彝良縣大石盤組崩塌機理及防治對策

徐 偉，馮文凱，郭少文，李浩賓

(1.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059；2.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081；3.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056；4.四川省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，四川 成都 610081)

崩塌落石是山區(qū)常見的地質(zhì)災害現(xiàn)象。崩塌災害因發(fā)生時間不確定、崩落速度極快、主要沿垂直方向墜落的特點，一旦發(fā)生可在較短的時間內(nèi)造成巨大的危害。隨著山區(qū)城鎮(zhèn)建設的快速發(fā)展，因修路建房缺乏科學的規(guī)劃與指導，出現(xiàn)了許多不合理開挖邊坡、切坡的現(xiàn)象，邊坡的變形破壞引發(fā)了崩塌、滑坡等地質(zhì)災害，造成了無法挽回的生命及財產(chǎn)損失。近年來，國內(nèi)外許多學者對典型的崩塌落石的成因及形成機理進行了研究[1-8]，對崩塌的破壞模式[9-15]、區(qū)域上的崩塌規(guī)律和影響因素[16-20]進行了總結(jié)，并對崩塌的穩(wěn)定性[21]、安全評價[22]、防治措施[23]等方面進行了分析與探討。前人的研究已取得了許多新進展和成果，積累了豐富的經(jīng)驗。

云南省彝良縣大石盤組崩塌是彝良縣2016年新發(fā)生的一處地質(zhì)災害點，本文首先在對該崩塌體開展詳細現(xiàn)場應急調(diào)查和測量的基礎上，描述了崩塌體的地質(zhì)背景和崩塌災害的基本特征，并采用赤平投影法分析了崩塌體節(jié)理裂隙的組合特征；然后從大氣降雨、地震作用、人類工程活動三個方面對崩塌形成條件進行了分析，并指出崩塌的破壞模式為拉裂-滑移式，崩塌的破壞過程分為初始震裂變形階段、累積變形階段、啟動破壞階段、穩(wěn)定與堆積階段4個階段；最后提出了崩塌災害的工程治理措施及防治對策。上述認識可為軟硬相間類型的崩塌機理及防治研究提供一定的參考，為彝良縣的地質(zhì)災害防治工作提供一定的科學依據(jù)和技術(shù)支持，以增強防災減災應用服務的針對性和直接性。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌條件

彝良縣位于云南省東北部云、貴、川三省結(jié)合部的烏蒙山區(qū)，地處云貴高原北東部邊緣斜坡地帶，境內(nèi)山高谷深，溝壑縱橫。崩塌所在的牛街鎮(zhèn)位于彝良縣城的東北部，距縣城78 km，介于川滇邊界，交通便利，是彝良的“北大門”。

1.2 氣象水文條件

彝良縣地處康滇溫帶暖溫帶半濕潤氣候區(qū)和華中亞熱帶濕潤氣候區(qū)之間，具有高原季風立體氣候特征。牛街鎮(zhèn)屬于亞熱帶濕潤氣候，氣候類型多樣，干雨季分明，氣候明顯受地形影響，具有南干北濕的特點。區(qū)內(nèi)多年平均降雨量為967.68 mm，北部地區(qū)平均降雨量為1 120 mm，南部地區(qū)平均降雨量為892.4 mm；雨量集中于雨季(5～10月份)，占全年降雨量的93.6%以上，24 h最大降雨量高達235.4 mm(1992年7月13日)，10 min雨強高達13.36 mm(1990年6月28日)。

彝良縣內(nèi)河流均屬金沙江水系橫江支流，發(fā)育大小河流150多條，其中較大的河流有洛澤河和白水江。崩塌即位于白水江左岸。白水江的平均坡降為59‰，天然落差為160 m，河床平均寬度為80 m，河流徑流面積為953.6 km2，平均流量為78 m3/s。

