保康溫泉崩塌成因機(jī)制與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

李麗華，張維江，張 磊

(湖北省地質(zhì)局 第八地質(zhì)大隊(duì),湖北 襄陽 441000)

保康溫泉崩塌位于湖北省襄陽市保康縣城西南陳家河村001鄉(xiāng)道邊,崩塌體沿鄉(xiāng)道內(nèi)側(cè)陡崖分布,陡崖坡腳為劉家坪河河床,河床高程467 m,陡崖所在坡頂高程650 m。坡腳鄉(xiāng)道外側(cè)為?？禍厝境丶稗k公、住宿設(shè)施。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,崩塌體主要發(fā)育2個(gè)危巖帶,分布高程集中在475～495 m 、530～570 m。2016年11月26日,522～532 m高程處危巖發(fā)生體積約90 m3的崩塌,造成1人死亡、1人受傷以及建筑物、公路損毀[1]。為避免再次造成人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失,研究崩塌體的成因機(jī)制及穩(wěn)定性具有重要意義。本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查工作成果,闡述其崩塌體的分布發(fā)育特征,分析?？禍厝浪梢驒C(jī)制及其破壞模式,進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià),并提出防治措施和建議。

1 崩塌體基本特征

崩塌區(qū)出露地層巖性從上而下分別為寒武系下統(tǒng)石牌組二段(∈1s2)和一段(∈1s1)中厚層狀灰?guī)r,巖性硬干脆,抗壓強(qiáng)度為87 MPa。節(jié)理裂隙與溶蝕裂隙較發(fā)育,巖層產(chǎn)狀為50°∠30°。堅(jiān)硬巖體構(gòu)成的逆向坡因地質(zhì)構(gòu)造、河流侵蝕等內(nèi)外動(dòng)力作用多形成陡崖,崩塌所在斜坡地形由上至下表現(xiàn)為陡—緩—陡形態(tài),地形坡度分別為75°～85°、42°～55°、70°～84°,局部呈倒崖狀。受巖體外傾溶蝕裂隙、節(jié)理裂隙面及微地形地貌的控制,陡崖及斜坡段危巖體形狀不一、規(guī)模大小不等、破壞模式各異。

根據(jù)危巖體分布位置、形態(tài)規(guī)模將溫泉崩塌分為2處危巖帶,WY1危巖帶分布高程530～570 m,分布面積3 500 m2,主崩方向?yàn)?20°,崩落最大高差為103 m。危巖體受產(chǎn)狀為190°～210°∠67°～79°、105°～125°∠40°～45°、55°∠32°三組主控構(gòu)造裂隙面控制,危巖帶被切割形成體積為32～96 m3大小不等的危巖體,最大危巖單體達(dá)384 m3，造成人員傷亡的崩塌體就位于該危巖帶；WY2危巖帶分布高程475～495 m,分布面積910 m2,主崩方向?yàn)?02°,分布高差為28 m。危巖體受產(chǎn)狀為210°～220°∠52°～72°、50°∠35°兩組主控構(gòu)造裂隙面控制,危巖帶被切割形成體積為80～273 m3大小不等的危巖體,最大危巖單體達(dá)416 m3(圖1)。

2 崩塌成因機(jī)制及影響因素

2.1 成因機(jī)制

溫泉崩塌兩處危巖帶主要由11處危巖體組成,在長期溶蝕及降雨軟化等作用下,崩塌區(qū)主要發(fā)育陡傾坡外和斜向切割兩組結(jié)構(gòu)面,產(chǎn)狀分別為190°～220°∠52°～72°、50°～55°∠30°～35°。在這兩組主控結(jié)構(gòu)面的組合作用下危巖體被切割為塊狀,裂縫寬窄不一，無填充,在自然條件下穩(wěn)定性較好,但是在突降暴雨或連續(xù)降雨的條件下,危巖體穩(wěn)定性降低。因其臨空條件好,分別發(fā)生滑移式、傾倒式和墜落式失穩(wěn)破壞[2-5](圖2)。本文選取已失穩(wěn)崩塌體、WY1-2、WY1- 4危巖體闡述崩塌成因機(jī)制及典型破壞模式。

(1) 已失穩(wěn)危巖體成因機(jī)制及破壞模式。已失穩(wěn)危巖體分布高程522～532 m；高約10 m,寬約3 m,厚約3 m,方量約90 m3。2016年9—10月,?？悼h持續(xù)性降雨,降雨入滲產(chǎn)生傾向坡外的靜水壓力,同時(shí)順裂隙等內(nèi)部滲流通道入滲至坡體與巖體內(nèi)部,軟化泥質(zhì)或鈣質(zhì)充填的結(jié)構(gòu)面,同時(shí)還攜帶走裂縫內(nèi)充填的細(xì)粒物質(zhì),增加裂隙連通率,致使危巖體發(fā)生滑移式變形破壞。

