远安县嫘祖镇盐池村“一炷香”危岩体形成机制及稳定性分析

刘 辉,张 波,李佑刚,张鑫鑫

(1.湖北省远安县国土资源局,湖北 宜昌 444299; 2.湖北省鄂州地质环境监测保护站,湖北 鄂州 436000)

远安县嫘祖镇盐池村“一炷香”危岩体形成机制及稳定性分析

刘 辉1,张 波2,李佑刚1,张鑫鑫1

(1.湖北省远安县国土资源局,湖北 宜昌 444299; 2.湖北省鄂州地质环境监测保护站,湖北 鄂州 436000)

以远安县“一炷香”危岩体为研究对象,在现场地质调查研究和危岩体变形监测工作的基础上,对“一炷香”危岩体的形成机制和稳定性进行研究,得出以下结论:“一炷香”危岩体基座表面裂隙发育,岩体较为破碎,变形特征明显,崩落方位南、南偏东方向可能性较大;危岩体现状处于欠稳定—不稳定状态,预测其发展趋势为不稳定,在采空区变形、塌陷以及外动力作用下,危岩体失稳可能性大。

危岩体;变形特征;形成机制;稳定性

远安县位于湖北省鄂西山区,处于鄂西山地向江汉平原过渡的低山丘陵地带,地势西高东低,山高坡陡,属荆山山脉向南东的延伸部分,山势、水系的发育明显受地质构造的制约,呈近南北向展布。沮河自北向南从中部穿境而过,由于受构造的剥蚀和沮河的侵蚀,县区地貌可分为构造剥蚀中低山区、构造剥蚀低山丘陵区和沮河冲积平原区三大地貌单元。在地形地貌、地层岩性、地质构造、水文气象等自然因素和人类经济工程活动等人为因素作用下,县内滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等地质灾害频繁发生,给人民群众生命财产安全及厂矿企业生产造成巨大的威胁和经济损失。例如1980年6月3日发生的盐池河崩塌,崩塌堆积体近100万m3,死亡284人,财产损失2 500多万[1]。

2015年7月—9月,远安县嫘祖镇盐池村“一炷香”危岩体—庙沟一带山体接连发生3起崩塌灾害事件;2016年3月以来,“一炷香”危岩体后缘裂缝处测缝计监测到的位移量突然增大,危岩产生新的裂缝,其下方分松公路路面形成开裂,且路面裂缝宽度持续增大。由于这些危岩体形成过程缓慢,形成机制复杂,隐蔽性较大,失稳时又具有突发性,往往规模较大,破坏性强[2-3]。因此,科学合理地分析危岩体形成机制及稳定性评价,对该区域的危岩体灾害进行风险评估和工程治理具有重要意义[4-6]。以“一炷香”危岩体为研究对象,在详细的野外地质调查基础上,对“一炷香”危岩体的发育分布特征、形成机制进行研究,并评价其稳定性,旨在为后期“一炷香”危岩体的灾害风险评估和防治提供理论依据。

1 地质背景

研究区位于远安县西北部,地貌类型属构造剥蚀中低山区地貌(图1)。海拔标高+450.0～+1 251.0 m,相对高差达801.0 m。盐池河自西向东贯穿研究区(图3)。受地层岩性的控制,研究区内灯影组粉晶云岩一般多形成陡崖地貌,危岩体发育;陡山沱组泥质白云岩常见为缓坡地形,坡度30°～45°,少见危岩体发育。区内植被中等发育,山上以灌木为主,山下多为农田,植被覆盖率约60%以上[7]。

区内出露地层自上而下为:第四系松散堆积层(Q4),寒武系下统水井沱组(∈1s),震旦系上统灯影组(Z2dn)、陡山沱组(Z2d)及前震旦系水月寺群(AnZ)。研究区发育一平缓单斜构造,岩层产状70°～120°∠6°～15°,褶皱弱发育,主要以断裂构造为主。

区内发育山涧溪流和冲沟,地下水类型主要为基岩溶隙裂隙水,含水介质主要为震旦系灯影组(Z2dn)白云岩,岩体裂隙较发育,含水性较差,地下水主要经岩体裂隙向当地的侵蚀基准面——河流进行排泄;地表水主要为盐池河河水,水量随季节变化较明显,主要接受大气降水补给,向下游排泄。

