贵州纳雍骔岭镇危岩带稳定性及危害范围分析

2019-09-06程宇，张健，陈进，龙举

中国地质灾害与防治学报 2019年4期

程宇，张健，陈进，龙举

(贵州地质工程勘察设计研究院/贵州省地矿局111地质大队,贵州贵阳 550081)

0 引言

贵州省是环境地质灾害的多发区，地质灾害给贵州经济社会带来极大的损失，纳雍县骔岭片区集镇危岩带自2000年以来发生过20多次山体崩塌，2004年12月3日凌晨3时40分，骔岭镇左家营村岩脚组发生山体崩塌，造成44人死亡[1]，近年来，受暴雨和人类工程活动的影响，地质灾害越发突出。2015年6月6日凌晨3时，骔岭镇左家营村岩脚组再次发生山体崩塌，造成了3人死亡，骔岭集镇片区危岩带隐患威胁1 698户8 909人(危险区内1 408户，7 572人)，潜在经济损失13.81亿元[2]。该地段危岩呈带状分布，分布长度7.0 km，共有16处危岩，其地质条件复杂、影响因素众多、规模体积大、安全隐患严重，对其开展调查研究工作势在必行。

1 研究区概况

1.1 地学背景

研究区位于纳雍县西南部，隶属纳雍县骔岭镇管辖，地理坐标：东经105°12′41″～105°16′50″，北纬26°40′18″～26°44′48″，地处亚热带暖温湿润区，年均气温13.6°C，年均降水量为1 243.5 mm(集中在5～10月，约占全年降水量的70%)。受构造、侵蚀作用影响，区内中部骔岭镇集镇-半边街大箐脚一线形成北东走向、坡度50°～80°、高100～300 m的陡崖，陡崖下部斜坡变缓，坡度约30°～45°，地势总体东高西低，海拔1 623～2 000 m，最高点位于骔岭镇集镇处；陡崖以北区域山峦起伏，地势总体东高西低、南高北低，海拔2 100～2 334.5 m。

1.2 地质构造

研究区处于纳雍—百兴复杂褶皱变形区白岩脚向斜与包谷山背斜交接处。地形总体倾向北西，区内大箐脚以西区域地层产状30°～70°∠20°～55°，大箐脚以东区域地层产状310°～356°∠12°～25°，无区域性的构造断裂发育。受构造活动的影响，灰岩中节理裂隙发育，西部区域主要发育两组裂隙，产状200°～253°∠52°～70°、53°～145°∠70°～80°，裂隙率1～4条/m，局部黏土充填；东部区域主要发育两组裂隙，产状200°～315°∠60°～80°、50°～145°∠55°～85°，裂隙率1～7条/m，东部和西部这两组节理将灰岩切割成直立的块体，斜坡前缘形成优势临空面，发生崩塌[3]。

1.3 地层岩性

根据区域构造纲要图，区内主要出露的地层有寒武系中统金顶山组(∈2j)，石炭系下统摆佐组(C1b)，石炭系上统黄龙—马平组(C2h—C2P1m)，二叠系中统茅口组(P2m)，二叠系上统峨嵋山玄武岩组(P2-3em)、二叠统上统龙潭组(P3l)、长兴—大隆组(P3c+d)、三叠系下统飞仙关组(T1f)以及第四系(Q)。

2 危岩基本特征

2.1 危岩分布特征及规模

危岩主要分布于纳雍县骔岭集镇—大箐脚陡崖带范围，全长7.0 km，形态呈不规则的反“L”形，折线带状展布(图1)，共发育危岩16处。

图1 危岩及其影响范围分布图Fig.1 Map of distribution and influence area of dangerous rock mass