(2) WY1-2成因機(jī)制及破壞模式。WY1-2分布高程約545～555.7 m,坡向?yàn)?10°,危巖體厚約2 m、高約12 m、寬約4 m、總方量約96 m3。厚層灰?guī)r受降雨入滲及長期溶蝕作用影響,逐漸在危巖體后部發(fā)育一貫通性拉張裂縫,產(chǎn)狀210°∠79°,裂縫逐漸擴(kuò)展,一旦拉應(yīng)力大于巖橋的抗拉強(qiáng)度,危巖體將發(fā)生墜落式崩塌。

(3) WY1-4成因機(jī)制及破壞模式。WY1-4分布高程約525 m,坡向210°,厚4 m、寬8 m、高12 m,體積約384 m3。厚層灰?guī)r受順坡陡傾裂隙面控制,在降雨入滲及溶蝕作用下,裂隙面快速擴(kuò)張,造成危巖體重心逐漸外傾,導(dǎo)致危巖體以下部基座為傾覆點(diǎn)，最終向臨空面發(fā)生傾倒式破壞。

2.2 主要影響因素

(1) 地形條件。崩塌區(qū)地處鄂西山地強(qiáng)烈上升區(qū),地形切割深度100～200 m,斜坡高陡。陡崖地形是崩塌形成的必要條件,高陡地形使臨空面處巖體失穩(wěn)破壞,并沿斜坡面快速運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生突發(fā)性危害。

(2) 巖體結(jié)構(gòu)與構(gòu)造。崩塌區(qū)位于土門斷裂帶西,危巖體由巖性硬脆的寒武系下統(tǒng)厚層狀灰?guī)r組成,巖體構(gòu)造裂隙發(fā)育,完整性較差。在風(fēng)化、溶蝕、自重荷載作用下,構(gòu)造裂隙不斷擴(kuò)展,累進(jìn)性破壞造成巖石結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度降低,并逐漸形成巖體應(yīng)力松弛帶,持續(xù)發(fā)展形成剪切裂縫,當(dāng)巖體的極限平衡狀態(tài)遭到破壞后將產(chǎn)生變形破壞,形成崩落、掉塊甚至較大規(guī)模崩塌。危巖帶多見順坡向裂隙(190°～220°∠52°～79°)卸荷張裂后形成主控裂縫,說明巖體結(jié)構(gòu)與構(gòu)造因素是危巖形成發(fā)展的主要因素之一。

(3) 水的作用。大氣降雨是崩塌危巖形成和發(fā)展的主要誘發(fā)動(dòng)力因素,氣象資料顯示保康縣降雨很大程度上受地形影響,峽谷地帶的狹管效應(yīng)促使短時(shí)強(qiáng)降雨多發(fā)生于山地迎風(fēng)坡,?？悼h最大小時(shí)降雨量達(dá)70.7 mm(2018年8月2日)。2016年9—10月,?？悼h持續(xù)性降雨,降雨大量充填拉張裂縫,產(chǎn)生傾向坡外的靜水壓力,同時(shí)順裂隙等內(nèi)部滲流通道(基巖層面及節(jié)理裂隙面、溶蝕空隙)入滲至坡體與巖體內(nèi)部,不僅軟化泥質(zhì)或鈣質(zhì)充填的結(jié)構(gòu)面,同時(shí)還攜帶走裂縫內(nèi)充填的細(xì)粒物質(zhì),增加裂隙連通率,使得危巖塊體穩(wěn)定性明顯降低。汛期雨季產(chǎn)生崩塌的可能性更大,頻率更高。

(4) 凍融作用。2016年11月21—25日,?？悼h遭遇極端雨雪降溫天氣,裂縫間的孔隙水因?yàn)榻惶嫘缘膬鋈谧饔?引起危巖體裂縫深度和寬度進(jìn)一步擴(kuò)大。與此同時(shí),由于晝夜溫差變化較大,危巖體自身在熱脹冷縮的作用下又進(jìn)一步加劇了裂縫的變形和破壞。

(5) 人類工程活動(dòng)。崩塌所在斜坡坡腳因修建公路進(jìn)行開挖切坡,巖體開挖卸荷與風(fēng)化剝蝕明顯,為危巖體失穩(wěn)崩落提供了有利條件。

3 穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

結(jié)合溫泉崩塌工程地質(zhì)條件及變形特征,本文主要選取典型危巖體WY1-2(墜落式)、WY1-4(傾倒式)計(jì)算其在各工況下的穩(wěn)定性系數(shù)。

3.1 計(jì)算工況選取

根據(jù)危巖體發(fā)育的實(shí)際情況并參考相關(guān)規(guī)范,確定本研究的計(jì)算工況如下：工況1，自重(天然狀態(tài))；工況2，自重+裂隙水壓力(暴雨期間)。根據(jù)三峽庫區(qū)經(jīng)驗(yàn),取1/3裂隙高度作為暴雨條件下水頭高度[6]。

