華山地區(qū)趙子山林斜坡穩(wěn)定性分析

華山地區(qū)趙子山林斜坡穩(wěn)定性分析

反傾斜梯度是最常見(jiàn)的梯度類(lèi)型之一，與人類(lèi)工程活動(dòng)密切相關(guān)。在采礦和邊坡開(kāi)挖等方面，其邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題廣泛存在。近年來(lái)，反傾向梯度變形破壞現(xiàn)象相繼被認(rèn)識(shí)和研究。許多邊坡失穩(wěn)案表明，與順向巖坡相比，反坡失穩(wěn)案容易發(fā)生、破壞，與人類(lèi)工程活動(dòng)密切相關(guān)。過(guò)去，高陡邊坡的地表變形研究主要集中在附近水平面上的沉降和移動(dòng)上。高陡邊坡和高陡邊坡的三維勘探很少，尤其是與高陡邊坡和邊坡自然變形的發(fā)育密切相關(guān)的。這兩種因素之間的相互組織機(jī)制一直是一個(gè)罕見(jiàn)的問(wèn)題之一。川東地區(qū)是我國(guó)礦產(chǎn)資源較為豐富的地區(qū)之一,礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)的歷史悠久.然而自1980年以來(lái),該地區(qū)持續(xù)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害,如溪口馬鞍坪滑坡,趙子秀山老虎嘴崩塌等,均為斜坡失穩(wěn)破壞、并以災(zāi)害鏈形式出現(xiàn)的重大地質(zhì)災(zāi)害.研究區(qū)暨趙子秀山位于華鎣河上游支流楊家河右岸,歷史上該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害較為嚴(yán)重,1968年楊家河左岸曾發(fā)生過(guò)高?？鍘r摧毀礦區(qū)造成88人死亡的地質(zhì)災(zāi)害,該地區(qū)頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害是與礦產(chǎn)過(guò)度開(kāi)發(fā)和特殊地質(zhì)構(gòu)造背景緊密相聯(lián)系.本文針對(duì)山區(qū)地裂縫等巖體變形破裂現(xiàn)象,試圖在查明變形破裂影響帶的深度和范圍特征基礎(chǔ)上,通過(guò)室內(nèi)物理模擬試驗(yàn),對(duì)川東薄皮構(gòu)造體系下反向?qū)訝铙w邊坡變形模式,以及山體采空塌陷對(duì)邊坡變形破裂的影響進(jìn)行研究.1地質(zhì)背景及邊坡結(jié)構(gòu)特征研究區(qū)地處川東帚狀構(gòu)造華鎣山隆褶中部,大地構(gòu)造隸屬四川臺(tái)拗東南部的川東南陷褶束北端,屬于印支-喜山運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物.它是太平洋板塊向西俯沖在揚(yáng)子板塊以下的過(guò)程中造成揚(yáng)子板塊剛性結(jié)晶基底發(fā)生逆掩推覆的一種薄皮構(gòu)造,并正處于不斷發(fā)展變化中.在統(tǒng)一的重力場(chǎng)作用下,均一平坦基底之上沉積地層受東南方向側(cè)推力作用形成向斜寬緩、背斜緊密的構(gòu)造形態(tài)特征.區(qū)域內(nèi)的主要構(gòu)造單元與構(gòu)造形跡一致,均為北北東向.研究區(qū)即位于華鎣山斷裂以東的寶頂背斜南西翼.受逆掩推覆作用影響巖層層間錯(cuò)動(dòng)跡象明顯.受薄皮構(gòu)造作用控制,除發(fā)育層面裂隙外,還發(fā)育有早期推覆構(gòu)造作用下形成的2組平面X型節(jié)理,3組結(jié)構(gòu)面組合對(duì)邊坡巖體結(jié)構(gòu)起主要控制作用.本區(qū)地貌上屬侵蝕構(gòu)造中低山地貌區(qū),溝谷深切呈“V”型谷特征,整體坡度35°~40°,巖層產(chǎn)狀為N70°/W∠40°,構(gòu)成巖性軟硬相間、地形陡緩交接的中陡傾內(nèi)層狀體邊坡結(jié)構(gòu).邊坡由底至頂?shù)貙訋r性依次發(fā)育為二疊系茅口組(P1m)中厚層灰?guī)r、二疊系玄武巖(P2β)、龍?zhí)督M(P2l1-5)中薄層泥巖、灰?guī)r、粉砂巖互層、長(zhǎng)興組(P2c)中厚層狀?yuàn)A燧石結(jié)核灰?guī)r,以及斜坡頂部的三疊系飛仙關(guān)組(T1f1)薄層泥灰?guī)r夾泥巖(圖1).