贵州碎屑岩分布区崩塌地质灾害发育特征及孕灾条件分析*

段方情,何松标,马 骅

(1贵州省地质环境监测院,贵州 贵阳 550001;2贵州地环工程有限公司,贵州 贵阳 550001)

0 引言

贵州省碎屑岩赋存层位多,厚度大,分布范围广。区内地质灾害多以滑坡为主,崩塌地质灾害也有分布,但在几个特殊的地层中分布相对集中。如黔北侏罗系红层地区,在赤水市、习水县、仁怀市大面积分布;黔北地区下寒武系明心寺、金顶山组等,在湄潭县、余庆县等普遍分布,沉积厚度可达1000 m;在黔南地区三叠系中统边阳组等,沉积厚度达2120 m[1]。贵州受地质构造运动及后期侵蚀等作用的影响,形成大面积的山地,地质灾害多有频发。目前崩塌调查研究多集中在碳酸盐岩分布区,对碎屑岩崩塌研究分析较少。本文以贵州省地质灾害调查及风险评价为依托,结合黔北湄潭县云贵山崩塌为例,对贵州省碎屑岩崩塌发育特征及孕灾条件进行了分析归纳。对于贵州省内崩塌及国内碎屑岩崩塌,学者们展开了相关研究。李滨等对岩溶山区特大型崩塌灾害成灾模式进行了相关研究[2];胡玉凤等在2011年—2013年全省重点地区重大地质灾害调查资料的基础上对贵州省崩塌发育特征进行了分析[3];刘凯栋对收资以往20年地质灾害的基础上对贵州崩塌灾害及其影响因素进行分析及总结[4];李岩等对北京山区道路沿线砂岩分布区进行分析,其崩塌以滑移式破坏为主[5];王军朝等对川东红层缓倾角岩质崩塌破坏模式及形成机制进行分析[6]。

1 研究区概况

研究区属低中山侵蚀地貌,微地貌为上部陡崖、下部陡坡地貌。总体倾向南东方向,地势北西高南东低,坡型为凹形,上陡下缓。危岩带孕育位置为陡崖,危岩带总体呈北东-南西向展布,宽度约550 m,高度在20～45 m之间。

构造上位于扬子准地台-黔北台隆-毕节北东向变形区,位于湄潭背斜东翼靠核部位置,岩层产状352°∠5°,受构造的影响岩体节理裂隙较为发育,岩体主要发育两组节理,一组产状为83°～90°∠80°～85°,第二组产状为140°～160°∠82°～85°。

2 典型危岩体发育特征

云贵山崩塌分布多个危岩单体,以WY1、WY10为例详细叙述(图1、图2、图3)。WY1危岩单体:该危岩单体位于危岩带西部区域。危岩体呈板状,高4.7 m,宽6 m,厚2 m,危岩体积约56.4 m3,属小型危岩体。坡度80°～85°,危岩体主要受陡倾结构面控制,裂缝长6 m,宽0.3～0.5 m,深2.6 m,裂缝内填充粘土、碎石等,裂缝内发育有灌木、杂草等植被,岩体结构较破碎,岩体内主要发育2组控制性裂隙:145°∠82°、84°∠85°。两组节理相互切割,控制危岩体的边界,危岩体底部砂岩及砂质页岩因差异性风化形成凹岩腔。破坏模式为倾倒式。WY10危岩单体:该危岩单体位于危岩带东侧区域。危岩体呈板形,高24.8 m,宽4 m,厚13.5 m,危岩体积约1339 m3,属小型危岩体。斜坡坡度85°,危岩体主要受陡倾结构面控制,后缘裂缝长14 m,宽0.1～0.5 m,深约13 m。裂缝内少量填充粘土等,岩体结构较破碎,岩体内主要发育2组控制性裂隙:145°∠80°、84°∠85°。WY10危岩受地层产状、节理裂隙切割,控制危岩体的边界,下部由于差异风化发育凹岩腔,破坏模式为倾倒式。

图2 WY1局部剖面 图3 WY10局部剖面

变形现状:WY01、WY10危岩单体基座底部岩体经过长时间的差异风化作用逐步剥落,形成凹岩腔,致WY01和WY10等危岩单体悬空,且后缘发育陡倾裂隙,WY10后缘局部发生塌落;两侧受另外一组陡倾裂隙控制,局部有落叶及粘土充填,排水性受影响。

