毛啟曦， 劉萬(wàn)亮， 翁茂芝， 段先鋒

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北 武漢 430034)

2017年8月7日，湖北省恩施州利川市謀道鎮(zhèn)中心村12組鐵鋪山體發(fā)生崩塌(以下簡(jiǎn)稱鐵鋪崩塌)。該崩塌危巖體位于東經(jīng)108°36′10″，北緯30°27′34″，長(zhǎng)15 m，高200 m，厚約15 m。崩塌山體失穩(wěn)后，巖體加速破碎、解體直至最終崩落，并沿下部平緩?fù)临|(zhì)斜坡滾動(dòng)，沿途剝離斜坡表面原有松散堆積物，并使得崩積物逐漸增大。沿途損壞中心村12組的居民區(qū)房屋及公路，最終堆積于百丈溝內(nèi)。形成沿崩塌方向長(zhǎng)約80 m，寬約23 m，平均厚度約3 m，體積約為4 000 m3的堆積體，所幸未造成災(zāi)難性后果。

鐵鋪崩塌發(fā)生后，在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，四周的危巖體仍有80 cm寬的卸荷裂縫，有近1 000 m3巖體有再次崩塌的可能性，嚴(yán)重威脅村民的生命財(cái)產(chǎn)安全。本文是在應(yīng)急調(diào)查研究處理完工后，研究鐵鋪崩塌的災(zāi)后特征以及治理現(xiàn)狀。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌與氣象水文

崩塌區(qū)位于利川市西北部，地處鄂西南近東西向展布的褶皺山區(qū)，為構(gòu)造溶蝕侵蝕中低山區(qū)；宏觀地貌基本輪廓定型于燕山期臺(tái)褶帶，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造就了近東西走向的褶皺山地，表現(xiàn)為大面積的隆起，具有顯著的間歇性。

鐵鋪崩塌位于謀道鎮(zhèn)西南部，海拔高程在680～1 100 m之間。鐵鋪崩塌底部為百丈溝，溝內(nèi)河流對(duì)坡腳有沖刷、浸潤(rùn)等作用，有相關(guān)研究結(jié)果表明在長(zhǎng)期河水沖刷、侵蝕作用后，重塑土的微結(jié)構(gòu)和抗剪強(qiáng)度都會(huì)發(fā)生一定變化[1]。

崩塌區(qū)屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候。因山嶺重疊，溪谷縱橫，垂直落差大，氣候變化也大，成為顯著的山地氣候，具有冬無(wú)嚴(yán)寒、夏無(wú)酷暑，云多霧大，日照較少，雨量充沛，潮濕、風(fēng)小等特征[2]。多年平均氣溫12.5 ℃，極端最高氣溫41.2 ℃，極端最低氣溫-17 ℃。時(shí)間分配上的不均勻性以呈單峰形分布。崩塌區(qū)每年5—7月降水最為集中(圖1)。因此在汛期常常暴發(fā)山洪，形成地質(zhì)災(zāi)害，破壞交通、水利等設(shè)施，時(shí)常威脅人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。

圖1 中心村近20年月平均降雨量
Fig.1 Average rainfall of central village in recent 20 years

1.2 地層巖性與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

崩塌區(qū)域內(nèi)地層出露中侏羅世沙溪廟組二段(J2s2)棕色塊狀細(xì)砂巖、紫紅色粉砂質(zhì)頁(yè)巖偶夾棕色中層狀細(xì)砂巖，崩塌源區(qū)地層產(chǎn)狀為310°∠8°。由于細(xì)砂巖與粉砂質(zhì)頁(yè)巖巖性軟硬性質(zhì)差異導(dǎo)致風(fēng)化作用影響程度不同，在細(xì)砂巖下部形成懸空面。

崩塌區(qū)域位于建南背斜北西翼，齊岳山斷裂北西側(cè)上盤。為地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)域。受斷裂和褶皺構(gòu)造的影響，致使區(qū)內(nèi)構(gòu)造裂隙較發(fā)育，特別是齊岳山斷裂以及其次級(jí)斷裂，造成區(qū)內(nèi)巖石破碎，巖質(zhì)斜坡不完整，易形成危巖。