1.3 地層巖性

崩塌所在邊坡出露地層巖性為三疊系關(guān)嶺組(T2g)的灰?guī)r夾暗紫紅色及灰綠色泥頁巖，屬軟硬相間地層，巖層層面產(chǎn)狀為335°∠26°，層面形態(tài)為近直線型，多為泥質(zhì)充填，隙寬約0.5～3 mm，灰?guī)r層厚約30～50 cm，泥頁巖層厚約2～4 cm。崩塌剖面圖見圖1。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造條件

彝良縣位于揚子準地臺滇東北拗褶帶昭通鎮(zhèn)雄拗褶區(qū)，構(gòu)造形跡以褶皺為主，構(gòu)造綱要圖見圖2。崩塌所在的牛街環(huán)狀構(gòu)造由內(nèi)陡外緩的9個次級背斜及2個次級向斜環(huán)列組成，中心為新月形牛街向斜，經(jīng)多期構(gòu)造應力作用，此環(huán)狀構(gòu)造區(qū)裂隙極為發(fā)育，為地質(zhì)災害的孕育創(chuàng)造了有利條件。

1.5 地震作用

彝良縣地處大關(guān)—馬邊地震活動帶，地震活動頻繁，震級大。1900年以來共發(fā)生5級以上地震8次，最大地震為1948年10月9日貴州和1948年10月10日大關(guān)2次5.8級地震。2012年9月7日11時19分40秒，彝良縣(北緯27.5°、東經(jīng)104.0°)發(fā)生5.7級地震，震源深度為14.0 km；12時16分29秒，彝良縣(北緯27.6°、東經(jīng)104.0°)再次發(fā)生5.6級地震。

2 崩塌災害的特征

2016年6月16日上午11點04分，彝良縣牛街鎮(zhèn)南廠村大石盤組發(fā)生一起崩塌，造成3棟房屋倒塌、1人死亡、1人受傷。崩塌發(fā)生于大石盤組柿鳳公路內(nèi)側(cè)，彝良二中至鹽津縣方向200 m處，地理坐標為27°51′52.30″N、104°28′9.83″E。崩塌撞向距離崩塌點最近的一棟五層房屋，該居民樓向西側(cè)傾倒并砸毀臨近的兩棟三層房屋，造成1死1傷的悲劇。

2.1 崩塌所在危巖帶的特征

崩塌所在危巖帶為基巖邊坡(見圖3)，位于白水江河谷左岸斜坡下部，該邊坡陡峭近直立，臨空面坡向為40°，坡腳高程為570 m，坡頂高程為596 m，高差為26 m；該危巖帶長約250 m，臨空面面積約為5 000 m2，巖層層面產(chǎn)狀為335°∠26°，斜坡結(jié)構(gòu)為橫向坡，緊鄰柿鳳公路，其潛在危害極大。

崩塌所在危巖帶坡頂表層為殘坡積黃褐色粉質(zhì)黏土混碎塊石，層厚較薄約0.4～2 m，植被覆蓋率達90%左右，地面無裂縫等變形跡象，但可見多處灰?guī)r裸露于地表，且灰?guī)r的風化作用及溶蝕作用強烈，形成多處凹巖腔及小型溶洞，地表水沿灰?guī)r節(jié)理裂隙、溶洞下滲。

2.2 崩塌的特征

崩塌發(fā)生于該高陡邊坡段東側(cè)的中上部，崩塌體特征詳見圖4。由于該高陡邊坡巖體的巖性差異性較大，導致巖體的物理力學性質(zhì)、抗風化能力、透水性、富水性不同，易發(fā)生差異風化，且坡體內(nèi)泥頁巖夾層在地下水等地質(zhì)營力作用下易發(fā)育為潛在滑移面；同時，邊坡巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，且多處裂隙張開度大，接近貫通，并可見地表水由表層土下滲至結(jié)構(gòu)面中，使結(jié)構(gòu)面濕潤軟化；開挖面坡向為330°，巖層層面產(chǎn)狀為335°∠26°，主要發(fā)育兩組控制性節(jié)理，其層面產(chǎn)狀分別為115°∠70°、55°∠84°，崩塌體沿泥頁巖夾層層面發(fā)生了順向滑移，從而形成了滑坡崩塌災害。