运动轨迹预测:通过云贵山崩塌剖面示意图,危岩体落石运动轨迹、落点、弹跳高度、速度、能量均通过RockFall计算软件进行模拟和分析。为使模拟过程更加接近现场实际,选取高位的代表剖面模拟计算,分别选取WY01、WY10模拟计算其可能的运动轨迹,对于不同坡面的恢复系数和摩擦系数设定统一的标准差值(表1)。样本为线性分布于崩塌体上,总数为50。

表1 落石运动参数表

表1 监测项目空间插值方法误差对比

通过模拟显示,危岩剖面上落石样本的运动轨迹曲线,初始状态一开始因速度为零,自重应力为落石样本的动力来源,落石在重力的作用下做自由落体运动,使势能转化为落石的运动动能,当与坡面接触后,坡度较大时,产生跳跃,受到坡面地形条件和摩擦力等因素的影响,落石沿坡面开始滚动或滑动。随着坡面的变陡,落石的动能不断增加,坡面受到落石的冲量加大,坡面的变形和覆盖物提供的摩擦力逐渐无法吸收落石运动动能,这部分动能与坡面接触后,被接触面向上弹起转化为势能,落石的运动由滚动转化为跳跃运动,临近坡脚时坡面变缓,基本上转化为滚动。危岩运动弹跳高度统计结果见表2。

表2 危岩运动弹跳高度统计表

表2 采样点土壤环境质量评价结果

表3 单项生态危害系数(Ei)及综合生态风险指数(Ri)与污染程度的关系

表4 采样点土壤重金属单项生态危害系数及复合生态风险指数

集合历史落石堆积情况,经访问,历史上郭家寨云贵山危岩带1976年曾经发生过小规模崩塌或掉块,在郭家寨危岩带下部稍平缓茶园地带可见零星崩塌块石,块石直径一般在0.5 m以内,局部有约5 m左右的块石。崩塌位置位于危岩带右侧陡崖顶部,崩塌块石最大方量约3×3×1=9 m3,滚落至沁园春茶园办公区楼房水池位置,滚动水平距离约80 m,与计算的83 m接近。综合考虑,落石影响范围在112 m以内,主要影响下部旅游公路及沁园春茶庄的安全。

3 形成破坏机制

张永兴等建立差异性风化危岩的力学模型,分析认为,差异性风化型危岩的形成与张性地应力和岩腔发育深度相关,而危岩的破坏模式主要受岩腔发育深度的影响[8];陈志敏等在研究甘肃省等西北地区软硬互层边坡,认为干湿循环导致泥岩风化、砂岩节理发育,集中降水诱发边坡崩塌[9]。

研究区坡体受构造作用及后期自然风化侵蚀的影响,地形起伏切割大,斜坡自然坡度较大,坡度较大形成了临空面;受构造及后期侵蚀作用的影响,岩体主要发育二组裂隙,一组近乎与坡面平行的卸荷裂隙,一组近乎垂直于坡面,相互切割,形成独立块体;岩体结构上含有多层软弱夹层并被揭露,由于岩体差异风化的影响,形成多层凹腔,随凹腔的不断加深发育及植物根劈作用,岩体应力不断调整,延原有的裂隙不断延伸,倾覆力矩不断变大,最终导致崩塌的破坏。

4 孕灾条件探讨

碎屑岩崩塌孕育是多种条件相互作用的结果,从全省碎屑岩崩塌统计分析,认为地形地貌条件、特殊的岩性组合、软硬岩接触面的揭露情况对碎屑岩崩塌的影响较大。

4.1 地形地貌条件

重力势能是地质体发生运动形成灾害的动力来源,地形地貌的组合形式是控制地质体由势能转化为动能从而形成灾害的直接因素。如云贵山崩塌地处低中山侵蚀地貌,危岩带部位微地貌为陡崖,岩体裸露,地形坡度在80°～85°之间,导致危岩体临空,高临空面改变其原始应力场,提供基础的重力条件。

根据全省现存崩塌及历史存在崩塌坡度统计情况,贵州省崩塌发育发生的斜坡坡度一般为40°～90°,以50°～90°坡段斜坡最为发育,小于50°多为软质岩夹相对硬质岩差异风化形成的崩塌[10]。在含软弱夹层的“硬质岩”中软弱夹层位置往往形成凹腔及台阶地形,植被较为茂盛,危岩体呈线性分布。

