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山地岩石斜坡崩塌类型及发育分期研究

2007-07-20 11:24:00  作者:徐茂其,王昕,罗守贵  来源:中国期刊网  浏览次数:69  文字大小:【】【】【
简介:崩塌是山区水土流失的一种特殊形式。崩塌分3个“类”和4个“型”,二者组合为12 个类型。3个类是自然类、人为类和迭加(复合)类;4个型是断坠型、拉裂型、倾倒型和滑移型。崩塌的发展过程可分为蠕动变形期、变形发展期和崩塌爆发期,变形发展期中又分渐变发展和急剧发展两个阶段。研究崩塌的类型、形成过程及发育分期,不仅可为预测预报研究打下基础,也为山区经济建设和国土资源开发提供安全的科学依据。
Abstract An avalanche is an special type of soil erosion in mountainous region. The study of the types, processes and stages of avalanches can not only lay a fundation for forecast and prediction,but also provide some scientific bases for the economic development and land exploitation in moun-tainous areas. Thus, this paper gives 3 groups which are natural, man-made and compound,and 4types which are fault-fall,pull-fracture,dump and slump for each group. The processes of avalanches are creeping,developing and happening. The second one is subdivided into 2 phases,the gentle and intense.
Key words avalanche mass;fracture plane;air-cushion function
 
1前言
    崩塌既是山区坡地后退的一种剧烈方式,又是山区水土流失的一种特殊形式。崩塌现象在山区极为普遍,其危害十分严重,如1718年6月甘肃通渭县发生7. 5级地震,导致城北山崖爆发巨型崩塌,压死4万余人;1979年四川巫溪县城附近发生1次崩塌,压死98人,使高80-1OOm,长500余m的岩坡,急剧后退8-15m;1988年5月四川万源县吊板娅发生巨型崩塌,约100万m3土石将白沙河切断,形成高38m的天然石坝,损失1. 5亿元。随着改革开放的深化发展,山区经济建设和国土开发日新月异,人类改变自然斜坡形态的力度不断增强,范围不断扩大,如修路、造渠、建厂、切基筑坝等等,都将对原状斜坡的坡度、坡形甚至临空高度,有较大程度的改变,稍有疏漏,人为活动造成的灾害即可能产生;一但自然斜坡的潜伏崩塌隐患与人类活动造成的隐患复合(迭加)后,则可能加速崩塌的爆发。总之,研究山地崩塌的产生过程,无疑对山区经济建设的持续发展,有一定的意义和价值。本文是作者多年观测重庆北温泉跃鹰崖崩塌体后,结合前人研究成果,对山地岩石斜坡崩塌类型及发育时期所作的初步探讨。
2崩塌类型
崩塌的产生必须具备两个条件:一是斜坡岩体基部被自然或人为的作用淘蚀或挖切,使部分岩体悬空,其重心失去稳固支撑;或斜坡陡峭,且具有较大的临空高度。二是斜坡岩体或悬空岩体被软弱结构面,尤其是被深大张性垂直节理面切割,形成崩塌体(图1)
 
                      
    M. A.卡森和M.J.柯克拜(1972年),根据岩石破坏过程、碎块大小及运动方式,将不稳定岩体分为板状崩塌、滑动崩塌、剥离脱落和粒状撒落[UJ4类(表1),其中具有崩塌意义的实际只有板状崩塌和滑动崩塌两种。胡厚田、孙玉科等根据崩塌体发展的力学机制和运动方式,分为倾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓胀式崩塌、拉裂式崩塌和错断式崩塌5类。前人对崩塌的分类,强调了崩塌的力学机制和运动方式,忽略了崩塌产生的主要诱导因素,使分类的逻辑系统性减弱。
                                     
