荔浦市巖質(zhì)崩塌形成條件及失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)特征

張漓黎, 黃邦紹, 何 木, 李隆杰

(廣西壯族自治區(qū)桂林水文工程地質(zhì)勘察院，廣西 桂林 541002)

0 前言

荔浦市位于廣西東北部，“山水甲天下”的桂林市南面，是“廣西旅游名縣”之一，擁有溶洞奇觀——銀子巖,“一洞穿九山、暗河漂十里”妙景——豐魚巖，桂林山水灣——荔江灣3個(gè)國(guó)家AAAA級(jí)景區(qū)。所謂“絕美的風(fēng)景，多在奇險(xiǎn)的山川”，占荔浦市面積21%的碳酸鹽巖區(qū)為世人奉獻(xiàn)了絕美的風(fēng)景，但同時(shí)也存在很大的安全隱患。荔浦市碳酸鹽巖區(qū)巖質(zhì)崩塌、危巖地質(zhì)災(zāi)害(含歷年災(zāi)點(diǎn))共計(jì)61處，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的20%，現(xiàn)存隱患威脅到人口1 487人的安全，威脅到財(cái)產(chǎn)2 640萬(wàn)元的安全。銀子巖、豐魚巖、荔江灣景區(qū)內(nèi)都曾發(fā)生過(guò)巖質(zhì)崩塌并仍有危巖隱患存在。荔浦市歷年地質(zhì)災(zāi)害造成人員1人死亡，4人受傷，均因巖質(zhì)崩塌所致。

本文根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查情況，以荔浦市碳酸鹽巖區(qū)巖質(zhì)崩塌、危巖為研究對(duì)象，總結(jié)其基本發(fā)育特征、巖體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以及形成條件[1]，并以一處危巖體為例，用無(wú)人機(jī)進(jìn)行三維掃描并分析。由于危巖的發(fā)展趨勢(shì)就是形成巖質(zhì)崩塌，后文中一般用“巖質(zhì)崩塌”統(tǒng)稱。

1 自然地理與地質(zhì)環(huán)境

荔浦市地勢(shì)上處于四面環(huán)山，周高中低。純碳酸鹽巖區(qū)其地貌組合形態(tài)有構(gòu)造溶蝕地貌——峰林谷地、峰叢洼地，為巖質(zhì)崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的地段。侵蝕堆積地貌——河谷階地大部分為覆蓋型巖溶區(qū)，階地內(nèi)偶有灰?guī)r孤峰、峰叢矗立，局部形成孤峰平原、峰林平原等巖溶平原地貌，也有巖質(zhì)崩塌發(fā)育。發(fā)育地層以泥盆系中上統(tǒng)中厚層-厚層灰?guī)r、白云巖為主，巖溶中等-強(qiáng)烈發(fā)育，主要巖溶形態(tài)有巖溶洼地、落水洞、溶洞、地下河、伏流、巖溶地面塌陷等，溶洞規(guī)模較大，地下水豐富，巖溶垂向發(fā)育強(qiáng)烈，洼地、漏斗、落水洞等星羅棋布，地下水以管道流為主系明暗交替出現(xiàn)。大氣降雨補(bǔ)給強(qiáng)烈，地下水和地表水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系較迅速，地下水動(dòng)態(tài)極不穩(wěn)定。

荔浦市按構(gòu)造單元屬南華準(zhǔn)地臺(tái)桂中—桂東臺(tái)陷桂東北凹陷的海洋山斷褶帶，區(qū)內(nèi)發(fā)育多條斷裂、褶皺。其中荔浦至平樂(lè)斷裂、新圩斷裂等壓性斷裂對(duì)巖體結(jié)構(gòu)影響最大。受構(gòu)造影響，調(diào)查區(qū)內(nèi)巖石垂直節(jié)理裂隙十分發(fā)育，山體表面巖體完整性較差。

2 巖質(zhì)崩塌發(fā)育特征

2.1 規(guī)模

調(diào)查區(qū)內(nèi)共發(fā)育巖質(zhì)崩塌61處，規(guī)模為0.045～9 600 m3，絕大多數(shù)在500 m3以下雖都屬小型，但體量懸殊(圖1a)。

圖1 巖質(zhì)崩塌發(fā)育基本特征統(tǒng)計(jì)

