖石總體硬脆，巖體堅硬程度為較硬巖，整體穩(wěn)定性較好，巖體基本質(zhì)量等級為II級.

3.1.2 不利的地形.

研究區(qū)域地形北高南低，場地底部較緩，四周較陡峭，坡度從緩向陡變化為5°～82°，地形最大高差為360.3 m，陡峭的坡體給危巖體的形成提供了有利的自然條件，加之區(qū)內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)破碎，存在軟弱夾層且?guī)r性節(jié)理裂隙較發(fā)育，受溶蝕裂隙與風(fēng)化裂隙控制，坡體表面多處形成危巖體.同時危巖體自身存在不利條件，區(qū)內(nèi)坡體較陡峭，巖體結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，且多數(shù)存在軟弱泥質(zhì)夾層，泥質(zhì)夾層在溶蝕風(fēng)化作用下形成凹巖腔，巖體側(cè)壁受節(jié)理裂隙控制，容易形成三面臨空的危巖體.

3.1.3 工程活動.

為滿足工程建設(shè)需要，在建設(shè)初期，通過人工方式對周圍坡體進行了削方處理，削方手段為爆破作業(yè)和重型機械開挖，工程切坡改變了坡體的應(yīng)力結(jié)構(gòu)，使巖體應(yīng)力釋放或調(diào)整而形成卸荷裂隙，后又受重力、風(fēng)化的物理地質(zhì)作用進一步張開或位移，穩(wěn)定性變差.

3.1.4 前期強降雨.

降雨是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵因素之一，降雨之后在該區(qū)域地表巖土體中具有一定滯后性，數(shù)天后才見有雨水排出.在自重力作用下沿軟弱面向空面傾斜，如臨空面、巖體結(jié)構(gòu)軟弱面等.同時，地下水在節(jié)理裂隙中還存在靜水壓力，推動巖體向不穩(wěn)定一側(cè)傾斜變形.

3.2 崩塌機制分析

本研究認為，研究區(qū)域形成危巖體的主要原因為：首先，自身的不利條件，區(qū)內(nèi)坡體較陡峭，巖體結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)，且多數(shù)存在軟弱泥質(zhì)夾層，泥質(zhì)夾層在溶蝕風(fēng)化作用下成凹巖腔，巖體側(cè)壁受節(jié)理裂隙控制，容易形成三面臨空的危巖體.其次，工程建設(shè)切坡改變了坡體的應(yīng)力結(jié)構(gòu)，使巖體應(yīng)力釋放或調(diào)整而形成卸荷裂隙，后又受重力與風(fēng)化等物理地質(zhì)作用進一步張開或位移，穩(wěn)定性變差，而工程開挖時爆破作業(yè)及機械破壞作用使得巖體內(nèi)裂隙更為發(fā)育，形成危巖體.研究區(qū)域內(nèi)危巖體破壞模式主要為傾倒式和墜落式.

4 崩塌體穩(wěn)定性分析

4.1 整體穩(wěn)定性分析

4.2 典型危巖穩(wěn)定性定性分析

通過現(xiàn)場調(diào)查，本研究確定A2為典型危巖體.A2危巖體呈塊狀，危巖體受側(cè)壁結(jié)構(gòu)面及層面產(chǎn)狀控制呈楔形體，危巖體為厚層白云質(zhì)灰?guī)r構(gòu)成，目前尚未出現(xiàn)明顯變形.A2危巖體赤平投影圖如圖2所示.

圖2 A2危巖體赤平投影圖

從圖2可見，層理面C為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其余結(jié)構(gòu)面L1、L2均屬于基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面.在兩組結(jié)構(gòu)面分析中，組合交棱線L1～L2為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu).從赤平投影圖上可看出受兩組結(jié)構(gòu)面控制，坡面存在鍥形體，有塊石崩落隱患.

4.3 典型危巖穩(wěn)定性定量分析

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，A2危巖體后緣存在一條卸荷裂隙，卸荷裂隙走向與坡體后緣公路平行，完全貫通脫離母體，無充填物，A2危巖體傾角82°.

傾倒式危巖穩(wěn)定性計算公式為，

式中，w為危巖體的自重(kN)；β為傾角(°)；e為主控結(jié)構(gòu)面貫通段的垂直高度(m)；H為危巖垂直高度(m)；L為危巖沿陡崖走向方向長度(m)，即危巖體寬；flk為危巖體抗拉強度指標值(kPa)；f0k為危巖體與基座間的抗拉強度指標值(kPa)；a為危巖體重心至傾覆點的水平距離(m)；lb為危巖體底部主控結(jié)構(gòu)面尖端至傾覆點的距離(m)；h0為危巖體重心至過傾覆點的水平面的垂直距離(m).

根據(jù)對A2危巖體的多次現(xiàn)場調(diào)查與分析后，得到危巖體的自重、危巖傾角、主控結(jié)構(gòu)面貫通段的垂直高度、危巖垂直高度、危巖沿陡崖走向方向長度、危巖體重心至傾覆點的水平距離、危巖體底部主控結(jié)構(gòu)面尖端至傾覆點的距離、危巖體重心至過傾覆點的水平面的垂直距離.根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果得：白云巖質(zhì)灰?guī)r重度為27.25 kN/m3，以及危巖體抗拉強度指標值、危巖體與基座間的抗拉強度指標值.A2危巖體參數(shù)具體如表1.

表1 A2危巖體參數(shù)選取表

通過對A2危巖體穩(wěn)定性的計算可知，A2危巖體穩(wěn)定系數(shù)FS=23.27.根據(jù)《滑坡防治工程勘查規(guī)范》(DZ/T0218-2006)，由危巖體穩(wěn)定程度等級劃分確定：A2危巖體目前整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài).

5 結(jié) 論

本研究認為，白云質(zhì)灰?guī)r山體崩塌引發(fā)崩塌破壞的主要因素主要為：巖體結(jié)構(gòu)、不利的地形、工程活動和降雨；危巖失穩(wěn)模式為墜落式危巖和傾倒式危巖；從結(jié)構(gòu)面組合來看，危巖體受兩組結(jié)構(gòu)面控制，坡面存在鍥形體，有塊石崩落隱患.根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與計算表明，經(jīng)過前期工程治理，目前該區(qū)域內(nèi)危巖整體處于穩(wěn)定狀態(tài).