华山地区赵子山林斜坡稳定性分析

华山地区赵子山林斜坡稳定性分析

反倾斜梯度是最常见的梯度类型之一，与人类工程活动密切相关。在采矿和边坡开挖等方面，其边坡稳定性问题广泛存在。近年来，反倾向梯度变形破坏现象相继被认识和研究。许多边坡失稳案表明，与顺向岩坡相比，反坡失稳案容易发生、破坏，与人类工程活动密切相关。过去，高陡边坡的地表变形研究主要集中在附近水平面上的沉降和移动上。高陡边坡和高陡边坡的三维勘探很少，尤其是与高陡边坡和边坡自然变形的发育密切相关的。这两种因素之间的相互组织机制一直是一个罕见的问题之一。川东地区是我国矿产资源较为丰富的地区之一,矿产开发的历史悠久.然而自1980年以来,该地区持续发生地质灾害,如溪口马鞍坪滑坡,赵子秀山老虎嘴崩塌等,均为斜坡失稳破坏、并以灾害链形式出现的重大地质灾害.研究区暨赵子秀山位于华蓥河上游支流杨家河右岸,历史上该区地质灾害较为严重,1968年杨家河左岸曾发生过高危垮岩摧毁矿区造成88人死亡的地质灾害,该地区频发的地质灾害是与矿产过度开发和特殊地质构造背景紧密相联系.本文针对山区地裂缝等岩体变形破裂现象,试图在查明变形破裂影响带的深度和范围特征基础上,通过室内物理模拟试验,对川东薄皮构造体系下反向层状体边坡变形模式,以及山体采空塌陷对边坡变形破裂的影响进行研究.1地质背景及边坡结构特征研究区地处川东帚状构造华蓥山隆褶中部,大地构造隶属四川台拗东南部的川东南陷褶束北端,属于印支-喜山运动的产物.它是太平洋板块向西俯冲在扬子板块以下的过程中造成扬子板块刚性结晶基底发生逆掩推覆的一种薄皮构造,并正处于不断发展变化中.在统一的重力场作用下,均一平坦基底之上沉积地层受东南方向侧推力作用形成向斜宽缓、背斜紧密的构造形态特征.区域内的主要构造单元与构造形迹一致,均为北北东向.研究区即位于华蓥山断裂以东的宝顶背斜南西翼.受逆掩推覆作用影响岩层层间错动迹象明显.受薄皮构造作用控制,除发育层面裂隙外,还发育有早期推覆构造作用下形成的2组平面X型节理,3组结构面组合对边坡岩体结构起主要控制作用.本区地貌上属侵蚀构造中低山地貌区,沟谷深切呈“V”型谷特征,整体坡度35°~40°,岩层产状为N70°/W∠40°,构成岩性软硬相间、地形陡缓交接的中陡倾内层状体边坡结构.边坡由底至顶地层岩性依次发育为二叠系茅口组(P1m)中厚层灰岩、二叠系玄武岩(P2β)、龙潭组(P2l1-5)中薄层泥岩、灰岩、粉砂岩互层、长兴组(P2c)中厚层状夹燧石结核灰岩,以及斜坡顶部的三叠系飞仙关组(T1f1)薄层泥灰岩夹泥岩(图1).本区产煤层为龙潭组,顶、底部各产一套煤层,底部煤层均厚2.8m,分布连续,采空区顶部高程为660m,距离地面最低高度约90m,水平埋深约200m,为本区主产层;龙潭组顶部煤层呈透镜状产出,局部厚约0.46m,采空区顶部高程为780m,水平埋深约60m(见图2).经过多年开采,该区形成了大面积的地下采空区,对边坡地质环境的影响逐渐显现出来.2倒拉裂隙形体.通过地表地质勘查发现,边坡顶部发育倾倒拉裂变形体,岩体变形破坏迹象主要为深大裂缝带,此外局部发育有地面陷落、崩塌危岩体及老滑坡体等变形破坏现象.2.1地铁路运动覆岩中裂缝的分布和发育特征地表裂缝在边坡的出露情况最为明显,由于研究区地形复杂,表土覆盖层分布不均,应用常规勘探方法研究地裂缝在坡体内部的发育情况较为困难.