貴州凱里龍場鎮(zhèn)山體崩塌基本特征與成因分析

董秀軍，裴向軍，黃潤秋

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610059)

0 引言

2013年2月18日11時(shí)30分左右，貴州省黔東南苗族侗族自治州凱里市龍場鎮(zhèn)魚洞村岔河組山體發(fā)生大規(guī)模崩塌失穩(wěn)破壞，體積超過20×104m3，高200余米的陡崖表部“薄板狀”巖體快速坐落并解體，堆積于陡崖底部的魚洞河河道內(nèi)，掩埋并摧毀了河岸處的數(shù)間房屋，造成5人失蹤的災(zāi)難性事件。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查了解，在第一次崩塌發(fā)生后，崩塌區(qū)坡表巖體一直零星掉塊，至19日凌晨8時(shí)左右發(fā)生了第二次大規(guī)模的崩塌，崩塌范圍緊鄰第一次崩塌的下游區(qū)域，崩塌近4×104m3。至此崩塌體在陡崖底部形成平均厚度20 m、沿河縱向長180 m、橫向?qū)?40 m的堰塞壩，堆積體阻斷魚洞河河道，在堆積體上游形成沿河長約200 m的堰塞湖。本文通過調(diào)查研究獲得一些關(guān)于龍場鎮(zhèn)崩塌災(zāi)害的初步認(rèn)識。

1 崩塌區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 區(qū)域地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)為碳酸鹽巖溶蝕中低山河谷地貌為主，地形切割深度較大，相對高差100～200 m，河谷地形多見陡崖，地表水系發(fā)育，河流侵蝕強(qiáng)烈。年平均降雨量1150～1250 mm，人類工程活動(dòng)較強(qiáng)烈。區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主干構(gòu)造總體呈北東向展布。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料表明，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造始發(fā)于雪峰期，最主要的褶皺及斷裂在加里東期初具規(guī)模，燕山期使之進(jìn)一步發(fā)展、加強(qiáng)并奠定了現(xiàn)今構(gòu)造的基本格局，喜山期則發(fā)生部分老構(gòu)造復(fù)活、局部隆升和斷陷，挽近期表現(xiàn)為間歇性隆升，形成了現(xiàn)今的層狀山岳和多級河流階地地質(zhì)、地貌景觀。崩塌區(qū)位于漁洞向斜南東翼，大塘逆斷層的下盤。

1.2 地形地貌

龍場鎮(zhèn)崩塌位于凱里市龍場鎮(zhèn)魚洞村岔河組老山新村，距凱里市約30 km。龍場鎮(zhèn)崩塌區(qū)為中低山河谷地貌，河床高程635 m，坡頂最高峰高程935 m，相對高差300 m。河谷沿NNE向延伸，兩側(cè)為近直立陡崖，陡崖高差200余米，陡崖頂部地形舒緩，植被茂密、覆蓋層深厚，溶蝕洼地、落水洞等巖溶地貌特征發(fā)育。溝谷底部有魚洞河至南向北流，河床寬度30 m，最大洪峰流量90 m3，常年流水，距崩塌區(qū)下游150 m處與支流兩岔河匯合。魚洞河左岸緊鄰陡崖，陡崖底部分布有殘留的崩塌堆積，堆積體上稍寬緩部位分布十余間房屋，崩塌區(qū)上游90 m處為一煤礦主井出口。魚洞河右岸較左岸更為寬緩，凱里至黃平公路在右岸通過，路基高出河道二十余米，右岸陡崖與公路間為200余米寬的崩滑堆積坡地，分布有農(nóng)舍與耕地。崩塌前航拍影像見圖1。

圖1 龍場鎮(zhèn)崩塌失穩(wěn)前航拍影像(由貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院提供)Fig．1 The aerial photograph before the collapse