2.2 發(fā)育高度

調(diào)查范圍內(nèi)山頂標(biāo)高182.4～426.72 m，地面標(biāo)高113 m，相對(duì)高差70～313 m，巖質(zhì)崩塌絕大多數(shù)發(fā)育在碳酸鹽巖區(qū)自然巖質(zhì)斜坡山體中上部或靠近山頂?shù)奈恢?，發(fā)育高度較高，分布相對(duì)集中，多呈群體和面狀分布，絕大多數(shù)巖石崩塌處常存在大量的不穩(wěn)定危巖體，在50～100 m范圍內(nèi)最多，占比45.90%(圖1b)。

2.3 控制結(jié)構(gòu)面特征

區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖地層主要發(fā)育有3組節(jié)理裂隙，即NE-SW，NW-SE，NNE-SSW，2組原生層面裂隙，主要傾向方向有NE、SEE、SE、SW和NW，主要傾角在50°以上，占67%，其中近垂直(70°～90°)的占46%。節(jié)理裂隙寬度最大達(dá)40 mm，最小1 mm。節(jié)理裂隙密度達(dá)0.3～4條/m，裂隙較平直，局部有泥質(zhì)充填，部分裂隙面被紅褐色鐵氧化物或泥質(zhì)渲染。受陡傾控制結(jié)構(gòu)面影響，區(qū)內(nèi)巖質(zhì)崩塌以墜落式為主。

3 巖質(zhì)崩塌形成條件

3.1 地形地貌

巖質(zhì)崩塌發(fā)育最多的地貌區(qū)為侵蝕溶蝕峰叢洼地、峰林谷地地貌區(qū)(圖2a)，地貌特征以奇峰林立、石壁陡峭著稱。微地貌主要為山體陡坡和陡崖的中上部，大多數(shù)發(fā)育與坡度大于70°的斜坡上(圖2b)。坡面形態(tài)有凸形、凹形和平直形。其所處陡崖坡面往往有凸起的巖塊或裂面存在，形成塊狀、柱狀、楔狀、層狀、層疊狀、倒錐狀、三角狀、滾石狀、孤石狀、不規(guī)則狀、碎塊狀等狀的危巖體，以塊狀、柱狀、層狀、層疊狀、不規(guī)則狀為主。

圖2 地形地貌對(duì)巖質(zhì)崩塌的影響

3.2 地層巖性

荔浦市巖質(zhì)崩塌最發(fā)育的地層為泥盆系上統(tǒng)桂林組(D3g)，其發(fā)育密度及數(shù)量均遠(yuǎn)超其他地層(圖3)。其巖性為灰白色中厚層塊狀灰?guī)r、白云巖，巖溶發(fā)育程度強(qiáng)，溶蝕裂隙、溶溝(槽)、層間裂隙十分發(fā)育。由于其巖層厚度大，為剛性強(qiáng)的較硬巖，力學(xué)模型接近彈性體，受力易脆性形變，產(chǎn)生與巖層面貫通并相互切割的“T”或“X”形剪切結(jié)構(gòu)面。另外，臨空面巖體在強(qiáng)烈卸荷作用下，產(chǎn)生新的卸荷裂隙或者原有結(jié)構(gòu)面進(jìn)一步擴(kuò)展、擴(kuò)張，最終貫通。山體在結(jié)構(gòu)面的切割下，完整性受到破壞，形成塊裂狀結(jié)構(gòu)。

圖3 荔浦市巖質(zhì)崩塌與地層巖性關(guān)系

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

荔浦市經(jīng)歷多期構(gòu)造發(fā)展階段，形成了境內(nèi)錯(cuò)綜復(fù)雜的構(gòu)造格架，對(duì)構(gòu)造附近巖體完整性影響極大。斷層樞紐附近節(jié)理(原生構(gòu)造裂隙或次生構(gòu)造節(jié)理)密度最多達(dá)為12條/m，翼部節(jié)理密度可達(dá)1～3條/m。伴生的次級(jí)斷裂及構(gòu)造裂隙也發(fā)育，造成構(gòu)造附近巖體嚴(yán)重破碎，易于形成危巖體。巖質(zhì)崩塌與斷層、褶皺構(gòu)造關(guān)系較為密切，均發(fā)育于距離構(gòu)造行跡5 km以內(nèi)地帶(表1)。

