陳家灣崩塌形成演化過程與成因機制分析

莫春雷，易春瑤，常亮（湖北省地質環(huán)境總站，湖北 武漢430034）

陳家灣崩塌形成演化過程與成因機制分析

莫春雷，易春瑤，常亮（湖北省地質環(huán)境總站，湖北 武漢430034）

崩塌是山區(qū)地質災害中的一種類型，也是一種自然動力地質現(xiàn)象。通過對陳家灣崩塌基本特征進行調查，綜合分析了陳家灣崩塌的形成演化過程和形成條件，為陳家灣崩塌的治理方案設計提供參考。

崩塌；演化過程；成因機制

前言

陳家灣崩塌危巖體位于湖北省?？悼h馬橋鎮(zhèn)橫溪村三組山體北側坡，斜坡坡度較陡，略向北西傾斜，高差約120多米，坡腳為人工采空區(qū)，對坡體進行了一定程度的開挖，對坡形破壞較大。據(jù)調查，2008年10月該崩塌體發(fā)生變形，后緣出現(xiàn)寬10～20cm的拉張裂縫，并出現(xiàn)0.2m的垂直錯距。2015年2月因?？档卣鹪俅巫冃危瓜蛄芽p貫穿山頂，遠處清晰可見。位于后緣的3根監(jiān)測樁完全滑落，現(xiàn)已重新安裝。

崩塌體基本特征表現(xiàn)為：整體坡向350°，坡形呈凹形，上陡下緩，在高程1330～1360m處形成高約30m的危巖體，危巖體寬40m，長10m，危巖體向外凸出，自然地形近直線傾斜狀，潛在崩塌危巖體總體積12000m3，為一錯斷式中型崩塌。崩塌體巖性為神農(nóng)架群大巖坪組白云巖，巖層產(chǎn)狀62°∠42°，根據(jù)產(chǎn)狀與坡向的組合關系，斜坡為橫向坡（見圖1）。

1 崩塌危巖體形成演化過程

陳家灣崩塌形成條件復雜，根據(jù)對崩塌危巖體和崩塌堆積物的現(xiàn)場調查，高陡斜坡是此崩塌發(fā)生的必要條件，不均一的巖層為其形成提供了物質條件，采礦活動改變了斜坡的應力分布，局部出現(xiàn)應力集中產(chǎn)生裂隙，在降雨和地震外界影響因素作用下，隨著裂隙的擴展、延伸直至連通，巖體變形增大，脫離母體的危巖體向臨空面方向位移，巖體抗力不斷減少，局部巖體失穩(wěn)產(chǎn)生崩塌，最后發(fā)生此漸進性破壞，形成崩塌堆積體。該崩塌堆積體的形成機制分為以下三個階段：

圖1 陳家灣崩塌全景

1.1 應力重分布卸荷回彈階段

斜坡在形成過程中，應力發(fā)生重分布。表現(xiàn)為主應力跡線發(fā)生偏轉，最大主應力跡線平行于臨空面，最小主應力跡線則與臨空面正交，導致在坡腳和坡頂相應的出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。斜坡在卸荷階段，臨空面附近產(chǎn)生拉應力集中帶，坡腳附近剪應力增高。坡體向臨空方向卸荷回彈，并與坡體上部形成自上而下的卸荷裂隙帶，使原有巖體在應力集中和卸荷雙重作用下，結構變得破碎。

1.2 裂隙發(fā)展及潛在崩塌體形成階段

主要為風化、剝蝕、降雨沖刷等外部自然營力下產(chǎn)生形成現(xiàn)今崩塌形態(tài)特征的過程。巖體受日照、降雨等風化作用下，發(fā)生差異性風化，促使結構面不斷的擴展、延伸，同時又為后期風化提供了條件。加之地震、人類工程活動的擾動等特殊外力作用，巖體結構變得更加破碎，巖體的穩(wěn)定性顯著降低。由于巖層的不均一性，坡面巖層經(jīng)過長期的差異風化而出現(xiàn)凹巖腔，從而在坡面上出現(xiàn)局部倒懸坡。倒懸坡坡體內部與邊緣的應力分布十分不均勻，斜坡的眉峰兩面臨空，處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，此處的巖土塊體也就成了潛在危巖體。

1.3 漸進性破壞崩塌階段

當在強降雨或者地震等敏感性因素作用下，導致局部巖體失穩(wěn)產(chǎn)生崩塌，在重力的作用下，經(jīng)過滾動、碰撞，最后堆積于坡腳。軟硬相間的結構導致其形成許多大大小小的凹巖腔，為巖體的進一步崩塌提供了條件，其又會接著（1）（2）階段產(chǎn)生漸進性破壞，發(fā)生崩塌。