根據(jù)崩塌前的航拍影像，可以看出崩塌區(qū)失穩(wěn)前為陡崖延伸的轉(zhuǎn)折處，結(jié)合坡腳殘留的堆積物情況，可以推斷此次崩塌區(qū)下游陡崖至兩岔河支流交叉處的缺口部位，歷史上曾經(jīng)發(fā)生過陡崖巖體的失穩(wěn)破壞，失穩(wěn)物質(zhì)堆積在坡腳底部與河床部位，航拍影像上顯示的本次崩塌區(qū)所在的“轉(zhuǎn)折處”即為歷史上巖體失穩(wěn)的側(cè)邊界部位。

1.3 地層巖性

龍場鎮(zhèn)崩塌區(qū)內(nèi)地層主要包括第四系、泥盆系、石炭系、二疊系地層(圖2)。

石炭系擺佐組(C1b):淺灰白色中厚層粉晶灰質(zhì)白云巖及灰黃色中厚層碎屑粉晶白云巖，夾3～5層厚1～2 cm的灰綠色粘土巖，偶夾硅質(zhì)巖透鏡體。與下伏地層呈假整合接觸。研究區(qū)內(nèi)主要分布于河床以下。

二疊系地層主要包括梁山組、棲霞組、茅口組。

梁山組(P2l):由石英砂巖、頁巖及鋁土巖組成，夾可采煤層及菱鐵礦團(tuán)塊、結(jié)核。煤層厚約0.7 m，目前此煤層正在開采。其與擺佐組地層假整合接觸。分布于河床以下。

棲霞、茅口組(P2q+m):深灰色中厚層亮晶生物碎屑灰?guī)r、泥～細(xì)晶生物屑灰?guī)r夾灰褐色有機(jī)質(zhì)、鈣質(zhì)頁巖，含燧石團(tuán)塊及條帶;灰、深灰色中厚層泥晶灰?guī)r。棲霞茅口組地層為研究區(qū)內(nèi)主要出露地層，該套地層中巖溶作用強(qiáng)烈，溶洞、巖溶管道、落水洞和溶蝕裂隙發(fā)育，巖層產(chǎn)狀為315°～320°∠3°～5°。

圖2 崩塌區(qū)工程地質(zhì)平面圖Fig．2 Engineering geological plan of the collapse

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查及陡崖段三維激光掃描影像數(shù)據(jù)解譯成果表明，棲霞、茅口組地層節(jié)理裂隙優(yōu)勢產(chǎn)狀主要發(fā)育三組:①284°∠85°或104°∠88°，走向與陡崖延伸方向近于平行，結(jié)構(gòu)面長大、平直粗糙，貫通性好，屬構(gòu)造裂隙，較發(fā)育;②39°∠84°，與陡崖延伸方向大角度相交，結(jié)構(gòu)面較長大且平直粗糙，貫通性較好，屬構(gòu)造裂隙，較發(fā)育③64°∠81°，結(jié)構(gòu)面短小、粗糙，貫通性差，該組結(jié)構(gòu)面不甚發(fā)育。崩塌區(qū)巖體結(jié)構(gòu)特征與陡崖臨空面關(guān)系見圖3。

圖3 崩塌區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面赤平投影關(guān)系圖Fig．3 Stereographic projection diagram of the rock structure

2 崩塌基本特征

2.1 崩塌體特征

(1)崩塌失穩(wěn)時(shí)間特征

按照龍場鎮(zhèn)崩塌體失穩(wěn)時(shí)間先后順序劃分，較大規(guī)模的崩塌共計(jì)兩次，兩次崩塌的時(shí)間差大致約21 h，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及視頻資料，將崩塌區(qū)劃分成一次崩塌區(qū)(Ⅰ)和二次崩塌區(qū)(Ⅱ)，分區(qū)見圖4、圖5，剖面見圖6、圖 7。