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

(1)巖體物理力學(xué)參數(shù)取值。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及危巖體實(shí)際發(fā)育情況綜合確定巖體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo),具體參數(shù)值見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

(2) 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值。結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)主要依據(jù)結(jié)構(gòu)面發(fā)育形態(tài)、充填情況等,并結(jié)合對(duì)已失穩(wěn)危巖進(jìn)行反演獲得的參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合取值確定。不同狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值Table 2 Shear strength parameters of structural plane

3.3 計(jì)算方法

結(jié)合溫泉崩塌主要變形模式,本文主要討論受后緣巖體抗拉強(qiáng)度控制的傾倒式危巖及受后緣裂隙控制的墜落式危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

(1) 傾倒式危巖(后緣巖體抗拉強(qiáng)度控制)穩(wěn)定性計(jì)算,危巖體重心在傾覆點(diǎn)之外時(shí)：

(1)

危巖體重心在傾覆點(diǎn)之內(nèi)時(shí)：

(2)

式中：h為后緣裂隙深度(m)；hw為后緣裂隙充水高度(m)；H為后緣裂隙上端到未貫通段下端的垂直距離(m)；a為危巖體重心到傾覆點(diǎn)的水平距離(m)；b為后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點(diǎn)之間的水平距離(m)；h0為危巖體重心到傾覆點(diǎn)的垂直距離(m)；flk為危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa),據(jù)巖石抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值乘0.4折減系數(shù)確定；α為危巖體與基座接觸面傾角(°),外傾時(shí)取正值,內(nèi)傾時(shí)取負(fù)值；β為后緣裂隙傾角(°)。

(2) 墜落式危巖穩(wěn)定性計(jì)算。后緣發(fā)育陡傾裂隙的懸挑式危巖按下列二式計(jì)算,穩(wěn)定性系數(shù)取2種計(jì)算結(jié)果中的較小值：

(3)

(4)

式中：ζ為危巖體抗彎力矩計(jì)算系數(shù),依據(jù)潛在破壞面形態(tài)取值,一般可取1/12～1/6,當(dāng)潛在破壞面為矩形時(shí)取1/6；a0為危巖體重心到潛在破壞面的水平距離(m)；b0為危巖體重心到過潛在破壞面形心的鉛垂距離(m)；flk為危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa),據(jù)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值乘以0.2的折減系數(shù)確定；c為危巖體粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；φ為危巖體內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值(°)；Q為地震力(kN/m)；其他符號(hào)意義同前。

3.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)確定的危巖體力學(xué)計(jì)算模型并結(jié)合公式確定了典型危巖塊體(WY1-2、WY1- 4)穩(wěn)定性系數(shù),結(jié)果表明： WY1-2在天然工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),暴雨工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；WY1- 4在天然工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài),暴雨工況下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定性計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 典型危巖體穩(wěn)定性計(jì)算成果表Table 3 Table of stability calculation results of typical dangerous rock mass

典型危巖體的穩(wěn)定性分析表明?？禍厝浪?處危巖帶已處于欠穩(wěn)定狀態(tài),若遇持續(xù)性降雨或短時(shí)強(qiáng)降雨,危巖體穩(wěn)定性下降,趨于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。受此影響,調(diào)查期間崩塌體坡腳公路封閉,溫泉停業(yè),對(duì)當(dāng)?shù)鼐用癯鲂屑皽厝恼I業(yè)均造成了不利影響。為消除該崩塌體的危險(xiǎn)性,保護(hù)當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全,針對(duì)崩塌體的變形特征,建議采取危巖清除、坡體中下部設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、坡腳掛網(wǎng)錨護(hù)、專業(yè)監(jiān)測(cè)等綜合防治措施。

4 結(jié)論

(1) 本文闡述了?？禍厝浪咎卣?主要包括2處危巖帶,崩落最大高差達(dá)103 m,危巖帶長期遭受降雨及溶蝕作用,在3組主控裂隙面控制下,被切割形成體積為32～273 m3大小不等的危巖體,最大危巖單體達(dá)416 m3。

(2) 分析已失穩(wěn)崩塌體、WY1-2、WY1-4等典型危巖體的成因機(jī)制及典型破壞模式,結(jié)果表明,滑移式、墜落式、傾倒式變形破壞模式在溫泉崩塌區(qū)各危巖體中均有分布。

(3) 定量評(píng)價(jià)了其典型危巖體在不同工況下的穩(wěn)定性,得出了崩塌體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。建議采取危巖清除、設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、掛網(wǎng)錨護(hù)、專業(yè)監(jiān)測(cè)等綜合防治措施。