因此采用了浅层地质雷达(GPR)的勘探手段,并结合钻探和硐探方法进行勘探研究.地质雷达通过发射高频电磁脉冲波,利用地下介质电性参数的差异,根据回波的振幅、波形和频率等运动学和动力学特征来分析和推断介质结构和物性特征.由于表部松散堆积体和基岩间存在明显的电磁参数差异,内部裂缝的基岩、松散物质与空气间也存在明显的电磁参数差异,具有不同的反射系数,因而采用地质雷达对变形体进行检测有其充分的地球物理前提.地面地质雷达采用50MHz频段的宽带短脉冲电磁波,根据工程要求精度选定了测线、网格上的点距,并视具体情况布置测线和网格,按照3~5m点距进行布线,顺垂直裂缝带延伸方向,共布置了11条地质雷达测试剖面形成网格.地质雷达成果显示,地裂缝在边坡内部的延伸具有追踪性和尖灭性特征(图3),具体分析如下.通过调查发现,斜坡变形体内地裂缝均发育于中厚层灰岩地层,除两条地表可见的深裂缝带外(Ⅰ,Ⅱ号裂缝带),地质雷达还揭示出若干隐伏的裂缝带(图3):在两条地表裂缝带之间发育了隐伏的Ⅲ号裂缝带,以及变形前缘的拉裂破碎带,隐伏裂缝带已为表部覆盖层所充填.地裂缝发育特征表现为:裂缝延伸长度均大于110m,缝宽最大约1.5m,前侧壁普遍下错;勘探成果显示出,裂缝影响带宽度为30m,影响深度约为30~40m,向坡体内部延伸逐渐尖灭,总体产状均略倾坡内.这个现象表明,裂缝带在表部为顺层面及坡向裂隙面发育,向内部发展则切过岩层面,即显示出追踪早期构造结构面的特性.裂缝岩溶特征表现为侧壁较平整,近地表侧壁溶蚀迹象明显,向裂缝深部的溶蚀作用则明显减弱.本地区对地裂缝最早记载于1978年,其时裂缝宽度为0.8m,根据现今的测量结果以及岩溶发育特征推断,该区地裂缝的演变近期出现了明显扩张的趋势.2.2其他边坡变形和开裂特征1下采空区凹陷变形体与地裂缝相伴生的是多处发育的地面塌陷和崩塌危岩体.地面塌陷分布于Ⅱ号裂缝带以下的斜坡带(如图1所示),该区位于龙潭组顶部K6煤层采空区的上方,塌陷坑呈串珠状展布,内部无充填,坑内岩体显现新鲜拉张破裂迹象,显示塌陷处于不断变动状态,表明地面塌陷与下部采空区塌陷密切相关(见图2);在这种情况下,危岩体多发育于裂缝带后缘的地形较陡且岩体破碎的强变形区,变形岩体发育顺坡向结构面,因而多以滑移式崩塌类型为主.2坡面规模不研究区内发育的滑坡类型可分为现代的表部覆盖层滑坡、早期基岩老滑坡两类,现代的表部覆盖层滑坡规模均不大;通过钻探和地质雷达测试,我们发现在变形区前缘发育有早期的基岩老滑坡体,其滑坡边界清晰,整体呈扇形,钻探揭示早期基岩老滑坡体滑带深度约为8~12m,原滑体物质多已滑走,现以残坡积以及崩坡积堆积物为主,其物质成分主要以块碎石土为主,表部覆盖有大量的坡积层.3斜坡变形破坏形成机制分析3.1浅表土构造环境的成因:“基土内抗裂带”下覆岩中误干的原因表b.通过对研究区边坡变形体地裂缝等变形迹象的调查,有几点值得注意的现象:1)赵子秀山及其附近山区,历史上泉水较为丰富,1983年以后泉水迅速消失,地下水位普遍下降,这些变化与地下开采有直接的成因关系;2)地裂缝侧壁岩溶侵蚀程度由表部向下部明显减弱,在裂缝深部转折处可见新鲜的拉裂面;3)裂缝带下方地面陷落带及坑底变形迹象表明,塌陷坑的形成与近年来的地下开采存在直接关系.