圖4 龍場鎮(zhèn)崩塌全貌Fig．4 The full view of the collapse

圖5 崩塌后航拍影像Fig．5 The aerial photograph after the collapse

圖6 一次崩塌體地質(zhì)剖面圖(1-1’)Fig．6 The section map of primary collapse

一次崩塌區(qū)(Ⅰ):崩塌體失穩(wěn)時(shí)間為18日11時(shí)30分。崩塌體高約190 m，寬度50～60 m，厚度表現(xiàn)為南側(cè)(上游側(cè))厚、北側(cè)(下游側(cè))薄，最厚處通過三維激光掃描測量結(jié)果為27 m，估算體積20×104m3。崩塌失穩(wěn)后揭露的巖體斷面表明，崩塌體范圍內(nèi)除層面發(fā)育外，主要發(fā)育近于平行陡崖的NNE向陡傾結(jié)構(gòu)面(284°∠85°)和與陡崖走向大角度相交的NWW向的陡傾結(jié)構(gòu)面(39°∠84°)。其中，走向NNE向結(jié)構(gòu)面為崩塌體后緣邊界，巖面貫通，溶蝕銹染跡象明顯，中上部卸荷張開;走向NWW向結(jié)構(gòu)面為側(cè)邊界，結(jié)構(gòu)面貫通性好、粗糙，局部有水平構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)的擦痕?，F(xiàn)場調(diào)查還發(fā)現(xiàn)崩塌體所處的棲霞、茅口組灰?guī)r中夾有多層灰褐色有機(jī)質(zhì)、鈣質(zhì)頁巖，厚度數(shù)厘米，其抗風(fēng)化能力弱，此層即可能成為阻水層，也是坡體結(jié)構(gòu)的軟弱夾層，陡崖面上表現(xiàn)為差異風(fēng)化形成的凹槽，陡崖處調(diào)查初步發(fā)現(xiàn)頁巖夾層多達(dá)9處。

圖7 二次崩塌體地質(zhì)剖面圖(2-2’)Fig．7 The section map of secondary collapse

在一次崩塌區(qū)陡崖上部發(fā)育有洞徑17 m的落水洞，落水洞與崩塌后緣陡傾結(jié)構(gòu)面相連通。從陡崖頂部緩坡處向下觀察此落水洞(圖8)，其洞內(nèi)呈長橢圓形，長軸方向與NWW向陡傾結(jié)構(gòu)面近于平行。

圖8 陡崖頂部俯視落水洞洞口Fig．8 The vertical view of sinkholes

為近一步查明落水洞發(fā)育分布規(guī)律，對崩塌區(qū)周圍陡崖頂部范圍進(jìn)行仔細(xì)搜索，初步發(fā)現(xiàn)落水洞16處，大者洞徑20余米，小者洞徑5 m左右，明顯呈串珠狀分布，延伸方向主要發(fā)育兩組，調(diào)查表明主要受到上面提到的NNE、NWW向兩組陡傾結(jié)構(gòu)面所控制。落水洞大多被覆蓋層所掩埋呈現(xiàn)洼地地貌，調(diào)查也發(fā)現(xiàn)幾處新近的落水洞塌落現(xiàn)象。

二次崩塌區(qū)(Ⅱ):崩塌體失穩(wěn)時(shí)間為19日凌晨8時(shí)。崩塌體高約170 m，沿河長度20～30 m，厚度最大處不超過10 m，估算體積4×104m3。二次崩塌之所以會(huì)出現(xiàn)較一次崩塌時(shí)間上滯后近21 h的原因，初步分析主要有幾方面因素:一是地形因素，由于一次崩塌陡崖地形上轉(zhuǎn)折更強(qiáng)烈，崩塌體的厚度更大;二是結(jié)構(gòu)面的貫通因素，由于崩塌體后緣陡傾裂隙的存在，頂部落水洞與此裂隙相連通，連通的管道正處于一次崩塌體內(nèi)，在水體入滲作用下，故后緣陡傾裂隙較二次崩塌陡傾裂隙溶蝕、貫通、卸荷張開的程度更大;三是攜帶、鏟刮影響，由于一次崩塌體失穩(wěn)，勢必會(huì)對下游側(cè)的二次崩塌巖體產(chǎn)生攜帶、鏟刮作用，加速了其失穩(wěn)進(jìn)程。一次崩塌體失穩(wěn)墜落過程產(chǎn)生的震動(dòng)效應(yīng)對二次崩塌的影響也不容忽視。綜合以上因素，二次崩塌體在首次崩塌失穩(wěn)21 h后，由于支撐塊體穩(wěn)定的巖橋強(qiáng)度達(dá)到極限而產(chǎn)生再次失穩(wěn)破壞。

