某山区锣锅山危岩体成因、破坏模式及稳定性分析

田 野

(湖北省城市地质工程院,湖北 武汉 430070)

某山区锣锅山危岩体成因、破坏模式及稳定性分析

田 野

(湖北省城市地质工程院,湖北 武汉 430070)

在野外地质调查的基础上,根据危岩体特征对其形成影响因素及破坏模式进行分析,同时对危岩体稳定性进行定性和定量评价,为危岩体发展趋势预测及治理提供基础。

危岩体;破坏模式;稳定分析

锣锅山崩塌危岩体位于叙永县落卜镇三台村3社,大树河右岸。地理坐标为东经105°03′～105°40′,北纬27°42′～28°31′。危岩区宽约220 m,坡向260°～350°,坡度62°～78°,高程840～1 150 m,高差约310 m,立面面积约11 440 m2。危岩区主要出露三叠系下统飞仙关组(T1f)下部的灰岩和钙质泥岩互层。岩层产状为23°∠12°。危岩带分布于斜坡上部,高程1 100～1 150 m,立面面积495 m2,均厚20 m,体积约9 500 m3,主崩方向320°。目前,该危岩体处于基本稳定状态,在暴雨、地震或长期风化作用下,裂隙进一步发育贯通,失稳的可能性大,对坡脚处三台村3社12户居民生产生活和生命财产造成威胁[1]。

1 危岩体基本特征

边坡分为4个危岩单体。危岩体位于锣锅山崩塌顶部,其出露的三叠系下统飞仙关组(T1f)灰色中厚层灰岩或泥岩,表层中—强风化,局部有凹腔。节理、卸荷裂隙发育,岩体大多被切割成松动的块体。坡面上可见4处大的危岩单体W1、W2、W3、W4,岩体产状平缓,由于泥岩、灰岩差异性风化,局部有凹腔。

1.1 危岩体W1

危岩W1位于崩塌左侧,为中厚层灰岩,坡度75°～90°,高程1 140～1 130 m,分区立面面积约12 m2(图1)。边坡坡面微—中风化,岩体被后缘裂隙切割成块体,岩块逐渐趋于临崩状态,主崩方向320°。W1危岩体其顶部强卸荷带厚度为2.0 m,未见有延伸长度较长、张开度较大伸入坡背的深大裂隙分布,岩体结构为厚层状灰岩,风化程度微—中等,卸荷裂隙倾角很陡,虽岩体内分布有卸荷裂隙,但不会影响坡体内侧岩体的整体稳定,故W1危岩体顶部强卸荷带2.0 m以外的岩体稳定性较好。

图1 W1危岩体剖面图、立面图、野外照片Fig.1 Profile,elevation drawing and field photo of W1 unstable rock mass

1.2 危岩体W2

危岩体W2位于崩塌中部,危岩体平面呈矩形,宽1 m,立面面积5 m2,均厚2 m,体积约12 m3(图2)。主崩方向350°,坡度85°,岩层产状为23°∠12°。裂隙分布不均匀无填充,危岩体下部层状灰岩、泥岩中等风化呈块体状,部分剥落,使得层面裂隙张开。

1.3 危岩体W3

W3危岩体位于锣锅山崩塌中段上部,危岩体平面呈矩形,宽2 m,立面面积9 m2,均厚3 m,体积约18 m3(图3)。主崩方向330°,坡度85°,岩层产状23°∠12°。危岩体下部及顶部层状灰岩、泥岩强—中风化呈块体状,部分剥落。

1.4 危岩体W4

W4危岩体位于锣锅山崩塌下部右侧,危岩体平面呈矩形,宽2 m,立面面积5 m2,均厚2 m,体积约30 m3(图4)。主崩方向320°,坡度85°,岩层产状23°∠12°。岩体构造裂隙主要集中在中部灰岩夹层至顶部,与坡面近正交,裂隙张开约2～5 cm,局部少量碎块石充填,两壁较光滑。

图2 W2危岩体剖面图、立面图、野外照片Fig.2 Profile,elevation drawing and field photo of W2 unstable rock mass

图3 W3危岩体剖面图、立面图、野外照片Fig.3 Profile,elevation drawing and field photo of W3 unstable rock mass

2 危岩体形成影响因素分析

影响区内危岩体形成的因素主要是自然因素和人类工程活动等。自然因素包括地形地貌、地质构造、降雨等,其中地形地貌、地层岩性、地质构造是内因,对危岩的形成和发展起控制性作用;降雨、地震是外因,对危岩的形成和发展起促进作用。人类工程活动造成的影响主要为采矿放炮使坡体表层基岩松动,加剧了卸荷裂隙的发生与发展。