图1 远安县嫘祖镇盐池村地理位置示意图Fig.1 Location map of Yanchi village,Leizu Town,Yuanan County1.正断层;2.逆断层;3.性质不明断层;4.向斜轴;5.构造剥蚀中低山区;6.平原区;7.构造剥蚀低山丘陵区;F1.樟树坪断层;F2.盐池河断层;F3.通城河断裂;F4.远安断裂;Ⅰ.石桥坪向斜;Ⅱ.当阳向斜;Ⅲ.远安向斜。

研究区历史磷矿开采强度高,形成了大范围的地下采空区,在地形地貌、地层岩性、地质构造、水文气象等自然因素和采矿活动等人为因素作用下,岩体的应力状况发生改变,进而引发了一系列的地质灾害,对人民的生命财产安全造成巨大的危害[8]。

2 危岩体发育特征

2.1 危岩体基本特征

“一炷香”危岩体位于分松公路北西,南北向山脊的东侧(图3)。危岩体中心坐标X:3454730,Y:37528338,整体呈圆锥状,块体规模35 m×60 m×29 m,体积6.09×104m3。分布高程:680～740 m(图2),岩性主要为Z2dn1白云岩。

其主控结构面——后缘拉裂缝产状为190°∠ 83°,裂缝上宽下窄自下而上贯穿整个危岩体,并继续向下延伸(图3、图4-a)。据调查,该裂缝于危岩体顶部最宽处约25 m,危岩体西侧基座处裂缝宽0.10～0.60 m,裂面粗糙,局部碎石充填;该主控结构面于危岩体基座西侧出露明显,沿基座向东也已出现较为新鲜的压裂痕迹,说明该主控结构面近期处于发展延伸阶段,逐渐将岩体自基座处切割成为一独立块体。

2.2 危岩体变形特征

上世纪90年代即开始对“一炷香”危岩体开展监测工作,并于2014年7月14日设置专项仪器监测;至2016年2月,危岩体后壁主控裂隙尚未发现明显变化;2016年2月下旬,该裂缝处设置的1号监测点监测数据表明,该裂缝变形明显增大,2016年2月8日—5月4日缝宽已累计变形量达1.6 cm(图5)。

沿危岩体基座自西向东调查发现,于基座西侧中前部发育两组相交裂隙L1、L2(图4-b),L1:产状180°∠33°,隙面微张、平直,向危岩体后壁方向延伸,并未与后壁主控裂缝联通;L2:产状175°∠76°,隙面微张、较平直,向危岩体顶部方向延伸;危岩体被上述两组裂隙切割呈楔形体,两组裂隙隙面可见新鲜张开痕迹,裂隙宽度约1～3 mm。

东侧基座区域岩溶现象较为发育(图4-c),初步判断该区域存在一构造带;基座表面劈裂现象明显,一些浮于基座表面的块体手掰即掉,也可见多处小规模块体崩落新鲜痕迹,掉落块体直径5～37 cm。同时,与基座西侧主控结构面相对应的区域发育新鲜压裂张开痕迹(图4-d),呈向南东方向扭压形态,逐渐将岩体自基座处切割成为一独立块体。

背部(北侧)发育一自上而下的裂隙(L3),可见长度约10 m,并向下延伸,裂隙宽约5～30 cm,产状为285°∠82°,裂隙面粗糙,充填碎石,裂隙底部岩体较为破碎;可视范围西侧底部发育一裂隙(L4)与L3相交,L4可见长度约4 m,向危岩体东侧延伸,裂隙宽度约5～10 cm,产状为210°∠35°,裂隙面粗糙,局部充填碎石。同时,背部(北侧)岩体表面劈裂现象明显,靠近底部西侧与东侧“基座”均存在崩落、掉块新鲜痕迹,局部已经形成“凹腔”(图4-e)。

图2 远安县嫘祖镇盐池村“一炷香”危岩体全貌Fig.2 Overall view of“Yizhuxiang”dangerous rock mass in Yanchi Village, Leizu Town,Yuanan County

