遠安縣嫘祖鎮鹽池村“一炷香”危巖體形成機制及穩定性分析

劉 輝,張 波,李佑剛,張鑫鑫

(1.湖北省遠安縣國土資源局,湖北 宜昌 444299; 2.湖北省鄂州地質環境監測保護站,湖北 鄂州 436000)

遠安縣嫘祖鎮鹽池村“一炷香”危巖體形成機制及穩定性分析

劉 輝1,張 波2,李佑剛1,張鑫鑫1

(1.湖北省遠安縣國土資源局,湖北 宜昌 444299; 2.湖北省鄂州地質環境監測保護站,湖北 鄂州 436000)

以遠安縣“一炷香”危巖體為研究對象,在現場地質調查研究和危巖體變形監測工作的基礎上,對“一炷香”危巖體的形成機制和穩定性進行研究,得出以下結論:“一炷香”危巖體基座表面裂隙發育,巖體較為破碎,變形特征明顯,崩落方位南、南偏東方向可能性較大;危巖體現狀處于欠穩定—不穩定狀態,預測其發展趨勢為不穩定,在采空區變形、塌陷以及外動力作用下,危巖體失穩可能性大。

危巖體;變形特征;形成機制;穩定性

遠安縣位于湖北省鄂西山區,處于鄂西山地向江漢平原過渡的低山丘陵地帶,地勢西高東低,山高坡陡,屬荊山山脈向南東的延伸部分,山勢、水系的發育明顯受地質構造的制約,呈近南北向展布。沮河自北向南從中部穿境而過,由于受構造的剝蝕和沮河的侵蝕,縣區地貌可分為構造剝蝕中低山區、構造剝蝕低山丘陵區和沮河沖積平原區三大地貌單元。在地形地貌、地層巖性、地質構造、水文氣象等自然因素和人類經濟工程活動等人為因素作用下,縣內滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等地質災害頻繁發生,給人民群眾生命財產安全及廠礦企業生產造成巨大的威脅和經濟損失。例如1980年6月3日發生的鹽池河崩塌,崩塌堆積體近100萬m3,死亡284人,財產損失2 500多萬[1]。

2015年7月—9月,遠安縣嫘祖鎮鹽池村“一炷香”危巖體—廟溝一帶山體接連發生3起崩塌災害事件;2016年3月以來,“一炷香”危巖體后緣裂縫處測縫計監測到的位移量突然增大,危巖產生新的裂縫,其下方分松公路路面形成開裂,且路面裂縫寬度持續增大。由于這些危巖體形成過程緩慢,形成機制復雜,隱蔽性較大,失穩時又具有突發性,往往規模較大,破壞性強[2-3]。因此,科學合理地分析危巖體形成機制及穩定性評價,對該區域的危巖體災害進行風險評估和工程治理具有重要意義[4-6]。以“一炷香”危巖體為研究對象,在詳細的野外地質調查基礎上,對“一炷香”危巖體的發育分布特征、形成機制進行研究,并評價其穩定性,旨在為后期“一炷香”危巖體的災害風險評估和防治提供理論依據。

1 地質背景

研究區位于遠安縣西北部,地貌類型屬構造剝蝕中低山區地貌(圖1)。海拔標高+450.0～+1 251.0 m,相對高差達801.0 m。鹽池河自西向東貫穿研究區(圖3)。受地層巖性的控制,研究區內燈影組粉晶云巖一般多形成陡崖地貌,危巖體發育;陡山沱組泥質白云巖常見為緩坡地形,坡度30°～45°,少見危巖體發育。區內植被中等發育,山上以灌木為主,山下多為農田,植被覆蓋率約60%以上[7]。

區內出露地層自上而下為:第四系松散堆積層(Q4),寒武系下統水井沱組(∈1s),震旦系上統燈影組(Z2dn)、陡山沱組(Z2d)及前震旦系水月寺群(AnZ)。研究區發育一平緩單斜構造,巖層產狀70°～120°∠6°～15°,褶皺弱發育,主要以斷裂構造為主。

區內發育山澗溪流和沖溝,地下水類型主要為基巖溶隙裂隙水,含水介質主要為震旦系燈影組(Z2dn)白云巖,巖體裂隙較發育,含水性較差,地下水主要經巖體裂隙向當地的侵蝕基準面——河流進行排泄;地表水主要為鹽池河河水,水量隨季節變化較明顯,主要接受大氣降水補給,向下游排泄。

