四川南部花崗巖地層崩崗成因機制及處理措施研究
——以機場工程為例

柳天佳，謝春慶，潘 凱，趙新杰，張李東

（廣東中煤江南工程勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510440）

1 概述

崩崗是指山坡土體在水力和重力綜合作用下受破壞而崩塌、沖刷后由崩落至坡腳的堆積物與崩落土體的坡面共同形成的特殊地貌[1-2]。崩崗的危害性僅次于滑坡和泥石流災害[3]，我國崩崗主要分布于南方粵、桂、閩、贛、湘、鄂、皖等地區(qū)，分布區(qū)總面積為48.34km2，數(shù)量達23.91萬個[4]。主要的發(fā)育地層為花崗巖、砂礫巖、砂頁巖和泥質(zhì)頁巖等，其中85%以上分布于花崗巖風化層中[5]。

近幾十年來關(guān)于崩崗我國學者做了大量的研究，主要的方向是對我國南方地區(qū)崩崗的成因機理、防治措施進行分析研究，研究的立足點多為水土保持與環(huán)境治理，而以工程建設(shè)為出發(fā)點的研究則相對較少。本文以四川南部某機場工程為例，系統(tǒng)分析工程區(qū)花崗巖地層崩崗的成因機制，并結(jié)合“大面積深挖高填”的機場工程建設(shè)特點，針對性地提出崩崗災害處理措施建議，為后續(xù)工程設(shè)計、施工提供依據(jù)，同時也為其他類似工程建設(shè)提供參考。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬季風高原型亞熱帶島狀立體氣候，氣候垂直分帶明顯。具有夏季長、氣溫日變化大、干熱、日照強、降雨集中等特點。研究區(qū)年平均氣溫20.3C°，年平均降雨量761.6mm，降雨一般集中在6～10月，多大—暴雨。

研究區(qū)地處云貴高原北部南北向構(gòu)造帶與“歹”字形構(gòu)造帶的復合部位。機場場區(qū)展布于走向S45°W延伸的山脊之上，海拔高程1829～1946.4m，屬于構(gòu)造侵蝕中山地貌，地形切割深度100～200m。

研究區(qū)地層主要由第四系松散堆積物（Q4）和寒武紀下統(tǒng)（∈1）、震旦系觀音巖組（Zbg）、下元古界會理群組（Pt1）、晉寧期花崗巖（γ2）組成。其中晉寧期花崗巖（γ2）分布最廣，面積約占場區(qū)總面積的80%，巖體以全風化為主，厚度20～60m，擾動狀態(tài)下呈砂狀。

3 崩崗特征

場區(qū)花崗巖地層分布區(qū)共發(fā)育23處崩崗。場區(qū)崩崗面積600～30000m2不等，以中型崩崗為主（面積1000～3000m2），個別為大型崩崗（面積大于3000m2）。根據(jù)崩崗的平面形態(tài)，將場地內(nèi)崩崗分為條形（圖1-a）、瓢形（圖1-b）、爪形（圖1-c）、混合型（圖1-d）[6]，其中條形崩崗5個，占比21.74%，瓢形崩崗13個，占比56.52%，爪形崩崗3個，占比13.04%，混合型崩崗2個，占比8.70%。

場區(qū)內(nèi)各崩崗形態(tài)要素包括：上部匯水區(qū)、崩壁、崩積體、輸沙通道和洪積錐[7]（圖2-a、b）。上部匯水區(qū)是指崩壁后緣至分水嶺的斜坡區(qū)域，匯水區(qū)面積主要由崩崗與分水嶺距離和所處斜坡面積決定，崩崗距分水嶺越遠、所處斜坡面積越大則匯水區(qū)面積越大。崩壁為崩崗內(nèi)陡峭或近垂直的后壁和側(cè)壁，場區(qū)內(nèi)崩壁高度在3～30m之間不等，崩壁后緣附近斜坡區(qū)域發(fā)育多級錯臺。崩積體是崩壁在重力侵蝕后溯源垮塌、崩落在崩崗內(nèi)部的堆積體，崩積體厚度3～15m。輸沙通道呈狹長狀分布于崩崗前端，是水流侵蝕、搬運崩積體的通道，寬度1～5m，場區(qū)崩崗輸沙通道長短不一，部分小型崩崗未見輸沙通道發(fā)育。洪積錐分布于輸沙通道的最前端，為崩積體經(jīng)水流由輸沙通道向外搬運運輸后的堆積體，場區(qū)內(nèi)洪積錐一般分布于寬緩“U”型溝谷兩側(cè)。

4 崩崗成因機制分析

崩崗是一種水力侵蝕和重力侵蝕相互作用的復合地貌類型，其發(fā)生須具備三個基礎(chǔ)條件：深厚松散的風化層、暴雨徑流、重力作用；同時地形、溫度、人類活動也是崩崗形成的影響因素[6-10]。