圖4 崩塌體特征圖Fig.4 Area statistics of slope within different formation lithology

崩塌堆積體可見的最大堆積塊體尺寸為7 m×3 m×4 m(見圖5)，崩塌體方量約為500 m3，屬小型崩塌。

圖5 崩塌最大堆積塊體Fig.5 Biggest accumulation rock of the collapse

圖6 崩塌體赤平投影分析圖Fig.6 Stereographic projection of the collapse

本文采用赤平投影法對崩塌體節(jié)理裂隙的組合特征進行了分析。由赤平投影分析圖(見圖6)可見，巖層層面傾向與開挖面坡向相近，層面傾角比臨空面傾角小得多，崩塌處斜坡結(jié)構(gòu)為順向，該組合形式屬最不穩(wěn)定的類型；同時，層面與節(jié)理1、層面與節(jié)理2的交點A、B位于開挖邊坡面投影大圓外，表明層面與節(jié)理1、層面與節(jié)理2的交線L1、L2的傾角比坡面的傾角小，且為順坡向，節(jié)理1和節(jié)理2對巖體的切割作用加劇了順層邊坡的破壞。

3 崩塌災害的形成條件和破壞模式分析

3.1 崩塌災害的形成條件

3.1.1 大氣降雨

通過縣氣象局收集的氣象資料，牛街鎮(zhèn)三合雨量站顯示，2016年6月1日至16日，累計降雨量達215.9 mm；2016年進入雨季以來，5月至6月份的日降雨量統(tǒng)計見圖7。

圖7 牛街鎮(zhèn)5月至6月份的日降雨量統(tǒng)計Fig.7 Statistics of rainfall in May and June of Niujie Town

2016年6月3日至15日，該地區(qū)發(fā)生持續(xù)性降雨，6月7日降雨量達到最大值，日降雨量為63.5 mm，6月15日崩塌災害發(fā)生前一天也有一次日降雨量達28.9 mm的降雨，經(jīng)歷了多次暴雨后，地表雨水下滲通過地表洼地、天窗、小型溶洞等路徑至該邊坡巖體的結(jié)構(gòu)面及裂縫中，節(jié)理裂隙充水，產(chǎn)生較大的靜水壓力，同時泥頁巖軟弱夾層受裂隙水浸潤強度降低，造成阻滑段支撐力下降。

3.1.2 地震作用

崩塌所在危巖帶經(jīng)歷了多次地震作用后，巖體中發(fā)育的卸荷裂隙、節(jié)理裂隙在地震力作用下隙寬變大，連通率增大，延伸變長，巖體變得更加破碎。

3.1.3 人類工程活動

損毀的3棟房屋在修建前，對該邊坡原臨空面進行了大面積的開挖、切坡，說明人類工程活動造成的影響極大，改變了邊坡原有的應力狀態(tài)，崩塌處產(chǎn)生了適合的臨空面和剪出口，為崩塌體的啟動和滑移解體提供了充足的空間，見圖8。

圖8 邊坡開挖前后示意圖Fig.8 Schematic diagram before and after slope excavation

3.2 崩塌的破壞模式及破壞過程

本文通過對彝良縣大石盤組崩塌的工程地質(zhì)條件和破壞機制分析，認為該崩塌的破壞模式為拉裂-滑移式，其破壞過程可分為以下4個階段。

3.2.1 初始震裂變形階段

大石盤組崩塌初始震裂變形階段主要表現(xiàn)為巖體的震裂損傷和拉張裂縫的形成。該邊坡在經(jīng)歷了2012年9月7日彝良5.6級、5.7級兩次地震之后，由于卸荷作用引起山體內(nèi)部應力重分布，坡頂形成應力張拉區(qū)，巖體產(chǎn)生多處拉張裂縫；加之修房切坡，進一步改變了原有的應力狀態(tài)，巖層層面及另兩組控制性節(jié)理進一步發(fā)育延伸，見圖9。