表1 荔浦市危巖地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)構(gòu)造距離關(guān)系表

3.4 大氣降雨

巖質(zhì)斜坡的破壞過(guò)程是變形積累的過(guò)程，降雨是巖質(zhì)崩塌的重要外部誘發(fā)因素之一。降雨入滲使結(jié)構(gòu)面間充填物或膠結(jié)物潤(rùn)滑、膨脹，破壞巖體之間的力學(xué)聯(lián)結(jié)，使結(jié)構(gòu)面加寬加深；雨水沖刷掏空危巖體底部的泥土、砂石，進(jìn)一步使與母巖初步脫離接觸的危巖體失去支撐；在雷雨、爆破等振動(dòng)動(dòng)力因素觸發(fā)下，失穩(wěn)崩落[2]。

荔浦市巖質(zhì)崩塌與降雨關(guān)系密切，多發(fā)生在每年的5—7月份(圖4a)，數(shù)量占比50%(圖4b)；5—6月份是降雨量最多、暴雨次數(shù)最多的月份，與地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)期吻合[3]。

圖4 荔浦市巖質(zhì)崩塌與各月降雨關(guān)系(根據(jù)調(diào)查到確切日期的巖質(zhì)崩塌統(tǒng)計(jì))

3.5 生物作用(植物根系)

調(diào)查區(qū)內(nèi)的巖溶石峰山體中，一般多生長(zhǎng)有草叢、喬灌樹(shù)木，部分呈半裸露狀或全裸露狀?；?guī)r石峰邊坡，一般土體較少，植物(榕樹(shù)較常見(jiàn))的根系多深入于巖石的裂縫中，通常長(zhǎng)在石壁中而成為景觀樹(shù)；根系在樹(shù)木生長(zhǎng)過(guò)程中不斷增大，裂隙也不斷變寬加大，最終導(dǎo)致巖塊與母巖分離形成危巖。

危巖形成后，植物根系繼續(xù)生長(zhǎng)脹寬巖石裂縫，且樹(shù)木本身的重量不斷增加引起的對(duì)危巖體的荷載不斷增加，導(dǎo)致危巖體變形加劇，從而崩塌。

3.6 人為因素

荔浦市內(nèi)人類工程活動(dòng)主要有修路、建房、采石施工爆破等。區(qū)內(nèi)部分地段原為采石場(chǎng)，因城鎮(zhèn)建設(shè)而廢棄。采石場(chǎng)和建設(shè)工程修路、建房開(kāi)挖邊坡等施工多采用爆破的方法進(jìn)行，爆破震動(dòng)使山體中形成新的次生裂隙，同時(shí)使原有的裂隙變寬；且采石活動(dòng)使山體自然邊坡的坡度變陡；有利于危巖體發(fā)展，不利于巖體平衡，從而產(chǎn)生崩塌。

3.7 地震

地震對(duì)巖質(zhì)崩塌影響主要為：在地震構(gòu)造力的直接破壞下巖體中結(jié)構(gòu)面增多，巖體由整體狀變?yōu)閴K裂、碎裂狀，破壞了巖體的原生結(jié)構(gòu)，同時(shí)震動(dòng)使巖體松動(dòng)，使巖體對(duì)控制面的法相壓力減弱，增大了下滑；二是為巖質(zhì)崩塌發(fā)生提供大量物源，即松動(dòng)巖塊(危巖體)，在降雨作用下可演變成崩塌。

4 巖質(zhì)崩塌失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)特征

荔浦市巖質(zhì)崩塌失穩(wěn)方式有墜落式、傾倒式和滑移式[4]3種，運(yùn)動(dòng)方式以墜落、傾倒-滾落和滑移-傾倒-滾落方式居多。區(qū)內(nèi)墜落式48處，占78.69%；滑移式5處，占8.20%，傾倒式8處，占13.11%；墜落式遠(yuǎn)多于其他兩類。

4.1 墜落式

區(qū)內(nèi)墜落式巖質(zhì)崩塌多從60°以上的陡崖上部或頂部起始，以較大初速度墜落至下方坡腳或斜坡后滾動(dòng)、跳躍，直至速度為0[5]。巖塊崩落運(yùn)動(dòng)路徑中有一定概率發(fā)生與山體相撞，而導(dǎo)致崩塌巖塊碎裂成小塊并發(fā)生彈射，彈射方向有時(shí)發(fā)生大于90°的改變，并且彈射距離可達(dá)300 m以上或大于山體高度。