本區(qū)產(chǎn)煤層為龍?zhí)督M,頂、底部各產(chǎn)一套煤層,底部煤層均厚2.8m,分布連續(xù),采空區(qū)頂部高程為660m,距離地面最低高度約90m,水平埋深約200m,為本區(qū)主產(chǎn)層;龍?zhí)督M頂部煤層呈透鏡狀產(chǎn)出,局部厚約0.46m,采空區(qū)頂部高程為780m,水平埋深約60m(見(jiàn)圖2).經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采,該區(qū)形成了大面積的地下采空區(qū),對(duì)邊坡地質(zhì)環(huán)境的影響逐漸顯現(xiàn)出來(lái).2倒拉裂隙形體.通過(guò)地表地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn),邊坡頂部發(fā)育傾倒拉裂變形體,巖體變形破壞跡象主要為深大裂縫帶,此外局部發(fā)育有地面陷落、崩塌危巖體及老滑坡體等變形破壞現(xiàn)象.2.1地鐵路運(yùn)動(dòng)覆巖中裂縫的分布和發(fā)育特征地表裂縫在邊坡的出露情況最為明顯,由于研究區(qū)地形復(fù)雜,表土覆蓋層分布不均,應(yīng)用常規(guī)勘探方法研究地裂縫在坡體內(nèi)部的發(fā)育情況較為困難.因此采用了淺層地質(zhì)雷達(dá)(GPR)的勘探手段,并結(jié)合鉆探和硐探方法進(jìn)行勘探研究.地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)發(fā)射高頻電磁脈沖波,利用地下介質(zhì)電性參數(shù)的差異,根據(jù)回波的振幅、波形和頻率等運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征來(lái)分析和推斷介質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性特征.由于表部松散堆積體和基巖間存在明顯的電磁參數(shù)差異,內(nèi)部裂縫的基巖、松散物質(zhì)與空氣間也存在明顯的電磁參數(shù)差異,具有不同的反射系數(shù),因而采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)變形體進(jìn)行檢測(cè)有其充分的地球物理前提.地面地質(zhì)雷達(dá)采用50MHz頻段的寬帶短脈沖電磁波,根據(jù)工程要求精度選定了測(cè)線(xiàn)、網(wǎng)格上的點(diǎn)距,并視具體情況布置測(cè)線(xiàn)和網(wǎng)格,按照3~5m點(diǎn)距進(jìn)行布線(xiàn),順垂直裂縫帶延伸方向,共布置了11條地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試剖面形成網(wǎng)格.地質(zhì)雷達(dá)成果顯示,地裂縫在邊坡內(nèi)部的延伸具有追蹤性和尖滅性特征(圖3),具體分析如下.通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn),斜坡變形體內(nèi)地裂縫均發(fā)育于中厚層灰?guī)r地層,除兩條地表可見(jiàn)的深裂縫帶外(Ⅰ,Ⅱ號(hào)裂縫帶),地質(zhì)雷達(dá)還揭示出若干隱伏的裂縫帶(圖3):在兩條地表裂縫帶之間發(fā)育了隱伏的Ⅲ號(hào)裂縫帶,以及變形前緣的拉裂破碎帶,隱伏裂縫帶已為表部覆蓋層所充填.地裂縫發(fā)育特征表現(xiàn)為:裂縫延伸長(zhǎng)度均大于110m,縫寬最大約1.5m,前側(cè)壁普遍下錯(cuò);勘探成果顯示出,裂縫影響帶寬度為30m,影響深度約為30~40m,向坡體內(nèi)部延伸逐漸尖滅,總體產(chǎn)狀均略?xún)A坡內(nèi).這個(gè)現(xiàn)象表明,裂縫帶在表部為順層面及坡向裂隙面發(fā)育,向內(nèi)部發(fā)展則切過(guò)巖層面,即顯示出追蹤早期構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的特性.