地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (6): 1091-1098
引用本文
王军朝, 孙金辉. 川东红层缓倾角岩质崩塌特征与稳定性分析[J]. 地质力学学报, 2019, 25(6): 1091-1098.
WANG Junchao, SUN Jinhui. CHARACTERISTICS AND STABILITY ANALYSIS OF ROCK COLLAPSE OF LOW-ANGLED RED-BED SLOPE IN EAST SICHUAN[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(6): 1091-1098.
川东红层缓倾角岩质崩塌特征与稳定性分析
王军朝1,2, 孙金辉1,2    
1. 中国地质科学院探矿工艺研究所, 四川 成都 611734;
2. 中国地质调查局地质灾害防治技术中心, 四川 成都 611734
摘要:川东地区出露一套湖相、河流相等红色碎屑岩,普遍发育着缓倾角岩质斜坡结构,由于其特殊工程特征和环境条件致使地质灾害频发,其中崩塌是主要灾害形式之一,并对人居安全与交通、城镇建设等具有较大危害。通过总结分析已有研究成果并结合大量野外工程地质测绘与岩体力学原理分析,提出基于川东地区环境背景条件的贯通型倾倒式、贯通型滑移式、非贯通型错断式和非贯通型拉裂式的四种基本崩塌类型,并对其岩性组合、斜坡结构特征、演变过程和安全性定量计算等进行系统总结,可为区内同类灾害的防治与研究提供借鉴与参考。
关键词川东红层    缓倾角岩质边坡    贯通型与非贯通结构    崩塌    稳定性分析    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.06.092     文章编号:1006-6616(2019)06-1091-08
CHARACTERISTICS AND STABILITY ANALYSIS OF ROCK COLLAPSE OF LOW-ANGLED RED-BED SLOPE IN EAST SICHUAN
WANG Junchao1,2, SUN Jinhui1,2    
1. Institute of Exploration Technology, CAGS, Chengdu 611734, Sichuan, China;
2. Technical Center for Geological Hazard Prevention and Control, CGS, Chengdu 611734, Sichuan, China
Abstract: A set of lacustrine and fluvial red clastic sedimentary rocks are exposed in east Sichuan, and the slope structures with low dip angles are widely distributed. Due to its special engineering characteristics and environmental conditions, geological hazards occur frequently, among which collapse is one of the main forms and a great threat to the safety of local residents, transportation, urban construction. By summarizing the previous research results and analyzing a lot of engineering mapping and geotechnical mechanics in the field, we proposed four kinds of basic collapse types based on the environment background conditions in east Sichuan, which are penetrating-topple, penetrating-slide, non-penetrating-shearfault and non-penetrating-pullfault. Their lithologic association characteristics, slope structure characteristics, evolution process and security quantitative evaluation are summarized systematically, which provide reference for the treatment and research of similar geological hazard in the region.
Key words: red-bed in east Sichuan    low-angled rock slope    penetrating and unpenetrating structure    collapse    stability analysis    
0 引言

川东泛指四川盆地的东部地区,由于区内红层具有独特的工程性质而地质灾害频繁且危害严重[1],具有点多面广,规模差异大的特征。其中崩塌又是主要的灾害形式之一,而重力、暴雨、震动和人工开挖成为其破坏的主要动力作用[2]

层状斜坡层状岩质边坡是指发育有一组占主要优势结构面的边坡类型[3],缓倾角岩质斜坡通常指地层倾角较小(一般小于10°)的斜坡,在一般情况下,边坡稳定性较好[4-5],但由于四川红层缓倾角边坡特殊的岩体结构和地层岩性,形成不同陡峭或阶梯状斜坡,为崩塌的形成提供了极为有利的地形条件,尤其在川东普遍的强降雨条件下,存在着较为严重的水-岩化学差异腐蚀作用,以及人类工程活动亦改变了渗透水的化学成分及其岩土体的水物理与化学作用, 二者均导致岩土体不稳定性问题发生频率的加大[6-7]。国内外学者对崩塌危岩体的失稳破坏机制与基本模式进行了大量研究,并取得可贵的研究成果,如胡厚田先生在《崩塌与落石》一书中基于大量调查分析,总结出倾倒式、滑移式、鼓胀式、拉裂式和错断式崩塌的五种基本模式,并借助平衡极限理论对不同类型的稳定性进行了研究;冯振等[8]在梳理国内外文献的基础上, 从岩体破坏机制对近水平厚层高陡斜坡崩塌的形成过程、破坏机制、失稳模式进行分析, 总结归纳了六种地质力学模型, 包括滑移-拉裂、塑流-拉裂、倾倒-拉裂、剪切-错断、剪切-滑移、劈裂-溃屈,陈洪凯等[9]以三峡库区危岩为研究对象,辨识了“危岩”、“崩塌”和“落石”等术语之间的协同性,把危岩分为滑塌式、倾倒式和坠落式危岩3类,探索了危岩破坏机理、稳定性分析、承载寿命等关键问题,并对缓倾角层状岩体边坡链式反应进行了探索与研究。