4.2 滑移式

區(qū)內(nèi)滑移式崩塌多發(fā)生在坡面大于50°的陡坡，其軟弱結(jié)構(gòu)面傾向與坡向順向，危巖體在重力作用下向臨空面滑移，當(dāng)重心滑出斜坡后產(chǎn)生崩塌。危巖體的運(yùn)動(dòng)起始于下部，沿斜坡以較小的初速度翻滾而下，運(yùn)動(dòng)形式為滑移-傾倒-滾落，起始運(yùn)動(dòng)形式為滑移。

4.3 傾倒式

區(qū)內(nèi)傾倒式崩塌多發(fā)生在山體懸崖位置，危巖體受垂直結(jié)構(gòu)面控制與穩(wěn)定母巖分離，受傾覆力矩作用，以危巖體下端為支點(diǎn)，從上端開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)性傾倒運(yùn)動(dòng)，巖塊沿斜坡滾落，初速度較小，運(yùn)動(dòng)距離較其他兩類短，運(yùn)動(dòng)形式為傾倒-滾落，起始運(yùn)動(dòng)形式為傾倒。

5 無(wú)人機(jī)三維掃描及分析實(shí)例

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái)搭載傳感器設(shè)備，來(lái)獲取地面信息的遙感方式。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量采集得到的數(shù)據(jù)，可以建立全區(qū)全景三維模型及分區(qū)高精度三維模型，對(duì)于地質(zhì)人員難以攀爬的高陡灰?guī)r山體斜坡上進(jìn)行的地災(zāi)調(diào)查有極大的優(yōu)勢(shì)[6]。荔浦市巖質(zhì)崩塌、危巖調(diào)查中也運(yùn)用了這一技術(shù)，下面以其中一處為例來(lái)闡述。

荔城鎮(zhèn)五里村木魚屯危巖(圖5)是構(gòu)造溶蝕地貌單元典型危巖地質(zhì)災(zāi)害。該地貌單元山體坡度較陡，基巖裸露或覆蓋層很薄，建(構(gòu))筑物多為依山而建；巖溶發(fā)育程度中等-強(qiáng)烈，地下巖溶水水量中等-豐富；距離新圩斷裂小于1 km。危巖發(fā)育的灰?guī)r山體基座相連，山頂高程410 m，山腳谷地標(biāo)高160～180 m，高差240 m，山體成錐形，中上部陡崖，中下部斜坡40°～45°，坡向60°～80°。出露為泥盆系中統(tǒng)唐家灣組(D2t)中厚層灰?guī)r，呈微風(fēng)化，屬較硬巖，巖層產(chǎn)狀260°∠5°。根據(jù)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該處主要發(fā)育：J1：160°∠65°，長(zhǎng)度18 m，密度2.00條/m；J2：60°∠85°，長(zhǎng)度5～30 m，密度0.20～0.50條/m。山體自山頂延伸到山體下部發(fā)育有一條小斷裂D1，產(chǎn)狀347°∠70°，斷裂面張開(kāi)度0.3～1.0 m。其中J2與山體斜坡順向，為近直立陡傾結(jié)構(gòu)面，在J1、層理面的共同作用下，巖體被切割成塊裂狀，形成了破壞形式為傾倒式的危巖①，崩落方向?yàn)?0°。危巖②在此基礎(chǔ)上受小斷裂D1的切割，與近直立斜坡上母巖割裂，破壞形式也為傾倒式，崩落方向受斜坡坡度制約，為150°。

圖5 荔浦市木魚屯危巖無(wú)人機(jī)三維掃描影像

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)荔浦市境內(nèi)61處巖質(zhì)崩塌、危巖的調(diào)查研究，總結(jié)了其規(guī)模、發(fā)育高度、控制結(jié)構(gòu)面等發(fā)育特征，分析了地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、大氣降雨、生物作用、人為因素、地震等形成條件，及墜落式、滑移式、傾倒式巖質(zhì)崩塌失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)特征；最后，以一處危巖為例，采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行三維掃描并分析其形成原因及預(yù)測(cè)其失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)特征。