西江上游封開段花崗巖邊坡變形破壞宏觀判據(jù)研究

劉 廣 寧，黃 長 生，齊 信，王 芳 婷

(中國地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 430205)

地質(zhì)災(zāi)害是地學(xué)界永恒的課題，備受國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注和研究。由于各區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景條件的差異，對于地質(zhì)災(zāi)害變形破壞機(jī)理的闡述各不相同。以往對于沉積巖區(qū)崩滑流地質(zhì)災(zāi)害的變形破壞機(jī)理研究較為系統(tǒng)和成熟，而花崗巖類地質(zhì)災(zāi)害的研究相對較少。部分學(xué)者對花崗巖的地貌類型、類型劃分、成因機(jī)制、工程地質(zhì)特性、力學(xué)試驗(yàn)等研究較為深入[1-5]。珠江西江上游封開段花崗巖地層分布廣泛，主要為燕山早、晚期的花崗巖，以黑云母花崗巖、花崗閃長巖、斑狀花崗巖為主，并且全、強(qiáng)、中、微、未及球狀風(fēng)化類型均有發(fā)育，眾多地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育其中(見圖1)。由于其獨(dú)特的工程地質(zhì)特性，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，尤其是持續(xù)性降雨和暴雨等極端氣候條件下，極易發(fā)生崩、滑失穩(wěn)致災(zāi)，其已成為華南地區(qū)一類典型的降雨型地質(zhì)災(zāi)害。通過詳細(xì)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，不同風(fēng)化程度花崗巖類邊坡其變形破壞機(jī)理、宏觀表現(xiàn)特征截然不同。故本文在實(shí)地調(diào)查、資料系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，對其變形破壞機(jī)理及宏觀判據(jù)進(jìn)行研究，以期為區(qū)內(nèi)國土規(guī)劃、重大工程建設(shè)、防災(zāi)減災(zāi)和生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

注：1.地層代號(hào)； 2.地層界線； 3.地名； 4.水系； 5.地災(zāi)點(diǎn)(全風(fēng)化花崗巖)； 6.地災(zāi)點(diǎn)(強(qiáng)風(fēng)化花崗巖)； 7.地災(zāi)點(diǎn)(中風(fēng)化花崗巖)； 8.地災(zāi)點(diǎn)(微風(fēng)化花崗巖)； 9.地災(zāi)點(diǎn)(球狀風(fēng)化花崗巖)圖1 研究區(qū)花崗巖及地質(zhì)災(zāi)害分布Fig.1 Distribution map of granite and geohazards in the study area

1 區(qū)域地質(zhì)概況

2 花崗巖垂直分帶標(biāo)準(zhǔn)

通過室內(nèi)及原位實(shí)驗(yàn)測試，依據(jù)花崗巖的厚度、顏色、結(jié)構(gòu)特征、長石礦物特征、可挖掘特征、可鉆進(jìn)特征、錘擊特征、巖芯完整程度、修正后標(biāo)貫或動(dòng)探擊數(shù)、顆分大小、內(nèi)摩擦角、凝聚力、單軸飽和抗壓強(qiáng)度，建立研究區(qū)花崗巖 “六分法”垂直分帶標(biāo)準(zhǔn)。總體上劃分為殘積層、全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層、微風(fēng)化層、未風(fēng)化層6個(gè)分帶。表1為區(qū)內(nèi)巨厚層花崗巖風(fēng)化殼垂直分帶及指標(biāo)。

3 災(zāi)害發(fā)育分布特征

區(qū)內(nèi)花崗巖地質(zhì)災(zāi)害在全、強(qiáng)、中、微、球狀風(fēng)化花崗巖邊坡中均有發(fā)育(見表2)。通過對調(diào)查的87處花崗巖類邊坡地質(zhì)災(zāi)害(崩塌/危巖、滑坡)的發(fā)育分布、失穩(wěn)模式進(jìn)行細(xì)致分析發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn)：數(shù)量上，以全風(fēng)化居多，共29處，占比33%；高程上，多分布于50～220 m之間；地形坡度上，多分布于25°～45°邊坡；區(qū)域上，多分布在人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)，如沿廣梧高速封開段、省道S266、懷陽高速施工區(qū)、居民住宅建設(shè)區(qū)域；時(shí)間上，通過調(diào)查、資料收集可知區(qū)內(nèi)近90%地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在汛期5～9月份(見圖2)，變形破壞均發(fā)生在持續(xù)性降雨、突發(fā)暴雨期間[6]；規(guī)模上，均為小型，具有點(diǎn)多面廣、突發(fā)性強(qiáng)的典型特征。