圖1 遠安縣嫘祖鎮鹽池村地理位置示意圖Fig.1 Location map of Yanchi village,Leizu Town,Yuanan County1.正斷層;2.逆斷層;3.性質不明斷層;4.向斜軸;5.構造剝蝕中低山區;6.平原區;7.構造剝蝕低山丘陵區;F1.樟樹坪斷層;F2.鹽池河斷層;F3.通城河斷裂;F4.遠安斷裂;Ⅰ.石橋坪向斜;Ⅱ.當陽向斜;Ⅲ.遠安向斜。

研究區歷史磷礦開采強度高,形成了大范圍的地下采空區,在地形地貌、地層巖性、地質構造、水文氣象等自然因素和采礦活動等人為因素作用下,巖體的應力狀況發生改變,進而引發了一系列的地質災害,對人民的生命財產安全造成巨大的危害[8]。

2 危巖體發育特征

2.1 危巖體基本特征

“一炷香”危巖體位于分松公路北西,南北向山脊的東側(圖3)。危巖體中心坐標X:3454730,Y:37528338,整體呈圓錐狀,塊體規模35 m×60 m×29 m,體積6.09×104m3。分布高程:680～740 m(圖2),巖性主要為Z2dn1白云巖。

其主控結構面——后緣拉裂縫產狀為190°∠ 83°,裂縫上寬下窄自下而上貫穿整個危巖體,并繼續向下延伸(圖3、圖4-a)。據調查,該裂縫于危巖體頂部最寬處約25 m,危巖體西側基座處裂縫寬0.10～0.60 m,裂面粗糙,局部碎石充填;該主控結構面于危巖體基座西側出露明顯,沿基座向東也已出現較為新鮮的壓裂痕跡,說明該主控結構面近期處于發展延伸階段,逐漸將巖體自基座處切割成為一獨立塊體。

2.2 危巖體變形特征

上世紀90年代即開始對“一炷香”危巖體開展監測工作,并于2014年7月14日設置專項儀器監測;至2016年2月,危巖體后壁主控裂隙尚未發現明顯變化;2016年2月下旬,該裂縫處設置的1號監測點監測數據表明,該裂縫變形明顯增大,2016年2月8日—5月4日縫寬已累計變形量達1.6 cm(圖5)。

沿危巖體基座自西向東調查發現,于基座西側中前部發育兩組相交裂隙L1、L2(圖4-b),L1:產狀180°∠33°,隙面微張、平直,向危巖體后壁方向延伸,并未與后壁主控裂縫聯通;L2:產狀175°∠76°,隙面微張、較平直,向危巖體頂部方向延伸;危巖體被上述兩組裂隙切割呈楔形體,兩組裂隙隙面可見新鮮張開痕跡,裂隙寬度約1～3 mm。

東側基座區域巖溶現象較為發育(圖4-c),初步判斷該區域存在一構造帶;基座表面劈裂現象明顯,一些浮于基座表面的塊體手掰即掉,也可見多處小規模塊體崩落新鮮痕跡,掉落塊體直徑5～37 cm。同時,與基座西側主控結構面相對應的區域發育新鮮壓裂張開痕跡(圖4-d),呈向南東方向扭壓形態,逐漸將巖體自基座處切割成為一獨立塊體。

背部(北側)發育一自上而下的裂隙(L3),可見長度約10 m,并向下延伸,裂隙寬約5～30 cm,產狀為285°∠82°,裂隙面粗糙,充填碎石,裂隙底部巖體較為破碎;可視范圍西側底部發育一裂隙(L4)與L3相交,L4可見長度約4 m,向危巖體東側延伸,裂隙寬度約5～10 cm,產狀為210°∠35°,裂隙面粗糙,局部充填碎石。同時,背部(北側)巖體表面劈裂現象明顯,靠近底部西側與東側“基座”均存在崩落、掉塊新鮮痕跡,局部已經形成“凹腔”(圖4-e)。

圖2 遠安縣嫘祖鎮鹽池村“一炷香”危巖體全貌Fig.2 Overall view of“Yizhuxiang”dangerous rock mass in Yanchi Village, Leizu Town,Yuanan County

