基于實(shí)測(cè)的望霞W1危巖體失穩(wěn)動(dòng)態(tài)過程分析

楊秀元，孫 強(qiáng)，晏鄂川，高幼龍，金梟豪

（1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；3.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

三峽地區(qū)的邊坡失穩(wěn)、崩塌破壞等災(zāi)害事件時(shí)有發(fā)生［1～8］，危害著道路、城鎮(zhèn)建筑和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。位于重慶巫山縣兩坪鄉(xiāng)同心村的望霞危巖體，自1999年出現(xiàn)嚴(yán)重變形引起了關(guān)注［9］；特別是2010年后，該危巖體進(jìn)入了快速變形破壞階段［10～14］，并在2010年10月21日和2011年10月21日兩次發(fā)生了大規(guī)模崩塌。本文基于望霞危巖應(yīng)急監(jiān)測(cè)資料對(duì)望霞危巖體中的W1號(hào)危巖體發(fā)育與失穩(wěn)動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行了分析。

1 工程地質(zhì)背景

望霞危巖W1位于巫山縣兩坪鄉(xiāng)同心村長江左岸斜坡上，距神女峰6km左右，上游距巫山縣城10.7km，下游距三峽工程壩址113.6km。區(qū)內(nèi)年降水分布不均，主要降雨集中在5～9月，占全年降水量的68.8%。危巖體位于橫石溪背斜核部，以高程1103～1126m的簡易公路為界，公路內(nèi)側(cè)陡壁即為危巖體，陡壁頂部高程1235m，長120m，厚30～35m，體積40×104m3，屬于大型危巖(圖1)。地層由二疊系上統(tǒng)吳家坪組(P2w)及下統(tǒng)孤峰組(P1g)組成。吳家坪組的上段巖性為灰黑色薄層硅質(zhì)灰?guī)r和薄層泥灰?guī)r，下段巖性為灰色厚層泥巖、薄層砂巖夾煤層；孤峰組巖性為黑色薄層泥巖、薄層硅質(zhì)巖和薄層白云巖。吳家坪組底部含二層煤層，黑色、似金屬光澤、線理狀，呈條帶分布，具殼狀斷口，質(zhì)脆、硬度小，易成粉末，上層厚0.3～0.5m，下層厚0.3～0.8m，兩煤層之間夾矸為0.4～0.8m的泥巖。

圖1 WI危巖體剖面圖Fig.1 Cross-section of dangerous rockmass W1

W1危巖體整體成孤立柱狀，高65m，長約8m，寬約6m，體積3200m3，破壞模式為傾倒式。2010年10月21日，W1危巖體部分位置出現(xiàn)失穩(wěn)；2011年10月21日，W1整體倒塌，水環(huán)中心根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，與有關(guān)部門緊密協(xié)作，及時(shí)成功預(yù)警，避免危巖下方居民生命財(cái)產(chǎn)安全遭受損失，保障了長江航運(yùn)安全。

2 W1危巖體動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過程

W1危巖體監(jiān)測(cè)采用有第三代無棱鏡測(cè)距技術(shù)的拓普康GPT-7502全站儀監(jiān)測(cè)地表絕對(duì)空間位移，在無棱鏡超長(5.0～2000m)模式下觀測(cè)精度10mm+10ppm×D(D為距離觀測(cè)值)。

圖2 Topcon GPT-7502全站儀Fig.2 Electronic total station of topcon GPT-7502

2.1 2010年9～10月變化特征分析

WL03和WL04監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別為位于孤立巖柱下方“Z”形壓裂縫上下兩側(cè)(圖3)，巖柱沉降變形趨勢(shì)不明顯，主要表現(xiàn)為持續(xù)水平位移(圖4)。兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)因2010年10月21日“Z”裂縫位置局部巖體受重力剪切作用出現(xiàn)崩裂剝落失穩(wěn)而破壞，該階段變形過程未造成W1巖體整體破壞。

根據(jù)圖4可將該階段的監(jiān)測(cè)分為四部分:①9月20～30日為前期緩慢變形階段；②9月30日～10月12日為近勻速變形階段；③10月12日起，兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)入加速變形階段；④10月18～19日，進(jìn)入臨界加速變形階段，至此兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)水平位移分別為329.31mm和400.45mm，LW04累計(jì)位移量略大于LW03，位移方向220°左右，于10月21日晚間，兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置發(fā)生局部崩塌失穩(wěn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)遭到破壞。在此監(jiān)測(cè)期間，10月10～13日期間發(fā)生集中降雨，其影響近似對(duì)應(yīng)圖4中加速點(diǎn)位置。

2.2 2010年11月～2011年10月變形特征分析

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Monitoring points on the surface of the perilous rocks

圖4 WL03、WL04變形量－時(shí)間關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between deformation and time of WL03 and WL04

原有監(jiān)測(cè)點(diǎn)因危害巖體2010年10月21日的變形失穩(wěn)而破壞，此后對(duì)危巖體監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行重新布置(圖3)。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析來看，W1巖體存在緩慢增大變形趨勢(shì)，2010年11月5日～2011年10月11日，巖體變形從未停止，呈緩慢增大趨勢(shì)。2011年雨季前變形速率較小，2011年雨季后變形速率有所加大；平均水平方向變形速率較大；垂向變形主要以沉降為主，沉降量很小。

從W1危巖體西側(cè)的WL24和WL26監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移－時(shí)間曲線(圖5)可以看出，變形的四個(gè)階段依然明顯；2011年雨季前變形速率較小，雨季(6月11日)后變形速率有所增大；平均水平方向變形速率較大；垂向變形主要以沉降為主，沉降量相對(duì)很??；2011年10月11日后變形呈加速增大趨勢(shì)，沉降變形有所加大。