4.1 地形因素

場區(qū)崩崗均分布于分水嶺兩側(cè)的斜坡，崩崗后壁位置相對較高，多接近分水嶺，斜坡前緣與溝谷相接，斜坡坡度從分水嶺到溝谷逐漸變陡，一般10°～25°。斜坡為降雨的匯集、徑流和侵蝕提供了有利條件。斜坡上部坡度較緩，地表水流速較慢，以面狀侵蝕為主（圖3-a）；中下部坡度逐漸變陡，地表水流速加快，逐漸轉(zhuǎn)為下蝕為主（圖3-b），隨著斜坡前緣深切沖溝溝源的不斷下切和溯源發(fā)展，崩崗逐漸成型（圖3-c）；初步成型的崩崗后緣和側(cè)緣崩壁多呈陡傾或直立狀，此時地形因素逐漸引發(fā)崩崗成因中的另一侵蝕類型—重力侵蝕（圖3-d）；在水力和重力相互作用下，崩崗得以進一步發(fā)展、擴張。

通過對地形因素的分析，可以得出場區(qū)內(nèi)幾種類型崩崗是處于不同時期的地表形態(tài)。崩崗形成前期，坡面多表現(xiàn)為細溝、淺溝和深切的沖溝[11]；隨著沖溝的進一步深切、擴張，則形成崩崗的初期形態(tài)，也就是條形崩崗；多個條形崩崗的輸沙通道交匯相連則形成爪形崩崗；爪形崩崗內(nèi)部各“爪”之間的原地面被水力、重力侵蝕破壞后相連，瓢形崩崗也由此而生，瓢形崩崗也可由條形崩崗直接擴張形成；混合型崩崗則是多個處于不同發(fā)展期的崩崗形成的崩崗群。

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，場區(qū)發(fā)育崩崗的斜坡坡向多為南、西南或東南，也就是陽坡和半陽坡，常年充足的日光照射促進了花崗巖體的風化，因此斜坡坡向?qū)Ρ缻彽陌l(fā)育也有一定影響。

4.2 巖性因素

場區(qū)80%面積分布全風化花崗巖，厚度20～60m，為崩崗發(fā)育提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。全風化巖體多呈礫狀、砂狀和粉土狀，粗細混雜，總體粗顆粒含量大，細顆粒含量較少（表1）。粗顆粒間多形成架空結(jié)構(gòu)，孔隙度大、連通性強、透水性好，為地表水的入滲提供了空間和通道，有利于崩崗形成。

表1 場區(qū)全風化花崗巖顆粒組成

風化層中Fe2O3、Al2O3總體含量較低（表2），導致風化層膠結(jié)性差，排列松散，巖土體的抗沖刷、侵蝕的能力降低[12]，土體的抗剪強度（粘聚力、內(nèi)摩擦角）也隨之降低，風化層的崩解速度加快[13]，隨著地表水不斷入滲SiO2、CaO、MgO 因發(fā)生淋溶作用而逐漸損失[13]，導致風化層孔隙度進一步增大，整體結(jié)構(gòu)進一步破壞，進而促進崩崗的形成、發(fā)展。

表2 場區(qū)全風化花崗巖化學成分

4.3 氣象因素

研究區(qū)年平均降雨量761.6mm，雖未達到相關(guān)統(tǒng)計成果給出的一般水平（年均降雨量1000mm以上）[14]，但是降雨相對集中，且多為大—暴雨，降雨一方面對原生風化層進行濺蝕、沖刷侵蝕和搬運，促使崩崗的形成；一方面在已有崩崗的崩壁處形成落差較大的跌水，對崩壁底部進行側(cè)向掏蝕，促使崩壁在重力作用下崩塌、滑塌，從而使崩崗得到發(fā)展。

降雨形成的地表徑流在流經(jīng)崩壁后緣錯臺區(qū)時一部分沿各臺坎間豎向裂隙入滲形成地下水，地下水對崩崗后壁穩(wěn)定性影響主要表現(xiàn)在以下4個方面：①地下水沿裂隙面對崩壁產(chǎn)生橫向擠脹效應；②對崩壁風化層產(chǎn)生飽水加載效應；③浸泡、軟化風化層，降低其力學穩(wěn)定性；④地下水向下徑流過程中對風化層進行滲流潛蝕，同時溶解、水解風化層中易溶物質(zhì)，破壞其整體結(jié)構(gòu)性。

4.4 人類活動因素

研究區(qū)緊鄰鄉(xiāng)鎮(zhèn)人群聚集區(qū)，人類活動較為頻繁，在人工和機械的擾動下，全風化層上覆的粉質(zhì)粘土層已失去原有的結(jié)構(gòu)，土體結(jié)構(gòu)變得松散，內(nèi)部孔隙度增大，不僅原有的抗侵蝕能力消失，而且更有利于降雨的入滲、侵蝕。場區(qū)喬木多為松樹，陽坡灌木分布較少，松樹的根系在一定程度上破壞風化層的完整性，增加其裂隙發(fā)育程度。同時附近居民在全風化層的采砂行為也是誘發(fā)和促進崩崗形成的因素之一。