(2)崩塌發(fā)生的力學(xué)特征

兩次崩塌體所處的環(huán)境地質(zhì)條件基本相似，但基于現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查工作及崩塌視頻資料分析，崩塌體Ⅰ、Ⅱ失穩(wěn)破壞力學(xué)機(jī)制不盡相同:崩塌體Ⅰ失穩(wěn)破壞主要為坐落式;崩塌體Ⅱ?yàn)閮A倒墜落式。

一次崩塌區(qū)(Ⅰ):該區(qū)內(nèi)巖體陡傾結(jié)構(gòu)面卸荷張開、貫通，結(jié)構(gòu)面平直粗糙，巖體表面風(fēng)化、銹染跡象明顯，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查、三維激光掃描影像等信息，對崩塌后揭露的結(jié)構(gòu)面連通率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(圖9)，結(jié)果表明該區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)面的三維連通率高達(dá)83.4%，崩塌體后緣陡傾結(jié)構(gòu)面大部分貫通，崩塌巖體呈“薄板狀”貼于陡崖表部，僅靠少部分殘留的巖橋支撐著整塊巖體(圖10(a))。

隨著地表水沿裂縫和落水洞進(jìn)入，結(jié)構(gòu)面內(nèi)孔隙水壓力、重力卸荷和風(fēng)化作用下加速了結(jié)構(gòu)面的貫通、張開，殘留的巖橋強(qiáng)度不斷降低，局部巖體被逐漸剪斷破壞，結(jié)構(gòu)面連通率不斷增加(圖10(b))。

當(dāng)以上各因素的長期累加，巖橋強(qiáng)度達(dá)到極限狀態(tài)，微弱的外界干擾或者巖體自身的應(yīng)力調(diào)整都將導(dǎo)致整個(gè)“薄板狀”巖體的失穩(wěn)。其在重力場作用下，首先陡崖坡腳處巖體潰屈，隨后整個(gè)巖體沿后緣陡傾結(jié)構(gòu)面發(fā)生坐落式破壞(圖10(c))，陡壁表面擦痕明顯，坐落過程中解體并堆積與坡腳(圖10(d))。

二次崩塌區(qū)(Ⅱ):該區(qū)內(nèi)后緣陡壁上部巖體結(jié)構(gòu)面卸荷張開、貫通，圖9統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明后緣陡傾結(jié)構(gòu)面三維連通率為57.5%。結(jié)構(gòu)面平直粗糙，巖體表面風(fēng)化、銹染跡象明顯。陡壁中下部巖體表現(xiàn)為拉張破壞，拉裂面起伏粗糙，呈階梯狀追蹤拉裂多條平行的陡傾結(jié)構(gòu)面;該區(qū)下部表現(xiàn)為沿未完全貫通的結(jié)構(gòu)面在重力場作用下的剪切破壞，這些未完全貫通的陡傾結(jié)構(gòu)面形成與重力卸荷、壓制拉裂、水體溶蝕等因素相關(guān)，結(jié)構(gòu)面有豎向擦痕。

圖9 結(jié)構(gòu)面連通率立面展示圖Fig．9 The distribution map of connectivity rate in rock mass

圖10 一次崩塌區(qū)(Ⅰ)巖體失穩(wěn)過程示意圖Fig．10 Schematic diagram of instability process of primary collapse

