云乐镇许村村崩塌形成机理及稳定性分析

彭 军

(安徽省地质矿产勘查局311地质队,安徽 安庆 246000)

1 崩塌概况

崩塌灾害位于宣城市旌德县云乐镇许村村茶一组张桂兰户屋后崩塌,中心位置地理坐标:东经:118°38′36.7″,北纬:30°28′57.7″。崩塌激光雷达(图1),自然斜坡地貌类型为侵入构造侵蚀低山,地势整体北西高、南东低,阳面坡,为一易于汇水的负地形,自然斜坡坡面形态呈直线形,地形起伏较大,坡向120°,坡度45°,坡脚处地面高程+294,第一斜坡带顶部高程约+456 m,高差约162 m。人工切坡处位于自然斜坡的坡麓,微地貌类型为陡崖,剖面形态为复合型,坡向120°,坡度75°,高度约5 m,宽度约45 m。

图1 崩塌激光雷达图

图2 结构面赤平极射投影图

2 崩塌(危岩体)基本特征

2.1 崩塌源区

(1)边界条件:崩塌后边界以自然斜坡第一斜坡带为界,最高点高程:+456 m,崩塌前缘位于切坡坡脚(房屋屋后)高程:+294 m,最大高差162 m,两侧以现状屋后切坡两端为界。

(2)危岩体岩性及岩体结构:该处为志留系中统康山组(S2k)青灰色长石石英砂岩,层厚10～25 cm,为薄层状,层理产状170°∠32°,节理裂隙发育,岩体破碎。该处岩体结构为薄层状结构。在风化、卸荷、强降雨、冻融、根劈等不利因素影响下,易沿节理裂隙面发生位移错动,从而形成崩塌地质灾害。该处岩体主要发育有2组节理裂隙,其特征分别如下:

L1产状(主控):7°∠73°,张性裂隙,可见延伸长度3～4 m,呈张开状态,张开宽约1～3 cm,未见充填,裂隙密度2～3条/m,未贯通;

L2产状:87°∠87°,张性裂隙,可见延伸长度3～4 m,呈张开状态,张开宽约1～2 cm,未见充填,裂隙密度5～8条/m,未贯通;

见一组卸荷裂缝,为层理面卸荷发育形成,可见延伸长度1.5 m,泥质充填,张开宽度5 cm。两组节理裂隙面呈相互正交,岩体多为块状,块径以0.2 m×0.3 m×0.3 m为主。

(3)变形迹象及变形历史:据现场调查访问,该点每年均发生小规模崩塌,多为自然斜坡上的转石,块径长轴方向多为20～30 cm,最大可达60 cm,灾害发生后损坏房屋墙体,现状墙体已修复。坡脚处可见转石。

(4)崩塌源

①由人工切坡面中上部岩体风化卸荷形成的块石组成,块径以0.2 m×0.3 m×0.3 m为主,在强降雨、持续降雨及冻融天气下,易发生小型坠落式崩塌地质灾害,现状较稳定,发展趋势不稳定。

②自然斜坡坡面上零散分布转石,转石块径多为30 cm,最大可达60 cm,距离底部房屋高差约10 m。在强降雨、持续降雨天气下,易发生小型滚落式崩塌,现状较稳定,发展趋势不稳定。

2.2 崩塌堆积体

坡脚处可见零星崩塌堆积体,以往堆积物已被人为清理。据调查访问,最远落石距离0.5 m。

2.3 崩塌路径区

自然斜坡高差约162 m,坡度45°,自然斜坡形态呈直线形,地形起伏较大,根据现场研判及调查访问,推测其崩塌体运动模式主要为坠落式。路径区内植被类型:距离人工切坡顶部向后延伸约5m范围为茶园,其后为灌木及乔木。覆盖率80%,对崩塌运移时的阻挡效果微弱。坡脚处即为张桂兰户房屋,房屋结构为砖木结构,建房时间1989年。

3 崩塌形成机理与成灾模式

云乐镇许村村茶一组张桂兰屋后崩塌的形成机理和成灾模式主要是因构造和卸荷裂隙发育形成陡而深的拉张裂隙,在其它结构面叠加作用下被切割成块体,因切坡使上部岩体部分悬空,在长期的风化作用下,裂缝逐步填充泥质物质,或者植被根系挤压,裂缝扩展,受持续降雨或冻融天气,体积膨胀从而扩张裂缝。在长期的风化、雨水冲刷、植被根劈等外动力地质的作用下,岩体逐步超过极限平衡状态,从而发生崩塌。

4 崩塌稳定性计算与评价

选择最不利断面进行崩塌稳定性分析,崩塌稳定性分析应包括边坡整体稳定性分析,危岩体稳定性分析,堆积体稳定性分析,其中边坡整体稳定性可以根据边坡特征进行赤平投影定性评价,斜坡面的转石崩塌采用Rocfall软件数值模拟分析,可获得崩塌落石的弹跳高度、停留位置及总动能。

