類砌體型危巖結(jié)構(gòu)面形成與破壞演化機制分析

沈吉貴 唐紅梅 王林峰

摘要：灰?guī)r區(qū)危巖巖體破碎，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，具有典型類砌體結(jié)構(gòu)特征，發(fā)育的危巖破壞時具有明顯解體現(xiàn)象。以灰?guī)r區(qū)重慶南川金佛山甑子巖為例，分析了從陡崖到危巖的類砌體型危巖各結(jié)構(gòu)面的形成，概化出灰?guī)r地區(qū)具有類砌體結(jié)構(gòu)特征的危巖地質(zhì)模型。通過地貌演化分析了灰?guī)r地區(qū)由側(cè)向卸荷形成陡崖再到危巖破壞演化過程的五個階段。其研究為合理揭示灰?guī)r地區(qū)危巖解體破壞機制提供科學(xué)依據(jù)。

Abstract： Unstable rock in the limestone area is fractured and its structural plane is well developed. It has typical quasi-masonry structural characteristics. In the processing of collapse， the unstable rock shows obvious disintegration failure phenomenon. Based on the analysis of geomorphological principles and taking the typical Zengzi rock in Chongqing Nanchuan Jinfo Mountain in limestone area as an example， the formation mechanism of structural planes of quasi-masonry unstable rock since cliff time is analyzed and the geological model of unstable rock with quasi-masonry characteristics in limestone area is generalized. Based on the geomorphological evolution， the five stages of evolution process from the formation of cliffs by lateral unloading to the destruction of unstable rock in limestone area are analyzed. The study provides a reference for reasonable revealing the mechanism of disintegration and destruction of perilous rocks in limestone area.

關(guān)鍵詞：灰?guī)r區(qū)危巖;甑子巖;類砌體結(jié)構(gòu);形成機制

Key words： perilous rock in limestone area;Zengzi rock;quasi-masonry structure;formation mechanism

中圖分類號：TU364;TU312+.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）10-0161-04

0 ?引言

危巖崩塌作為一種全球性的地質(zhì)災(zāi)害，失穩(wěn)具有突發(fā)性，致災(zāi)具有破壞性，影響范圍大，成因機理復(fù)雜，在多呈現(xiàn)陡崖地貌的川東地區(qū)時有發(fā)生，嚴重威脅著該區(qū)交通運輸安全和人民的生命財產(chǎn)安全。在灰?guī)r地區(qū)，危巖體受地質(zhì)、風化及各類應(yīng)力作用較砂巖地區(qū)更強烈，巖體內(nèi)部發(fā)育有大量層面、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面，因而將危巖體切割成了尺寸不等、大小不一的小型灰?guī)r塊，這些塊體結(jié)構(gòu)在排列上類似于建筑工程中砌體結(jié)構(gòu)的排列規(guī)律，因此將此類危巖塊體結(jié)構(gòu)定義為類砌體結(jié)構(gòu)（quasi-masonry）。此類危巖在發(fā)生崩塌時具有明顯的解體現(xiàn)象，與砂巖區(qū)危巖在崩塌時多以危巖單體崩落的形態(tài)有顯著區(qū)別。S.Kahraman等[1]利用縱波在碳酸鹽巖體中的波速特征以研究其物理力學(xué)特性;何瀟等[2]將灰?guī)r區(qū)危巖劃分為座滑破壞型和座傾破壞型，并建立了相應(yīng)的力學(xué)模型和表達式;鄧珊珊等[3]對喀斯特山區(qū)危巖的形成機制進行了研究，認為長期風化卸荷作用以及巖溶作用是導(dǎo)致灰?guī)r地區(qū)危巖形成的關(guān)鍵要素;何曉英等[4]將灰?guī)r地區(qū)危巖體解體破壞視為能量耗散和能量釋放的綜合結(jié)果，并從能量角度出發(fā)建立了崩落危巖系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化狀態(tài)函數(shù)及能量平衡方程。王小委[5]通過對危巖體高寬比、結(jié)構(gòu)面傾角和粘結(jié)方式的不同組合進行模型試驗得到了危巖解體時最先開裂的位置特征規(guī)律。但由于其構(gòu)建的模型與實際危巖體的差異較大，因此所得出的規(guī)律具有局限性。本文以灰?guī)r地區(qū)重慶南川金佛山甑子巖危巖為實例，分析類砌體型危巖各類結(jié)構(gòu)面的形成特征，構(gòu)建其主控結(jié)構(gòu)面的危巖地質(zhì)模型，從地貌演化探討灰?guī)r區(qū)陡崖危巖的破壞演化過程。