危岩被节理裂隙切割，受外倾节理面及岩层面控制，空间几何形态呈柱状、块状等不规则形状。危岩多处于地形转折处，优势临空面突出，卸荷裂隙作用强等特点。据野外调查，危岩的破坏模式主要为滑移式和倾倒式。滑移式崩塌点多面广，影响范围也最大，滑移式失稳危岩多数情况下在山体阳面突出部位，斜靠在母岩上，因其本身三面临空，加上下部基座在不利因素影响下强度降低，导致危岩沿剪力面破坏，调查中发现，滑移式破坏的危岩底部结构面，倾角处于8°～20°之间，分布离散，均外倾，破坏后果严重特点[4]。倾倒式失稳多数情况下由于底部基座的风化、剥蚀、剥离等外力作用，支撑面减小，在支撑力矩减小和倾覆力矩增加的相互转化中，导致上部危岩的重心外移，岩体以底部基座为受力点发生倾倒。

研究区内危岩规模差异甚大，最小的危岩体积2.88×102m3，最大体积为2.9×106m3，危岩总体规模8.03×106m3，各危岩几何特征及规模见表1。

表1 危岩几何尺寸及规模统计表

2.2 危岩稳定性控制因素和影响因素分析

(1)自然环境脆弱

一方面岩体自身强度低，由粉砂质黏土岩、炭质黏土、粉砂岩、白云岩、灰岩互层状组成，岩层中存在大量软弱夹层及泥化夹层，陡崖岩体中存在上硬下软组合岩体，黏土岩、粉砂岩抵抗风化的能力弱，受风化作用影响，陡倾岩体下部软弱层风化，软化、崩解，形成空腔，在重力作用下向临空面方向进一步变形，逐渐演化为危岩。

另一方面岩体节理裂隙发育，西部区域主要发育两组裂隙(图2-a)，产状200°～253°∠52°～70°、53°～145°∠70°～80°，裂隙率1～4条/m，局部黏土充填；东部区域主要发育两组裂隙(图2-b)，产状200°～315°∠60°～80°、50°～145°∠55°～85°，裂隙率1～7条/m，东部和西部这两组节理将灰岩切割成直立的块体，斜坡前缘形成优势临空面，其优势方向与区域构造方向一致，表现出构造对裂隙发育的控制作用[5]。

图2 节理裂隙玫瑰花图Fig.2 Rose diagram of joint fissure

(2)岩溶地质作用

石灰岩分布地区，岩石在溶蚀作用下产生碎屑，为外营力提供了侵蚀地面的条件，相继出现搬运作用和堆积作用，使地貌改观，出现了独特的喀斯特地貌，为崩塌体提供了一面、二面或三面临空的条件。由于岩体中存在溶蚀裂隙，地表水沿岩石的节理裂隙流动而不断地进行溶蚀和侵蚀，在岩石表面形成槽状形态，长时间的溶蚀作用下，山体岩石表面形板状、柱状、峰状、塔状岩体，为危岩的形成创造了有利条件。

(3)人工活动

人工活动表现为两类，一类是为修路切坡、建设采石，对地表山体有不同程度破坏作用；二类是人工采煤活动，区内为煤系地层，煤矿为地方政府经济来源和当地居民燃料用煤，采煤活动在山体下形成采空区，会有地面沉降和地面裂缝发生，沉降变形会引起山体应力发生变化，岩体产生劈裂破坏，山体后缘地面裂缝使山体与山体母岩脱开，形成危岩。

(4)根劈作用

树木生长在山体岩石中，根系会沿着岩体节理方向不断延伸和长大，对山体裂隙不断产生挤压力，使岩体裂隙慢慢扩大，从而引起岩石裂隙不断张开破坏，树木的根劈作用，使岩体的整体性遭到破坏，进而加速危岩崩塌的形成[6]。

(5)降雨诱发

据调查访问得知，在暴雨过后或长期下雨后连续干旱会发生危岩崩塌或危石坠落现象，一方面山体后缘存在卸荷裂隙，降水渗入卸荷裂隙内引起水压力增大，另一方面，岩体自身呈上硬下软的结构，降水渗入节理裂隙、溶蚀管道等通道内，致使下部软弱岩层降强度低，在卸荷裂隙充水作用和基座软化双重作用下，最终使岩体稳定性降低，发生崩塌[7]。