2 斜坡結(jié)構(gòu)特征及變形破壞模式

2.1 斜坡結(jié)構(gòu)特征

斜坡外型為中上部陡、下部緩的復(fù)合型斜坡，總體坡度為52°，坡面朝向?yàn)?5°，下部坡面較緩處有松散堆積的坡積物。坡底百丈溝內(nèi)有大量堆積的崩積物碎石，最大可見3 m×2 m×4 m，整個(gè)斜坡最大寬度30 m，斜坡坡高260 m。危巖體頂部現(xiàn)如今已封禁隔離，整個(gè)危巖體外部基巖裸露。由于地層傾角<10°，斜坡整體結(jié)構(gòu)上為平緩層狀斜坡。坡體結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。

圖2 坡體結(jié)構(gòu)特征
Fig.2 The structural characteristics of the slope
1.細(xì)砂巖；2.粉砂巖；3.粉砂質(zhì)頁(yè)巖；4.泥巖；5.泥質(zhì)頁(yè)巖；6.崩、坡積物；7.卸荷裂隙；8.崩塌運(yùn)動(dòng)方向。

2.2 巖體結(jié)構(gòu)特征

斜坡巖體結(jié)構(gòu)總體上表現(xiàn)為上部淺紫紅色厚層—塊狀細(xì)砂巖，中下部紫紅色粉砂質(zhì)頁(yè)巖偶夾細(xì)砂巖、粉砂巖。上部裂隙沿節(jié)理面發(fā)育，呈塊狀碎裂結(jié)構(gòu)，中下部由于巖性差異，硬度偏軟的粉砂巖更易受風(fēng)化作用影響，導(dǎo)致在細(xì)砂巖底部形成懸空面，在長(zhǎng)期風(fēng)化作用下，坡體上部愈演愈陡而形成陡崖，為其頂部堅(jiān)硬巖體的臨空造就了崩塌的有利地形[3-4]。崩塌危巖體的底界為軟弱帶，它的支撐作用逐漸減弱并失效是危巖體發(fā)生崩塌的關(guān)鍵[5]。

斜坡總體結(jié)構(gòu)面赤平投影如圖3所示，危巖體中主要發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面，分別為地層層理面和兩組節(jié)理面。危巖體層間間距(層厚)為0.8～1.5 m，上部塊狀細(xì)砂巖的節(jié)理是造成地層失穩(wěn)的主要因素之一，共發(fā)育兩組節(jié)理，一組節(jié)理產(chǎn)狀為136°∠70°，每米發(fā)育2～4組；另一組節(jié)理產(chǎn)狀68°∠81°，每米發(fā)育2組。兩組節(jié)理呈共軛交切關(guān)系，其中北東朝向的節(jié)理與卸荷裂隙面產(chǎn)狀一致。兩組節(jié)理面均較為光滑、平直。

圖3 鐵鋪崩塌斜坡結(jié)構(gòu)面赤平投影
Fig.3 The stereographic projection of the landslide structual surface

構(gòu)造結(jié)構(gòu)面對(duì)崩塌的形成起著關(guān)鍵的控制作用[6]。兩組節(jié)理與巖層面構(gòu)成控制崩塌結(jié)構(gòu)面，其中層理構(gòu)成巖體失穩(wěn)的底緣邊界，節(jié)理面①即北東傾向的節(jié)理面在危巖體上形成卸荷裂縫，并且表明節(jié)理面組合交線的傾向與斜坡的傾向基本一致，傾角大于斜坡的坡角，節(jié)理面②將巖體切割，使得斜坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 崩塌區(qū)山體變形破壞模式分析