第二次崩塌發(fā)生全過程，恰被搶險(xiǎn)救災(zāi)人員拍攝記錄下來，根據(jù)獲取的珍貴視頻資料，第二次崩塌過程可以歸納總結(jié)如下:由于崩塌危巖體上部巖板具有向臨空方向傾倒趨勢(圖11(a))，側(cè)向具有與臨空面呈大角度相交陡傾結(jié)構(gòu)面的邊界條件，“巖板”后緣貫通性結(jié)構(gòu)面根部巖體會(huì)受到向外的拉應(yīng)力(圖11(b))，隨著風(fēng)化、卸荷等因素造成下部巖橋強(qiáng)度不斷降低，傾倒巖板的基座巖體內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生調(diào)整，當(dāng)超過極限狀態(tài)條件下，基座巖體拉應(yīng)力逐漸被沿平行臨空方向的陡傾結(jié)構(gòu)面上的剪應(yīng)力所取代(圖11(c))，上部的巖板由于過度傾倒而墜落失穩(wěn)，下部的基座部分巖橋被拉張破壞后，在自身重力場作用下剪切破壞而失穩(wěn)(圖11(d))。

圖11 二次崩塌區(qū)(Ⅱ)巖體失穩(wěn)過程示意圖Fig．11 Schematic diagram of instability process of secondary collapse

2.2 堆積體特征

前后兩次崩塌物質(zhì)都堆積于坡腳河床處，形成了沿河縱向長180 m，橫向?qū)?40 m，平均厚度約20 m的堆積堰塞壩(圖4、圖5，Ⅲ區(qū))。航拍照片清晰顯示了崩塌體的堆積特征，從照片上可以看出崩塌區(qū)Ⅰ堆積的巖塊呈深褐色，部分粒徑較大巖塊可清楚看見原結(jié)構(gòu)面形態(tài)，這與上部落水洞溶蝕管道通過有關(guān)，水體溶蝕作用下加速了巖體的風(fēng)化。崩塌區(qū)Ⅱ堆積的巖塊新鮮呈灰白色，斷面多粗糙。

崩塌發(fā)生后，堆積體物質(zhì)阻斷魚洞河河床形成崩塌堰塞壩。上游河水受阻后水位不斷上升，崩塌十余小時(shí)后，上游河水位漲高超過5 m、回水200余米。由于堆積體部分巖塊粒徑巨大，最大的長軸長度可達(dá)20 m，所形成的堰塞壩沿河長度達(dá)到180 m，堰塞壩高度20 m，根據(jù)水利部推薦的“堰塞湖潰決危險(xiǎn)性分級標(biāo)準(zhǔn)”(表1)，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)判斷，考慮到各要素關(guān)系，初步結(jié)論為潰壩危險(xiǎn)性低。

表1 堰塞湖潰決危險(xiǎn)性分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Risk degree classification of dammed lakes

3 崩塌成因分析

(1)不利的坡體結(jié)構(gòu)與地形條件組合是基礎(chǔ)

龍場鎮(zhèn)崩塌所在山體處于漁洞向斜的南東翼，巖體總體走向45°～50°，微傾山內(nèi)3°～5°。坡體東側(cè)臨空。坡體貫穿性結(jié)構(gòu)面發(fā)育，崩塌區(qū)范圍內(nèi)主要有兩組大角度相交的陡傾結(jié)構(gòu)面，第一組結(jié)構(gòu)面(284°∠85°或104°∠88°)即是形成東側(cè)陡壁的控制性結(jié)構(gòu)面，也為崩塌體的后緣邊界;第二組結(jié)構(gòu)面(39°∠84°)構(gòu)成崩塌體的側(cè)邊界。上述兩組陡傾結(jié)構(gòu)面將巨厚層狀灰?guī)r切割成“薄板狀”，是崩塌災(zāi)害發(fā)生的基本坡體結(jié)構(gòu)條件。崩塌體灰?guī)r巖層中夾有至少9層灰褐色有機(jī)質(zhì)、鈣質(zhì)頁巖條帶，作為相對軟弱的結(jié)構(gòu)面并具有一定的阻水效果。