表1 花崗巖風(fēng)化殼垂直分帶標(biāo)準(zhǔn)

圖2 降雨量與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系Fig.2 Relationship between rainfall and geohazards

表2 研究區(qū)花崗巖地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)

4 變形破壞模式

4.1 全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖

“滑移”型廣泛存在于全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中。盡管均為“滑移”但其變形特征明顯不同[7]。對于全風(fēng)化花崗巖而言，邊坡幾乎為類土質(zhì)，其變形破壞特征為：在降雨作用下達(dá)到飽和，自重急劇增加，邊坡整體發(fā)生滑塌，滑塌體呈“倒錐形”；表面存在3～5 cm寬的羽狀沖蝕溝隙；坡體后緣形成近直立光滑陡坎，坡腳有水滲出(見圖3)。而強(qiáng)風(fēng)化花崗巖失穩(wěn)多受結(jié)構(gòu)面控制，邊坡發(fā)育垂直坡向的原生結(jié)構(gòu)面，初始階段多以拉張裂縫存在；在降雨浸潤、沖蝕、自重作用下，其不斷拓展延伸，最終形成統(tǒng)一滑面，發(fā)生失穩(wěn)；后緣擦痕清晰可見，剪切作用明顯，前緣有擠壓、隆起特征(見圖4)。全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖災(zāi)害具有明顯的“累進(jìn)性”和“漸進(jìn)性”。

4.2 中風(fēng)化花崗巖

“崩落”型是中風(fēng)化花崗巖中典型的變形破壞類型。很多專家學(xué)者將“崩落”型花崗巖地質(zhì)災(zāi)害定義為“崩崗”問題[8-9]。該型破壞多發(fā)育平行、垂直坡向的原生結(jié)構(gòu)面。在風(fēng)化和降雨侵蝕作用下，在坡頂逐步形成小型溝槽，下部逐步形成縱向“條狀、脊?fàn)睢蓖钩鰩r體，在自重和橫向結(jié)構(gòu)面切割作用下，崩落發(fā)生(見圖5)。該類型災(zāi)害分布區(qū)地表多裸露或植被發(fā)育不均，其變形破壞具有顯著的“累進(jìn)性”和“突發(fā)性”。

圖3 全風(fēng)化花崗巖滑塌破壞模式Fig.3 Failure mode of slumping deformation of completely-weathered

圖4 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖滑塌破壞模式Fig.4 Failure mode of slumping deformation of hightly-weathered

圖5 中風(fēng)化花崗巖崩落破壞模式Fig.5 Failure mode of collapse of moderately-weathered

4.3 微風(fēng)化花崗巖

“傾倒”和“滑移”型是微風(fēng)化花崗巖中典型的兩種變形破壞類型。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，局部區(qū)域的微風(fēng)化花崗巖中縱切巖體的“X”節(jié)理極其發(fā)育，通過填充物及降雨沖蝕痕跡可判斷其有明顯的拓展、延伸變形過程。同時(shí)發(fā)育緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面(見圖6)，失穩(wěn)后緩傾結(jié)構(gòu)面可見明顯擦痕。在“X”節(jié)理和緩傾結(jié)構(gòu)面共同切割及外界條件作用下發(fā)生傾倒失穩(wěn)，“傾倒”型具有顯著的剛性變形破壞特征[10]?！盎啤毙筒⒎俏L(fēng)化花崗巖體自身失穩(wěn)，是沿基-覆界面滑動(dòng)變形破壞，花崗巖即為滑面(見圖7)。表層多為3～5 m殘坡積物，下伏基巖光滑，滑體較難賦存，在降雨等外在條件作用下發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)，地表順坡向擦痕特征明顯，失穩(wěn)后形成花崗巖基巖光面，坡腳多形成“倒錐狀”滑移堆積體。封開縣著名的“斑石巖”地質(zhì)遺跡景觀其實(shí)就是該地質(zhì)現(xiàn)象的典型實(shí)例。