图3 “一炷香”危岩体示意图Fig.3 Schematic section of“Yizhuxiang”dangerous rock mass

危岩体顶部发育两条相交裂隙(L5、L6),L5:产状183°∠62°,裂隙面微张、平直,向危岩体顶部方向延伸,并于南壁中上部穿出;L6:产状5°∠33°～68°,裂隙面微张,近弧形发育,自危岩体顶部前端穿出;危岩体被上述两组裂隙切割为楔形体,上述两组裂隙面近期变形痕迹不明显,张开度较小(图4-f)。

3 危岩体形成机制分析

3.1 上硬下软的岩层组合形式

“一炷香”调查区上部岩性为灯影组白云岩,抗风化能力较强,易形成高大陡崖,高陡临空,受裂隙切割影响,岩体较为破碎;下部为陡山沱组硅质白云岩、炭质页岩夹层及磷矿层,抗风化能力较弱,强度相对较低,易形成缓坡(图6)。在此岩层组合条件下,底部炭质页岩等软层在上覆岩体重力作用下,易产生塑性变形,并易引起上部硬质岩体由于受拉发生脆性破坏[9-10]。此种上硬下软的地层组合结构为崩塌的形成创造了良好的地质环境及物质条件。

图4 “一炷香“危岩体变形破坏特征Fig.4 Characteristics of deformation and failure in “Yizhuxiang” dangerous rock massa.危岩体主控结构面;b.“一炷香“危岩体中前部发育裂隙;c.岩溶现象发育;d.东侧基座压裂展开痕迹;e.东侧基座表面座劈裂;f.“一炷香”西侧裂缝分布。

图5 “一炷香”主控结构面1号监测点变化特征Fig.5 Variation characteristics of 1# monitoring point of control fissure in “Yizhuxiang” dangerous rock mass

图6 “一炷香”危岩体工程地质剖面图Fig.6 Engineering geology profile of “Yizhuxiang” dangerous rock mass1.震旦系灯影组白云岩;2.震旦系陡山沱组白云岩、页岩;3.水月寺群。

3.2 构造条件及岩溶作用

研究区位于盐池河断层带(图1),受断裂构造的影响,区内岩体较破碎,完整性较差,节理裂隙发育,易发生崩塌掉块。一方面大气降水从岩体裂隙渗入,软化岩体结构面,降低灰岩力学强度,改变了结构面的力学状态,或直接成为危岩体的边界。另一方面裂隙面内的雨水产生静水压力作用,使处于临空面方向的岩体获得了推力,从而可能出现变形并随之形成崩塌。

3.3 采空区影响

3.3.1 采空区基本情况

区内柳山沟磷矿从上世纪80年代开始兴办,截至2011年底在矿山西南侧自东向西已形成采空区十多处。到2016年,柳山沟磷矿柳山沟工区Ⅰ采区采空区总面积已近0.5 km2。据湖北广原化工集团有限公司2016年3月的“柳山沟磷矿采掘工程平面图”表明,除“一炷香”危岩体区域保留一尺寸61 m×52 m(长×宽)的保安矿柱未开采外,“一炷香”周边区域底部基本为采空区(图7)。

3.3.2 采空区诱发地表变形的机制

由于受柳山沟磷矿采空区的影响,地表变形(裂隙带)影响高度为302 m,即当顶板至地表的高度<302 m时,易产生地面开裂变形;当>302 m时,地面相对较稳定,一般不易产生地面开裂、塌陷变形。研究区矿层顶板标高390～400 m,“一炷香”危岩体发育高程为680～740 m,基座发育高程为680 m,处于采空区地表变形影响范围内(图7)。

图7 “一炷香”危岩体保安矿柱及采空区边界地段地应力分布Fig.7 Safety pillar and ground stress distribution in the goaf boundary areas of “Yizhuxiang” dangerous rock mass

区内磷矿采矿方法大都为预留规则矿柱的房柱法及全面采矿法,采用多平硐中央斜井联合开拓方案。当地层内的局部矿体被开采出之后,在岩体内形成一个空洞,使其周围的应力平衡状态遭到破坏,产生局部应力集中(见图7)。这也正是地表裂缝大都分布在采空区上方或采空与非采空区对应的边界部位的最直接原因。