1 川东红层基本工程地质特性

川东红层主要包括侏罗系、白垩系,以及少量三叠系地层,由一套较为完整的湖相、河流相及冲积相的碎屑岩组成,其中尤以侏罗系最为突出。温热潮湿多雨的湖相沉积中形成了一套紫红、浅紫色钙质砂岩、灰黄、浅黄色长石石英砂岩夹紫红、猪肝色泥岩、粉砂质泥岩等,厚度较大。较为普遍存在的泥岩和页岩因富含黏土矿物,易软化崩解而成为软化夹层,而软弱夹层是控制岩体稳定性致灾害发生的重要结构面[10],以区内普遍出露的侏罗系上统遂宁组泥岩及其红层土为代表的工程地质参数如下[11]

矿物成分:红层泥岩及其风化物含有大量的黏土矿物,由X射线衍射法反映出样品主要含有石英,蒙脱石及伊利石,碎屑粒度一般在0.03~0.30 mm,其中水云母鳞片状集合体占到44.7%,石英21.7%。从镜下观察,该红层泥岩呈隐晶质致密块状、泥状结构化学成分,样品粉晶X射线物相分析详见图 1。实验测试密度1.83×103~2.02×103 kg/cm3,抗剪强度C值12.4~36.5 kPa,内摩擦角ϕ值6.65°~13.0°。

图 1 红层泥岩粉晶X射线物相分析 Fig. 1 X-ray phase analysis of red-bed mudstone powder crystal

崩解特征:红层泥岩透水性弱、亲水性强,遇水易软化,失水易崩解,强度低(岩块单轴饱和抗压强度中值在5 Mpa左右),当岩体解除约束力、出现临空面,极易顺层解体滑落,尤其受到上覆荷载时其变形较大,浸水软化后强度降低30%~70%[12-13]

相对于泥岩与页岩而言,川东红层中的砂岩则粘质矿物含量少,质地坚硬(密度2.13×103~2.32×103 kg/cm3),强度相对较高(岩块单轴饱和抗压强度中值在15 MPa左右, 抗剪强度C值2.52~2.35 MPa,内摩擦角ϕ值44°~52°),由于二者的矿物含量、水理性质、强度差异等导致的抗风化能力不同而形成区内较为典型岩性组合和斜坡结构类型。

2 红层斜坡结构类型

失稳模式和破坏机制的选择需要对实际坡面形态和物质组成模型概化,现结合川东地区四川省宣汉县观音岩崩塌为典型进行分析研究。

观音岩崩塌区处于中等切割的构造侵蚀剥蚀中山地貌区,陡坡段坡顶高程366~376 m,前缘高程为341~350 m,前后缘相对高差16~34 m,纵向地形上大致由两级台阶状组成,坡向约为130°;出露地层为侏罗系中统遂宁组(J2sn),岩性以棕红色、紫红色砂质泥岩、泥质粉砂岩为主;构造上处于背斜(轴线方向NE 30°)的东翼,岩层产状55°∠5°,属典型的缓倾角岩质边坡;受次级构造作用影响, 基岩构造节理和风化裂隙发育,主要有两组,一组节理产状40°∠72°~78°,另一组产状110°∠77°~83°。