圖6 微風(fēng)化花崗巖傾倒破壞模式Fig.6 Failure mode of toppling of slightly-weathered

圖7 微風(fēng)化花崗巖滑移破壞模式Fig.7 Failure mode of sliding of slightly-weathered

4.4 球狀風(fēng)化花崗巖

“崩落(墜落)”型是球狀風(fēng)化花崗巖中典型的變形破壞類型。研究區(qū)花崗巖差異性風(fēng)化特征明顯，同一處邊坡其風(fēng)化具顯著差異性，如在杏花村一處開挖建設(shè)場地強(qiáng)、中、微風(fēng)化同時(shí)出露(見圖8)?！氨缆?墜落)”型是“球狀風(fēng)化”花崗巖典型地質(zhì)災(zāi)害[11]。強(qiáng)、中風(fēng)化花崗巖在風(fēng)化、降雨作用下，逐步剝蝕向內(nèi)形成凹腔，微風(fēng)化球狀花崗巖則逐步凸出向外平挑，懸于空中(見圖9)，達(dá)到極限平衡狀態(tài)后破壞失穩(wěn)。該類型的災(zāi)害雖規(guī)模較小，但如果發(fā)育高差較大，失穩(wěn)過程中勢能轉(zhuǎn)化成的動(dòng)能依舊具有極強(qiáng)的破壞性。

圖8 差異性風(fēng)化花崗巖典型剖面Fig.8 Granite typical profile of differentially-weathered

圖9 球狀風(fēng)化花崗巖墜落破壞模式Fig.9 Failure mode of falling by spherical-weathered granite

5 宏觀判據(jù)

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前往往在其形態(tài)、表征、細(xì)部有明顯的特征。通過現(xiàn)場調(diào)查、測量、肉眼辨識(shí)等方法可進(jìn)行宏觀判斷和早期識(shí)別。通過對87處不同風(fēng)化程度的典型花崗巖地質(zhì)災(zāi)害的變形破壞模式的統(tǒng)計(jì)分析，可將風(fēng)化類型、坡形特征、地形坡度、節(jié)理裂隙發(fā)育狀況、細(xì)部變形特征等5個(gè)要素作為確定其變形破壞的宏觀判據(jù)。不同風(fēng)化程度的花崗巖類邊坡地質(zhì)災(zāi)害其坡形特征不盡相同，節(jié)理裂隙發(fā)育程度和位置不同，早期宏觀變形跡象、變形破壞的歷時(shí)過程也不同。據(jù)此構(gòu)建不同風(fēng)化程度花崗巖類邊坡地質(zhì)災(zāi)害變形破壞模式及失穩(wěn)前的宏觀判據(jù)(見表3)。調(diào)查過程中，課題組借助這些宏觀判據(jù)在區(qū)內(nèi)其他類似隱患點(diǎn)得到了有效性驗(yàn)證，總體吻合性較好。根據(jù)5個(gè)要素能夠早期識(shí)別出可能致災(zāi)的隱患點(diǎn)，這些宏觀判據(jù)可以為區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害群測群防體系建設(shè)提供依據(jù)，支撐區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)。

表3 花崗巖地質(zhì)災(zāi)害變形破壞模式及宏觀判據(jù)

6 變形破壞機(jī)理

在掌握區(qū)內(nèi)花崗巖差異性風(fēng)化狀況、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布特征、變形破壞模式的基礎(chǔ)上，通過對其變形破壞過程中坡體形態(tài)變化、變形跡象、物理力學(xué)性質(zhì)的宏觀表征的定性分析，總結(jié)出本區(qū)域花崗巖地質(zhì)災(zāi)害變形破壞機(jī)理主要為以下3種。