以上现象表明,在斜坡变形破裂发育初期,由于经历了长期的地表岩溶作用,推断地裂缝是由于倾内层状体边坡受区域构造作用,产生了顺层面的层间错动,并受浅表生卸荷改造影响,产生向临空方向的岩体松弛,进一步促进了层面的错动,是浅表生改造过程中形成的倾倒(弯曲)拉裂变形模式的产物;裂缝底部的新鲜断面则显示出坡体处于不断加快变形过程,这与受重力作用的边坡裂缝形态及特征存在一定差异.3.2模拟物理模拟通过上述分析,本区边坡变形破裂受自然和人为两方面因素的控制,在边坡变形演化的不同阶段对边坡变形演化的作用影响程度是不同的,需要进一步证实受人为开采影响的边坡变形在自然重力卸荷作用下的演化规律和模式.因此,为能够反映兼顾模拟短期采空塌陷过程,并能控制和模拟漫长地质历史时期中的边坡变形演化过程,本研究采用了底摩擦物理模拟的试验方法进行反演分析.试验模型材料选择重晶石粉为主骨料,并配以膨润土、甘油作辅助材料,压制为原型模型,模型大小为1m×1m,厚度均厚约1.5cm.试验严格遵照原型斜坡的坡比及岩层倾角,模拟该典型中陡反倾层状斜坡形态.3.3然状态下斜坡演化过程中变形体的形成模型实验分2个步骤,第1步骤首先模拟自然状态下斜坡演化过程中变形体的形成的过程;第2步骤再模拟现阶段山体开挖影响效应,对各阶段的边坡变形演化模拟结果论述如下.1陡缓合理距离首先模拟出在重力作用下形成上缓下陡的初期斜坡形态,随着边坡进一步地卸荷,显示出斜坡陡缓交界处首先发生了层面地倾倒(弯曲)变形,造成一定程度的层间错动,沿层面的拉张裂隙开始缓慢显现;随后倾倒变形继续向上部及深部扩展,受岩层倾角和坡角所控制,岩层倾倒(弯曲)变形向斜坡内部发展程度并不明显,主要视垂直沿层面的顺坡向裂隙的发育程度而定.2顺坡裂隙密度构造随着变形程度加大,在弯曲变形发展最明显的位置产生顺坡向裂隙(图4a),并逐渐延伸到应力最集中的坡脚位置,最终裂隙贯通,贯通带之上的岩体发生整体滑移(图4b).3扩大规模研究滑体失稳下滑后,其后缘斜坡岩体由于失去下部岩体支撑造成倾倒变形更为明显,层面裂缝继续扩大;随着倾倒变形加强,在岩层倾倒弯曲最大部位产生顺坡向裂隙,顺坡裂隙逐渐向上扩展,首先在滑坡体后缘坡形变陡部位,当裂隙发展到一定程度即发生崩塌,并引起其后缘岩层倾倒变形的加剧,这一过程持续到坡面岩体达到坡度和层面倾倒变形的相对稳定为止.4采空区“壁”面张裂缝的发育特点按照实际开挖顺序的情况,先开挖龙潭组底部的K1主采煤层.随着煤层被采出,采空区发生塌陷,直接顶扳失去支撑后沿垂直层面方向产生弯曲折断,部分岩块冒落,岩层移动逐渐向采空区上方岩层扩展;随着采空区面积进一步增大,基本顶移动出现离层,采空区上方沿最外侧岩层冒落带开始出现细微的追踪性张裂缝,并逐渐向上延伸,裂隙延展方向大体与坡面平行,与岩层面夹角约50°~70°.此时在外围形成卸荷拱,出现垮落裂缝带外侧岩体局部应力增高带,岩层被压密,之后斜坡变形趋于停滞状态;该阶段对斜坡地表影响有限.再开挖顶部K6煤层.