4.1 崩塌赤平投影评价

崩塌地质灾害主要发育在坡体中上部,清理的破碎段,受卸荷裂隙的拉裂作用,部分岩体呈现竖向裂缝,且有进一步崩落的可能,岩体结构破碎,发育有两组主要的裂隙,产状分别为:①7°∠73°,②87°∠87°,其中以裂隙1最为发育。

表1 结构面组合模式及稳定状态表

J1结构面交点位于切坡陡坎投影弧的对侧,这时结构面的交线与边坡倾向相反,结构面组合切割体为倾向坡内的稳定结构,边坡处于稳定状态。

J2/J3结构面的交点与边坡投影弧处在同一侧,落在了危岩边坡投影弧的外侧,说明结构面组合交线的倾向于边坡倾向相对一致,倾角小于危岩边坡的坡角,结构面组合交线在天然坡面上没有出露,切割体处于较稳定结构,边坡处于较稳定结构。

综上所述,组合结构面J1(裂隙3+裂隙4)现状处于较稳定状态,暴雨或冻融工况随时会发生崩塌,威胁住户房屋的生命财产安全。

4.2 崩塌落石数值模拟

4.2.1 模拟剖面的选取

根据现场调查,危岩带在斜坡上均有分布,为全面掌握崩塌落石的最大威胁范围和服务地质灾害防治设计的有效性,连接斜坡顶部与承灾体房屋一条剖面作为模拟剖面。

4.2.2 模拟落石的确定

据现场调查访问,该点每年均发生小规模崩塌,多为自然斜坡上的转石,块径长轴方向多为20～30 cm,最大可达60 cm,灾害发生后损坏房屋墙体,现状墙体已修复。坡脚处可见转石。其落石块体方量均小于1 m3。为有效的模拟落石最大威胁范围及运动轨迹,掌握落石主要堆积区域,本次模拟落石选择块体方量为1 m3,落石起始位置为斜坡的最高处,失稳方式为自然失稳,模拟过程中假设50块落石突然失稳进行模拟。落石物理力学参数根据实验统计后取值见表2。

表2 落石力学指标建议表

4.3 坡面参数特征的确定

根据现场调查及无人机低空影像测量,模拟坡面特征及取值情况见表3。

表3 数值模拟坡面特征

4.4 模拟分析

由图3-图6可知,崩塌危岩体自最高点失稳后,以滚动、碰撞、弹跳及空中飞行的方式组合运动。在ab段以滚动、碰撞和弹跳运动为主;在bc以碰撞和弹跳运动为主,在cd区域以空中飞行方式直接向其下部斜坡体运动;最终集中停留在居民区(df段),少量崩塌落石运动到居民区停留。在动能变化方面,崩塌落石的动能与落石的运动方式、运动块体数量、运动距离及落差有关。根据数值模拟成果,可详细的掌握到崩塌落石的集中停留区,受房屋阻隔主要集中停留在距落石失稳处的185 m处,通过移除障碍,再次模拟,落石主要集中在可到达的最远距离为217 m;同时,还可详细的了解各点位运动落石的最大弹跳高度、平移速度、旋转速度、平移动能、旋转动能和总动能等相关运动过程数据。

图3 剖面模拟弹跳轨迹图

图4 剖面模拟保留位置图

图5 剖面模拟弹跳高度图

图6 剖面模拟总动能图

通过数值模拟可知,崩塌危岩体自最高点失稳后,以滚动、碰撞、弹跳及空中飞行的方式向斜坡坡脚运动,最终主要堆积于居民区。

5 危害性评估

切坡面临空,自然斜坡较陡,见少量顺坡向地表水流冲刷痕迹,主要受大气降雨对坡面的直接径流和冲刷,岩土体干燥,坡面上有少量新发展的裂缝,切坡顶部无建筑物,未见植被歪斜现象。岩体风化裂隙发育。无明显变形迹象,为一利于排水的正地形,地下水排泄条件好。地质灾害活动性等级划分为中,危害性等级为低,单体地质灾害风险等级评估为低,现状较稳定,发展趋势不稳定。

威胁对象主要为坡脚处张桂兰户1户4人的生命及财产安全,2层砖木6间(1989年建房),常住4人(15～59岁 2人 60岁及以上 2人),总建筑面积211 m3,威胁财产20万元。

6 结语

通过对云乐镇许村村茶一组崩塌进行调查并选择最不利断面进行崩塌稳定性分析。结果表明崩塌发生的原因为构造和卸荷裂隙发育形成陡而深的拉张裂隙,在其它结构面叠加作用下被切割成块体,在长期的风化、植被根系、降雨导致扩张裂缝,岩体逐步超过极限平衡状态,从而发生崩塌。经过稳定性分析,单体地质灾害风险等级评估为低,现状较稳定,发展趋势不稳定,威胁对象主要为坡脚处张桂兰户1户。根据许村村茶一组张桂兰户屋后崩塌的规模、引发因素、危险性等条件,建议采用多种防护组合的形式进行防治加固,即“危岩体清理+主动防护网+被动防护网+落石挡墙”综合治理措施,尽快消除地质灾害隐患。