2.1 地貌的立面特征

立面上裂隙较为发育,存在交结复合的特点,同时受控于岩层的性质而局部不连续。以砂岩为主的岩性组合裂隙的线密度0.25~0.45条/m,上部较下侧密且裂缝窄多张开而无充填;以泥岩和粉砂质泥岩为主的裂隙的线密度0.52条/m,受表层泥质冲刷的影响,裂缝较宽且多为泥质充填而便于植物根系的生长;同时,裂隙展布受到重力卸荷和岩性的影响较大,多具有上宽下窄,软岩分隔的特点,是自然界该类斜坡裂隙组合较为普遍的存在状态。

2.2 地貌的剖面特征

自然环境中该类斜坡的剖面形态因裂隙纵横交织而错综复杂,并非单一的模式所能涵盖,通过对研究区该类斜坡地形系统性分析,总结了区内裂隙和坡面不同组合关系,从实测的多条剖面来看,受不同岩性组合和风化差异的控制作用而呈现不同的微地貌形迹和变形破坏特征,其中巨厚—中厚层砂岩夹薄层泥岩(软化夹层),二者因差异性风化较大而普遍形成“凹腔”负地形形态(图 2a);后者为泥岩、泥质粉砂岩和砂岩近于等厚的互层状结构,普遍形成“锯齿状”形态斜坡(图 2b),这在后面的典型剖面分析中可明晰辨别。另从现场大量探槽揭示情况来看,“X”节理的与坡面卸荷裂隙的组合控制了该类崩塌的裂缝扩展和规模。

图 2 不同岩性组合典型照片 Fig. 2 Typical photos of different lithologic association
2.3 斜坡结构特征

以观音岩崩塌为例,四川盆地川东红层缓倾角互层状岩质斜坡结构,通常出现在宽缓褶皱或褶曲的核部暨下切河谷两侧,微地貌组合上斜坡形态多呈缓倾台阶状展布,宏观及微观上均发育各组垂直坡向的多组卸荷裂隙并伴随着不同规模的崩塌灾害,其典型剖面结构特征如图 3所示。

图 3 川东缓倾角岩质边坡斜坡结构典型特征图 Fig. 3 Typical characteristic diagram of low-angled rock slope in east Sichuan
3 川东红层崩塌特征 3.1 发育特征

川东红层崩塌是仅次于滑坡数量的重要地质灾害类别之一,其中岩质崩塌居多,崩塌灾害的规模等级以小型为主,占比通常超过总量的85%以上,危害对象多为零散居住的分散农户和交通道路,险情等级以小型为主。区内崩塌多发生在坡度60°以上、坡高10~20 m以上的斜坡上,尤其是坡面粗糙和软硬互层状斜坡段更易发生崩塌灾害。

3.2 分布特征

时间上分布:每年的5—9月为崩塌地质灾害高发期,印证了地质灾害在年内的分布特征与降雨分布规律、降雨周期同步(该时段降雨量集中,占全年降雨量的80.0%以上,且多暴雨和持续降雨)。空间分布:多分布中—深丘区间河谷及支沟谷地两侧斜坡,这些地段既是人口的聚集区,也是地质灾害隐患点分布最集中的部位,同时受控于域强烈构造活动及地层岩性影响而相对集中(图 4)。

图 4 四川盆地川东红层及崩塌灾害分布示意图 Fig. 4 Diagram of the distribution of red-beds and collapses in east Sichuan Basin
4 红层斜坡破坏模式及形成机制

参照陈洪凯等[14]学者研究成果,缓倾角层状岩体边坡演化过程可浓缩为五个阶段,其中第一阶段的河流下切和第二阶段的差异风化在川东地区具有普遍性,也是区内斜坡演化的必经阶段,差异风化是个持续的、渐变的物理化学过程,然随着后期水力作用、重力作用的加入则呈现多元化的发展方向。从实际调查来看,严格的构建起宏观链和微观链在川东地区是较为困难的,但从现有表象来看,基于现有地表微地貌形态,根据潜在破裂面是否全贯通划分为贯通型和非贯通型裂缝组合,总结川东此类破坏的概化模式,在此基础上借鉴胡厚田[15]的岩体力学机制进行组合归结为非贯通型-拉裂式崩塌、非贯通型-错断式崩塌,贯通型-倾倒式崩塌、贯通型-滑移式崩塌四种类型。

