利川市谋道镇铁铺崩塌特征以及治理现状研究

毛启曦， 刘万亮， 翁茂芝， 段先锋

(湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034)

2017年8月7日，湖北省恩施州利川市谋道镇中心村12组铁铺山体发生崩塌(以下简称铁铺崩塌)。该崩塌危岩体位于东经108°36′10″，北纬30°27′34″，长15 m，高200 m，厚约15 m。崩塌山体失稳后，岩体加速破碎、解体直至最终崩落，并沿下部平缓土质斜坡滚动，沿途剥离斜坡表面原有松散堆积物，并使得崩积物逐渐增大。沿途损坏中心村12组的居民区房屋及公路，最终堆积于百丈沟内。形成沿崩塌方向长约80 m，宽约23 m，平均厚度约3 m，体积约为4 000 m3的堆积体，所幸未造成灾难性后果。

铁铺崩塌发生后，在调查中发现，四周的危岩体仍有80 cm宽的卸荷裂缝，有近1 000 m3岩体有再次崩塌的可能性，严重威胁村民的生命财产安全。本文是在应急调查研究处理完工后，研究铁铺崩塌的灾后特征以及治理现状。

1 研究区地质环境条件

1.1 地形地貌与气象水文

崩塌区位于利川市西北部，地处鄂西南近东西向展布的褶皱山区，为构造溶蚀侵蚀中低山区；宏观地貌基本轮廓定型于燕山期台褶带，新构造运动造就了近东西走向的褶皱山地，表现为大面积的隆起，具有显著的间歇性。

铁铺崩塌位于谋道镇西南部，海拔高程在680～1 100 m之间。铁铺崩塌底部为百丈沟，沟内河流对坡脚有冲刷、浸润等作用，有相关研究结果表明在长期河水冲刷、侵蚀作用后，重塑土的微结构和抗剪强度都会发生一定变化[1]。

崩塌区属亚热带大陆性季风气候。因山岭重叠，溪谷纵横，垂直落差大，气候变化也大，成为显著的山地气候，具有冬无严寒、夏无酷暑，云多雾大，日照较少，雨量充沛，潮湿、风小等特征[2]。多年平均气温12.5 ℃，极端最高气温41.2 ℃，极端最低气温-17 ℃。时间分配上的不均匀性以呈单峰形分布。崩塌区每年5—7月降水最为集中(图1)。因此在汛期常常暴发山洪，形成地质灾害，破坏交通、水利等设施，时常威胁人民群众生命财产安全。

图1 中心村近20年月平均降雨量
Fig.1 Average rainfall of central village in recent 20 years

1.2 地层岩性与区域地质构造背景

崩塌区域内地层出露中侏罗世沙溪庙组二段(J2s2)棕色块状细砂岩、紫红色粉砂质页岩偶夹棕色中层状细砂岩，崩塌源区地层产状为310°∠8°。由于细砂岩与粉砂质页岩岩性软硬性质差异导致风化作用影响程度不同，在细砂岩下部形成悬空面。

崩塌区域位于建南背斜北西翼，齐岳山断裂北西侧上盘。为地质灾害高易发区域。受断裂和褶皱构造的影响，致使区内构造裂隙较发育，特别是齐岳山断裂以及其次级断裂，造成区内岩石破碎，岩质斜坡不完整，易形成危岩。

2 斜坡结构特征及变形破坏模式

2.1 斜坡结构特征

斜坡外型为中上部陡、下部缓的复合型斜坡，总体坡度为52°，坡面朝向为65°，下部坡面较缓处有松散堆积的坡积物。坡底百丈沟内有大量堆积的崩积物碎石，最大可见3 m×2 m×4 m，整个斜坡最大宽度30 m，斜坡坡高260 m。危岩体顶部现如今已封禁隔离，整个危岩体外部基岩裸露。由于地层倾角<10°，斜坡整体结构上为平缓层状斜坡。坡体结构特征如图2所示。

图2 坡体结构特征
Fig.2 The structural characteristics of the slope
1.细砂岩；2.粉砂岩；3.粉砂质页岩；4.泥岩；5.泥质页岩；6.崩、坡积物；7.卸荷裂隙；8.崩塌运动方向。

2.2 岩体结构特征

斜坡岩体结构总体上表现为上部浅紫红色厚层—块状细砂岩，中下部紫红色粉砂质页岩偶夹细砂岩、粉砂岩。上部裂隙沿节理面发育，呈块状碎裂结构，中下部由于岩性差异，硬度偏软的粉砂岩更易受风化作用影响，导致在细砂岩底部形成悬空面，在长期风化作用下，坡体上部愈演愈陡而形成陡崖，为其顶部坚硬岩体的临空造就了崩塌的有利地形[3-4]。崩塌危岩体的底界为软弱带，它的支撑作用逐渐减弱并失效是危岩体发生崩塌的关键[5]。

斜坡总体结构面赤平投影如图3所示，危岩体中主要发育3组结构面，分别为地层层理面和两组节理面。危岩体层间间距(层厚)为0.8～1.5 m，上部块状细砂岩的节理是造成地层失稳的主要因素之一，共发育两组节理，一组节理产状为136°∠70°，每米发育2～4组；另一组节理产状68°∠81°，每米发育2组。两组节理呈共轭交切关系，其中北东朝向的节理与卸荷裂隙面产状一致。两组节理面均较为光滑、平直。

图3 铁铺崩塌斜坡结构面赤平投影
Fig.3 The stereographic projection of the landslide structual surface

构造结构面对崩塌的形成起着关键的控制作用[6]。两组节理与岩层面构成控制崩塌结构面，其中层理构成岩体失稳的底缘边界，节理面①即北东倾向的节理面在危岩体上形成卸荷裂缝，并且表明节理面组合交线的倾向与斜坡的倾向基本一致，倾角大于斜坡的坡角，节理面②将岩体切割，使得斜坡处于不稳定状态。

