鄂西清江水布埡庫區鷹嘴巖崩塌體成因機理分析

黎義勇，彭 軻，趙信文，穆啟超

（1.中國地質調查局武漢地質調查中心，武漢 430205；2.河南省地勘局第一地質調查隊，河南 洛陽 471023）

崩塌是指陡峻斜坡上的危巖體在重力作用下脫離母體的崩落現象，是高山峽谷地區普遍發育的地質災害之一[1]。近年來，我國崩塌災害不斷發生，給人民的生命財產造成了不同程度的損失，如2004年12月3日，貴州納雍縣鬃嶺鎮左家營村巖角發生崩塌，掩埋山坡下住戶18戶，死亡人數44人，受災村民108人[2]，又如2009年6月5日，重慶武隆縣鐵礦鄉雞尾山發生山體崩塌，造成至少26人死亡，因此，崩塌體形成機制的研究逐漸被許多專家學者關注和重視。本文研究的鷹嘴巖崩塌體自1949年5月發生過一次大規模崩塌，此后一段時間內隨機發生小規模崩塌、掉塊現象，最近幾年以來，由于降雨的影響和崩塌下部人工采石，崩塌體上的裂縫變形趨勢進一步加大，到目前為止，雖未造成大的經濟損失，但直接威脅崩塌體下居住居民3戶13人及交通行人、采石場工人生命財產安全，還間接威脅到崩塌體周邊居民約30戶180人，因而，對于探明鷹嘴巖崩塌體的成因機制是十分重要的。本文在分析崩塌體特征以及形成原因的基礎上，對鷹嘴巖崩塌體的形成機制進行研究，并提出一定的防治措施，對于地方政府防災減災工作具有一定的指導意義。

1 崩塌體概況

鷹嘴巖崩塌體位于水布埡庫區景陽鎮，地理中心坐標X:3364300,Y:19402855，該處為構造溶蝕、侵蝕中低山峽谷地貌，微地貌表現為陡崖，坡向160°，為逆向斜坡結構類型斜坡，臨空面高度200m，邊坡形態呈直線型。崩塌體坡頂高程約1225m，崩塌體下部高程約980 m，崩塌體坡度下部約 40°，上部近垂直，平均坡度 60°～ 85°，局部直立，壁高150～200 m。壁面形態呈直線型，系由巖體結構面控制形成。在陡崖底部，由崩落物質形成的堆積體構成稍緩的斜坡，巖壁走向250°～280°，巖層傾向NNW，傾角較平緩(圖1)。

2 崩塌體特征

圖1 鷹嘴巖崩塌體平面圖Fig.1 Plane graph of Yingzuiyan collapse,western Hubei province

鷹嘴巖崩塌體崩塌區高度約50 m，寬1000 m，平均厚度約20 m，面積約15×104m2，體積約300×104m3。崩塌體底部為三疊系大冶組二段厚層狀灰巖，在此處厚約150 m，其中間夾軟弱泥巖不均分布與層間；這種軟硬巖組結構易于產生巖體壓縮變形不均的情況。形成斷裂結構面，巖體主要發育二組裂隙，①E-W向裂縫走向230°～270°，近平行壁面，傾SE為主，傾角70°～ 80°；長10～ 25 m，寬度0.1～1 m之間；②NNE向裂縫走向10°～30°，傾 SE 為主，傾角 78°～ 80°；垂直高約 50 m，寬約5 m，無充填，裂面平直光滑。鷹嘴巖崩塌體發生時間為1949年5月，在此之前，鷹嘴巖陡壁一帶開始發生小規模崩塌掉塊現象，當時鷹嘴巖頂部地面距巖壁200 m處出現一條長約200 m，寬約1 m左右的裂縫，根據現狀地表調査，其變形特征主要表現在崖壁頂端延伸于陡崖地帶的裂縫普遍見拉開現象，與崖壁近平行的E-W向裂隙尤為強烈，并沿這組裂隙產生規模不等的崩塌危巖解體（圖2）。陡崖面裂縫垂直于巖層面，裂縫走向約10°，垂直高度約50 m，寬約5 m，由于該裂縫的存在，該部分形成的危巖體逢降雨后存在一定的掉塊現象。

2.1 危巖體特征

圖2 鷹嘴巖崩塌體剖面示意圖Fig.2 Profile map of Yingzuiyan collapse,western Hubei province

根據巖體內結構面性狀，發育程度、巖體的完整性、地下水動力條件等工程水文地質條件，將巖體劃分為塊裂巖體結構和塊狀碎裂巖體結構兩種類型。塊裂結構巖體，結構面切割密度小，連通差，巖體較完整，塊狀碎裂巖體結構面切割密集，一些規模較大的裂縫將巖體分割成規模不等塊體?，F階段，鷹嘴巖崩塌體上方存在三塊危巖體，其中Ⅰ號危巖體高約25 m，寬約20 m，厚約3 m，Ⅱ號危巖體高約50 m，寬約15 m，厚約10 m，Ⅲ號危巖體高約30 m，寬約10 m，厚約5 m。