  
    本文把造就崩塌基本条件形成的主导因素作为划“类”基础,按主导因素可分为自然类、人为类和迭加(复合)类。再依据崩塌体发育的力学机制和运动方式划“型”,可分为断坠型崩塌、拉裂型崩塌、倾倒型崩塌和滑移型崩塌4个型(图1),每类都可以有4个型发生,如自然断坠型崩塌、自然倾倒型崩塌等,人为断坠型崩塌、人为拉裂型崩塌等,迭加断坠型崩塌、迭加滑移型崩塌等。随着人类社会经济建设和活动范围的不断扩大,山区纯自然因素导致崩塌的发育已退居次要地位,而人为活动或自然和人为活动迭加造成崩塌的发育已成为主体。按此依据划分的类型更为系统和合理。同时,前人将悬臂梁体的崩塌,命名为“错断式崩塌”;将崩塌体移动过程中受阻,局部岩土体产生隆起的现象,称为“鼓胀式崩塌”。本文把前者悬臂梁的部分岩体,在发生断裂和坠落的整个过程中,未受其围岩的制约和影响所发生的自由落体更名为“断坠型崩塌”,之后“鼓胀式崩塌”反映崩塌体在运动过程中产生的形体变化现象多些,可划入其它“型”中,不必单列一型。
3崩塌型的发育过程
3. 1断坠型崩塌的发育过程
因人类修筑、采矿等工程活动或自然河水差异风化等原因,导致斜坡或斜坡基部掏空凹槽嵌入(图la),上部岩体部分悬空,悬空岩体上的原有软弱结构面,在外营力作用下不断加深扩大形成破裂面[[4],使悬空岩体的前端部分形成崩塌体。当重力或振动作用使崩塌体超过悬空岩体对它的固结强度时,破裂面急剧断裂,使崩塌体脱离悬空岩体自由坠落,形成断坠型崩塌,其规模视崩塌体的体积大小,块体的运动方式等;危害程度取决于临空高度[[5]和影射范围内的社会经济、文化状况,但一般危害程度不大。
3. 2拉裂型崩塌的发育过程
    悬空岩体基部与斜坡的交界面称为悬切面。若破裂面位于悬切面上(图1b>或位于内侧时,岩体以B点为支点的悬臂梁式拉张,设崩塌体的悬空长度为l,厚度为h,岩石容重r,则Ali的lm宽度上的拉张应力方程式为:
 
 
    当悬空岩体的拉张应力超过斜坡岩体的抗拉强度时,悬空岩体即形成崩塌体沿破裂面产生崩塌。临空高度超过1 OOm的图2重庆跃鹰崖崩塌前的素描(由南向北绘)拉裂型崩塌,其破坏力甚大,碎石块体翻滚下泻,若撞击斜坡坚硬岩石后,弹跳升空,再随气浪抛出可击毙数百米外的行人。1976年6月重庆北温泉跃鹰崖发生拉裂型崩塌(图2),岩体顶部为三迭系上统须家河组长石石英砂岩,产状近水平,厚38-42m,距嘉陵江水面的临空高度195m,岩体被N300W和N 190E的两组节理切割成块状体。砂岩层下伏泥页岩夹薄煤层,厚度在15m以上。因长期差异风化,凹槽嵌入8-12m,沿砂岩体下断续长达50m左右。6月14日崩塌爆发,压死2人;气垫作用将石块抛掷200多m远的嘉陵江对岸,击毙船工1人,击伤1人。198。年6月崩塌后的崖壁岩石,因侧限岩体崩离而导致水平压力减小Cep,引起岩体顶部重新产生2. 5m长的裂缝。