4.1 贯通型-倾倒式崩塌

贯通型-倾倒式崩塌(典型剖面见图 5)指不稳定岩体的上、下两部分与稳定岩体之间通常均为裂隙分开而形成贯通型间断面,在长期的根劈作用或少量的静水压力和冻胀作用而逐步向外倾斜,一旦受震动或其它因素激发产生以图 6中的B点为轴心向外倾倒而形成崩塌。在川东平缓岩层区的野外调查来看,此类式崩塌存在相对较少,其存在主要表现为已经后缘贯通的硬质砂岩体“坐落”在下侧的软质泥岩或泥质粉砂岩上,维持着暂时的平衡状态,其是否失稳破坏是个力矩平衡问题,计算模式如图 5,其稳定性计算公式如下。

$ K_{1}=\frac{G a}{f \frac{h}{3}+A \frac{h}{2}}, f=\frac{\gamma_{\mathrm{w}} h^{2}}{2} $ (1)
图 5 贯通型-倾倒式崩塌实测剖面 Fig. 5 Diagram of measured section of penetrating-topple collapse

图 6 贯通型-倾倒式崩塌力学模型 Fig. 6 Mechanical model of penetrating-topple collapse

公式中:K1为稳定性系数,用于评判失稳可能性大小;f为单宽裂缝内的静水压力计算值,(kN·m-1);h0为后侧裂隙的压力水头高度,m;G为单宽崩塌体的重量,(kN·m-1);A为地震力,(kN·m-1);a为转点至重力延长线的垂直距离,通常取崩塌体宽度的一半,m;h为潜在崩塌体的高度,m;γw为水的容重,(kN·m-3)。

4.2 贯通型-滑移式崩塌

在滑移式岩质崩滑类型三种情况中,川东红层崩塌主要为直线型单斜面滑动型,在区内分布相对较少,出露地层主要为厚层-巨厚层砂岩夹泥岩,其主要形态特征表现为后侧的多级裂隙与前缘的局部隆起地形,在巨厚层砂岩夹薄层泥岩地区可形成几米至几十米的柱体,可能产生较大规模的崩塌。其形成机制前期卸荷裂隙形成,后为泥质充填而存在较高的静孔隙水压力伴随着下侧的泥岩泥化与软化,最终产生滑移剪出。典型斜坡结构特征可参见图 7

图 7 贯通型-滑移式崩塌实测剖面图 Fig. 7 Diagram of measured section of penetrating-slide collapse

图 8 贯通型-滑移式崩塌力学模型 Fig. 8 Mechanical model of penetrating-slide collapse

其稳定性计算参照平推式滑坡形式抗剪强度理论计算,见公式(2),计算力学模型见图 7。需要指出的是此类崩塌具有明显的渐深递变型即从坡外向坡内逐级拓展规律。

$ \begin{align} & {{K}_{2}}\frac{(G(\text{ cosa }-A\text{ sina })-V\sin a-U)\tan \phi +CL}{G(\sin \text{a}+A\cos \text{a})+V\cos \text{a}}, \\ & U=\frac{1}{2}{{\gamma }_{w}}Lh, \quad V=\frac{1}{2}{{\gamma }_{\text{w}}}{{h}^{2}} \\ \end{align} $ (2)

公式(2)中:K2为稳定性系数,用于评判失稳可能性大小;V为后单宽缘裂缝静水压力,(kN·m-1);U为沿滑面单宽扬压力,(kN·m-1);h为后侧充水高度,m;L为下侧滑移面长度,m;a为滑移面倾角(°);C为滑带土的内聚力,kPa; ϕ滑带土的内摩擦角(°)。其余符号定义同公式(1)。

4.3 非贯通型-错断式崩塌

此类崩塌多见于岩性差异较小的泥质粉砂岩与粉砂质泥岩、泥岩的组合,随着风化差异而呈现“锯齿”状的剖面特征,其主要受重力作用下产生剪力控制,且通常由多组裂隙间断面组成,任何一组剪应力超过岩体的抗剪强度,即发生错断式崩塌,典型结构如图 9。由剪应力平衡确定计算模型见图 10,计算过程见公式(3)。

$ K_{3}=\frac{[\tau]}{\tau}, \tau=\frac{\gamma}{2}\left(h-\frac{l}{2}\right) $ (3)
图 9 非贯通型-错断式崩塌实测剖面图 Fig. 9 Diagram of measured section of unpenetrating-shearfault collapse

图 10 非贯通型-错断式崩塌计算模型 Fig. 10 Mechanical model of unpenetrating-shearfault collapse