结果显示,在该采空区塌陷之后,采空区顶面垮落直到闭合,岩层的变形一直发展到斜坡表部,造成表部岩体倾倒变形加剧,并在岩层面倾倒变形过程中出现切层的顺坡向剪张裂隙,同时出现局部地面陷落和块石崩落等迹象(图4c),表明原先有拉裂面受到近期开挖的影响,斜坡变形破裂呈快速扩张的趋势.3.4采空区上,采空区注物理模拟结果表明,现今边坡变形破裂现象是由构造及浅表生改造环境下发生的倾倒变形过程中产生的,并受变形体前缘滑坡体影响,滑坡是变形体倾倒变形失稳过程的一次终止,并促进了后缘坡体倾倒变形的发展,这类斜坡变形演化趋势是一种由底部往顶部发展的后退式边坡变形破坏模式.边坡采空区塌陷促进了变形破裂的扩大,两套采空区的顶、底板岩体结构及应力环境存在差异,造成了采空塌陷过程中边坡岩体变形也存在差异:岩体在倾倒变形过程中,采空后顶板的厚层灰岩板梁沿结构面发生折断和错动,采空区上方产生了塌陷,直接引起裂缝与下部采空区的贯通,并造成地面塌陷和危岩崩塌,而底部K1煤层采空则更大范围地对整体的斜坡坡体结构产生影响,使得斜坡局部出现应力集中现象,也同样促进了边坡的变形.可见,采空区上部变形体内地裂缝加快发展、地面塌陷和崩塌频发的主要诱发因素.4采空区上边坡变形破碎风险及防治建议通过现场调查和室内分析,对赵子秀山地区边坡岩体变形破裂现象有如下认识:1)赵子秀山地区地质灾害类型主要有变形破裂体、滑坡、崩塌等,变形体发育有危岩体、地表塌陷等迹象.变形体内地裂缝除地表可见外,尚有隐伏裂缝存在;裂缝形态表部顺岩层面发育,向内部发展则切过岩层并追踪早期构造面,延伸30~40m,形态呈上宽下窄,总体略向内倾.2)对斜坡地质调查中还发现变形体下方发育有老的滑坡体,滑体边界清晰,滑坡体后缘与变形体交接,并发育有后缘隐伏拉裂带,表明变形体与滑坡体在成因机制上有紧密联系.3)在快速侧向挤出的构造应力场背景下,华蓥山西侧斜坡的赵子秀山体变形破裂,首先是这类典型陡倾内层状体斜坡在特定条件下,由经历弯曲(倾倒)—拉裂变形破裂的自然演化过程,并发生过早期的崩塌滑坡.这类斜坡的斜坡变形是由下而上的发育模式,即变形破裂最终会发展为滑坡,滑坡又促进了其上部斜坡变形的发育,变形破裂的结果又导致下一次的崩滑.4)采用了物理机制模拟试验进行斜坡变形过程反演.斜坡早期在构造及重力场作用下发生自然倾倒变形,斜坡表部出现拉张裂缝,并逐渐形成贯通性的顺坡向裂缝而发生滑坡,滑坡又促进了斜坡的变形破裂;开挖模拟演示了斜坡近期的变形过程与采空区的塌陷密切相关.5)近期人类地下采空促进了变形破裂程度向更深处发展,特别是作为斜坡顶部开采的K6煤层,其采空塌陷直接造成斜坡表部出现了塌陷,加快了斜坡变形体、尤其是地裂缝快速扩张及高位岩体崩塌现象的发生,该区采空区上部边坡的变形破裂是自然变形过程与人类工程活动相互影响的结果.根据以上所述,滑坡近期动态特征显示其后缘曾发生过局部滑塌,钻探和地质雷达测试资料揭示了滑坡后缘发育隐伏的拉裂带,是滑坡结构中松散的地下水汇集带,在暴雨情况下滑坡有可能发生局部滑动或滑塌,一旦失稳还将波及其后侧的倾倒拉裂变形体的稳定性.由此引发包括滑坡局部失稳成灾、危岩体崩塌~碎屑流成灾、倾倒-拉裂变形破裂体前缘失稳等失稳方式的灾害链效应.根据对边坡变形破裂体和滑坡体可能失稳方式及引发灾害的分析,提出以下预防措施建议:1)对倾倒-拉