裂縫巖溶特征表現(xiàn)為側(cè)壁較平整,近地表側(cè)壁溶蝕跡象明顯,向裂縫深部的溶蝕作用則明顯減弱.本地區(qū)對(duì)地裂縫最早記載于1978年,其時(shí)裂縫寬度為0.8m,根據(jù)現(xiàn)今的測(cè)量結(jié)果以及巖溶發(fā)育特征推斷,該區(qū)地裂縫的演變近期出現(xiàn)了明顯擴(kuò)張的趨勢(shì).2.2其他邊坡變形和開(kāi)裂特征1下采空區(qū)凹陷變形體與地裂縫相伴生的是多處發(fā)育的地面塌陷和崩塌危巖體.地面塌陷分布于Ⅱ號(hào)裂縫帶以下的斜坡帶(如圖1所示),該區(qū)位于龍?zhí)督M頂部K6煤層采空區(qū)的上方,塌陷坑呈串珠狀展布,內(nèi)部無(wú)充填,坑內(nèi)巖體顯現(xiàn)新鮮拉張破裂跡象,顯示塌陷處于不斷變動(dòng)狀態(tài),表明地面塌陷與下部采空區(qū)塌陷密切相關(guān)(見(jiàn)圖2);在這種情況下,危巖體多發(fā)育于裂縫帶后緣的地形較陡且?guī)r體破碎的強(qiáng)變形區(qū),變形巖體發(fā)育順坡向結(jié)構(gòu)面,因而多以滑移式崩塌類(lèi)型為主.2坡面規(guī)模不研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的滑坡類(lèi)型可分為現(xiàn)代的表部覆蓋層滑坡、早期基巖老滑坡兩類(lèi),現(xiàn)代的表部覆蓋層滑坡規(guī)模均不大;通過(guò)鉆探和地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試,我們發(fā)現(xiàn)在變形區(qū)前緣發(fā)育有早期的基巖老滑坡體,其滑坡邊界清晰,整體呈扇形,鉆探揭示早期基巖老滑坡體滑帶深度約為8~12m,原滑體物質(zhì)多已滑走,現(xiàn)以殘坡積以及崩坡積堆積物為主,其物質(zhì)成分主要以塊碎石土為主,表部覆蓋有大量的坡積層.3斜坡變形破壞形成機(jī)制分析3.1淺表土構(gòu)造環(huán)境的成因:“基土內(nèi)抗裂帶”下覆巖中誤干的原因表b.通過(guò)對(duì)研究區(qū)邊坡變形體地裂縫等變形跡象的調(diào)查,有幾點(diǎn)值得注意的現(xiàn)象:1)趙子秀山及其附近山區(qū),歷史上泉水較為豐富,1983年以后泉水迅速消失,地下水位普遍下降,這些變化與地下開(kāi)采有直接的成因關(guān)系;2)地裂縫側(cè)壁巖溶侵蝕程度由表部向下部明顯減弱,在裂縫深部轉(zhuǎn)折處可見(jiàn)新鮮的拉裂面;3)裂縫帶下方地面陷落帶及坑底變形跡象表明,塌陷坑的形成與近年來(lái)的地下開(kāi)采存在直接關(guān)系.以上現(xiàn)象表明,在斜坡變形破裂發(fā)育初期,由于經(jīng)歷了長(zhǎng)期的地表巖溶作用,推斷地裂縫是由于傾內(nèi)層狀體邊坡受區(qū)域構(gòu)造作用,產(chǎn)生了順層面的層間錯(cuò)動(dòng),并受淺表生卸荷改造影響,產(chǎn)生向臨空方向的巖體松弛,進(jìn)一步促進(jìn)了層面的錯(cuò)動(dòng),是淺表生改造過(guò)程中形成的傾倒(彎曲)拉裂變形模式的產(chǎn)物;裂縫底部的新鮮斷面則顯示出坡體處于不斷加快變形過(guò)程,這與受重力作用的邊坡裂縫形態(tài)及特征存在一定差異.3.2模擬物理模擬通過(guò)上述分析,本區(qū)邊坡變形破裂受自然和人為兩方面因素的控制,在邊坡變形演化的不同階段對(duì)邊坡變形演化的作用影響程度是不同的,需要進(jìn)一步證實(shí)受人為開(kāi)采影響的邊坡變形在自然重力卸荷作用下的演化規(guī)律和模式.因此,為能夠反映兼顧模擬短期采空塌陷過(guò)程,并能控制和模擬漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期中的邊坡變形演化過(guò)程,本研究采用了底摩擦物理模擬的試驗(yàn)方法進(jìn)行反演分析.試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧线x擇重晶石粉為主骨料,并配以膨潤(rùn)土、甘油作輔助材料,壓制為原型模型,模型大小為1m×1m,厚度均厚約1.5cm.