圖9 “6.16”大石盤組崩塌初始震裂變形階段示意圖Fig.9 Schematic diagram of the initial shock fission defor- mation stage of the “6.16” Dashipan Group collapse

3.2.2 累積變形階段

大石盤組崩塌累積變形階段主要表現(xiàn)為拉張裂縫的拓展貫通和泥頁巖軟弱夾層的軟化。由于長期的降雨、風化及溶蝕作用，地下水灌入結(jié)構(gòu)面中，產(chǎn)生較大的靜水壓力，造成后緣拉張裂縫張開度增大，連通率提高，延伸長度增加，最終貫通至下部泥頁巖層面處；薄層狀泥頁巖在裂隙水浸潤、巖溶、溫差變化、風化等作用下，結(jié)構(gòu)面抗剪強度降低，阻滑段支撐力下降，見圖10。

圖10 “6.16”大石盤組崩塌累積變形階段示意圖Fig.10 Schematic diagram of the cumulative deformation stage of the “6.16” Dashipan Group collapse

3.2.3 啟動破壞階段

大石盤組崩塌啟動破壞階段主要表現(xiàn)為泥頁巖層面的貫通與崩塌體的整體滑移墜落解體。后緣拉張裂縫貫通后，形成了孤立的危巖體，隨著時間的推移，軟巖層面的抗剪強度進一步降低，阻滑段的支撐力小于危巖體的下滑力，造成了軟巖層面的貫通，危巖體在重力作用下沿軟巖層面由剪出口發(fā)生剪切滑移，見圖11。

圖11 “6.16”大石盤組崩塌啟動破壞階段示意圖Fig.11 Schematic diagram of the startup and destruction stage of the “6.16” Dashipan Group collapse

3.2.4 穩(wěn)定與堆積階段

由于有利的地形條件，危巖體攜帶著上覆殘坡積土層整體滑移下錯，崩塌體在墜落過程中沿控制性節(jié)理面進一步拉裂解體，并撞向距離不到10 m遠的五層房屋，造成房屋向右側(cè)傾倒，砸毀了臨近的兩棟兩層房屋，最終崩塌體堆積在邊坡坡腳處趨于穩(wěn)定，見圖12。

圖12 “6.16”大石盤組崩塌穩(wěn)定與堆積階段示意圖Fig.12 Schematic diagram of the stability and accumulation stage of the “6.16” Dashipan Group collapse

4 崩塌災害的工程治理措施及防治對策

雖然崩塌體已部分崩落，但是該危巖帶穩(wěn)定性較差，仍然存在進一步失穩(wěn)發(fā)生崩塌的可能性，對于坡腳處房屋和居民以及過往人員車輛均存在極大的安全隱患和風險。經(jīng)過對該崩塌災害進行現(xiàn)場詳細的工程地質(zhì)調(diào)查后，本文提出了如下工程治理措施及防治對策。

4.1 危石清理

對危險程度高、規(guī)模小的危巖孤石等建議予以清除，采用人工輔之以簡易機械進行解小、撬動、搬運[見圖13(a)]；對規(guī)模較大且穩(wěn)定性較差的危巖孤石等建議采用嵌補支頂?shù)闹卫泶胧見圖13(b)]；對危巖帶臨空面裸露的薄層碎裂狀巖體進行清除，以防小塊石繼續(xù)掉落。

圖13 小塊孤石清除和大塊孤石嵌補支頂示意圖Fig.13 Schematic diagram of clearing small boulders and inlaying large boulders