公式(3)中:K3为稳定性系数,用于评判失稳可能性大小;α为裂缝的深度,m;h为剪出面的高度,m;l为凹腔的深度,m;γ为岩石天然容重,kN·m-3;[τ]为岩石允许抗剪强度,kN·m-2

4.4 非贯通型-拉裂式崩塌

非贯通型-拉裂式崩塌(图 11)在区内存在最具有普遍性,出露岩层多为差异较大的厚层砂岩夹泥岩结构,随着差异风化不断剥落,而形成下部“凹腔”和上部凸出的剖面形态,且不断发展了后侧拉张裂隙,在野外较易识别,其受力类似于悬臂梁结构,上部受拉,下部受压,上部在拉应力作用或水压、冻胀与根劈作用裂隙不断向下扩展,在裂缝的末端B点(图 12)形成应力集中以及水-岩强烈作用带,一旦拉应力超过岩石抗拉强度,上部岩石发生向外倾倒。根据岩体的抗拉强度确定的计算模型见图 12,计算过程见公式(4)。

$ \begin{align} & {{K}_{4}}=\frac{[\sigma ]}{{{\sigma }_{B拉}}}, {{\sigma }_{B拉}}=\frac{My}{I}=\frac{3{{l}^{3}}\gamma h}{{{(h-a)}^{2}}}, \\ & M=\frac{l}{2}\gamma h, y=\frac{h}{2} \\ \end{align} $ (4)
图 11 非贯通型-拉裂式崩塌实测剖面图 Fig. 11 Diagram of measured section of unpenetrating-pullfault collapse

图 12 非贯通型-拉裂式崩塌计算模型 Fig. 12 Mechanical model of unpenetrating-pullfault collapse

公式(4)中K4为稳定性系数,用于评判失稳可能性大小;γ为岩石容重,kN·m-3MBC截面弯矩,kN·m;IBC面上的惯性矩,m4;[σ]为岩石允许抗拉强度,kN·m-2; My为中间变量。其它符号见公式(3)注释。

需要指出的是以上四种类型模式与计算仅考虑纵向剖面联通状况和受力,实际野外调查中应充分考虑横向的联通性和水径流条件,选取相应的形态要素和受力状态并计算;另一方面实践中危岩体组合在野外常呈现“嵌套链式”的特征,即并非严格意义的如上述的单块结构,而是几块甚者几十、近百块不同大小和嵌套关系的崩塌体,受力分析和计算首先得选取关键块体抽象出计算概念模型进行计算。

综上所述,川东红层缓倾角岩质边坡的稳定性计算流程,首先按裂隙贯通程度划分为贯通型模式和非贯通型模式两种,再分别按照力学模型计算倾倒式和滑移式崩塌,错断式和拉裂式岩质崩塌计算安全性系数,最后取二者中最小值作为该类岩质边坡的安全性系数(图 13)。需要注意的是的不同阶段的防治措施设计流程也很重要[16]

图 13 川东缓倾角岩质斜坡安全性计算流程图 Fig. 13 Flow chart of stability calculation of low-angled red-bed rock slope in east Sichuan
5 结论与建议

(1) 川东红层区由于受自身岩性结构特征与环境条件影响,属于地质灾害类型相对频发的地区,其崩塌灾害虽规模不大但点多面广,成为影响区内人居及交通安全的重要灾害之一。

(2) 基于裂隙贯通程度将区内崩塌首先分为贯通型和非贯通型两种基础类型,再分别按照力学模型划分为4种类型,并计算安全性系数,最后取最小值作为该岩质边坡岩体的稳定系数,该模型分类及最小安全系数取值法不仅切合野外判识,也使计算结果接近实际。

(3) 针对不同的力学破坏机制,在分析与计算的基础上采取不同防治手段,例如贯通型-倾倒式的支撑抗弯矩防护,贯通型-滑移式崩塌的抗滑支挡防护等,同时强调防治措施的分阶段设计流程。

(4) 需要指出的是,岩质崩塌形成过程中是个岩土体与外界物理、化学环境相互作用的过程,而非一个简单的力学极限平衡问题,今后在对此类地质灾害研究中,应重视对微-细观环境的研究,而非仅基于力学模式的建立防治手段。

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