3.3.3 采空区对“一炷香”危岩体的影响

采空区变形大致可分为两个阶段。第一阶段,靠近磷矿层壁端岩层的上表面首先会产生开裂,进而顶板出现变形、开裂,上覆岩层向下弯曲、下沉,发生断裂,产生裂缝,该阶段一般呈直筒型分布;第二阶段为变形区向外扩展直至应力调整平衡,该阶段一般呈漏斗型分布[11]。虽然“一炷香”区域保留保安矿柱,但是其周边均为采空区,尤其是其东侧采空区范围较大但其与采空区紧邻,属采空区变形过程中易变形区,随着时间的推移,预留矿柱将不断风化、片帮剥落,而使该危岩体产生失稳的可能性亦日趋增大。

图8 “一炷香”危岩体裂隙发育示意图(西侧、背部)Fig.8 The development of fracture of “Yizhuxiang”dangerous rock mass(west、back)

4 危岩体稳定性分析与评价

4.1 地质结构分析

“一炷香”危岩体区内地层倾向为95°,危岩区山体斜坡结构类型为切向坡,岩层倾角较平缓为15°,岩性为灯影组浅灰色中厚—厚层状中等—微风化白云岩,节理、裂隙发育,岩体较破碎。其基座位于矿层顶板以上280 m左右,处于采空区地表变形影响范围内。在采空区变形、塌陷以及外动力作用下,都可能破坏危岩体的平衡条件,导致危岩体失稳。

4.2 赤平投影分析

4.2.1 危岩体破坏模式分析

根据“一炷香”危岩体主要裂隙发育情况(图8),结合危岩体的坡面和不利结构面特征,其可能发生的变形破坏模式主要有以下四种:

模式一结构面组合方式为主控裂隙与L1组合,致“一炷香”危岩体产生滑移式破坏;可能崩落方位南、南偏东。

模式二结构面组合方式为L1与L2组合,致“一炷香”危岩体前半部分滑移式破坏,后半部分稳定性进一步降低,全部崩滑的可能性增加;可能崩落方位南、南偏东。

模式三结构面组合方式为L5与L6组合,顶部产生滑落崩塌,最先可能产生滑落的是 L5 与 L6组合形成的楔形体,该楔形体崩落后,L5延伸段继续发生变形破坏;可能滑落方位南、南偏东。

模式四结构面组合方式为L3与L4组合,此种破坏模式仅为推测;可能崩落方位南偏西。

4.2.2 赤平投影稳定性评价与分析

危岩体的变形破坏大多是沿着岩体中软弱结构面发生的,所以采用赤平投影法对各结构面与坡面形成的楔形体的稳定性进行分析(图9)。

模式一本段岩层与坡向斜交,层面与边坡组合交棱线倾角为15°,岩体顺岩层滑移的可能性小。不利于结构面交棱线方向与坡面方向接近,交点位于坡面以内,属较稳定结构,发展趋势为基本稳定。

模式二本段岩层与坡向斜交,层面与边坡组合交棱线倾角为15°,岩体顺岩层滑移的可能性小。不利于结构面交棱线方向与坡面方向接近,交点位于坡面以外,属欠稳定结构,发展趋势为不稳定。

模式三本段岩层与坡向斜交,层面与边坡组合交棱线倾角15°,岩体顺岩层滑移的可能性小。不利于结构面交棱线方向与坡面方向接近,交点位于坡面外侧,为欠稳定结构,发展趋势为不稳定。

模式四本段岩层与坡向斜交,层面与边坡组合交棱线倾角2°,岩体顺岩层滑移的可能性小。不利于结构面交棱线方向与坡面方向接近,交点位于坡面以外,属欠稳定结构,发展趋势为不稳定。

4.3 稳定性计算

4.3.1 计算工况条件

本地区地震烈度为6度,在计算工况时,不做考虑。在前期掌握资料的基础上,结合危岩的实际情况,拟定了2种工况组合:工况1——自重(天然状态),工况2——自重+50年一遇暴雨。上述2种工况均不考虑采空区变形对危岩体稳定性产生的影响。

4.3.2 计算参数

岩体重度根据试验结果取值:天然重度(γ)为24 kN/m3,饱和重度为25 kN/m3,因“一炷香”危岩体位于地表陡崖中部、大气降水时不可能使其处于饱和状态,故二种工况均采取天然重度进行计算。白云质结构面抗剪强度采用经验值,白云岩岩体抗拉强度取15 MPa,结构面抗剪强度指标中粘聚力C取0.04 MPa,摩擦角φ取35°,暴雨条件下按天然状态的0.8折减。水的重度(γw)取10 kN/m3,暴雨时后缘裂隙充水高度按1/4考虑。