2.1 地形地貌

锣锅山危岩体地形坡度较大,表现为陡崖—陡坡—缓坡地貌,其中陡崖坡度一般为77°～87°,陡崖段多处形成小岩腔,地形陡峻,是危岩形成的必要条件。陡坡坡度一般为39°～41°,陡峻的地形使得失稳岩体沿斜坡快速往下运动(滚动),对坡脚处居民造成严重威胁。

图4 W4危岩体剖面图、立面图、野外照片Fig.4 Profile,elevation drawing and field photo of W4 unstable rock mass

2.2 地层岩性

危岩处岩层平缓,岩性为三叠系下统飞仙关组(T1f)灰岩,该类岩石岩体节理裂隙发育,为崩塌的形成提供了物质及结构基础。

2.3 地质构造

项目区褶皱构造发育,岩体节理裂隙发育,受层面和结构面的组合切割,岩体破碎—较完整,呈碎裂状—块状结构,易产生崩塌。

2.4 降雨

项目区全年降雨量主要集中在雨季(5—9月),短时的强降雨表现较为频繁,降雨量大。降雨渗入危岩体裂隙形成的静水压力、冻胀力,使得危岩体在雨季、雪季的稳定性大幅下降。暴雨或连续降雨过后,危岩体会出现急剧变形。雨水的渗入,除起冲刷作用外,其本身具有静水压力及动水压力,会在裂缝中形成瞬时高水头产生劈楔作用,加速裂缝的发展,破坏岩体的稳定性。另外,雨水会使结构面的填充物软化,降低其抗剪强度,若裂隙中为粘土填充,粘土被液化产生膨胀力,也会破坏岩体的稳定性,加剧润滑作用,促进危岩体失稳。

2.5 重力

据统计,崩塌落石多发生在陡峭的斜坡上,一般高度>20 m,坡度>45°的岩体突出部分在风化作用影响下,岩石力学强度削弱,重力作用使得岩体产生向下倾坠的趋势,很可能给岩体内部某结构面一个向下的分力,这个分力又与另一结构面大致垂直时,沿后一个结构面最易被拉开,这样形成潜在危岩体,当裂隙发展到临界程度,整体平衡条件被破坏时,岩体就会突然发生崩塌;斜坡体上的危石部分出现基脚松动,在重力的作用下,容易顺坡向下滚动;表层松散土体在重力的牵引作用下也易出现滑塌现象。

2.6 风化

岩石长期裸露于地表,在温度变化、大气、水溶液、生物等因素作用下,使岩石在原地逐渐破碎疏松,化学成分、矿物成分均会发生变化。项目区属亚热带湿润季风气候,四季分明,气温日差较大;春季冷空气活动频繁,常出现持续低温阴雨;夏季气温高,降雨多而集中;秋季气温下降快,绵雨时间长;冬季多云雾,山区气温低,有冰冻出现。加之该区陡坡地带均有灌木发育,常沿裂隙生长,植物的根劈以及生物腐蚀作用同时加快了裂隙的发育和扩展,为降雨入渗提供有利条件,进而降低岩体的稳定性。

2.7 人类工程活动

区内主要人类工程活动为硫铁矿开采和居民农耕开垦。采矿活动改变了原有的斜坡结构及应力分布,同时,频繁的放炮对岩体造成扰动,加剧了裂隙扩张速度和贯穿深度,不利于岩体稳定;另外,农作物耕作也不利于斜坡的稳定,但对危岩稳定性的影响较小。

3 危岩体破坏模式分析

根据节理裂隙的空间组合关系,按危岩体形成的力学机制可分为滑移式、坠落式和倾倒式三种[2],其中本项目区涉及坠落式和倾倒式二种。

(1) 坠落式危岩。W2、W3危岩体处于陡崖中部,该处边坡陡峻、基岩裸露,危岩体三面临空,侧壁完全裸露,岩体向外凸出,底部形成约1 m深凹腔,外倾裂隙发育;危岩体主要受后壁及右侧裂隙、底部裂隙切割控制,在重力及各种致灾外动力的作用下,当岩体剪切面的剪切力不足以支撑岩体自重时,岩体容易自下而上脱离母体发生崩落;基于本区地层结构、节理裂隙的空间组合,及变形迹象和破坏模式W1、W4可能产生坠落式崩塌。

(2) 倾倒式危岩。W1、W4危岩体受三组结构面控制,外倾裂隙发育,呈张开状,张开度约5～20 cm,裂缝切割深度约1～2 m,局部危岩体裂隙接近贯穿,裂隙内可见少量碎石土填充;侧面垂直坡面裂隙发育较宽且延伸长,贯通性好;危岩壁岩层面内倾且平缓,倾角约12°;同时调查发现,局部裂缝中间生长有灌木,加速了裂缝的进一步扩张,该类岩体在重力、降雨作用下,危岩体绕下部基座支点向坡外发生转动倾倒崩落,发生倾倒式破坏。