5 崩崗對機場工程建設(shè)的影響及處理措施

5.1 崩崗對機場工程建設(shè)的影響

機場工程是一個“大面積深挖高填”的土石方工程，目前該機場規(guī)劃跑道長3200m，機場飛行區(qū)指標近期為4C，機場設(shè)計標高1887.9m。機場建設(shè)土石方工程可分為挖方工程和填方工程（圖4），最大挖方邊坡高度58.5m，最大填方邊坡高度117.9m，崩崗對不同的工程區(qū)域的影響是不同的。

對填方區(qū)的影響：①松散的砂土狀的崩積體、洪積錐在填筑施工后，受上部飛機、填筑體等荷載的作用下產(chǎn)生過大沉降，導致機場跑道道面錯臺、斷板等病害；②松散飽和的崩積體、洪積錐在地震作用下產(chǎn)生液化，導致填筑體結(jié)構(gòu)、高填方邊坡結(jié)構(gòu)、道面等破壞；③降雨入滲對崩崗區(qū)內(nèi)松散崩積體、洪積錐進行滲透潛蝕而形成地下空洞，引起上部填筑體塌陷，進而造成機場跑道道面脫空、塌陷、斷板等破壞；④隨著位于填方邊坡區(qū)或填方邊坡穩(wěn)定性影響區(qū)的崩崗的不斷擴展，造成填方邊坡（尤其是高填方邊坡）變形、失穩(wěn)；⑤場區(qū)全風化花崗巖分布面積達80%，機場工程為挖填平衡，因此機場大部分填料為全風化花崗巖，開挖后的全風化花崗巖多呈砂狀，具有易濕化、不易壓實的特點，且填方邊坡坡度一般為24°左右，高填方邊坡可能在強降雨季節(jié)出現(xiàn)“類崩崗”災害，并且“類崩崗”的發(fā)育速率遠大于自然崩崗的形成速率，在較短時間內(nèi)對機場穩(wěn)定性造成嚴重威脅。

對挖方區(qū)的影響：①未完全挖除的崩崗進一步發(fā)育，影響整個挖方邊坡的穩(wěn)定性；②崩積體對降雨向機場飛行區(qū)內(nèi)運移、堆積，有掩埋機場跑道的風險；③在挖方邊坡處形成新的崩崗，對機場造成安全威脅。

5.2 崩崗處理措施

（1）填方區(qū)：①對崩壁分級開挖臺階與填筑體進行搭接；②完全清除填方區(qū)崩崗內(nèi)的崩積體和洪積錐，在崩崗坑和輸沙通道內(nèi)設(shè)置碎石盲溝，盲溝包裹反濾土工布或在其上部設(shè)置碎石反濾層；③對填方邊坡坡腳線外附近區(qū)域的崩崗設(shè)置觀測點，對其發(fā)展速度進行長期監(jiān)測，同時在填方邊坡坡面、坡腳、坡腳與崩壁之間的匯水區(qū)設(shè)置截排水溝，將機場附近匯水引流至崩崗下游區(qū)域；④對填方土面區(qū)、邊坡區(qū)表層用粘性土進行壓實封面處理，減少降雨的沖刷侵蝕和入滲；⑤填方邊坡坡面采用加筋格構(gòu)+植草進行防護。

（2）挖方區(qū)：①全部挖除挖方區(qū)內(nèi)的崩崗，對挖方土面區(qū)超挖部分或挖方后殘留的崩崗坑采用填方區(qū)處理標準進行回填；②坡面采用格構(gòu)或噴漿進行防護處理；③在挖方邊坡頂部、坡面和坡腳設(shè)置截排水溝；④對位于挖方邊坡坡頂線外附近的崩崗設(shè)置長期觀測點。

6 結(jié)語

（1）崩崗的形成是一個內(nèi)外地質(zhì)因素相互作用產(chǎn)生的綜合結(jié)果。在四川南部及整個西南地區(qū)，當?shù)匦?、巖性、氣象以及人類活動等因素滿足一定條件且共同作用時，也會發(fā)育崩崗災害。

（2）場區(qū)崩崗以中型為主，深厚的全風化花崗巖層、集中的強降雨以及風化層自重作用是場區(qū)崩崗形成的控制性因素，也是崩崗形成的內(nèi)、外地質(zhì)因素的表現(xiàn)。

（3）機場工程建設(shè)是一個龐大的系統(tǒng)工程，對于一個大面積深挖高填的土石方工程，最佳的防護治理措施應選擇以削弱外地質(zhì)因素為目的治理手段，并采取多種治理措施做到因地制宜、綜合治理。同時治理還應與監(jiān)測并行，加強對崩崗的監(jiān)測，及時掌握災害的變化與發(fā)展趨勢，防微杜漸。

（4）鑒于目前關(guān)于崩崗與機場工程及類似大面積土石方工程之間的研究相對較少，本研究可較好的指導后續(xù)工程的設(shè)計與施工，同時對類似工程，尤其是四川南部乃至整個西南地區(qū)機場工程、道路工程均具有較高參考價值。