白云質灰巖山體崩塌成因機制及穩定性分析

鄒銀先， 董建輝， 李海軍， 陳 靜(.貴州省地質環境監測院， 貴州 貴陽 550004； .成都大學 建筑與土木工程學院， 四川 成都 6006；.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室， 四川 成都 60059)

0 引 言

我國西南一些地區受地質條件制約.滑坡、崩塌地質災害發生較為頻繁.通常，崩塌不僅會造成的重大人員傷亡或重大經濟損失，還會對社會的發展產生不利的影響[1].因此，研究崩塌的形成機理及其防治方案對防災減災工作具有重要的現實意義[2]，針對崩塌，科研人員做了大量工作，并取得了一系列成果[3-6].目前，對于白云質灰巖崩塌形成機制與穩定性分析的相關研究報道較少，本研究通過對白云質灰巖崩塌體的基本特征和成因機制進行深入分析，擬為該類型崩塌的防治工作提供可靠依據和借鑒.

1 崩塌區地質環境

1.1 地形地貌

作為分析對象的研究區工程地質平面圖如圖1所示.就地形地貌而言，研究區域屬巖溶洼地，由山峰峰叢封閉形成，底部平坦，順四周延伸逐步變陡，地形南高北低，北東向較陡，坡度在35°～60°之間，南西向相對較緩，坡度在15°～45°之間，在與陡巖區基巖接觸帶地表坡度大于60°，場地底部標高為840.9 m，邊壁標高在840.9～980.0 m之間，組成一個相對閉合的洼地，標高980.0 m以上不閉合，東、南、西、北四面各有一個埡口，其中東埡口標高為1 095.9 m； 南埡口標高為1 003.1 m， 為該區域主要出入口，與進場地公路相連；西埡口最低，標高為981.2 m.洼地四周共有5個較大山峰，最高峰位于洼地南東東側，峰頂高程為1 201.2 m，地形最大高差為360.3 m.

圖1 研究區工程地質平面圖

1.2 地質構造

據調查，研究區域處于揚子準地臺黔南臺陷貴定南北向構造變形區，南端與廣西山字型構造體系的復合部相連.區域地質構造較發育，中心臺址處于克渡向斜東翼，褶皺構造不發育，區域上的斷層從中心臺址中部呈南北向貫穿，斷層破碎帶寬約30 m，斷層產狀為270°∠60°，為張性正斷層.

1.3 地層巖性

勘探結果表明，研究區域出露地層及其巖性分別為第四系黏土和三疊系中統壟頭組(T2l).

1)第四系(Q)：主要為坡、殘積紅黏土以及沖積砂礫層，厚度一般小于5.0 m.地形陡峻位置、洼地底部以及斜坡地帶有成層崩塌塊石堆積層分布，厚度變化大.

2)中統壟頭組(T2l)：場地出露地層及其巖性分別為三疊系中統涼水井組上、中、下三段，即T2l1白云質灰巖、T2l2泥質灰巖和T2l3白云質灰巖.總體節理裂隙較發育、巖石硬脆，中至微風化.

2 崩塌體基本特征

現場調查發現，研究區域內有6塊典型的危巖帶、危巖體，其位置與相關編號如圖1所示.

2.1 A1危巖體基本發育特征

A1危巖體為區域內自然高陡邊坡，坡高約150 m，坡向210°，坡度約為70°，下部近公路陡緩交接處緩坡坡度約30°，為殘坡積堆積體，厚約1 m，成分為碎石及黏土，粒徑1～10 cm.A1點巖體結構為層狀結構，中至微風化，節理裂隙較發育，主要為風化裂隙，受裂隙面及產狀控制.危巖體受側壁結構面及層面產狀控制呈楔形體，危巖體由厚層白云巖構成，破壞模式為傾倒式.

2.2 A2危巖體基本特征

A2危巖體為工程建設人工開挖形成，坡體寬50 m、高52 m，坡度75°，坡向256°，巖體結構為層狀結構，整體較為完整，中風化，中上部存在軟弱夾層，節理裂隙較發育，主要為風化裂隙及溶蝕裂隙，受節理裂隙面及產狀控制，坡面上多處形成鍥形體，多數鍥形體寬0.5 m、高0.5 m、厚0.2 m.此外，A2后緣還存在一條卸荷裂隙，走向與坡體后緣公路平行，裂隙寬3～5 cm，無充填物，破壞模式為傾倒式，在降雨及自身重力等因素作用下可能誘發崩落.