危巖破壞失穩(wěn)及其運(yùn)動(dòng)致災(zāi)過(guò)程是不斷演化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程[7]。切坡卸荷型崩塌主要作用機(jī)理是前緣卸荷減壓導(dǎo)致支撐力弱化，牽引發(fā)展成崩塌[8]。分析認(rèn)為，鐵鋪崩塌山體失穩(wěn)發(fā)展演化過(guò)程如圖4所示。在崩塌發(fā)生以前，危巖體后側(cè)山體與危巖體之間的卸荷裂縫逐漸拉開(圖4-a)，其主控結(jié)構(gòu)面的損傷和裂隙的擴(kuò)展構(gòu)成了崩塌的核心[9]，長(zhǎng)期強(qiáng)烈的降雨滲流使得山體的完整性進(jìn)一步遭到破壞，裂縫隨即經(jīng)過(guò)一定程度的加深、加寬，并伴隨危巖體逐漸脫離母巖，在重力作用下位于危巖體下部逐漸形成豎向節(jié)理裂隙，最終發(fā)育為長(zhǎng)16 m、寬0.15～0.6 m、深80 m的裂隙面，裂隙面產(chǎn)狀為68°∠81°，并在剪應(yīng)力作用下形成一條形似交錯(cuò)層理的裂縫帶(圖4-b)；上述兩組節(jié)理面與巖層層面組合，將危巖體切割成塊狀，在一定的臨空條件下較容易發(fā)生塊狀滑動(dòng)破壞。伴隨著剪應(yīng)力形成的裂縫帶逐漸貫通，失穩(wěn)的危巖體逐漸朝斜坡朝向一側(cè)傾倒，表現(xiàn)出傾倒式崩塌的特征(圖4-c)；危巖體的崩塌最終導(dǎo)致巖層破碎，墜落在斜坡下部，由于高差使巖塊釋放大量動(dòng)能，最終碎裂以碎屑的形式向斜坡下堆積(圖4-d)。

圖4 鐵鋪崩塌山體失穩(wěn)演化過(guò)程示意圖
Fig.4 The schematic diagram of Tiepu landslide instability evolution

3 崩塌災(zāi)后治理

對(duì)于不同的危巖體需根據(jù)其地質(zhì)環(huán)境差異和威脅對(duì)象不同而采用不同的防治等級(jí)和有針對(duì)性的技術(shù)方法[10]。崩塌危巖體的防治必須對(duì)其形成的具體條件，對(duì)巖石層面和節(jié)理等各類結(jié)構(gòu)面進(jìn)行充分調(diào)查研究，以調(diào)查為主、計(jì)算為輔，計(jì)算與之有關(guān)的參數(shù)(如落石下落速度、撞擊能量以及落石滾落距離等)，分析評(píng)價(jià)崩塌危巖體破壞機(jī)制及擴(kuò)展趨勢(shì)，再結(jié)合防治目的才能對(duì)崩塌危巖體采取有針對(duì)性的防治措施。參照崩落體的運(yùn)動(dòng)模式[11]、崩塌掉落巖塊的運(yùn)動(dòng)速度和沿斜坡的彈跳距離關(guān)系，在忽略聲能，并設(shè)初速度為0，危巖崩塌落石下落的速度計(jì)算按下式計(jì)算：

(1)

(2)

K=1.05-0.012 5α+0.000 002 5α2

式中：H為石塊墜落高度(m);g為重力加速度，取9.8 m/s2;α為山坡坡度(°);K為石塊沿山坡運(yùn)動(dòng)的阻力特性系數(shù)。根據(jù)動(dòng)能公式計(jì)算巖體的撞擊能量：

(3)

危巖體發(fā)生破壞后，落石向下運(yùn)動(dòng)墜落在斜坡表面產(chǎn)生碰撞，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換可以計(jì)算落石的運(yùn)動(dòng)距離：

(4)

式中：vi為落石在斜坡面上任意位置所具有的速度(m/s)；α為各直線段斜坡的平均坡度；Δhi為各直線段斜坡的垂直高度(m)；Φr為落石與坡面之間的綜合摩擦角；Li為各直線段斜坡的長(zhǎng)度(m)。檔末速度vi=0時(shí)，便可求得∑Li，∑Li×cosα就是崩塌的最大水平運(yùn)動(dòng)距離。