圖3 “一炷香”危巖體示意圖Fig.3 Schematic section of“Yizhuxiang”dangerous rock mass

危巖體頂部發育兩條相交裂隙(L5、L6),L5:產狀183°∠62°,裂隙面微張、平直,向危巖體頂部方向延伸,并于南壁中上部穿出;L6:產狀5°∠33°～68°,裂隙面微張,近弧形發育,自危巖體頂部前端穿出;危巖體被上述兩組裂隙切割為楔形體,上述兩組裂隙面近期變形痕跡不明顯,張開度較小(圖4-f)。

3 危巖體形成機制分析

3.1 上硬下軟的巖層組合形式

“一炷香”調查區上部巖性為燈影組白云巖,抗風化能力較強,易形成高大陡崖,高陡臨空,受裂隙切割影響,巖體較為破碎;下部為陡山沱組硅質白云巖、炭質頁巖夾層及磷礦層,抗風化能力較弱,強度相對較低,易形成緩坡(圖6)。在此巖層組合條件下,底部炭質頁巖等軟層在上覆巖體重力作用下,易產生塑性變形,并易引起上部硬質巖體由于受拉發生脆性破壞[9-10]。此種上硬下軟的地層組合結構為崩塌的形成創造了良好的地質環境及物質條件。

圖4 “一炷香“危巖體變形破壞特征Fig.4 Characteristics of deformation and failure in “Yizhuxiang” dangerous rock massa.危巖體主控結構面;b.“一炷香“危巖體中前部發育裂隙;c.巖溶現象發育;d.東側基座壓裂展開痕跡;e.東側基座表面座劈裂;f.“一炷香”西側裂縫分布。

圖5 “一炷香”主控結構面1號監測點變化特征Fig.5 Variation characteristics of 1# monitoring point of control fissure in “Yizhuxiang” dangerous rock mass

圖6 “一炷香”危巖體工程地質剖面圖Fig.6 Engineering geology profile of “Yizhuxiang” dangerous rock mass1.震旦系燈影組白云巖;2.震旦系陡山沱組白云巖、頁巖;3.水月寺群。

3.2 構造條件及巖溶作用

研究區位于鹽池河斷層帶(圖1),受斷裂構造的影響,區內巖體較破碎,完整性較差,節理裂隙發育,易發生崩塌掉塊。一方面大氣降水從巖體裂隙滲入,軟化巖體結構面,降低灰巖力學強度,改變了結構面的力學狀態,或直接成為危巖體的邊界。另一方面裂隙面內的雨水產生靜水壓力作用,使處于臨空面方向的巖體獲得了推力,從而可能出現變形并隨之形成崩塌。

3.3 采空區影響

3.3.1 采空區基本情況

區內柳山溝磷礦從上世紀80年代開始興辦,截至2011年底在礦山西南側自東向西已形成采空區十多處。到2016年,柳山溝磷礦柳山溝工區Ⅰ采區采空區總面積已近0.5 km2。據湖北廣原化工集團有限公司2016年3月的“柳山溝磷礦采掘工程平面圖”表明,除“一炷香”危巖體區域保留一尺寸61 m×52 m(長×寬)的保安礦柱未開采外,“一炷香”周邊區域底部基本為采空區(圖7)。

3.3.2 采空區誘發地表變形的機制

由于受柳山溝磷礦采空區的影響,地表變形(裂隙帶)影響高度為302 m,即當頂板至地表的高度<302 m時,易產生地面開裂變形;當>302 m時,地面相對較穩定,一般不易產生地面開裂、塌陷變形。研究區礦層頂板標高390～400 m,“一炷香”危巖體發育高程為680～740 m,基座發育高程為680 m,處于采空區地表變形影響范圍內(圖7)。

圖7 “一炷香”危巖體保安礦柱及采空區邊界地段地應力分布Fig.7 Safety pillar and ground stress distribution in the goaf boundary areas of “Yizhuxiang” dangerous rock mass

區內磷礦采礦方法大都為預留規則礦柱的房柱法及全面采礦法,采用多平硐中央斜井聯合開拓方案。當地層內的局部礦體被開采出之后,在巖體內形成一個空洞,使其周圍的應力平衡狀態遭到破壞,產生局部應力集中(見圖7)。這也正是地表裂縫大都分布在采空區上方或采空與非采空區對應的邊界部位的最直接原因。