4.2 危巖體錨桿錨固和主動柔性防護網(wǎng)加固

危巖帶長度約250 m，且為橫向坡，臨空面巖體強風化，卸荷裂隙沿臨空面方向垂直發(fā)育，易發(fā)生局部的零星剝落和落石，因此建議沿危巖帶展布方向采用錨桿錨固和主動柔性防護網(wǎng)進行綜合治理，見圖14。

圖14 危巖體錨桿錨固和主動柔性防護網(wǎng)加固示意圖Fig.14 Schematic diagram of anchor reinforcement and active flexible protective net for dangerous rock

利用錨桿對有可能失穩(wěn)的危巖體進行錨固，通過錨固力提供抵抗危巖體下滑力力矩，從而保證危巖體的穩(wěn)定。建議采用砂漿錨桿，通過合理設置錨桿間距、錨固段長度等措施，達到提高危巖體穩(wěn)定系數(shù)的目的。

考慮到避免危巖體對柿鳳公路可能會造成不良影響，建議通過布設由高強度鋼絲格柵、鋼繩錨桿與肋骨狀錨墊片構(gòu)成的主動柔性防護網(wǎng)對坡體上的危巖體進行加固，旨在阻止其啟動，并限制其運動范圍。

4.3 修建截排水溝

危巖帶頂部的雨水下滲是造成此次崩塌的觸發(fā)因素，因此修建危巖帶的截排水工程是非常必要的。建議在坡頂沿危巖帶長度方向及坡面雨水匯流方向修建截排水溝系統(tǒng)，將雨水匯集進排水溝里及時排走，防止雨水下滲入巖體內(nèi)。

4.4 納入群測群防體系

建議將該崩塌點納入地質(zhì)災害隱患點，納入群測群防體系，建立應急預案。此外，發(fā)放“兩卡”給高陡邊坡段兩側(cè)和坡頂?shù)奈ｋU房屋內(nèi)的居民；設立監(jiān)測員，按崩塌巡查的技術(shù)要求進行監(jiān)測；在高陡邊坡段兩側(cè)設地質(zhì)災害警示牌，提醒過往車輛及行人觀察通行。

4.5 加強房屋建設規(guī)劃與管理

房屋建設應事先開展科學選址、危險性評估與崩塌防治等工作，在未對危巖體進行治理的情況下，危巖帶內(nèi)正在修建的房屋應立即停止修建。

5 結(jié) 論

云南省彝良縣大石盤組崩塌是由降雨誘發(fā)的小型拉裂-滑移式崩塌，在詳細的工程地質(zhì)調(diào)查的基礎上，對崩塌以及崩塌所在危巖帶的特征進行了歸納，并開展了以下研究：

(1) 運用赤平投影法對崩塌體結(jié)構(gòu)面的組合特征進行了分析，可知巖層層面傾向與開挖面坡向相近，崩塌處的斜坡結(jié)構(gòu)為順向，節(jié)理1和節(jié)理2對巖體的切割作用加劇了順層邊坡的破壞。

(2) 從人類工程活動、地震作用、降雨三個方面對崩塌形成條件進行了分析，認為不合理的開挖和切坡、地震震裂崩塌體造成累積損傷、多次暴雨是此次崩塌的觸發(fā)因素，并指出崩塌的破壞模式為拉裂-滑移式,崩塌的破壞過程可分為為初始震裂變形階段、累積變形階段、啟動破壞階段、穩(wěn)定與堆積階段4個階段。

(3) 針對崩塌災害，提出了有針對性的工程治理措施及防治對策，即危石清理、危巖體的錨桿錨固和主動柔性防護網(wǎng)加固、修建截排水溝、納入群測群防體系、加強房屋建設規(guī)劃與管理。

通訊作者：馮文凱(1974—)，男，博士，教授，主要從事巖土體穩(wěn)定性評價和地質(zhì)災害防治等方面的研究與教學工作。E-mail:fengwenkai@cdut.cn