2.2 堆積體特征

在崩塌體下坡腳部位，由于崩塌的發生，產生的崩落物質形成崩塌堆積體，該崩塌堆積體長約200 m，寬度 1000 m，平均厚 20 m，面積 20×104m2，體積約400×104m3，為塊石、碎石夾粉質粘土，塊石塊度大者約10 m3，碎石粒徑2～6 cm之間。

3 崩塌體形成原因

3.1 地形地貌

崩塌危巖的發育受特有地形地貌的控制，峽谷地區、岸坡陡立的庫岸地區、高陡的路塹及人工邊坡地區等為危巖崩塌易發區[3]。鷹嘴巖崩塌所在區域地形地貌為構造溶蝕、侵蝕中低山峽谷地貌，微地貌上表現為陡崖，坡向160°，為逆向結構類型斜坡，臨空面高度約200 m，高陡邊坡以及深切河谷為崩塌危巖體提供了良好的臨空面條件，是水布埡庫區景陽段崩塌體發生的重要因素。

3.2 地層巖性

鷹嘴巖崩塌的發生與山體軟硬相間的介質結構有關，軟硬相間的巖層必然產生差異風化,軟巖抗風化能力差而多成巖腔，硬巖抗風化能力強而多成為陡崖。頁巖、熱液蝕變巖石及強風化巖石失穩的主要原因是由巖體本身的坍塌或滑動引起的，其穩定邊坡的設計屬于土力學理論的延伸；硬巖及另一類軟巖，則其天然存在的不連續往往對滑移途徑起控制作用[4]。鷹嘴巖崩塌所在水布埡庫區景陽段河谷深切，形成坡度較陡的微地貌陡崖，臨空面條件較好，而陡崖上的巖石比較堅硬，在陡崖底部存在著軟巖如泥巖、灰質泥巖、灰巖夾泥質條帶灰巖，這些軟弱的巖石構成了上硬下軟的巖性組合條件，在上部堅硬巖石自身重力的作用下，形成緩慢的下座現象，當底部基座無法承受上部巖石重壓的情況下，高陡的邊坡巖石便會發生崩落，形成崩塌，或者致使上部巖石在風化裂隙以及構造裂隙的影響下，由于裂隙的進一步擴展變形，從而發展為危巖體或崩塌，因此，軟硬相間的巖性組合是水布埡庫區鷹嘴巖崩塌體發育的重要因素。崩塌體下部為三疊系大冶組二段巖層，巖性為薄層灰巖夾薄層狀泥巖，薄層軟弱夾層變形模量大，易產生壓縮變形，上部灰巖易產生拉裂或整體下沉。由于這種軟硬巖性的組合，在地殼上升、河流下切的作用下，造成大卸荷，形成高大陡崖，給危巖體的形成創造了環境條件。

3.3 構造作用

巖體中的各種不連續面，如節理、裂隙面、巖層界面、斷層等，對坡體切割、分離，為崩塌的形成提供了脫離母體（山體）的邊界條件，坡體中裂隙越發育，越易產生崩塌[5]。

鷹嘴巖崩塌體的發生與山體構造條件有關，危巖體的變形和破壞顯著受到巖體中構造結構面控制，表現在山體后緣的拉張縫和陡壁的崩塌體都是追蹤山體內的構造節理發生的，并且主要受到與陡壁平行的近E-W向節理控制。區內構造褶皺為主，兼有少量斷裂，在褶皺部位，應力比較集中，構造裂隙發育，巖體切割致使巖石較破碎，特別是先壓后張的高傾角切層裂隙，往往起到巖體崩塌的邊界控制作用。鷹嘴巖崩塌體的變形和破壞顯著受到巖體中構造結構面制約，多數表現在山體后緣的拉張縫和陡壁的危巖體受構造裂隙的切割，并且主要受到與陡壁平行的卸荷裂隙控制，地質構造作用的影響是鷹嘴巖崩塌體發生的重要因素之一。

3.4 大氣降雨

雨季是危巖失穩的多發季節，降雨強度越大、歷時越長越易發生失穩。強降雨將導致巖石內滲水作用增強，巖石內滲水后巖石強度降低和應力增加。另外，邊坡表面水的凍結能堵塞排水通道，滲流水無法排出坡外，導致地下水位升高，引起邊坡中水壓的增高,從而降低邊坡的穩定性[6]，大氣降水從裂隙滲入巖體裂縫，改變了結構面的力學狀態，水的靜壓效應對巖體中的陡傾裂面起水楔作用，產生向臨空方向的推力，同時加速了結構面的軟化。水布埡庫區景陽段位于鄂西多暴雨區，多年平均降雨量1366.2 mm，日最大降雨量234.7 mm（1975年8月8日），月最大降雨量429.1 mm（1983年7月），降雨集中在每年的6～9月份，且常成暴雨或特大暴雨，暴雨的時間分布呈現不均勻，6～8月占全年暴雨次數的67.7%，集中降雨給崩塌提供了有利的條件，受大氣降雨的影響，大氣降水滲入巖體裂縫，改變了結構面的力學狀態，水的靜壓效應對巖體中的陡傾裂面起水楔作用，產生向臨空方向的推力，同時加速了結構面的軟化。由于崩塌危巖體上部裂隙發育，空隙、間隙（部分架空）較大，透水性較好，有利于下滲水的排泄，因此大氣因降雨是水布埡庫區景陽段崩塌危巖體失穩的關鍵因素之一。