2.3 A3危巖體基本特征

A3危巖體位于公路上方，為工程建設人工開挖形成的高陡邊坡，坡體高9 m，坡度75°，坡向235°，巖體結構為層狀結構，中至微風化，節理裂隙較發育，主要為風化裂隙，受裂隙面控制，坡面形成一處鍥形體，鍥形體(WY1)寬3 m、高7 m，厚3 m.另外，坡體頂部有一處松散危巖(WY2)寬1.2 m，高0.3 m，厚1.0 m，破壞模式為墜落式，在降雨及自身重力等因素作用下可能誘發崩落.底部泥質夾層被浸濕風化后形成臨空面、凹巖腔，側壁受節理裂隙控制，總體形成三面臨空.

2.4 A4危巖體基本特征

A4危巖體位于公路上方，坡高12 m，坡度75°，坡向235°，巖體結構為層狀結構，中至微風化，節理裂隙較發育，主要為風化裂隙，坡面上存在一塊危巖，寬8 m、高3 m、厚2 m，巖體側面受兩組垂直裂隙控制，底部泥質夾層通過溶蝕風化后出現凹巖腔，形成三面臨空的危巖體，危巖體呈塊狀，受后緣一組卸荷裂隙控制，切割較深，危巖體破壞模式為墜落式危巖體，在降雨及自身重力等因素作用下可能誘發崩落.

2.5 A5危巖體基本特征

A5危巖體區域東南側平臺上方，為工程建設人工開挖形成，坡體寬35 m、高42 m，坡度75°，坡向256°，巖體結構為層狀結構，整體較為完整，局部較為破碎，中至強風化，中上部存在軟弱夾層，節理裂隙較發育，主要為風化裂隙，受節理裂隙面及產狀控制，坡面上多處形成鍥形體，多數鍥形體寬0.5 m、高0.5 m、厚0.2 m.此外，A5后緣還存在一條卸荷裂隙，走向與坡體后緣公路平行，裂隙寬3～5 cm，無充填物，目前無變化，破壞模式為傾倒式，在降雨及自身重力等因素作用下可能誘發崩落.

2.6 A6危巖體基本特征

A6危巖體為工程建設人工開挖形成，坡向237°，坡度82°，坡高10 m，寬30 m，巖體結構為層狀結構，整體較為完整，中部存在軟弱夾層，中至微風化，節理裂隙較發育，坡面中段有軟弱夾層，溶蝕風化后局部形成凹巖腔，坡面受結構面及層面產狀控制，局部形成鍥形體，主要為風化裂隙及溶蝕裂隙，受節理裂隙面及產狀控制，坡面上多處形成鍥形體，最大鍥形體寬0.5 m、高1 m、厚0.2 m，危巖體破壞模式為傾倒式危巖體，在降雨及自身重力等因素作用下可能誘發崩落.

3 崩塌成因機制分析

由于研究區域坡體上部分鍥形體存在風化裂隙及卸荷裂隙，巖體在自身重力及長期裂隙水作用下，出現局部失穩現象，部分孤石已產生滾落及垮塌.

3.1 崩塌形成條件

3.1.1 巖體結構.

研究區域巖體結構主要為層狀結構，中至微風化，整體較為完整，巖性為淺灰、灰色白云質灰巖，產狀8°∠10°，斜坡坡度在45°～78°，坡面形成小塊懸掛石、小塊懸石及鍥形體，方量0.5～50 m3.節理裂隙較發育，主要為風化裂隙，裂隙面延展性小、連續性差，結構面較粗糙，區內主要受兩組裂隙面控制，裂隙產狀為L1：275°∠75°、L2：185°∠75°，裂隙張開寬度為0.2～10 cm，線密度平均為2 m/條，呈半充填狀，充填物以碎石及黏土居多，少量為方解石充填，總體裂隙面延展性差，連續性差.巖石總體硬脆，巖體堅硬程度為較硬巖，整體穩定性較好，巖體基本質量等級為II級.

3.1.2 不利的地形.

研究區域地形北高南低，場地底部較緩，四周較陡峭，坡度從緩向陡變化為5°～82°，地形最大高差為360.3 m，陡峭的坡體給危巖體的形成提供了有利的自然條件，加之區內巖體結構破碎，存在軟弱夾層且巖性節理裂隙較發育，受溶蝕裂隙與風化裂隙控制，坡體表面多處形成危巖體.同時危巖體自身存在不利條件，區內坡體較陡峭，巖體結構為層狀結構，且多數存在軟弱泥質夾層，泥質夾層在溶蝕風化作用下形成凹巖腔，巖體側壁受節理裂隙控制，容易形成三面臨空的危巖體.