W1危巖體東側(cè)的WL61、WL62監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在巖體相對(duì)完整，監(jiān)測(cè)曲線(圖5)顯示:雨季之前變形較西側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)平緩，變形速率?。辉谟昙?6月11日)后變形速率有所增大；2011年10月11日后變形呈加速增大趨勢(shì)，沉降變形有所加大。

危巖體兩側(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，變形于2011年10月19日突然加速，19、20日平均變形速率100mm/d左右(見表1和圖5(a)、5(c))；W1巖體于10月21日下午15～16時(shí)整體垮塌，平均變形速率300mm/h以上，沉降速率平均為100mm/h(表1)。巖體水平朝NW方向變形，伴隨強(qiáng)烈沉降變形(圖5(d))。通過圖4和圖5對(duì)比可知:危巖體局部變形失穩(wěn)過程與整體失穩(wěn)過程的位移變形曲線表現(xiàn)出相似性，可劃分為前期累積變形、勻速變形、加速變形和臨界加速變形等四個(gè)階段，其中加速變形點(diǎn)和臨界加速變形點(diǎn)具有很好的預(yù)警指示作用。

圖5 W1危巖體變形量－時(shí)間關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between deformation and time

3 崩塌失穩(wěn)影響因素分析

望霞W1危巖的產(chǎn)生和發(fā)展，主要受控于特殊的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和臨空的高陡邊坡條件(內(nèi)在因素)，在持續(xù)性降雨的誘發(fā)下危巖多次失穩(wěn)(外在因素)。

3.1 地質(zhì)環(huán)境

W1危巖體發(fā)育于中低山中深切割侵蝕河谷斜坡上部的陡崖中，三面臨空的孤立巖柱(W1)給巖體的重力卸荷、危巖的形成發(fā)展創(chuàng)造了十分有利的外部地形條件。

危巖由含燧石灰?guī)r組成，特別是下段砂巖、泥巖互層夾煤層地層，形成上硬下軟的巖體結(jié)構(gòu)，泥巖煤層遇水產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致灰?guī)r層產(chǎn)生脆性破裂，加劇了上部灰?guī)r的變形破壞，為崩塌災(zāi)害的發(fā)生提供了有力的結(jié)構(gòu)條件。

重力卸荷作用是影響危巖變形破壞的因素之一。主要表現(xiàn)在:(1)望霞危巖上段巖性主要由含燧石灰?guī)r組成，該巖性的風(fēng)化作用主要沿節(jié)理和裂隙進(jìn)行，對(duì)危巖形成和穩(wěn)定性影響較大。特別在持續(xù)或強(qiáng)降雨后，滲入裂隙中的水產(chǎn)生靜水壓力作用，使裂隙出現(xiàn)較大張裂并向下延伸形成貫通裂縫；(2)砂巖層中卸荷作用對(duì)危巖的變形影響較明顯，主要表現(xiàn)在下部砂泥巖互層接觸面附近，巖體結(jié)構(gòu)面由于巖性差異產(chǎn)生卸荷回彈，使巖塊在巖體應(yīng)力的作用下沿大傾角節(jié)理面向臨空方向滑移。

表1 W1變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表Table 1 Monitoring deformation data of dangerous rockmass W1

3.2 降雨和人為影響

雨水入滲浸泡使泥巖軟基強(qiáng)度降低，流塑變形加劇，加大了危巖下部的變形程度，使上伏灰?guī)r層沿接觸底面出現(xiàn)拉裂。同時(shí)，節(jié)理、裂隙中的水使巖體抗剪強(qiáng)度降低。危巖區(qū)在2010年8月至2010年10月21日期間，平均月降雨160mm，導(dǎo)致危巖體WL03和WL04監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近局部巖石失穩(wěn)；2011年10月10日～15日有近60mm的降雨過程，其后危巖體于21日發(fā)生整體崩塌。綜上所述，持續(xù)降雨是巖體崩塌災(zāi)害發(fā)生的主要誘發(fā)因素。

區(qū)內(nèi)采煤活動(dòng)和采空區(qū)影響也是不可忽視的誘導(dǎo)因素之一。危巖附近存在十年以上的采煤活動(dòng)，山體內(nèi)部大面積采空后使下部支撐力削弱，表現(xiàn)為危巖區(qū)及附近山頂?shù)乇聿痪鶆虻孛嫠荨?/p>

綜上所述，危巖區(qū)及周邊的地形地貌、地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)特征等為危巖的發(fā)育提供了重力和結(jié)構(gòu)條件，在重力卸荷、降雨等自然因素和煤炭開采等人為因素的綜合作用下，破壞了危巖區(qū)巖體的完整性；同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明危巖變形與降雨過程有顯著關(guān)聯(lián)性。

4 結(jié)論

(1)危巖體局部變形失穩(wěn)過程與整體失穩(wěn)過程的位移變形曲線表現(xiàn)出相似性，可劃分為前期累積變形、勻速變形、加速變形和臨界加速變形等四個(gè)階段，其中加速變形點(diǎn)和臨界加速變形點(diǎn)具有很好的預(yù)警指示意義；

(2)望霞危巖位于橫石溪背斜核部，受背斜的拉張作用和近直立巖體向長江河谷臨空傾斜的重力作用，在陡傾節(jié)理和基座軟弱巖層的共同作用下，為危巖的孕育和破壞提供了地質(zhì)基礎(chǔ)；

(3)危巖附近長期的采煤活動(dòng)掏空了下部巖層，巖體支撐力減弱，以及降雨對(duì)軟弱基座的軟化作用降低了基座巖層的抗剪強(qiáng)度，顯著地影響了危巖的穩(wěn)定狀態(tài)，促使了危巖的破壞失穩(wěn)。

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