3.5 人類工程活動

崩塌體下部采石、人工開挖邊坡建房、修路、耕種等人類工程和活動是致使山體發生加劇變形的主要因素，尤其是采石對崩塌體底部的掏空作用造成山體中應力重新分布并產生相應較強的變形。大規模人類活動是導致自20世紀80年代以來中國大陸大型地質災害發生相對頻繁的主要因素，隨著社會的發展，自20世紀中期以來，人類活動的力量就在與日劇增，并表現出逐漸取代自然營力成為導致地球環境變化和日益惡化的主要因素。中國大陸大型地質災害災害發生的頻度呈上升趨勢的事實也正好印證這一點[7-8]。因此，不合理的人類工程活動對鷹嘴巖崩塌體的發生起著重要作用。

4 崩塌體形成機理

根據崩塌體所在的地形地貌、地層巖性、地質構造、大氣降雨及裂縫的發育程度綜合分析，鷹嘴巖崩塌體為典型的逆向巖層崩塌，該崩塌體屬于拉裂式崩塌，鷹嘴巖崩塌體主崩區巖層為淺灰色灰巖,巖層傾向與坡向相反,巖層傾角 32°～ 40°,坡角30°～85°,由于巖層普遍發育垂直層面的拉張裂隙，和平行層面的壓剪性裂隙。卸荷裂隙沿構造拉張裂隙繼承發展,卸荷裂隙切穿巖層面形成危巖體。在重力等外力作用下，危巖體墜落，或向外凸落,形成崩塌。其形成機理大致為（圖3）:

（a）構造裂隙發育階段:鷹嘴巖崩塌體在經歷1949年5月第一次崩塌之后，由于巖體構造裂隙發育，巖體在第一次崩塌的基礎上，由于重力失穩，對崩塌壁上原存巖體形成拉張作用，巖體自身存在的構造裂隙進一步被拉裂；（b）構造裂隙貫通階段:在巖體自身重力的進一步影響下，巖體上的構造裂隙進一步被拉裂張開演化為上寬下窄的鍥形裂縫，并不斷向下部巖體發展貫通，形成危巖體；（c）新的卸荷裂隙形成階段:當構造裂隙貫穿整個巖體之后，構造裂隙便轉化為新的卸荷裂隙，巖體近垂直巖層面裂隙發育，多為風化裂隙和重力拉張裂隙，由于上部硬巖層以懸臂梁[9]形式突出，在張拉應力的作用下，崩塌體上的危巖體被拉裂，然后，危巖在自身重力的作用下產生卸荷，卸荷裂隙在構造裂隙的基礎上繼承發展，在危巖體壓應力作用下，垂向裂隙面貫通后形成崩落，崩塌區由內邊坡中下部向上、向后擴展，最終將形成二次崩塌，崩塌體處于不穩定狀態。

5 防治措施

圖3 鷹嘴巖崩塌體形成過程示意圖Fig.3 Formation mechanism schematic diagram of Yingzuiyan collapse,western Hubei province

根據鷹嘴巖崩塌體的形成機理分析表明，鷹嘴巖崩塌體處于不穩定狀態，其上部存在的危巖體隨時都有崩落的危險，對于崩塌體下居住的居民形成威脅，因此，防治鷹嘴巖崩塌體的發生是十分必要的，防治崩塌的主要措施主要為修建護坡(護墻、錨桿等)，防止巖土體剝落；疏導地表水和地下水，減緩沖蝕及侵蝕；對于小型崩塌體，可直接采用人工削坡的方法消除隱患[10]。結合鷹嘴巖崩塌體的實際情況，防治措施可以分為非工程措施和工程措施兩個方面。

5.1 非工程措施

建立群策群防管理體系，國土部門對崩塌體派專人進行監測，定期對危巖頂部的裂縫進行目視檢查，另外，將崩塌體下方所波及范圍劃分危險區，對危險區居住的居民采取搬遷避讓措施。

5.2 工程措施

在危巖頂部安裝伸縮儀對裂縫變形情況進行測量，并安裝報警器，在崩塌體頂部修建截水溝，對崩塌上方匯水區的地表水進行截排，防止其對危巖的進一步沖刷。采用對崩塌體上現存危巖體進行爆破清除處理，或者采取對危巖體進行錨固措施，運用錨索對危巖體進行鎖定。

6 結論

鷹嘴巖崩塌體為屬于拉裂式崩塌，其發生第一次崩塌后崩落物質在坡腳堆積，形成崩塌堆積物，崩塌的發生受地形地貌、地層巖性、地質構造、大氣降雨等因素的影響，由于現階段鷹嘴巖崩塌體上危巖后部的變形裂縫在不斷加寬加深，其變形裂縫表現為由構造裂隙發展為卸荷裂隙，在大氣降雨及危巖自身重力作用影響下，危巖體失穩的可能性進一步加大，有發生再次崩塌的危險，崩塌體處于不穩定狀態。

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