3.3.3 采空區對“一炷香”危巖體的影響

采空區變形大致可分為兩個階段。第一階段,靠近磷礦層壁端巖層的上表面首先會產生開裂,進而頂板出現變形、開裂,上覆巖層向下彎曲、下沉,發生斷裂,產生裂縫,該階段一般呈直筒型分布;第二階段為變形區向外擴展直至應力調整平衡,該階段一般呈漏斗型分布[11]。雖然“一炷香”區域保留保安礦柱,但是其周邊均為采空區,尤其是其東側采空區范圍較大但其與采空區緊鄰,屬采空區變形過程中易變形區,隨著時間的推移,預留礦柱將不斷風化、片幫剝落,而使該危巖體產生失穩的可能性亦日趨增大。

圖8 “一炷香”危巖體裂隙發育示意圖(西側、背部)Fig.8 The development of fracture of “Yizhuxiang”dangerous rock mass(west、back)

4 危巖體穩定性分析與評價

4.1 地質結構分析

“一炷香”危巖體區內地層傾向為95°,危巖區山體斜坡結構類型為切向坡,巖層傾角較平緩為15°,巖性為燈影組淺灰色中厚—厚層狀中等—微風化白云巖,節理、裂隙發育,巖體較破碎。其基座位于礦層頂板以上280 m左右,處于采空區地表變形影響范圍內。在采空區變形、塌陷以及外動力作用下,都可能破壞危巖體的平衡條件,導致危巖體失穩。

4.2 赤平投影分析

4.2.1 危巖體破壞模式分析

根據“一炷香”危巖體主要裂隙發育情況(圖8),結合危巖體的坡面和不利結構面特征,其可能發生的變形破壞模式主要有以下四種:

模式一結構面組合方式為主控裂隙與L1組合,致“一炷香”危巖體產生滑移式破壞;可能崩落方位南、南偏東。

模式二結構面組合方式為L1與L2組合,致“一炷香”危巖體前半部分滑移式破壞,后半部分穩定性進一步降低,全部崩滑的可能性增加;可能崩落方位南、南偏東。

模式三結構面組合方式為L5與L6組合,頂部產生滑落崩塌,最先可能產生滑落的是 L5 與 L6組合形成的楔形體,該楔形體崩落后,L5延伸段繼續發生變形破壞;可能滑落方位南、南偏東。

模式四結構面組合方式為L3與L4組合,此種破壞模式僅為推測;可能崩落方位南偏西。

4.2.2 赤平投影穩定性評價與分析

危巖體的變形破壞大多是沿著巖體中軟弱結構面發生的,所以采用赤平投影法對各結構面與坡面形成的楔形體的穩定性進行分析(圖9)。

模式一本段巖層與坡向斜交,層面與邊坡組合交棱線傾角為15°,巖體順巖層滑移的可能性小。不利于結構面交棱線方向與坡面方向接近,交點位于坡面以內,屬較穩定結構,發展趨勢為基本穩定。

模式二本段巖層與坡向斜交,層面與邊坡組合交棱線傾角為15°,巖體順巖層滑移的可能性小。不利于結構面交棱線方向與坡面方向接近,交點位于坡面以外,屬欠穩定結構,發展趨勢為不穩定。

模式三本段巖層與坡向斜交,層面與邊坡組合交棱線傾角15°,巖體順巖層滑移的可能性小。不利于結構面交棱線方向與坡面方向接近,交點位于坡面外側,為欠穩定結構,發展趨勢為不穩定。

模式四本段巖層與坡向斜交,層面與邊坡組合交棱線傾角2°,巖體順巖層滑移的可能性小。不利于結構面交棱線方向與坡面方向接近,交點位于坡面以外,屬欠穩定結構,發展趨勢為不穩定。

4.3 穩定性計算

4.3.1 計算工況條件

本地區地震烈度為6度,在計算工況時,不做考慮。在前期掌握資料的基礎上,結合危巖的實際情況,擬定了2種工況組合:工況1——自重(天然狀態),工況2——自重+50年一遇暴雨。上述2種工況均不考慮采空區變形對危巖體穩定性產生的影響。

4.3.2 計算參數

巖體重度根據試驗結果取值:天然重度(γ)為24 kN/m3,飽和重度為25 kN/m3,因“一炷香”危巖體位于地表陡崖中部、大氣降水時不可能使其處于飽和狀態,故二種工況均采取天然重度進行計算。白云質結構面抗剪強度采用經驗值,白云巖巖體抗拉強度取15 MPa,結構面抗剪強度指標中粘聚力C取0.04 MPa,摩擦角φ取35°,暴雨條件下按天然狀態的0.8折減。水的重度(γw)取10 kN/m3,暴雨時后緣裂隙充水高度按1/4考慮。