4.3.3 计算模型及方法

根据前文分析的可能变形破坏模式,选用危岩主崩方向工程地质剖面作为计算剖面,对各危岩建立计算模型。其计算方法采用《三峡库区地质灾害应急治理工程地质勘查技术要求(2012.07)》的规定进行,滑移式危岩采用如下公式(后缘有陡倾裂隙、滑面缓倾时):

(1)

R=Ntgφ+cl

(2)

图9 “一炷香“危岩体赤平面投影分析图Fig.9 Stereographic projection analysis of“Yizhuxiang”dangerous rock mass

4.3.4 计算结果分析

稳定性计算统计结果见表1。计算结果表明,“一炷香”危岩体在天然工况下处于基本稳定状态,在暴雨工况下处于欠稳定状态。在天然状态下,“一炷香”危岩体整体处于基本稳定状态,在自重+50年一遇暴雨工况下,危岩体稳定性系数减小,处于欠稳定状态,尤其是模式二安全储备更为不足,即:西侧基座中前部发育的两组相交裂隙(L1、L2)组合,致“一炷香”危岩体前半部崩落的可能性较大,后半部稳定性进一步降低,全部崩落的可能性增加。

表1 危岩体稳定性计算结果Table 1 The stability calculation result of Perilous Rock

5 结论

(1) 一炷香危岩体,地形陡峻,三面临空,块体规模6.09×104m3,整体呈现出近似圆锥状;其主控结构面裂缝自下而上贯穿整个危岩体,并向下延伸,致使危岩体基座、表面裂隙发育,局部被切割呈碎块状,局部岩体较为破碎,变形特征明显,岩体稳定性较差。

(2) 经现场地质调查及分析可知,“一炷香”危岩体是在特殊岩层组合结构、复杂的区域构造条件背景下,加之长期大气降水、岩溶及风化作用的影响,与人类工程活动(采矿)等因素综合作用下形成的产物。

(3) 通过模拟计算分析在天然状态(自重)下“一炷香”危岩体整体处于基本稳定状态;在自重+50年一遇暴雨工况下,危岩体稳定性系数减小,处于欠稳定状态;考虑其他突发性因素,得出“一炷香”危岩体现状处于欠稳定—不稳定状态,预测其发展趋势为不稳定。

(4) 考虑“一炷香”危岩体整体处于欠稳定—不稳定状态,变形特征明显,成因机制复杂,其灾害性较强,具有较高安全隐患等特点,建议对“一炷香”危岩体进行工程清除,清除后根据清理情况对该区域进行长期仪器监测,避免或减小灾害可能给人民的生命和财产造成的损失。

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(责任编辑：李雯)

Stability Analysis and Formation Mechanisms of “Yizhuxiang” DangerousRock Mass in Yanchi Village,Leizu Town,Yuanan County

LIU Hui1,ZHANG Bo2,LI Yougang1,ZHANG Xinxin1

(1.GeologicalEnvironmentDepartment,BureauofLandandResourcesofYuananCounty,Yichang,Hubei444299; 2.EzhouGeoloaicalEnviromentalMonitoringandProtectingStation,Ezhou,Hubei436000)

In this paper,on the basis of field research and geological survey of rock mass deformation monitoring,researched its mechanism and stability.The results show that:fracture development in surface of the perilous rocks base,broken deformation significantly,caving range south,south easterly direction likely;stratigraphy lithologic assocation of different hardness,regional structural geological conditions,karstification and mining activities formed the perilous rocks masses;perilous rocks was in an understable to unstable,its development trend is unstable.Under the action of goaf deformation,subsidence,and external force,the perilous rocks in a state of instability that increased the probability of downward.

dangerous rock mass; deformation features; formation mechanisms; stability

TU457

A

1671-1211(2017)05-0574-07

2017-05-31;改回日期2017-06-21

刘辉(1987-),男,助理工程师,硕士,地质工程专业,从事灾害地质、矿山环境地质工作。E-mail:lh2752@163.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170831.1514.006.html数字出版日期2017-08-31 15:14

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.014