云樂鎮許村村崩塌形成機理及穩定性分析

彭 軍

(安徽省地質礦產勘查局311地質隊,安徽 安慶 246000)

1 崩塌概況

崩塌災害位于宣城市旌德縣云樂鎮許村村茶一組張桂蘭戶屋后崩塌,中心位置地理坐標:東經:118°38′36.7″,北緯:30°28′57.7″。崩塌激光雷達(圖1),自然斜坡地貌類型為侵入構造侵蝕低山,地勢整體北西高、南東低,陽面坡,為一易于匯水的負地形,自然斜坡坡面形態呈直線形,地形起伏較大,坡向120°,坡度45°,坡腳處地面高程+294,第一斜坡帶頂部高程約+456 m,高差約162 m。人工切坡處位于自然斜坡的坡麓,微地貌類型為陡崖,剖面形態為復合型,坡向120°,坡度75°,高度約5 m,寬度約45 m。

圖1 崩塌激光雷達圖

圖2 結構面赤平極射投影圖

2 崩塌(危巖體)基本特征

2.1 崩塌源區

(1)邊界條件:崩塌后邊界以自然斜坡第一斜坡帶為界,最高點高程:+456 m,崩塌前緣位于切坡坡腳(房屋屋后)高程:+294 m,最大高差162 m,兩側以現狀屋后切坡兩端為界。

(2)危巖體巖性及巖體結構:該處為志留系中統康山組(S2k)青灰色長石石英砂巖,層厚10～25 cm,為薄層狀,層理產狀170°∠32°,節理裂隙發育,巖體破碎。該處巖體結構為薄層狀結構。在風化、卸荷、強降雨、凍融、根劈等不利因素影響下,易沿節理裂隙面發生位移錯動,從而形成崩塌地質災害。該處巖體主要發育有2組節理裂隙,其特征分別如下:

L1產狀(主控):7°∠73°,張性裂隙,可見延伸長度3～4 m,呈張開狀態,張開寬約1～3 cm,未見充填,裂隙密度2～3條/m,未貫通;

L2產狀:87°∠87°,張性裂隙,可見延伸長度3～4 m,呈張開狀態,張開寬約1～2 cm,未見充填,裂隙密度5～8條/m,未貫通;

見一組卸荷裂縫,為層理面卸荷發育形成,可見延伸長度1.5 m,泥質充填,張開寬度5 cm。兩組節理裂隙面呈相互正交,巖體多為塊狀,塊徑以0.2 m×0.3 m×0.3 m為主。

(3)變形跡象及變形歷史:據現場調查訪問,該點每年均發生小規模崩塌,多為自然斜坡上的轉石,塊徑長軸方向多為20～30 cm,最大可達60 cm,災害發生后損壞房屋墻體,現狀墻體已修復。坡腳處可見轉石。

(4)崩塌源

①由人工切坡面中上部巖體風化卸荷形成的塊石組成,塊徑以0.2 m×0.3 m×0.3 m為主,在強降雨、持續降雨及凍融天氣下,易發生小型墜落式崩塌地質災害,現狀較穩定,發展趨勢不穩定。

②自然斜坡坡面上零散分布轉石,轉石塊徑多為30 cm,最大可達60 cm,距離底部房屋高差約10 m。在強降雨、持續降雨天氣下,易發生小型滾落式崩塌,現狀較穩定,發展趨勢不穩定。

2.2 崩塌堆積體

坡腳處可見零星崩塌堆積體,以往堆積物已被人為清理。據調查訪問,最遠落石距離0.5 m。

2.3 崩塌路徑區

自然斜坡高差約162 m,坡度45°,自然斜坡形態呈直線形,地形起伏較大,根據現場研判及調查訪問,推測其崩塌體運動模式主要為墜落式。路徑區內植被類型:距離人工切坡頂部向后延伸約5m范圍為茶園,其后為灌木及喬木。覆蓋率80%,對崩塌運移時的阻擋效果微弱。坡腳處即為張桂蘭戶房屋,房屋結構為磚木結構,建房時間1989年。

3 崩塌形成機理與成災模式

云樂鎮許村村茶一組張桂蘭屋后崩塌的形成機理和成災模式主要是因構造和卸荷裂隙發育形成陡而深的拉張裂隙,在其它結構面疊加作用下被切割成塊體,因切坡使上部巖體部分懸空,在長期的風化作用下,裂縫逐步填充泥質物質,或者植被根系擠壓,裂縫擴展,受持續降雨或凍融天氣,體積膨脹從而擴張裂縫。在長期的風化、雨水沖刷、植被根劈等外動力地質的作用下,巖體逐步超過極限平衡狀態,從而發生崩塌。

4 崩塌穩定性計算與評價

選擇最不利斷面進行崩塌穩定性分析,崩塌穩定性分析應包括邊坡整體穩定性分析,危巖體穩定性分析,堆積體穩定性分析,其中邊坡整體穩定性可以根據邊坡特征進行赤平投影定性評價,斜坡面的轉石崩塌采用Rocfall軟件數值模擬分析,可獲得崩塌落石的彈跳高度、停留位置及總動能。