6.1 軟化崩解機(jī)理

軟化和崩解變形破壞機(jī)理主要體現(xiàn)在全、強(qiáng)、中風(fēng)化花崗巖地質(zhì)災(zāi)害中。原始邊坡具有明顯原巖結(jié)構(gòu)，孔隙率高、干密度低，雨水極易入滲。雨水作用增加了巖土體容重，同時(shí)水體軟化作用逐步增強(qiáng)。降雨入滲后巖土體含水率變大，自重應(yīng)力的增大導(dǎo)致其下滑力增大，同時(shí)雨水軟化使得巖土抗剪強(qiáng)度減小，當(dāng)下滑力大于邊坡抗滑力的臨界值時(shí)，發(fā)生滑塌失穩(wěn)[12]。

耐崩解性差是強(qiáng)、全風(fēng)化花崗巖的重要特性，即遇水后巖土體易發(fā)生崩解作用，巖土體發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，此過程是不可逆的。隨著雨水入滲遷移，土體孔隙逐漸被水填充，土體失去了吸水能力，基質(zhì)吸力顯著降低，即土顆粒之間有效凝聚力顯著降低，膠結(jié)作用受到影響，土體力學(xué)強(qiáng)度顯著降低，巖土體呈現(xiàn)軟化、松散化。此外，邊坡體通常處于降雨-暴曬干濕循狀況下，溫度呈高低循環(huán)變化[13]，基質(zhì)吸力的增加、降低往復(fù)循環(huán)，導(dǎo)致土體中應(yīng)力反復(fù)波動(dòng)，這降低了其耐崩解性，極易促使巖土體結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致坡體失穩(wěn)。

6.2 累進(jìn)性破壞機(jī)理

累進(jìn)性破壞機(jī)理在研究區(qū)所有花崗巖類邊坡地質(zhì)災(zāi)害中均存在。它是一個(gè)時(shí)間概念，是孕災(zāi)、致災(zāi)連續(xù)的一個(gè)過程，只是因風(fēng)化的差異性，其孕災(zāi)、失穩(wěn)的歷時(shí)不同。對于全風(fēng)化滑塌型災(zāi)害，自降雨入滲后，巖土體經(jīng)歷了含水率增加、自重增大、基質(zhì)吸力消散、軟化作用、抗滑力降低、破壞失穩(wěn)這一漸進(jìn)性、累進(jìn)性的連續(xù)過程，具有顯著的累積效應(yīng)。對于強(qiáng)風(fēng)化滑塌型災(zāi)害亦如此，經(jīng)歷著裂隙拓展、延伸、貫通、滑塌面形成、破壞失穩(wěn)這一漸進(jìn)性、累進(jìn)性的連續(xù)過程(見圖10)。對于中風(fēng)化崩落型地質(zhì)災(zāi)害而言，其風(fēng)化作用、水動(dòng)力作用更具有顯著的累進(jìn)性：在風(fēng)化剝蝕、降雨沖刷作用下，溝隙溝槽的形成、結(jié)構(gòu)面切割、應(yīng)力平衡破壞、破壞失穩(wěn)同樣是持續(xù)性、累進(jìn)性變形破壞過程。微風(fēng)化花崗巖淺表層順坡面滑移破壞失穩(wěn)亦如此，在降雨條件下，局部出現(xiàn)變形滑動(dòng)、產(chǎn)生“撕口”，隨即向周邊拓展延伸，當(dāng)累積到一定程度時(shí)，隨即發(fā)生整體滑動(dòng)失穩(wěn)(見圖11)。

圖10 強(qiáng)-全風(fēng)化滑移型變形破壞機(jī)理Fig.10 The mechanism of deformation and failure of slide by hightly-weathered slump

圖11 微風(fēng)化滑移型變形破壞機(jī)理Fig.11 The mechanism of deformation and failure of slide by slightly-weathered