3. 3倾倒型崩塌的发育过程
    据地压理论,任何岩石微元都将受到垂直和水平两种压力[7],垂直压力(图lc)为单位面积上的岩石重量,即8=rz,r为岩石容重,z为地面以下的厚度;在直坡壁上,水平压力8.x = k8z,k为地压系数。河道加深、人为切坡或陡壁岩体崩塌等,任何导致临空面岩体大量迁移的现象,都会促进地压系数k值减小,使靠近河岸峭壁、崩塌悬崖边缘岩体产生裂隙。这些裂隙在重力、地表地下水体或其它营力作用下,不断向加深扩大发育,最后形成倾倒型崩塌。
3. 4滑移型崩塌的发育过程
    地表垂直节理在加深扩大过程中与斜切坡壁岩体的软弱结构面贯通(图1d>,且软弱结构面成为滑动面时,只要滑动面上的剪切应力超过其抗剪强度,上伏滑体沿滑动面向临空面方向移动,滑体的重心离开斜坡边缘后,滑体立即转变为崩塌体向坡下倾泻阁,形成滑移型崩塌。滑动面上的剪切应力和抗剪强度,由以下方程确定:
                               
式中:W—切割岩体重量;0一结构面倾角;
                               
式中:£一结构面上的内摩擦角。结构面要成为滑动面,除结构面自身的性质特征外,地下水的作用是关键[9]
4崩塌的发育时期
崩塌从地表产生裂隙蠕动变形开始,到崩塌爆发结束为止,一般都要经历数日,甚至数年、数十年的时间。如1962年11月天水铁路段发生的边坡崩塌历时17天;1980年6月湖北盐池河磷矿边坡爆发的巨大迭加滑移型崩塌,历时巧年。
 
 
 
                                      2崩塌发展分期
根据岩体、破裂面及水文地质变化特征和斜坡的变形速度,将崩塌的演化过程分为3个时期(表2),即蠕动变形期、变形发展期和崩塌爆发期。其中变形发展期又分渐变发展和急剧发展两个阶段。蠕动变形期的特征是斜坡顶部岩体开始出现1条或多条裂缝,但崩塌岩体无明显变形;裂缝深度、范围均小,统一破裂面尚未形成;暴雨时,裂缝渗流较弱。变形发展期是统一破裂面和崩塌体全面形成时期,到急剧发展阶段,崩塌体出现错位、压碎、外鼓等现象,暴雨径流可以全部被裂缝渗纳,成为崩塌体移动的主要推力。若崩塌属滑移型崩塌,且滑动面尾部翘起时,阻力增大,经过急剧发展阶段后,也可能暂时转入相对稳定的阶段,如甘肃金川矿1979年发生的滑移型崩塌,历时15年,其间出现过两次增速变形,第1次1974年7月至1975年3月,最大水平位移速度44mm/d,最大垂直位移速度29mm/d;第2次1976年9月开始,水平位移速度达64tnm/d,垂直位移速度达31mm/d[7]。这属滑移型崩塌中比较特殊的实例,仍归入变形发展期。
 
参考文献
1 Carson M. A. and Kirkby M. J. Hillslope Form and Proce.},s. Cambridge University Press,1972. 120^181
2胡厚田.崩塌与落石.北京:中国铁道出版社,1989. 33^43
3徐茂其,王永武等.四川盆周南部高县山地灾害及防治对策研究.北京:科学出版社,1994. 89-99
4 Zhang Daquan and Xu Maoqi. An approach to~movementv in the jiuzhaigou catchment. Natural Hazards,1993,8:141-y151
5 Xu Maoqi. Comprehensive evaluation of slope stability. Geo一Hazards and Their Mitigation,13eijing: Science Press,1990.150^-158
G Bjerrum L. and Jorstad F. Stability of Rock Slope in Norway. Norwegian (ieotechnical Institute Publication,1968,79,1-V11
7 Terzaghi K. Stability of steep slopes on hard unweathered rock. (;eotechniyue,19G2 a,12,70一251
8孙玉科,牟会宠,姚宝魁.边坡岩体稳定性分析.北京:科学出版社,1988. 74^-91
9哈秋艇.岩石(体)边坡稳定防治研究.自然边坡稳定性分析暨华萎山边坡变形研讨会论文集,地震出版社,1992. 67^-78

责任编辑:admin   


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