4 危岩体稳定性定性分析

4.1 危岩体W1

图5 W1危岩体结构面赤平投影图Fig.5 Stereographic projection of structural plane about W1 unstable rock

表1 W1危岩体各组结构面相交棱线与坡面的空间关系及稳定性评价表

Table 1 Stability evaluation form of W1 unstable rock mass

结构面交线倾向与坡面倾向关系交线倾角与坡度关系稳定性判别①∧③内倾稳定①∧②内倾稳定②∧③外倾倾角<坡角欠稳定

危岩体W1内①、③节理与坡向(临空面)均成大角度相交,对危岩的稳定性影响不大。危岩②组裂隙与③组裂隙交角较大,切割岩体成块状,结构面两两组合②与④组合面对危岩的稳定性影响大,不利于危岩的稳定;岩层层面与3组节理面两两组合面对危岩的稳定性影响不大(图5)。W1危岩体其顶部强卸荷带厚度为2.0 m,未见延伸长度较长、张开度较大伸入坡背的深大裂隙分布,岩体结构为厚层状灰岩,风化程度微—中等,岩层倾向坡内,卸荷裂隙倾角很陡,虽岩体内分布有卸荷裂隙,但不会影响坡体内侧岩体的整体稳定,故W1危岩体顶部强卸荷带2.0 m以外的岩体稳定性较好(表1)。总体评价该危岩处基本稳定状态,易发生倾倒式破坏。

4.2 危岩体W2

W2区内①、③节理与坡向(临空面)均成大角度相交,对危岩的稳定性影响不大。危岩②组裂隙与③组裂隙交角较大,切割岩体成块状,结构面两两组合②与④组合面对危岩的稳定性影响大,不利于危岩的稳定;岩层层面与3组节理面两两组合面对危岩的稳定性影响不大(图6)。W2危岩体其顶部强卸荷带厚度为2 m,未见发育有延伸长度进入坡背基岩、张开度较大的裂隙(表2)。总体评价该危岩受节理切割多处岩体在结构面的切割下成立方体或楔形体结构,形成局部掉块崩落。

图6 W2危岩体结构面赤平投影图Fig.6 Stereographic projection of structural plane about W2 unstable rock

表2 W2危岩体各组结构面相交棱线与坡面的空间关系及稳定性评价表

Table 2 Stability evaluation form of W2 unstable rock mass

结构面交线倾向与坡面倾向关系交线倾角与坡度关系稳定性判别①∧③内倾稳定①∧②内倾稳定②∧③外倾倾角<坡角欠稳定

4.3 危岩体W3

图7 W3危岩体结构面赤平投影图Fig.7 Stereographic projection of structural plane about W3 unstable rock

表3 W3危岩体各组结构面相交棱线与坡面的空间关系及稳定性评价表

Table 3 Stability evaluation form of W3 unstable rock mass

结构面交线倾向与坡面倾向关系交线倾角与坡度关系稳定性判别①∧③外倾倾角<坡角欠稳定①∧②内倾稳定②∧③内倾稳定

W3区内①、③节理与坡向(临空面)均成大角度相交,对危岩的稳定性影响不大。危岩②组裂隙与③组裂隙交角较大,切割岩体成块状,结构面两两组合②与④组合面对危岩的稳定性影响大,不利于危岩的稳定;岩层层面与3组节理面两两组合面对危岩的稳定性影响不大(图7)。总体评价该受节理切割多处的岩体在结构面的切割下成立方体或楔形体结构,形成局部掉块崩落(表3)。

4.4 危岩体W4

W4区内①、③节理与坡向(临空面)均成大角度相交,对危岩的稳定性影响不大。危岩②组裂隙与③组裂隙交角较大,切割岩体成块状,结构面两两组合②与④组合面对危岩的稳定性影响大,不利于危岩的稳定;岩层层面与3组节理面两两组合面对危岩的稳定性影响不大(图8)。W4危岩体顶部强卸荷带2 m以外的岩体稳定性较好。受岩体层面裂隙、构造裂隙和重力卸荷裂隙的控制,危岩变形破坏方式为倾倒式(表4)。

5 危岩体稳定性定量分析

岩体抗压强度参数根据室内岩石抗剪强度试验值[1],参照《地质灾害防治工程勘查规范》(DB50/143—2003)10.6.7条的折减要求进行折减,因裂隙较发育,折减系数取0.67。

