平缓倾内上硬下软型崩塌形成机制及识别研究——以凯里龙场2#崩塌为例

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崩塌地质灾害与斜坡结构特征密切相关,主要由极端天气和人类工程活动诱发。我国云贵高原地区,存在大量平缓倾内上硬下软型高陡斜坡,下卧软层中往往有煤层发育和开采,由此导致崩塌灾害发生,本论文称之为平缓倾内上硬下软型崩塌。  2013年4月16日,贵州省黔东南州凯里市龙场镇渔洞村岔河组老山新村发生崩塌(以下简称龙场2#崩塌),崩塌方量60多万立方米。研究龙场2#崩塌形成机制和发育条件,对研究区附近及西部山区类似高陡斜坡稳定性评价具有重要的借鉴意义。首先基于现场调查成果分析了研究区工程地质条件和地质原型特征,结合崩塌特征建立了龙场2#崩塌形成机制概念模型,基于岩石力学试验,分析了岩石破坏机理及岩体物理力学参数,最后采用数值模拟方法,量化分析了崩塌形成机制及发育条件。主要取得如下成果:  (1)龙场2#崩塌斜坡为上硬下软型极陡高边坡,陡崖面总体走向NNE向,自然坡度约85~86°,高约210m。坡体岩层产状单一,近水平~缓倾角倾向坡内。坚硬岩组包括栖霞组、茅口组、尧梭组,以灰岩为主;梁山组属于软岩岩组,以泥页岩夹煤层为主。上覆硬岩中发育2~3组结构面,其中一组陡倾角发育并与陡崖面近于平行。坡体上部坚硬岩组中岩溶发育,岩体中长大裂隙有明显溶蚀现象,裂隙迹长和裂面开度因溶蚀作用而增大。长大溶蚀裂隙最大深度约95~126m,位于陡崖左侧,且越往右裂隙深度越小。  (2)根据堆积特征,崩塌堆积体外形呈不规则的椭圆状,估算堆积体方量约60万立方米,坡脚堆积厚度最大。从壁面刮铲痕迹可以推断出左侧堆积体来自崩塌腔左侧,块体完整性较差,右侧堆积体来自崩塌腔右侧,块石完整性较好,中部堆积块石层面明显。崩塌壁上岩桥断裂之后的岩体表面比较新鲜,壁面其它地方或多或少有锈染迹象。溶蚀裂隙面两侧的岩体以拉剪破坏为主,底部以压剪破坏为主。  (3)龙场2#崩塌形成机制:后缘陡倾结构面由于溶蚀作用和斜坡卸荷而大部分贯通,板状岩墙仅靠坡肩和底部的少量岩桥连接。梁山组煤层开采引起与采空区毗邻的上部岩体变形破坏及牵引采空区周围地层变形,岩墙下部和上部岩桥中应力进一步集中,构成维持斜坡稳定的锁固段。当斜坡开始加速蠕变之后,斜坡进入累进性演化阶段,坡肩岩桥逐渐弱化并拉裂,局部有小块石掉落。岩墙最底部的岩体受到的竖向应力超过极限承载能力时,底部岩体率先溃屈并挤出,岩墙跟部支撑力丧失,岩墙下坠一段距离之后逐渐向外倾倒。  (4)剪切破坏的直剪试验获得灰岩的峰值内摩擦角和粘聚力分别为50°和21MPa,通过抗剪强度参数和岩样破坏形态得出,灰岩剪切破坏特性主要取决于岩样内部结构性质差异和施加的法向应力。常规单轴压缩试验研究了应力加载速率的提高对灰岩力学性质的影响,分析结果表明,弹性模量和泊松比都随应力加载速率的提高而总体呈增大的趋势;低应力加载速率下,变形模量随加载速率增大而降低,高应力加载速率下,变形模量随加载速率增大而增加,但有一定的上限值。多级加载单轴压缩蠕变试验研究了瞬时加载速率及应力水平对轴向应变速率和岩石微观裂纹扩展规律的影响,求得灰岩的长期强度为61.14MPa、粘滞系数为1.09×1017Pa·s,建立了蠕变本构方程。  (5)煤层开采和1#崩塌震动冲击导致斜坡加速蠕变变形,而变形程度及速度与裂隙深度有关。采用UDEC离散元软件对坡体变形破坏演化过程进行二维数值模拟,以后缘最大裂隙深度126m为主要裂隙来设计计算模型,附加考虑96m和66m这两种裂隙作为敏感性分析,分析了受相同外界条件影响包括煤层开采和震动冲击下,坡体的变形破坏特征。126m裂隙深度的坡体变形量最大;裂隙深度96m的坡体出现大变形的时间较126m的情况延迟,且发生变形的岩体体积也较小;裂隙深度66m的坡体中危岩体最终未发生失稳破坏。  (6)高陡边坡的变形破坏与坡体岩性,结构面性质、地形地貌及水文等诸多工程地质条件和地质环境密切相关。龙场2#斜坡坡度在75°以上,陡崖最高点至河面的高差210余米,具有良好的临空条件。坡体岩性以可溶性碳酸盐岩为主,导致坡顶分布串珠状溶洞及后缘发育长大溶蚀裂隙并成为坡体的主控结构面。0.7m厚的基座软层开采及地面震动冲击加速了斜坡变形和蠕变,但是由于岩桥的作用导致潜在危岩体在相当长时间内仍可保持稳定。这些可作为龙场2#崩塌的识别依据。
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