4.3.3 計算模型及方法

根據前文分析的可能變形破壞模式,選用危巖主崩方向工程地質剖面作為計算剖面,對各危巖建立計算模型。其計算方法采用《三峽庫區地質災害應急治理工程地質勘查技術要求(2012.07)》的規定進行,滑移式危巖采用如下公式(后緣有陡傾裂隙、滑面緩傾時):

(1)

R=Ntgφ+cl

(2)

圖9 “一炷香“危巖體赤平面投影分析圖Fig.9 Stereographic projection analysis of“Yizhuxiang”dangerous rock mass

4.3.4 計算結果分析

穩定性計算統計結果見表1。計算結果表明,“一炷香”危巖體在天然工況下處于基本穩定狀態,在暴雨工況下處于欠穩定狀態。在天然狀態下,“一炷香”危巖體整體處于基本穩定狀態,在自重+50年一遇暴雨工況下,危巖體穩定性系數減小,處于欠穩定狀態,尤其是模式二安全儲備更為不足,即:西側基座中前部發育的兩組相交裂隙(L1、L2)組合,致“一炷香”危巖體前半部崩落的可能性較大,后半部穩定性進一步降低,全部崩落的可能性增加。

表1 危巖體穩定性計算結果Table 1 The stability calculation result of Perilous Rock

5 結論

(1) 一炷香危巖體,地形陡峻,三面臨空,塊體規模6.09×104m3,整體呈現出近似圓錐狀;其主控結構面裂縫自下而上貫穿整個危巖體,并向下延伸,致使危巖體基座、表面裂隙發育,局部被切割呈碎塊狀,局部巖體較為破碎,變形特征明顯,巖體穩定性較差。

(2) 經現場地質調查及分析可知,“一炷香”危巖體是在特殊巖層組合結構、復雜的區域構造條件背景下,加之長期大氣降水、巖溶及風化作用的影響,與人類工程活動(采礦)等因素綜合作用下形成的產物。

(3) 通過模擬計算分析在天然狀態(自重)下“一炷香”危巖體整體處于基本穩定狀態;在自重+50年一遇暴雨工況下,危巖體穩定性系數減小,處于欠穩定狀態;考慮其他突發性因素,得出“一炷香”危巖體現狀處于欠穩定—不穩定狀態,預測其發展趨勢為不穩定。

(4) 考慮“一炷香”危巖體整體處于欠穩定—不穩定狀態,變形特征明顯,成因機制復雜,其災害性較強,具有較高安全隱患等特點,建議對“一炷香”危巖體進行工程清除,清除后根據清理情況對該區域進行長期儀器監測,避免或減小災害可能給人民的生命和財產造成的損失。

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(責任編輯：李雯)

Stability Analysis and Formation Mechanisms of “Yizhuxiang” DangerousRock Mass in Yanchi Village,Leizu Town,Yuanan County

LIU Hui1,ZHANG Bo2,LI Yougang1,ZHANG Xinxin1

(1.GeologicalEnvironmentDepartment,BureauofLandandResourcesofYuananCounty,Yichang,Hubei444299; 2.EzhouGeoloaicalEnviromentalMonitoringandProtectingStation,Ezhou,Hubei436000)

In this paper,on the basis of field research and geological survey of rock mass deformation monitoring,researched its mechanism and stability.The results show that:fracture development in surface of the perilous rocks base,broken deformation significantly,caving range south,south easterly direction likely;stratigraphy lithologic assocation of different hardness,regional structural geological conditions,karstification and mining activities formed the perilous rocks masses;perilous rocks was in an understable to unstable,its development trend is unstable.Under the action of goaf deformation,subsidence,and external force,the perilous rocks in a state of instability that increased the probability of downward.

dangerous rock mass; deformation features; formation mechanisms; stability

TU457

A

1671-1211(2017)05-0574-07

2017-05-31;改回日期2017-06-21

劉輝(1987-),男,助理工程師,碩士,地質工程專業,從事災害地質、礦山環境地質工作。E-mail:lh2752@163.com

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170831.1514.006.html數字出版日期2017-08-31 15:14

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.014