水重度取10 kN/m3。现状下裂隙充水高度取裂隙深度的0倍,暴雨时裂隙充水高度取裂隙深度的0.5倍。计算参数见表5。

图8 W4危岩体结构面赤平投影图Fig.8 Stereographic projection of structual plane about W4 unstable rock

表4 W4危岩体各组结构面相交棱线与坡面的空间关系及稳定性评价表

Table 4 Stability evaluation form of W4 unstable rock

结构面交线倾向与坡面倾向关系交线倾角与坡度关系稳定性判别①∧③内倾稳定①∧②内倾稳定②∧③内倾稳定

表5 危岩体稳定性计算参数建议值一览表

根据勘查地面测绘资料成果,崩塌体边坡后缘,即陡崖顶部,陡倾裂隙发育。对不同破坏模式危岩的稳定性计算依据《地质灾害防治工程勘查规范》(DB50/143—2003)12.2条危岩稳定性评价进行计算并按规范中危岩稳定性状态评价标准进行评价[3],结果见表6。

表6 危岩体稳定性评价结果

为了计算方便,危岩体运动速度、弹跳高度及距离计算采用铁道部第一设计院介绍的由苏联尼·米·罗依尼什维里教授提出的落石运动速度的计算方法[4]。同时根据动能计算落石撞击能量。计算结果参见表7、表8。

表7 危岩体计算结果

表8 危岩体运动参数计算表

6 结语

崩塌W2危岩体,在天然状态下稳定性系数>1.3,处于稳定状态;在饱和工况或地震工况条件下稳定性系数在1.10～1.25之间,处于欠稳定状态;W3危岩体,在天然状态下稳定性系数>1.2,处于稳定状态,在饱和或地震工况条件下稳定性系数在1.15～1.25之间,处于欠稳定状态;两处危岩单体,受地质构造作用、风化卸荷作用影响,未来失稳的可能性较大,应尽快予以清除。

崩塌W1、W4危岩体,在天然状态下稳定性系数>1.3,均处于稳定状态;在饱和工况条件下W4稳定性系数在1.10～1.25之间,处于欠稳定状态,W1稳定系数>1.25处于稳定状态;在地震工况条件下,W1处于欠稳定状态,W4处于基本稳定状态,两处危岩单体,受地质构造作用、风化卸荷作用影响,结构面发育,岩体较为破碎,后缘外倾裂隙发育,且局部裂隙内灌木丛生,同时受植被根劈作用影响,未来在暴雨、地震、人工扰动等因素影响下,失稳的可能性大,易发生倾倒式破坏。

通过理论计算,崩塌的危岩体最大运动速度达29.5 m/s,崩塌落石进入村中的最大冲击能量达940.8 kJ,对房屋具有很强的冲击力和破坏力。

锣锅山崩塌危岩体严重威胁到叙永县落卜镇大树村四社的12户居民,52人的生产生活和生命财产安全。经分析,W1、W2、W3和W4危岩体(区)处于欠稳定状态,由于该处崩塌一直处于渐进性变形中,在余震、暴雨或人类活动强烈影响下,很可能再次发生崩塌,其后果不堪设想,因此及时对该危岩体进行治理显得非常必要。

[1] 郭培国,张云卫,何为康,等.叙永县落卜片区硫铁矿矿山地质环境治理示范工程二期项目锣锅山崩塌勘查报告[R].武汉:湖北地矿建设工程承包集团有限公司,2014.

[2] 徐邦栋.滑坡分析与防治[M].北京:中国铁道出版社,2001.

[3] 重庆市质量技术监督局.地质灾害防治工程勘查规范:DB50/143—2003[S].重庆:重庆市质量技术监督局,2003.

[4] 胡厚田.崩塌与落石[M].北京:中国铁道出版社,1989.

(责任编辑：陈姣霞)

Genesis,Failure Mode and Stability Analysis of Unstable Rock Mass ofLuoguo Mountain in a Mountain Area

TIAN Ye

(HubeiInsitituteofUrbanGeologicalEngineering,Wuhan,Hubei430070)

By the method of field geological survey,the influencing factors and failure mode of unstable rock mass are analyzed. According to unstable rock feature,the paper evaluates the stability of unstable rocks quantitatively and qualitatively.This paper provides a basis for forecasting the development trend of unstable rock and treatment.

unstable rock mass; failure mode; stability analysis

2016-01-06;改回日期:2016-01-25

田野(1984-),男,工程师,硕士,地下水科学与工程专业,从事岩土设计工作。E-mail:23997194@QQ.com

TU457

A

1671-1211(2016)04-0622-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.04.017

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160707.1528.028.html 数字出版日期:2016-07-07 15:28