1 ?類砌體型危巖形成特征及條件

1.1 甑子巖區(qū)地質(zhì)概況

甑子巖位于重慶市南川區(qū)金佛山金山鎮(zhèn)、頭渡鎮(zhèn)所轄范圍內(nèi)。研究區(qū)由兩級陡崖組成（圖1）。

第一級陡崖由棲霞組（p1q）和茅口組一段（p1m1）石灰?guī)r組成，崖高約80～105m，海拔為1400～1545m;第二級陡崖由茅口組三、四、五段（p1m3+4+5）石灰?guī)r組成，崖高200～215m，崖頂海拔為1800m左右。一、二級陡崖之間為陡坡地形，為由茅口組二段（p1m2）軟巖，地形坡角30～52°，第一級陡崖下為二疊系下統(tǒng)梁山組（p1l），含鋁土礦，海拔為1374～1424m，地下采空范圍超過30×104m2。危巖發(fā)育位于兩級陡崖之上，所在陡崖整體朝南凸起。陡崖下部為一長斜坡，斜坡坡面形態(tài)呈折線型，整體坡向南偏西，地形坡角一般20～45°，局部呈陡傾地形。甑子巖曾多次發(fā)生規(guī)模大小不一的危巖崩塌事故。2004年8月12日，甑子巖W12#危巖突發(fā)崩塌，2008年W29-1、2危巖體發(fā)生了小型崩塌。

1.2 形成條件及要素

類砌體結(jié)構(gòu)是灰?guī)r地區(qū)危巖的常見結(jié)構(gòu)形態(tài)。分析類砌體型危巖的形成條件是研究其演化及破壞機制的先行要求。類砌體型危巖的形成是內(nèi)外因子耦合的綜合結(jié)果。分述如下：

1.2.1 巖性組合與原生結(jié)構(gòu)面

甑子巖地層巖性如圖1所示，第一、二級陡崖出露巖層為硬巖石灰?guī)r，兩級陡崖間出露頁巖或頁巖夾灰?guī)r等軟巖，呈現(xiàn)“上硬下軟”的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，造成差異風化產(chǎn)生巖腔。石灰?guī)r屬沉積巖，在成巖過程中發(fā)育大量近水平層理，即原生結(jié)構(gòu)面，發(fā)育較密集（圖2）。

1.2.2 淺表生結(jié)構(gòu)面

由于地殼間歇性抬升作用，江河下切，側(cè)向卸荷作用形成陡崖，引起巖體內(nèi)部應(yīng)力重分布，在陡崖坡肩處使拉應(yīng)力集中產(chǎn)生大量近坡面平行的縱向卸荷裂隙，即淺表生結(jié)構(gòu)面。陡崖灰?guī)r的主要礦物成分為方解石，在溶蝕作用下，裂隙巖溶廣泛發(fā)育于類砌體型危巖體中。溶蝕裂隙發(fā)育方向往往與既有淺表生結(jié)構(gòu)面發(fā)育的方向基本一致，使得原先切割陡崖巖體的結(jié)構(gòu)面在化學(xué)侵蝕下進一步拓展。

