保康温泉崩塌成因机制与稳定性评价

李丽华，张维江，张 磊

(湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441000)

保康温泉崩塌位于湖北省襄阳市保康县城西南陈家河村001乡道边,崩塌体沿乡道内侧陡崖分布,陡崖坡脚为刘家坪河河床,河床高程467 m,陡崖所在坡顶高程650 m。坡脚乡道外侧为保康温泉泳池及办公、住宿设施。据现场调查,崩塌体主要发育2个危岩带,分布高程集中在475～495 m 、530～570 m。2016年11月26日,522～532 m高程处危岩发生体积约90 m3的崩塌,造成1人死亡、1人受伤以及建筑物、公路损毁[1]。为避免再次造成人员伤亡及经济损失,研究崩塌体的成因机制及稳定性具有重要意义。本文根据现场勘查工作成果,阐述其崩塌体的分布发育特征,分析保康温泉崩塌成因机制及其破坏模式,进行稳定性评价,并提出防治措施和建议。

1 崩塌体基本特征

崩塌区出露地层岩性从上而下分别为寒武系下统石牌组二段(∈1s2)和一段(∈1s1)中厚层状灰岩,岩性硬干脆,抗压强度为87 MPa。节理裂隙与溶蚀裂隙较发育,岩层产状为50°∠30°。坚硬岩体构成的逆向坡因地质构造、河流侵蚀等内外动力作用多形成陡崖,崩塌所在斜坡地形由上至下表现为陡—缓—陡形态,地形坡度分别为75°～85°、42°～55°、70°～84°,局部呈倒崖状。受岩体外倾溶蚀裂隙、节理裂隙面及微地形地貌的控制,陡崖及斜坡段危岩体形状不一、规模大小不等、破坏模式各异。

根据危岩体分布位置、形态规模将温泉崩塌分为2处危岩带,WY1危岩带分布高程530～570 m,分布面积3 500 m2,主崩方向为220°,崩落最大高差为103 m。危岩体受产状为190°～210°∠67°～79°、105°～125°∠40°～45°、55°∠32°三组主控构造裂隙面控制,危岩带被切割形成体积为32～96 m3大小不等的危岩体,最大危岩单体达384 m3，造成人员伤亡的崩塌体就位于该危岩带；WY2危岩带分布高程475～495 m,分布面积910 m2,主崩方向为202°,分布高差为28 m。危岩体受产状为210°～220°∠52°～72°、50°∠35°两组主控构造裂隙面控制,危岩带被切割形成体积为80～273 m3大小不等的危岩体,最大危岩单体达416 m3(图1)。

2 崩塌成因机制及影响因素

2.1 成因机制

温泉崩塌两处危岩带主要由11处危岩体组成,在长期溶蚀及降雨软化等作用下,崩塌区主要发育陡倾坡外和斜向切割两组结构面,产状分别为190°～220°∠52°～72°、50°～55°∠30°～35°。在这两组主控结构面的组合作用下危岩体被切割为块状,裂缝宽窄不一，无填充,在自然条件下稳定性较好,但是在突降暴雨或连续降雨的条件下,危岩体稳定性降低。因其临空条件好,分别发生滑移式、倾倒式和坠落式失稳破坏[2-5](图2)。本文选取已失稳崩塌体、WY1-2、WY1- 4危岩体阐述崩塌成因机制及典型破坏模式。

(1) 已失稳危岩体成因机制及破坏模式。已失稳危岩体分布高程522～532 m；高约10 m,宽约3 m,厚约3 m,方量约90 m3。2016年9—10月,保康县持续性降雨,降雨入渗产生倾向坡外的静水压力,同时顺裂隙等内部渗流通道入渗至坡体与岩体内部,软化泥质或钙质充填的结构面,同时还携带走裂缝内充填的细粒物质,增加裂隙连通率,致使危岩体发生滑移式变形破坏。