根據(jù)實(shí)地測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)，草算得出危巖崩塌落石下落速度約為67.4 m/s，共造成約7.6×1011J的撞擊能量，落石運(yùn)動(dòng)距離約280 m，威脅著下方21戶100余村民的生命財(cái)產(chǎn)安全。結(jié)合斜坡的地質(zhì)環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)特征以及變形破壞機(jī)制，鐵鋪崩塌的治理措施具體如下(圖5)：

(1) 錨固。在風(fēng)化裂隙及卸荷裂隙發(fā)育密集的裂隙區(qū)，全部清除較為困難的情況下，采用錨固崩塌危巖體，防止卸荷裂隙的產(chǎn)生及擴(kuò)展，達(dá)到防治的目的。

(2) 支撐嵌補(bǔ)加固。對(duì)崩塌源區(qū)南側(cè)還未發(fā)生崩塌的危巖體，采用支撐嵌補(bǔ)的方法進(jìn)行加固，防治危巖體的變形破壞。

(3) 修建排水溝、截水溝。坡面截排水溝的根本目的是理水疏水[12]。改善坡面水分條件，防治由水系加速裂隙面的擴(kuò)張，從而達(dá)到穩(wěn)定斜坡的目的。

(4) 對(duì)危巖體上部周邊進(jìn)行攔網(wǎng)隔離，減少由于外部物理因素使危巖體范圍繼續(xù)擴(kuò)大。

(5) 重建損壞房屋和公路。對(duì)于有輕微損壞的房屋進(jìn)行修補(bǔ)，而對(duì)已經(jīng)損壞的房屋和公路進(jìn)行重新修繕。

4 結(jié)論及建議

本文作者參與了謀道鎮(zhèn)中心村鐵鋪崩塌實(shí)地調(diào)查研究其崩塌特征和成因機(jī)制，具體結(jié)論如下：

(1) 通過(guò)資料收集和實(shí)地調(diào)查，查明了鐵鋪崩塌的地質(zhì)條件和邊坡結(jié)構(gòu)特征，分析了引起崩塌地質(zhì)災(zāi)害的成因，其一是由于長(zhǎng)期降雨使卸荷裂隙逐漸加深加寬，其二是坡體表面受到差異風(fēng)化的影響，泥巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖不斷風(fēng)化并剝落，形成懸空面，兩者的共同作用，導(dǎo)致了上方巖體的變形與破壞。

(2) 針對(duì)邊坡的破壞模式提出治理措施，采取“清方+排水+嵌補(bǔ)加固”的治理方案：在清理完斜坡上的崩積物后，修建排水溝、截水溝，并在危巖體內(nèi)施加錨固，借以提高危巖體的摩擦阻力、整體性和抗剪強(qiáng)度，在整體上達(dá)到提高邊坡穩(wěn)定性的目的。目前斜坡暫時(shí)穩(wěn)定，自治理以來(lái)未再次發(fā)生崩滑事件。

圖5 鐵鋪崩塌災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)及治理現(xiàn)狀
Fig.5 Post disaster site and treatment status in Tiepu landslide
a.崩積物損壞公路；b.崩塌斜坡路徑區(qū)損壞的房屋；c.崩積物石塊在斜坡上堆積以及后期修建的截水溝；d.已修建完好的路面；e.崩塌危巖體處修建的錨固與擋墻；f.危巖體支撐嵌補(bǔ)加固；g.危巖體上部攔網(wǎng)隔離；h.崩塌斜坡現(xiàn)狀全貌。

建議：百丈溝兩側(cè)斜坡在夏季常常出現(xiàn)各類小型崩塌、滑坡，其發(fā)生頻率隨著時(shí)間具有遞增的趨勢(shì)。因此，應(yīng)加強(qiáng)在百丈溝尤其是已經(jīng)出現(xiàn)變形的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域，進(jìn)行演變規(guī)律的持續(xù)跟蹤研究，結(jié)合新技術(shù)手段，提早識(shí)別，提前預(yù)警。