4.2 特殊的岩性组合

云贵山危岩体出露地层为寒武系第二统金顶山组(∈2j),岩性为粉砂岩夹砂质页岩。粉砂岩力学强度相对较硬,中间夹层砂质页岩相对较软,形成“软弱夹层”。岩层产状352°～11°∠5°,坡向91°～175°,斜坡结构为逆向坡及横向坡。发育两组陡倾裂隙,相互切割,形成独立块体。在干湿循环条件差异风化的作用下,软弱夹层部位风化剥落,形成凹腔。随凹腔不断加深,岩体自重状态下应力重分布,使得原有的裂隙延伸,裂隙加深加宽,促进了危岩体的孕育。

碎屑岩崩塌岩性组合主要有两种类型,一种为上硬下软组合,另一种为“硬岩”夹软弱夹层组合。黔北红层主要为红色砂岩与泥岩的组合,形成上硬下软结构;黔南地区边阳组岩性主要为硬质砂岩与泥岩互层,形成上硬下软结构;黔北寒武系第二统金顶山组主要为硬岩夹软弱夹层组合结构。

4.3 硬软岩接触面的揭露情况

硬软岩接触面的位置及揭露情况对危岩体发育的影响较大,如接触面位置较低,地形较缓,被表层第四系所覆盖,不易形成凹腔,难以孕育危岩体。差异面位置较高,地形陡峭,被揭露,差异风化明显,有利于凹腔的发育,在卸荷裂隙及节理裂隙切割下,应力调整过程中容易孕育危岩体。

4.4 斜坡类型

根据统计,在碎屑岩区域近水平的斜坡及倾内的斜坡(包括逆向坡、斜向坡、横向坡)分布较多,差异风化更加强烈,更容易孕育崩塌。

4.5 构造条件

受构造及后期侵蚀的影响,形成陡峭的地形地貌,具备重力条件。距构造越近,节理裂隙越发育,结构面的相互切割为危岩体的孕育提供了条件。

4.6 气象条件

暴雨或连续降雨过后,雨水渗入裂隙,除起冲刷作用外,其本身具有静水压力及动水压力,排水不畅的条件下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,破坏和降低岩体的力学强度和稳定性。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,粘土被液化后产生膨胀力,也会破坏岩体的稳定性,加剧润滑作用,从而促进崩塌地质灾害的孕育。

4.7 人类工程活动影响

在多山地的贵州省,人类工程活动(建筑活动、矿业开发、交通道路工程等)不可避免地会有挖填方、地下开采等现象,从而改变斜坡的应力分布,在降雨等条件下诱发地质灾害。在贵州碎屑岩分布区,影响较大的是矿产的地下开采,如煤矿的开采,形成大量的采空区,诱发上覆龙潭组及飞仙关组碎屑岩产生崩塌。

5 结论

(1)贵州碎屑岩分布区是滑坡地质灾害主要分布区域,一定条件组合也容易孕育崩塌地质灾害。云贵山崩塌为小型崩塌,破坏模式多为倾倒式,部分为坠落式。斜坡结构为水平结构斜坡(倾坡内),两组裂隙相互切割,存在“硬岩”夹软质夹层结构,差异风化促进崩塌的发育。

(2)破坏机理:由于构造及后期侵蚀作用,地形起伏切割大,坡度较陡,两组陡倾裂隙相互切割,形成独立的块体。由于软层夹层存在,差异风化形成凹腔,随着凹腔向深度发展,应力不断调整,原裂隙不断扩展,倾覆力矩加大,逐步破坏。

(3)碎屑岩崩塌孕育受地形地貌条件、特殊岩性组合、硬软岩接触面揭露情况及斜坡结构的影响较大。一定坡度提供基本的重力条件;上硬下软及“硬岩”夹软弱夹层特殊岩性组合在硬软岩接触面揭露的条件下,由于差异风化,形成凹腔。随凹腔的不断深入,岩体应力不断调整,原有裂隙不断扩展,容易孕育崩塌。总体倾向坡内斜坡结构,差异风化更加强烈,更促进崩塌的发育。