4.1 崩塌赤平投影評價

崩塌地質災害主要發育在坡體中上部,清理的破碎段,受卸荷裂隙的拉裂作用,部分巖體呈現豎向裂縫,且有進一步崩落的可能,巖體結構破碎,發育有兩組主要的裂隙,產狀分別為:①7°∠73°,②87°∠87°,其中以裂隙1最為發育。

表1 結構面組合模式及穩定狀態表

J1結構面交點位于切坡陡坎投影弧的對側,這時結構面的交線與邊坡傾向相反,結構面組合切割體為傾向坡內的穩定結構,邊坡處于穩定狀態。

J2/J3結構面的交點與邊坡投影弧處在同一側,落在了危巖邊坡投影弧的外側,說明結構面組合交線的傾向于邊坡傾向相對一致,傾角小于危巖邊坡的坡角,結構面組合交線在天然坡面上沒有出露,切割體處于較穩定結構,邊坡處于較穩定結構。

綜上所述,組合結構面J1(裂隙3+裂隙4)現狀處于較穩定狀態,暴雨或凍融工況隨時會發生崩塌,威脅住戶房屋的生命財產安全。

4.2 崩塌落石數值模擬

4.2.1 模擬剖面的選取

根據現場調查,危巖帶在斜坡上均有分布,為全面掌握崩塌落石的最大威脅范圍和服務地質災害防治設計的有效性,連接斜坡頂部與承災體房屋一條剖面作為模擬剖面。

4.2.2 模擬落石的確定

據現場調查訪問,該點每年均發生小規模崩塌,多為自然斜坡上的轉石,塊徑長軸方向多為20～30 cm,最大可達60 cm,災害發生后損壞房屋墻體,現狀墻體已修復。坡腳處可見轉石。其落石塊體方量均小于1 m3。為有效的模擬落石最大威脅范圍及運動軌跡,掌握落石主要堆積區域,本次模擬落石選擇塊體方量為1 m3,落石起始位置為斜坡的最高處,失穩方式為自然失穩,模擬過程中假設50塊落石突然失穩進行模擬。落石物理力學參數根據實驗統計后取值見表2。

表2 落石力學指標建議表

4.3 坡面參數特征的確定

根據現場調查及無人機低空影像測量,模擬坡面特征及取值情況見表3。

表3 數值模擬坡面特征

4.4 模擬分析

由圖3-圖6可知,崩塌危巖體自最高點失穩后,以滾動、碰撞、彈跳及空中飛行的方式組合運動。在ab段以滾動、碰撞和彈跳運動為主;在bc以碰撞和彈跳運動為主,在cd區域以空中飛行方式直接向其下部斜坡體運動;最終集中停留在居民區(df段),少量崩塌落石運動到居民區停留。在動能變化方面,崩塌落石的動能與落石的運動方式、運動塊體數量、運動距離及落差有關。根據數值模擬成果,可詳細的掌握到崩塌落石的集中停留區,受房屋阻隔主要集中停留在距落石失穩處的185 m處,通過移除障礙,再次模擬,落石主要集中在可到達的最遠距離為217 m;同時,還可詳細的了解各點位運動落石的最大彈跳高度、平移速度、旋轉速度、平移動能、旋轉動能和總動能等相關運動過程數據。

圖3 剖面模擬彈跳軌跡圖

圖4 剖面模擬保留位置圖

圖5 剖面模擬彈跳高度圖

圖6 剖面模擬總動能圖

通過數值模擬可知,崩塌危巖體自最高點失穩后,以滾動、碰撞、彈跳及空中飛行的方式向斜坡坡腳運動,最終主要堆積于居民區。

5 危害性評估

切坡面臨空,自然斜坡較陡,見少量順坡向地表水流沖刷痕跡,主要受大氣降雨對坡面的直接徑流和沖刷,巖土體干燥,坡面上有少量新發展的裂縫,切坡頂部無建筑物,未見植被歪斜現象。巖體風化裂隙發育。無明顯變形跡象,為一利于排水的正地形,地下水排泄條件好。地質災害活動性等級劃分為中,危害性等級為低,單體地質災害風險等級評估為低,現狀較穩定,發展趨勢不穩定。

威脅對象主要為坡腳處張桂蘭戶1戶4人的生命及財產安全,2層磚木6間(1989年建房),常住4人(15～59歲 2人 60歲及以上 2人),總建筑面積211 m3,威脅財產20萬元。

6 結語

通過對云樂鎮許村村茶一組崩塌進行調查并選擇最不利斷面進行崩塌穩定性分析。結果表明崩塌發生的原因為構造和卸荷裂隙發育形成陡而深的拉張裂隙,在其它結構面疊加作用下被切割成塊體,在長期的風化、植被根系、降雨導致擴張裂縫,巖體逐步超過極限平衡狀態,從而發生崩塌。經過穩定性分析,單體地質災害風險等級評估為低,現狀較穩定,發展趨勢不穩定,威脅對象主要為坡腳處張桂蘭戶1戶。根據許村村茶一組張桂蘭戶屋后崩塌的規模、引發因素、危險性等條件,建議采用多種防護組合的形式進行防治加固,即“危巖體清理+主動防護網+被動防護網+落石擋墻”綜合治理措施,盡快消除地質災害隱患。