6.3 剛性破壞機(jī)理

該類型破壞機(jī)理主要發(fā)生在微風(fēng)化和球狀風(fēng)化花崗巖中。以“傾倒、崩落(墜落)”破壞為主。傾倒型崩塌(危巖)巖體力學(xué)強(qiáng)度較高，多發(fā)育縱張共軛“X”節(jié)理，其與緩傾坡外的結(jié)構(gòu)面將巖體切割成板柱狀塊體(見圖12)。在卸荷、水楔作用下，“X”節(jié)理不斷拓展延伸，板柱狀塊體重心不斷外移，最終剛性折斷傾倒，緩傾結(jié)構(gòu)面擦痕明顯，據(jù)階步判斷其為巖體傾倒失穩(wěn)過程中產(chǎn)生[14]。而對于“球狀風(fēng)化”產(chǎn)生的崩塌(危巖)，其巖體力學(xué)強(qiáng)度較高，現(xiàn)場回彈測試強(qiáng)度達(dá)到60～90 MPa，將其包裹的強(qiáng)、全風(fēng)化花崗巖多為結(jié)構(gòu)松散、滲透性強(qiáng)，極易受雨水侵蝕、流失。隨時(shí)間推移，微風(fēng)化“球狀”巖體逐步平挑、凸出坡面，呈“懸臂梁“狀。當(dāng)傾倒力矩大于自重產(chǎn)生的抗傾力矩時(shí)，“球狀”巖體脫離母巖發(fā)生崩落(墜落)失穩(wěn)(見圖13)。

圖12 微風(fēng)化傾倒型變形破壞機(jī)理Fig.12 The mechanism of deformation and failure of toppling by slightly-weathered

圖13 球狀風(fēng)化墜落變形破壞機(jī)理Fig.13 The mechanism of deformation and failure of falling by spherical-weathered

7 結(jié) 論

對研究區(qū)87處不同風(fēng)化程度花崗巖類地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果表明：其以全風(fēng)化和微風(fēng)化災(zāi)害居多，占比60%以上，均為小型；發(fā)育多分布在50～220 m、25°～45°的邊坡地帶，尤其人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)；時(shí)間上多發(fā)生在汛期5～9月份。

變形破壞模式可劃分為“滑移(滑塌)、傾倒、崩落(墜落)”3種類型。其中“滑移型”多發(fā)育分布在全、強(qiáng)和微風(fēng)化花崗巖中，“傾倒”型多發(fā)育分布在微風(fēng)化花崗巖中，“崩落(墜落)”型多發(fā)育分布在中風(fēng)化和“球狀”風(fēng)化花崗巖中。根據(jù)不同風(fēng)化程度的花崗巖邊坡地質(zhì)災(zāi)害變形破壞模式的差異性，將風(fēng)化程度、坡型特征、地形坡度、節(jié)理裂隙發(fā)育狀況、宏觀變形特征等5個(gè)因素作為花崗巖類邊坡變形破壞及失穩(wěn)前的宏觀判據(jù)。據(jù)此可對區(qū)內(nèi)花崗巖類邊坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)判和早期識(shí)別，支撐服務(wù)區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)工作。

“軟化崩解、累進(jìn)性破壞、剛性破壞”是研究區(qū)花崗巖地質(zhì)災(zāi)害主要的3種變形破壞機(jī)理。其中累進(jìn)性變形破壞機(jī)理覆蓋了所有花崗巖地質(zhì)災(zāi)害體，軟化崩解機(jī)理主要體現(xiàn)在中-全風(fēng)化花崗巖類邊坡地質(zhì)災(zāi)害中，而剛性變形破壞機(jī)理主要體現(xiàn)在微風(fēng)化和“球狀”風(fēng)化花崗巖類邊坡中。

根據(jù)本文研究結(jié)論，建議進(jìn)一步加強(qiáng)區(qū)內(nèi)群測群防，尤其是汛期的“三查”工作，推進(jìn)群測群防向群專結(jié)合轉(zhuǎn)變。同時(shí)提出微-全風(fēng)化花崗巖地質(zhì)災(zāi)害變形破壞過程中水文、物理力學(xué)參數(shù)等量化指標(biāo)的獲取，強(qiáng)-全風(fēng)化花崗巖在降雨作用下物理試驗(yàn)，降雨和邊坡變形破壞的耦合關(guān)系，邊坡失穩(wěn)降雨閾值的研究將是下一步研究工作的重點(diǎn)。