1.3 類砌體型危巖地質(zhì)模型

根據(jù)甑子巖危巖概化出相應(yīng)的地質(zhì)模型（圖3）。由此可見，在坡肩、坡腳及水平向都存在顯著結(jié)構(gòu)面，使危巖體具有類砌體結(jié)構(gòu)特征：

①在成巖過程中，形成了近水平向?qū)永淼脑Y(jié)構(gòu)面。

②在地殼抬升及河流下切作用下，使陡崖頂部發(fā)生側(cè)向卸荷作用，使坡頂后緣形成了大量的近平行于臨空面的卸荷裂隙，即上部淺表生結(jié)構(gòu)面。

③在外力地質(zhì)活動如風化、溶蝕、地下水活動等作用加劇下，產(chǎn)生溶蝕裂隙并引起卸荷裂隙等淺表生結(jié)構(gòu)面的擴張。

④在側(cè)向卸荷作用及危巖與基座軟硬巖彈性模量的差異影響下，危巖（硬巖）內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，而基座（軟巖）處則產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。當殘余拉應(yīng)力超過軟巖自身的抗拉強度時，拉裂面便會形成，即下部淺表生結(jié)構(gòu)面。

⑤在水平結(jié)構(gòu)面與縱向結(jié)構(gòu)面的交匯處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，進一步拓展巖體裂隙。

⑥在外力地質(zhì)作用如差異風化、化學(xué)溶蝕及人類活動如基座開礦，可變荷載如裂隙水壓力/地震力作用下，使上、下部淺表生結(jié)構(gòu)面會逐步自上而下和自下而上的繼續(xù)發(fā)展，成為潛在的主控結(jié)構(gòu)面。

2 ?類砌體型危巖破壞演化過程分析

2.1 陡崖帶初始地貌形成階段

研究區(qū)處于揚子準地臺坳川東陷褶束金佛山穹褶束之次級構(gòu)造單元——金佛山向斜中段近軸部偏東翼部位。自白堊紀燕山運動起，該區(qū)間歇性抬升明顯，產(chǎn)生強烈褶皺，形成了川東南區(qū)最古老的第一級夷平面。新、老第三紀喜馬拉雅山運動發(fā)生，川東褶帶生成，經(jīng)長期剝蝕夷平作用，直至第三紀，形成該區(qū)第二級夷平面（圖4.a）。

2.2 兩級陡崖后退階段

金佛山兩側(cè)被溝谷所切割，向西南處延伸至柏枝溪。由于新構(gòu)造運動時期的構(gòu)造抬升作用，直接致使山區(qū)河流快速下切。當陡崖面的軟硬巖層切露后，地殼運動進入平穩(wěn)期。隨后，由于卸荷等作用形成的初始危巖在完成發(fā)育并在外因作用下崩落后，陡崖后退，二級陡崖地貌由此顯現(xiàn)（圖4.b）。由于構(gòu)造抬升屬間斷式過程，當?shù)貧ぴ俅翁恿飨虑惺瓜乱患壎秆碌能浻矌r繼續(xù)切露，隨后該級初始危巖形成、崩落，陡崖后退，第一級陡崖地貌顯現(xiàn)（圖4.c）。

由于構(gòu)造運動的持續(xù)性，兩級陡崖相繼后退，構(gòu)成該區(qū)現(xiàn)今“上陡下緩”的二元結(jié)構(gòu)地質(zhì)特征。

2.3 陡崖巖體卸荷改造階段

隨著漫長的自然風化作用，陡崖發(fā)生初期卸荷，表現(xiàn)為巖體破碎和裂隙的發(fā)育。在側(cè)向卸荷作用下，陡崖內(nèi)部臨空方向的主應(yīng)力跡線出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，致使應(yīng)力重分布。坡頂出現(xiàn)拉應(yīng)力集中帶，產(chǎn)生走向與臨空面平行的卸荷裂隙，致使坡頂后緣產(chǎn)生裂縫。隨著卸荷的推移，形成自上而下擴展的拉裂縫，即主控結(jié)構(gòu)面的上部裂縫（圖4.d）。