(2) WY1-2成因机制及破坏模式。WY1-2分布高程约545～555.7 m,坡向为210°,危岩体厚约2 m、高约12 m、宽约4 m、总方量约96 m3。厚层灰岩受降雨入渗及长期溶蚀作用影响,逐渐在危岩体后部发育一贯通性拉张裂缝,产状210°∠79°,裂缝逐渐扩展,一旦拉应力大于岩桥的抗拉强度,危岩体将发生坠落式崩塌。

(3) WY1-4成因机制及破坏模式。WY1-4分布高程约525 m,坡向210°,厚4 m、宽8 m、高12 m,体积约384 m3。厚层灰岩受顺坡陡倾裂隙面控制,在降雨入渗及溶蚀作用下,裂隙面快速扩张,造成危岩体重心逐渐外倾,导致危岩体以下部基座为倾覆点，最终向临空面发生倾倒式破坏。

2.2 主要影响因素

(1) 地形条件。崩塌区地处鄂西山地强烈上升区,地形切割深度100～200 m,斜坡高陡。陡崖地形是崩塌形成的必要条件,高陡地形使临空面处岩体失稳破坏,并沿斜坡面快速运动,产生突发性危害。

(2) 岩体结构与构造。崩塌区位于土门断裂带西,危岩体由岩性硬脆的寒武系下统厚层状灰岩组成,岩体构造裂隙发育,完整性较差。在风化、溶蚀、自重荷载作用下,构造裂隙不断扩展,累进性破坏造成岩石结构面的抗剪强度降低,并逐渐形成岩体应力松弛带,持续发展形成剪切裂缝,当岩体的极限平衡状态遭到破坏后将产生变形破坏,形成崩落、掉块甚至较大规模崩塌。危岩带多见顺坡向裂隙(190°～220°∠52°～79°)卸荷张裂后形成主控裂缝,说明岩体结构与构造因素是危岩形成发展的主要因素之一。

(3) 水的作用。大气降雨是崩塌危岩形成和发展的主要诱发动力因素,气象资料显示保康县降雨很大程度上受地形影响,峡谷地带的狭管效应促使短时强降雨多发生于山地迎风坡,保康县最大小时降雨量达70.7 mm(2018年8月2日)。2016年9—10月,保康县持续性降雨,降雨大量充填拉张裂缝,产生倾向坡外的静水压力,同时顺裂隙等内部渗流通道(基岩层面及节理裂隙面、溶蚀空隙)入渗至坡体与岩体内部,不仅软化泥质或钙质充填的结构面,同时还携带走裂缝内充填的细粒物质,增加裂隙连通率,使得危岩块体稳定性明显降低。汛期雨季产生崩塌的可能性更大,频率更高。

(4) 冻融作用。2016年11月21—25日,保康县遭遇极端雨雪降温天气,裂缝间的孔隙水因为交替性的冻融作用,引起危岩体裂缝深度和宽度进一步扩大。与此同时,由于昼夜温差变化较大,危岩体自身在热胀冷缩的作用下又进一步加剧了裂缝的变形和破坏。

(5) 人类工程活动。崩塌所在斜坡坡脚因修建公路进行开挖切坡,岩体开挖卸荷与风化剥蚀明显,为危岩体失稳崩落提供了有利条件。

3 稳定性分析评价

结合温泉崩塌工程地质条件及变形特征,本文主要选取典型危岩体WY1-2(坠落式)、WY1-4(倾倒式)计算其在各工况下的稳定性系数。

3.1 计算工况选取

根据危岩体发育的实际情况并参考相关规范,确定本研究的计算工况如下：工况1，自重(天然状态)；工况2，自重+裂隙水压力(暴雨期间)。根据三峡库区经验,取1/3裂隙高度作为暴雨条件下水头高度[6]。

3.2 计算参数选取

(1)岩体物理力学参数取值。根据试验数据及危岩体实际发育情况综合确定岩体物理力学参数指标,具体参数值见表1。

表1 岩体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

(2) 结构面抗剪强度参数取值。结构面抗剪强度参数主要依据结构面发育形态、充填情况等,并结合对已失稳危岩进行反演获得的参数与室内试验结果进行综合取值确定。不同状态下的结构面力学参数见表2。