試驗(yàn)嚴(yán)格遵照原型斜坡的坡比及巖層傾角,模擬該典型中陡反傾層狀斜坡形態(tài).3.3然狀態(tài)下斜坡演化過(guò)程中變形體的形成模型實(shí)驗(yàn)分2個(gè)步驟,第1步驟首先模擬自然狀態(tài)下斜坡演化過(guò)程中變形體的形成的過(guò)程;第2步驟再模擬現(xiàn)階段山體開(kāi)挖影響效應(yīng),對(duì)各階段的邊坡變形演化模擬結(jié)果論述如下.1陡緩合理距離首先模擬出在重力作用下形成上緩下陡的初期斜坡形態(tài),隨著邊坡進(jìn)一步地卸荷,顯示出斜坡陡緩交界處首先發(fā)生了層面地傾倒(彎曲)變形,造成一定程度的層間錯(cuò)動(dòng),沿層面的拉張裂隙開(kāi)始緩慢顯現(xiàn);隨后傾倒變形繼續(xù)向上部及深部擴(kuò)展,受巖層傾角和坡角所控制,巖層傾倒(彎曲)變形向斜坡內(nèi)部發(fā)展程度并不明顯,主要視垂直沿層面的順坡向裂隙的發(fā)育程度而定.2順坡裂隙密度構(gòu)造隨著變形程度加大,在彎曲變形發(fā)展最明顯的位置產(chǎn)生順坡向裂隙(圖4a),并逐漸延伸到應(yīng)力最集中的坡腳位置,最終裂隙貫通,貫通帶之上的巖體發(fā)生整體滑移(圖4b).3擴(kuò)大規(guī)模研究滑體失穩(wěn)下滑后,其后緣斜坡巖體由于失去下部巖體支撐造成傾倒變形更為明顯,層面裂縫繼續(xù)擴(kuò)大;隨著傾倒變形加強(qiáng),在巖層傾倒彎曲最大部位產(chǎn)生順坡向裂隙,順坡裂隙逐漸向上擴(kuò)展,首先在滑坡體后緣坡形變陡部位,當(dāng)裂隙發(fā)展到一定程度即發(fā)生崩塌,并引起其后緣巖層傾倒變形的加劇,這一過(guò)程持續(xù)到坡面巖體達(dá)到坡度和層面傾倒變形的相對(duì)穩(wěn)定為止.4采空區(qū)“壁”面張裂縫的發(fā)育特點(diǎn)按照實(shí)際開(kāi)挖順序的情況,先開(kāi)挖龍?zhí)督M底部的K1主采煤層.隨著煤層被采出,采空區(qū)發(fā)生塌陷,直接頂扳失去支撐后沿垂直層面方向產(chǎn)生彎曲折斷,部分巖塊冒落,巖層移動(dòng)逐漸向采空區(qū)上方巖層擴(kuò)展;隨著采空區(qū)面積進(jìn)一步增大,基本頂移動(dòng)出現(xiàn)離層,采空區(qū)上方沿最外側(cè)巖層冒落帶開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)微的追蹤性張裂縫,并逐漸向上延伸,裂隙延展方向大體與坡面平行,與巖層面夾角約50°~70°.此時(shí)在外圍形成卸荷拱,出現(xiàn)垮落裂縫帶外側(cè)巖體局部應(yīng)力增高帶,巖層被壓密,之后斜坡變形趨于停滯狀態(tài);該階段對(duì)斜坡地表影響有限.再開(kāi)挖頂部K6煤層.結(jié)果顯示,在該采空區(qū)塌陷之后,采空區(qū)頂面垮落直到閉合,巖層的變形一直發(fā)展到斜坡表部,造成表部巖體傾倒變形加劇,并在巖層面傾倒變形過(guò)程中出現(xiàn)切層的順坡向剪張裂隙,同時(shí)出現(xiàn)局部地面陷落和塊石崩落等跡象(圖4c),表明原先有拉裂面受到近期開(kāi)挖的影響,斜坡變形破裂呈快速擴(kuò)張的趨勢(shì).3.4采空區(qū)上,采空區(qū)注物理模擬結(jié)果表明,現(xiàn)今邊坡變形破裂現(xiàn)象是由構(gòu)造及淺表生改造環(huán)境下發(fā)生的傾倒變形過(guò)程中產(chǎn)生的,并受變形體前緣滑坡體影響,滑坡是變形體傾倒變形失穩(wěn)過(guò)程的一次終止,并促進(jìn)了后緣坡體傾倒變形的發(fā)展,這類(lèi)斜坡變形演化趨勢(shì)是一種由底部往頂部發(fā)展的后退式邊坡變形破壞模式.