3.1.3 工程活動.

為滿足工程建設需要，在建設初期，通過人工方式對周圍坡體進行了削方處理，削方手段為爆破作業和重型機械開挖，工程切坡改變了坡體的應力結構，使巖體應力釋放或調整而形成卸荷裂隙，后又受重力、風化的物理地質作用進一步張開或位移，穩定性變差.

3.1.4 前期強降雨.

降雨是誘發地質災害的關鍵因素之一，降雨之后在該區域地表巖土體中具有一定滯后性，數天后才見有雨水排出.在自重力作用下沿軟弱面向空面傾斜，如臨空面、巖體結構軟弱面等.同時，地下水在節理裂隙中還存在靜水壓力，推動巖體向不穩定一側傾斜變形.

3.2 崩塌機制分析

本研究認為，研究區域形成危巖體的主要原因為：首先，自身的不利條件，區內坡體較陡峭，巖體結構為層狀結構，且多數存在軟弱泥質夾層，泥質夾層在溶蝕風化作用下成凹巖腔，巖體側壁受節理裂隙控制，容易形成三面臨空的危巖體.其次，工程建設切坡改變了坡體的應力結構，使巖體應力釋放或調整而形成卸荷裂隙，后又受重力與風化等物理地質作用進一步張開或位移，穩定性變差，而工程開挖時爆破作業及機械破壞作用使得巖體內裂隙更為發育，形成危巖體.研究區域內危巖體破壞模式主要為傾倒式和墜落式.

4 崩塌體穩定性分析

4.1 整體穩定性分析

4.2 典型危巖穩定性定性分析

通過現場調查，本研究確定A2為典型危巖體.A2危巖體呈塊狀，危巖體受側壁結構面及層面產狀控制呈楔形體，危巖體為厚層白云質灰巖構成，目前尚未出現明顯變形.A2危巖體赤平投影圖如圖2所示.

圖2 A2危巖體赤平投影圖

從圖2可見，層理面C為穩定結構，其余結構面L1、L2均屬于基本穩定結構面.在兩組結構面分析中，組合交棱線L1～L2為不穩定結構.從赤平投影圖上可看出受兩組結構面控制，坡面存在鍥形體，有塊石崩落隱患.

4.3 典型危巖穩定性定量分析

現場調查發現，A2危巖體后緣存在一條卸荷裂隙，卸荷裂隙走向與坡體后緣公路平行，完全貫通脫離母體，無充填物，A2危巖體傾角82°.

傾倒式危巖穩定性計算公式為，

式中，w為危巖體的自重(kN)；β為傾角(°)；e為主控結構面貫通段的垂直高度(m)；H為危巖垂直高度(m)；L為危巖沿陡崖走向方向長度(m)，即危巖體寬；flk為危巖體抗拉強度指標值(kPa)；f0k為危巖體與基座間的抗拉強度指標值(kPa)；a為危巖體重心至傾覆點的水平距離(m)；lb為危巖體底部主控結構面尖端至傾覆點的距離(m)；h0為危巖體重心至過傾覆點的水平面的垂直距離(m).

根據對A2危巖體的多次現場調查與分析后，得到危巖體的自重、危巖傾角、主控結構面貫通段的垂直高度、危巖垂直高度、危巖沿陡崖走向方向長度、危巖體重心至傾覆點的水平距離、危巖體底部主控結構面尖端至傾覆點的距離、危巖體重心至過傾覆點的水平面的垂直距離.根據室內試驗結果得：白云巖質灰巖重度為27.25 kN/m3，以及危巖體抗拉強度指標值、危巖體與基座間的抗拉強度指標值.A2危巖體參數具體如表1.

表1 A2危巖體參數選取表

通過對A2危巖體穩定性的計算可知，A2危巖體穩定系數FS=23.27.根據《滑坡防治工程勘查規范》(DZ/T0218-2006)，由危巖體穩定程度等級劃分確定：A2危巖體目前整體仍處于穩定狀態.

5 結 論

本研究認為，白云質灰巖山體崩塌引發崩塌破壞的主要因素主要為：巖體結構、不利的地形、工程活動和降雨；危巖失穩模式為墜落式危巖和傾倒式危巖；從結構面組合來看，危巖體受兩組結構面控制，坡面存在鍥形體，有塊石崩落隱患.根據現場調查與計算表明，經過前期工程治理，目前該區域內危巖整體處于穩定狀態.