2.4 危巖體時效變形階段

在構(gòu)造應(yīng)力作用和卸荷作用改造下，巖體產(chǎn)生大量破裂面，宏觀上已被切割成形狀不等的塊體，即類砌體。隨后，坡體應(yīng)力場轉(zhuǎn)由重力作用驅(qū)動，發(fā)生隨時間漸進發(fā)展的變形，即“時效變形”。

危巖體呈現(xiàn)“上硬下軟”的巖性組合，在硬巖的自重作用下，基座軟巖發(fā)生壓剪變形。由于兩者強度差異，軟巖在壓剪變形過程中向臨空處產(chǎn)生塑性流動，并在軟硬巖交界面處產(chǎn)生拉應(yīng)力。當拉應(yīng)力超過硬巖自身的抗拉強度時，硬巖后緣在軟硬巖交界面處產(chǎn)生自下而上擴展的拉裂縫。隨著塑流拉裂的發(fā)展，拉裂縫呈現(xiàn)下寬上窄的特點，成為主控結(jié)構(gòu)面的下部裂縫。該裂縫將與前期卸荷作用形成的上部裂縫隨時移逐步貫通（圖4.e）。

2.5 危巖體破壞解體階段

隨時移推進，危巖體在自重和地震等荷載作用下，其主控結(jié)構(gòu)面兩端裂縫逐步擴展、貫通。最終在外部荷載的誘因下，特別是在暴雨和地震等作用下，危巖體發(fā)生傾倒式或滑移式崩塌。由于危巖內(nèi)部已被各結(jié)構(gòu)面切割為近類砌體結(jié)構(gòu)，在崩塌破壞過程中會呈現(xiàn)出明顯的解體現(xiàn)象（圖4.f）。

3 ?結(jié)語

①以南川甑子巖為例，分析了從陡崖到危巖的類砌體型危巖各類結(jié)構(gòu)面的形成特征。危巖體在成巖過程中，受側(cè)向卸荷及外力地質(zhì)作用等多因素影響，使危巖體形成具有多種典型結(jié)構(gòu)面，即水平狀層理的原生結(jié)構(gòu)面、頂部卸荷拉裂面、底部軟硬巖界面的拉裂面及溶蝕裂隙等淺表生結(jié)構(gòu)面，使危巖體具有類砌體特征，構(gòu)建了灰?guī)r區(qū)危巖的類砌體結(jié)構(gòu)地質(zhì)模型。

②從地貌演化分析甑子巖從河流下切形成陡崖到危巖破壞的演化過程主要分為5個階段，即陡崖帶初始地貌形成階段、兩級陡崖后退階段、陡崖巖體卸荷改造階段、 危巖體時效變形階段及危巖體解體破壞階段。為灰?guī)r地區(qū)危巖的防治具有重要指導(dǎo)意義。

參考文獻：

[1]S Kahraman，T Yeken. Determination of physical properties of carbonate rocks from P-wave velocity[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2008，67（2）：277-281.

[2]何瀟，陳洪凱，唐紅梅，等.長江三峽灰?guī)r區(qū)危巖形成機理及穩(wěn)定性分析研究[J].西南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，36（6）：1-7.

[3]鄧姍姍，陳洪凱，游來鳳，等.喀斯特山區(qū)危巖崩塌形成機制研究—以三峽庫區(qū)巫溪海螺灣危巖為例[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，29（6）：35-38.

[4]何曉英，陳洪凱，唐紅梅.長江巫峽望霞危巖破壞解體特征分析[J].人民長江，2013，44（9）：24-28.

[5]王小委.灰?guī)r地區(qū)危巖類砌體結(jié)構(gòu)破壞解體機制研究[D].重慶交通大學(xué)，2015.