邊坡采空區(qū)塌陷促進(jìn)了變形破裂的擴(kuò)大,兩套采空區(qū)的頂、底板巖體結(jié)構(gòu)及應(yīng)力環(huán)境存在差異,造成了采空塌陷過(guò)程中邊坡巖體變形也存在差異:巖體在傾倒變形過(guò)程中,采空后頂板的厚層灰?guī)r板梁沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生折斷和錯(cuò)動(dòng),采空區(qū)上方產(chǎn)生了塌陷,直接引起裂縫與下部采空區(qū)的貫通,并造成地面塌陷和危巖崩塌,而底部K1煤層采空則更大范圍地對(duì)整體的斜坡坡體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,使得斜坡局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,也同樣促進(jìn)了邊坡的變形.可見(jiàn),采空區(qū)上部變形體內(nèi)地裂縫加快發(fā)展、地面塌陷和崩塌頻發(fā)的主要誘發(fā)因素.4采空區(qū)上邊坡變形破碎風(fēng)險(xiǎn)及防治建議通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和室內(nèi)分析,對(duì)趙子秀山地區(qū)邊坡巖體變形破裂現(xiàn)象有如下認(rèn)識(shí):1)趙子秀山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型主要有變形破裂體、滑坡、崩塌等,變形體發(fā)育有危巖體、地表塌陷等跡象.變形體內(nèi)地裂縫除地表可見(jiàn)外,尚有隱伏裂縫存在;裂縫形態(tài)表部順巖層面發(fā)育,向內(nèi)部發(fā)展則切過(guò)巖層并追蹤早期構(gòu)造面,延伸30~40m,形態(tài)呈上寬下窄,總體略向內(nèi)傾.2)對(duì)斜坡地質(zhì)調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)變形體下方發(fā)育有老的滑坡體,滑體邊界清晰,滑坡體后緣與變形體交接,并發(fā)育有后緣隱伏拉裂帶,表明變形體與滑坡體在成因機(jī)制上有緊密聯(lián)系.3)在快速側(cè)向擠出的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)背景下,華鎣山西側(cè)斜坡的趙子秀山體變形破裂,首先是這類(lèi)典型陡傾內(nèi)層狀體斜坡在特定條件下,由經(jīng)歷彎曲(傾倒)—拉裂變形破裂的自然演化過(guò)程,并發(fā)生過(guò)早期的崩塌滑坡.這類(lèi)斜坡的斜坡變形是由下而上的發(fā)育模式,即變形破裂最終會(huì)發(fā)展為滑坡,滑坡又促進(jìn)了其上部斜坡變形的發(fā)育,變形破裂的結(jié)果又導(dǎo)致下一次的崩滑.4)采用了物理機(jī)制模擬試驗(yàn)進(jìn)行斜坡變形過(guò)程反演.斜坡早期在構(gòu)造及重力場(chǎng)作用下發(fā)生自然傾倒變形,斜坡表部出現(xiàn)拉張裂縫,并逐漸形成貫通性的順坡向裂縫而發(fā)生滑坡,滑坡又促進(jìn)了斜坡的變形破裂;開(kāi)挖模擬演示了斜坡近期的變形過(guò)程與采空區(qū)的塌陷密切相關(guān).5)近期人類(lèi)地下采空促進(jìn)了變形破裂程度向更深處發(fā)展,特別是作為斜坡頂部開(kāi)采的K6煤層,其采空塌陷直接造成斜坡表部出現(xiàn)了塌陷,加快了斜坡變形體、尤其是地裂縫快速擴(kuò)張及高位巖體崩塌現(xiàn)象的發(fā)生,該區(qū)采空區(qū)上部邊坡的變形破裂是自然變形過(guò)程與人類(lèi)工程活動(dòng)相互影響的結(jié)果.根據(jù)以上所述,滑坡近期動(dòng)態(tài)特征顯示其后緣曾發(fā)生過(guò)局部滑塌,鉆探和地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試資料揭示了滑坡后緣發(fā)育隱伏的拉裂帶,是滑坡結(jié)構(gòu)中松散的地下水匯集帶,在暴雨情況下滑坡有可能發(fā)生局部滑動(dòng)或滑塌,一旦失穩(wěn)還將波及其后側(cè)的傾倒拉裂變形體的穩(wěn)定性.由此引發(fā)包括滑坡局部失穩(wěn)成災(zāi)、危巖體崩塌~碎屑流成災(zāi)、傾倒-拉裂變形破裂體前緣失穩(wěn)等失穩(wěn)方式的災(zāi)害鏈效應(yīng).根據(jù)對(duì)邊坡變形破裂體和滑坡體可能失穩(wěn)方式及引發(fā)災(zāi)害的分析,提出以下預(yù)防措施建議:1)對(duì)傾倒-拉