表2 结构面抗剪强度参数取值Table 2 Shear strength parameters of structural plane

3.3 计算方法

结合温泉崩塌主要变形模式,本文主要讨论受后缘岩体抗拉强度控制的倾倒式危岩及受后缘裂隙控制的坠落式危岩稳定性评价。

(1) 倾倒式危岩(后缘岩体抗拉强度控制)稳定性计算,危岩体重心在倾覆点之外时：

(1)

危岩体重心在倾覆点之内时：

(2)

式中：h为后缘裂隙深度(m)；hw为后缘裂隙充水高度(m)；H为后缘裂隙上端到未贯通段下端的垂直距离(m)；a为危岩体重心到倾覆点的水平距离(m)；b为后缘裂隙未贯通段下端到倾覆点之间的水平距离(m)；h0为危岩体重心到倾覆点的垂直距离(m)；flk为危岩体抗拉强度标准值(kPa),据岩石抗拉强度标准值乘0.4折减系数确定；α为危岩体与基座接触面倾角(°),外倾时取正值,内倾时取负值；β为后缘裂隙倾角(°)。

(2) 坠落式危岩稳定性计算。后缘发育陡倾裂隙的悬挑式危岩按下列二式计算,稳定性系数取2种计算结果中的较小值：

(3)

(4)

式中：ζ为危岩体抗弯力矩计算系数,依据潜在破坏面形态取值,一般可取1/12～1/6,当潜在破坏面为矩形时取1/6；a0为危岩体重心到潜在破坏面的水平距离(m)；b0为危岩体重心到过潜在破坏面形心的铅垂距离(m)；flk为危岩体抗拉强度标准值(kPa),据抗拉强度标准值乘以0.2的折减系数确定；c为危岩体粘聚力标准值(kPa)；φ为危岩体内摩擦角标准值(°)；Q为地震力(kN/m)；其他符号意义同前。

3.4 计算结果

根据确定的危岩体力学计算模型并结合公式确定了典型危岩块体(WY1-2、WY1- 4)稳定性系数,结果表明： WY1-2在天然工况下处于欠稳定状态,暴雨工况下处于欠稳定状态；WY1- 4在天然工况下处于欠稳定状态,暴雨工况下处于欠稳定状态。稳定性计算统计结果见表3。

表3 典型危岩体稳定性计算成果表Table 3 Table of stability calculation results of typical dangerous rock mass

典型危岩体的稳定性分析表明保康温泉崩塌的2处危岩带已处于欠稳定状态,若遇持续性降雨或短时强降雨,危岩体稳定性下降,趋于临界稳定状态。受此影响,调查期间崩塌体坡脚公路封闭,温泉停业,对当地居民出行及温泉的正常营业均造成了不利影响。为消除该崩塌体的危险性,保护当地居民的生命财产安全,针对崩塌体的变形特征,建议采取危岩清除、坡体中下部设置被动防护网、坡脚挂网锚护、专业监测等综合防治措施。

4 结论

(1) 本文阐述了保康温泉崩塌基本特征,主要包括2处危岩带,崩落最大高差达103 m,危岩带长期遭受降雨及溶蚀作用,在3组主控裂隙面控制下,被切割形成体积为32～273 m3大小不等的危岩体,最大危岩单体达416 m3。

(2) 分析已失稳崩塌体、WY1-2、WY1-4等典型危岩体的成因机制及典型破坏模式,结果表明,滑移式、坠落式、倾倒式变形破坏模式在温泉崩塌区各危岩体中均有分布。

(3) 定量评价了其典型危岩体在不同工况下的稳定性,得出了崩塌体处于欠稳定状态。建议采取危岩清除、设置被动防护网、挂网锚护、专业监测等综合防治措施。