2.3 危岩力学参数取值

岩体重度γ(kN/m3)、内聚力c(kPa)、内摩擦角φ(°)三个指标是危岩稳定与否的重要参数，它的取值依据直接影响到计算结果的合理性。由于研究区是多个典型的岩质边坡，边坡危岩主要以灰岩、泥岩为主，调查中取了大量灰岩、泥岩进行了室内岩体抗剪试验，危岩后缘虽然产生了地面裂缝、卸荷裂隙，但危岩未产生滑动，未形成摩擦面，将抗剪强度试验值进行折减后结合同类工程经验和反算对比取值。在天然状态下，灰岩重度γ值取27.0 kN/m3，c值取80 kPa、φ值取25°，泥岩重度γ值取26.2 kN/m3，c值取47 kPa、φ值取18°，饱和状态下，灰岩重度γ值取27.5 kN/m3，c值取65 kPa、φ值取22°，泥岩重度γ值取26.4 kN/m3，c值取42 kPa、φ值取16°，本区不考虑地震影响。

3 危岩稳定性分析

3.1 危岩稳定性计算

危岩稳定性分析是研究危岩永恒的主题，定性分析已经远远不能满足危岩勘察和防治工程、设计需要，定量计算去求解得唯一的确定解。按《地质灾害防治工程勘察规范》(DB50/143—2003)提供的计算公式，对现场具有代表性的8处危岩进行稳定性计算。特别说明的是，根据现场初判，WY12为16处危岩中最危险的，WY16为16处危岩中相对最安全的。由于危岩数量较多，所以计算中未对每处计算，未计算的8处危岩可通过具有代表性的另外8处危岩的计算结果推导出稳定范围。

(1)滑移式

滑移式危岩稳定性计算模型见图3，计算公式见公式(1)。

图3 滑移式危岩稳定性计算模型Fig.3 Calculation model of stability on sliding dangerous rock mass

式中：F——危岩稳定性系数；

W——危岩自重/(kN·m-1)；

α——滑面倾角/(°)；

Q——地震力/(kN·m-1)；

V——后缘裂隙水压力/(kN·m-1)；

U——滑面水压力/(kN·m-1)；

φ——滑面内摩擦角标准值/(°)；

c——滑为滑面黏聚力标准值/kPa；

l——滑面长度/m。

(2)倾倒式(危岩重心在倾覆点内)

图4 倾倒式危岩稳定性计算模型Fig.4 Calculation model of stability on dangerous rock

倾倒式危岩稳定性计算模型见图4，计算公式见公式(2)。

(2)

式中：F——危岩稳定性系数；

flk——危岩抗拉强度标准值/kPa；

H——后缘裂隙上端到未贯通段下端的垂直距离/m；

h——后缘裂隙深度/m；

β——后缘裂隙倾角/(°)；

b——后缘裂隙未贯通段下端到倾覆点之间的水平距离/m；

α——危岩与基座接触面倾角/(°)；

W——危岩自重/(kN·m-1)；

a——危岩重心到倾覆点的水平距离/m；

Q——地震力/(kN·m-1)；

h0——危岩重心到倾覆点的垂直距离/m；

V——裂隙水压力/(kN·m-1)；

hw——后缘裂隙充水高度/m。

稳定性计算中主要考虑2种工况和荷载组合，工况1：自重；工况2：自重+裂隙水压力(50年一遇暴雨，充水高度按2/3裂隙高度计算)。计算结果见表3和表4。

表3 滑移式危岩计算表

表4 倾倒式危岩计算表

3.2 危岩稳定性评价

根据表3、表4稳定性计算结果，天然工况下危岩整体稳定性较高，处于稳定或者基本稳定状态，但暴雨工况下稳定性骤降，其中WY9、WY11安全系数小于1.0，处于不稳定状态，WY1、WY2、WY4、WY12、WY14安全系数大于1.0小于1.15，WY16安全系数大于1.0小于1.25，处于欠稳定状态，与实际野外调查结果完全吻合。由于危岩后缘变形迹象显著，一旦发生崩塌，易形成灾害链效应，引发更大规模的灾害，应对危岩进行监测，除此之外，还有必要对其进入深入研究[8]。