陳家灣崩塌所在山體下部為采礦礦洞，地下采礦活動誘發(fā)山體斜坡內部巖體應力變化，導致巖體工程地質條件改變，隨著開采工作面的推進，導致其上部巖層局部失去支撐。采空區(qū)上覆巖體在垂直方向和水平方向上均會受到先拉后壓的應力應變作用，在上覆巖體自重力作用下產(chǎn)生壓縮及塑性變形，使陡傾角卸荷裂隙帶的拉裂擴張隨時間累進性發(fā)展，在坡體的后緣產(chǎn)生張性裂縫。受采空區(qū)影響，巖體卸荷裂隙發(fā)育，裂隙面不斷擴展貫通，造成巖層逐漸錯斷形成倒懸危巖體 （圖2～3），陳家灣崩塌現(xiàn)正處于漸進性破壞崩塌階段。

圖2 陳家灣崩塌剖面示意圖

圖3 陳家灣崩塌平面示意圖

2 崩塌形成條件

崩塌是斜坡體系統(tǒng)在外部因素作用下，部分巖土塊體脫離斜坡母體而形成的。陳家灣崩塌的形成條件主要有人類工程活動、地震、構造、地層巖性、地形地貌、氣象水文等。

2.1 人類工程活動

人為活動會引起斜坡體系統(tǒng)外部環(huán)境的變化，為崩塌的發(fā)生創(chuàng)造了激發(fā)條件。采礦時，地下坑道洞室開挖，采空區(qū)周圍一定范圍內的應力發(fā)生變化，應力場出現(xiàn)新的分布，破壞原來的平衡狀態(tài)，使山體開裂，貫穿的裂縫切割巖體，造成了危巖體的形成失穩(wěn)。此外，采礦的爆破震動，使巖層松動，卸荷裂隙發(fā)育。

2.2 地震及構造活動

地震引起的山體震動可引起斜坡體在垂直方向和水平方向上的急劇、反復的應力變化，破壞坡體內部和臨空面原有的脆弱力學平衡，導致危巖體失去重心。地震甚至可以使一些原本較穩(wěn)定的巖土塊體也發(fā)生崩塌。2015年2月陳家灣崩塌因保康地震變形，致使垂向裂縫貫穿山頂。因此，地震是崩塌發(fā)生頻率和規(guī)模最大的一種外在激發(fā)因素。

而構造對崩塌形成的影響表現(xiàn)為：構造作用形成的各向節(jié)理面，對坡體產(chǎn)生切割、分離，使巖體破碎，其中沿一組外傾陡節(jié)理327°∠87°最為發(fā)育，為采空區(qū)變形裂縫延伸、卸荷裂隙追蹤擴容及地下水滲流創(chuàng)造了條件。

2.3 地層巖性

災害體發(fā)育巖層為中厚層堅硬的白云巖，因巖石強度較大，裂隙發(fā)育時，巖石常呈塊體，塊體之間分離面摩擦力也較大，塊體之間相互鉸合，形成高而陡的坡形。由于巖層的不均一性，巖石的差異性風化，在陡坡上形成凹巖腔，使上部塊體巖層懸空，當巖層自身重力超出巖層間的摩擦力及相互的鉸合力時，巖層即崩落失穩(wěn)。

2.4 地形地貌

崩塌危巖體位于自然斜坡坡頂?shù)亩噶⒚嫔?，斷面近于直立，略向北西傾斜，高差約120多米，坡形呈凹型，上陡下緩，崩塌危巖體呈塊狀懸空，巖體下方的凹槽腔及凹形地形使危巖體部分臨空，為卸荷裂隙形成及剪出提供了有利條件。

2.5 氣象水文

降水入滲可增大巖石裂隙網(wǎng)絡中的動水壓力，提高坡體向臨空面方向的推力；同時雨水的浸潤使裂隙分離面兩側的巖土軟化，或減小分離面的抗滑阻力。此外，晝夜溫差變化也會對崩塌發(fā)育造成不同程度影響，使暫時穩(wěn)定的危巖體可能在某一時刻突然失穩(wěn)。

3 變形破壞模式

根據(jù)崩塌現(xiàn)今變形跡象及地形地質條件綜合分析，陳家灣崩塌危巖體變形破壞模式為錯斷式崩塌。錯斷式崩塌形成于斜坡體上部陡立巖體，受控于巖體中主要發(fā)育的3組節(jié)理裂隙面，L1：327°∠87°，為主控裂隙面，使山體巖層垂向錯斷，山頂后緣可見縫寬0.2m；L2：88°∠49°；L3：62°∠24°，為巖層的層面裂隙。各節(jié)理裂隙斜交切割巖層，將巖層分割成大的塊體，卸荷裂隙沿3組節(jié)理面追蹤破壞，在巖體自重下沿某一巖面產(chǎn)生最大剪應力超過巖體抗減強度時，危巖易沿節(jié)理面錯斷崩塌。

[1]蔡美峰.巖石力學與工程[M]．科學出版社，2002.

[2]駱銀輝.崩塌的形成機理與防治方法[J].西部探礦工程，2008（12）：1～3.

[3]馬宏宇.四川茂縣維城鄉(xiāng)前山危巖體變形機理研究[J]，地質災害與環(huán)境保護，2009（3）.

P642.22

A

2095-2066（2016）22-0061-02

2016-7-12

莫春雷（1987-），男，助理工程師，碩士研究生，主要從事水工環(huán)工作。