(2)溶蝕、風(fēng)化作用加速了陡傾控制結(jié)構(gòu)面的貫通

山體巖溶作用強(qiáng)烈，坡頂落水洞受兩組陡傾結(jié)構(gòu)面控制明顯，呈串珠狀展布，大量發(fā)育的這些落水洞、巖溶管道、溶蝕裂隙，破壞了山體的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低了巖體穩(wěn)定性。陡傾結(jié)構(gòu)面內(nèi)的溶蝕、風(fēng)化作用強(qiáng)烈，加速了控制性結(jié)構(gòu)面的貫通。

(3)長期采礦活動(dòng)的底部削弱效應(yīng)

據(jù)掌握的資料顯示，崩塌體上游的大風(fēng)洞坪地煤礦于2006年開始開采。煤礦主井出口距離崩塌體上游90 m陡崖坡腳處，采煤活動(dòng)是向山體內(nèi)部開鑿近900 m巷道，然后回采，目前采空區(qū)距離陡崖出口水平距離500 m，采空面積18500 m2。采空區(qū)底板高程570 m，距坡頂高差260 m。雖然采空區(qū)距離崩塌巖體較遠(yuǎn)，但地下開采活動(dòng)無疑會(huì)影響和改變上覆巖體的應(yīng)力場環(huán)境，從而對其穩(wěn)定性造成擾動(dòng)，對平行于陡崖面的后緣陡傾拉裂邊界形成和發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用，而且開采過程爆破震動(dòng)也對巖體穩(wěn)定造成一定的影響。

4 結(jié)論與認(rèn)識

(1)龍場鎮(zhèn)崩塌災(zāi)害具有隱蔽性和突發(fā)性的特點(diǎn)，其主要受控于巖體結(jié)構(gòu)、不利地形地質(zhì)組合，以及地下水溶蝕和風(fēng)化作用加速影響，巖體穩(wěn)定性條件差，為崩塌災(zāi)害形成提供了基本地質(zhì)條件。

(2)崩塌所在山體長期的地下采礦活動(dòng)對巖體應(yīng)力場和形變場有影響，底部削弱效應(yīng)對崩塌災(zāi)害的形成具有加速和促進(jìn)作用。

(3)前后兩次崩塌由于控制性結(jié)構(gòu)面連通率、崩塌體空間形態(tài)的區(qū)別等因素影響，其失穩(wěn)機(jī)制有所區(qū)別，一次崩塌區(qū)(Ⅰ)主要為沿陡傾結(jié)構(gòu)面剪斷殘留巖橋而形成坐落式失穩(wěn)破壞，而二次崩塌區(qū)(Ⅱ)以傾倒為主的失穩(wěn)破壞模式。

(4)此次崩塌災(zāi)害在龍場鎮(zhèn)周邊地區(qū)具有典型性，調(diào)查發(fā)現(xiàn)研究區(qū)附近區(qū)域也時(shí)有類似崩塌災(zāi)害發(fā)生，魚洞河右岸陡崖邊坡屬于順層邊坡，坡腳下部緩坡多有民房、耕地、公路分布，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性更高。值得說明的是2013年4月16日4時(shí)30分許，在本次崩塌災(zāi)害點(diǎn)下游僅100余米處，又發(fā)生了一次規(guī)模巨大的崩塌地質(zhì)災(zāi)害，崩塌體積在10×104m3以上，造成了魚洞河中斷阻塞，掩埋房屋1間，所幸未造成人員傷亡，其失穩(wěn)形式與本文所論述的崩塌幾乎一致。由此不難看出，加強(qiáng)該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的巡、排查力度，總結(jié)此類潛在災(zāi)害的早期識別要素，提高災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警能力，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

致謝:“2.18”龍場鎮(zhèn)崩塌災(zāi)害發(fā)生后，國土資源部、貴州省各級政府及相關(guān)部門迅速投入應(yīng)急搶險(xiǎn)、災(zāi)后救助及地質(zhì)調(diào)查工作。本文的研究資料得到多方面的大力支持，在此表示衷心的感謝。

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