4 危岩失稳过程数值模拟及危害范围预测

4.1 危岩失稳过程数值模拟

危岩失稳破坏后，它的弹跳高度、运动速度、运动距离存在着较多方面的影响因素[9]，如危岩落石运动初始速度、危岩落石本身的大小、危岩落石本身的形状、危岩落石本身的坚硬强度、边坡固有的高度、自然坡度和坡形、坡面的起伏程度状况、坡面的物质组成成分、坡面的覆盖层状况及植被情况等。危岩失稳后在区内坡面以跳跃、滚动、滑动方式运动，确定崩落体的运动距离具有现实的工程意义。

为了确定落石失稳后的运动距离，划定安全避险区域，采取Rockfall模拟落石运动，为使模拟过程更加接近现场实际，通过滚石试验复原模拟左家营崩塌落石的最终运动距离来反演坡面材料参数Rn和Rt，此次为了方便分析，坡面材料参数取一致。通过反演分析，得到岩块与坡面碰撞后的速度衰减法向阻尼系数Rn和切面阻尼系数Rt(表5)。

表5 落石运动数值模拟参数表

落石样本按现场堆积落石尺寸选取，重量为1 000 kg，假设各个落石样本初始状态为静止，对10条剖面进行计算模拟得出落石的运动轨迹(图5)。对整个危岩带拟定的10条剖面，通过Rockfall数值模拟分析，自崩落点起算，崩塌距离最小626 m，最大1 260 m，各剖面具体模拟崩塌距离见表6。

4.2 危岩失稳危害范围预测

由于崩落块体大，崩落后的弹跳高度和撞击能量大，破坏力强，随着崩落距离的增加，弹跳高度和撞击能量逐渐减小，直至停止。根据崩塌距离，图解剖面对崩塌落石可能达到的范围作出了圈定，软件模拟分析具有其缺陷性，与实际情况会有一定的差异。因此，在模拟计算结果的基础上，放大0.2～0.4倍的崩塌距离作为安全距离，预测出整个危岩带危岩失稳后破坏所影响的范围，涉及到大箐脚、关寨、坟山脚、雨青底、杨家寨、骔岭镇人民政府、骔岭中学等地段都具备成灾风险。

图5 10-10′剖面崩塌危岩水平位置最终落点运动轨迹模拟图Fig.5 Simulated trajectory the final falling point of the collapsed dangerous rock in section 10-10′

表6 各剖面模拟计算滚动距离

5 危岩崩塌影范围分区

5.1 分区原则

根据走访调查及实测的纳雍县骔岭镇2017年9月以前发生的崩塌边界范围及落石的最远位置，结合崩塌危岩带调查现状，分析可能发生崩塌的岩土结构组合特征、规模及破坏模式[10]，按照“以人为本”的原则，对纳雍县骔岭片区崩塌影响区域进行划分为三个区(图1)，分别为崩塌堆积区(A)、崩塌严重影响区(B)、监测预警避让区(C)。

5.2 划分依据

按现状崩塌堆积体堆积及前缘滚石范围直接连线进行圈定崩塌堆积体范围为崩塌堆积区；采用Rockfall数值模拟分析方法，对实际滚动距离进行模拟反演计算取得各试验剖面滚动距离，按模拟计算滚动距离的1.2～1.4倍，并结合地形地貌及危岩规模，相应确定各试验剖面为危岩崩塌严重影响区范围；危岩崩塌严重影响区以外的区域为地质灾害监测预警风险区。