2.3 崩塌区山体变形破坏模式分析

危岩破坏失稳及其运动致灾过程是不断演化的动力学过程[7]。切坡卸荷型崩塌主要作用机理是前缘卸荷减压导致支撑力弱化，牵引发展成崩塌[8]。分析认为，铁铺崩塌山体失稳发展演化过程如图4所示。在崩塌发生以前，危岩体后侧山体与危岩体之间的卸荷裂缝逐渐拉开(图4-a)，其主控结构面的损伤和裂隙的扩展构成了崩塌的核心[9]，长期强烈的降雨渗流使得山体的完整性进一步遭到破坏，裂缝随即经过一定程度的加深、加宽，并伴随危岩体逐渐脱离母岩，在重力作用下位于危岩体下部逐渐形成竖向节理裂隙，最终发育为长16 m、宽0.15～0.6 m、深80 m的裂隙面，裂隙面产状为68°∠81°，并在剪应力作用下形成一条形似交错层理的裂缝带(图4-b)；上述两组节理面与岩层层面组合，将危岩体切割成块状，在一定的临空条件下较容易发生块状滑动破坏。伴随着剪应力形成的裂缝带逐渐贯通，失稳的危岩体逐渐朝斜坡朝向一侧倾倒，表现出倾倒式崩塌的特征(图4-c)；危岩体的崩塌最终导致岩层破碎，坠落在斜坡下部，由于高差使岩块释放大量动能，最终碎裂以碎屑的形式向斜坡下堆积(图4-d)。

图4 铁铺崩塌山体失稳演化过程示意图
Fig.4 The schematic diagram of Tiepu landslide instability evolution

3 崩塌灾后治理

对于不同的危岩体需根据其地质环境差异和威胁对象不同而采用不同的防治等级和有针对性的技术方法[10]。崩塌危岩体的防治必须对其形成的具体条件，对岩石层面和节理等各类结构面进行充分调查研究，以调查为主、计算为辅，计算与之有关的参数(如落石下落速度、撞击能量以及落石滚落距离等)，分析评价崩塌危岩体破坏机制及扩展趋势，再结合防治目的才能对崩塌危岩体采取有针对性的防治措施。参照崩落体的运动模式[11]、崩塌掉落岩块的运动速度和沿斜坡的弹跳距离关系，在忽略声能，并设初速度为0，危岩崩塌落石下落的速度计算按下式计算：

(1)

(2)

K=1.05-0.012 5α+0.000 002 5α2

式中：H为石块坠落高度(m);g为重力加速度，取9.8 m/s2;α为山坡坡度(°);K为石块沿山坡运动的阻力特性系数。根据动能公式计算岩体的撞击能量：

(3)

危岩体发生破坏后，落石向下运动坠落在斜坡表面产生碰撞，根据能量转换可以计算落石的运动距离：

(4)

式中：vi为落石在斜坡面上任意位置所具有的速度(m/s)；α为各直线段斜坡的平均坡度；Δhi为各直线段斜坡的垂直高度(m)；Φr为落石与坡面之间的综合摩擦角；Li为各直线段斜坡的长度(m)。档末速度vi=0时，便可求得∑Li，∑Li×cosα就是崩塌的最大水平运动距离。

根据实地测量相关数据，草算得出危岩崩塌落石下落速度约为67.4 m/s，共造成约7.6×1011J的撞击能量，落石运动距离约280 m，威胁着下方21户100余村民的生命财产安全。结合斜坡的地质环境条件、结构特征以及变形破坏机制，铁铺崩塌的治理措施具体如下(图5)：

(1) 锚固。在风化裂隙及卸荷裂隙发育密集的裂隙区，全部清除较为困难的情况下，采用锚固崩塌危岩体，防止卸荷裂隙的产生及扩展，达到防治的目的。

(2) 支撑嵌补加固。对崩塌源区南侧还未发生崩塌的危岩体，采用支撑嵌补的方法进行加固，防治危岩体的变形破坏。

(3) 修建排水沟、截水沟。坡面截排水沟的根本目的是理水疏水[12]。改善坡面水分条件，防治由水系加速裂隙面的扩张，从而达到稳定斜坡的目的。

(4) 对危岩体上部周边进行拦网隔离，减少由于外部物理因素使危岩体范围继续扩大。

(5) 重建损坏房屋和公路。对于有轻微损坏的房屋进行修补，而对已经损坏的房屋和公路进行重新修缮。

4 结论及建议

本文作者参与了谋道镇中心村铁铺崩塌实地调查研究其崩塌特征和成因机制，具体结论如下：

(1) 通过资料收集和实地调查，查明了铁铺崩塌的地质条件和边坡结构特征，分析了引起崩塌地质灾害的成因，其一是由于长期降雨使卸荷裂隙逐渐加深加宽，其二是坡体表面受到差异风化的影响，泥岩、粉砂质页岩不断风化并剥落，形成悬空面，两者的共同作用，导致了上方岩体的变形与破坏。

(2) 针对边坡的破坏模式提出治理措施，采取“清方+排水+嵌补加固”的治理方案：在清理完斜坡上的崩积物后，修建排水沟、截水沟，并在危岩体内施加锚固，借以提高危岩体的摩擦阻力、整体性和抗剪强度，在整体上达到提高边坡稳定性的目的。目前斜坡暂时稳定，自治理以来未再次发生崩滑事件。

图5 铁铺崩塌灾后现场及治理现状
Fig.5 Post disaster site and treatment status in Tiepu landslide
a.崩积物损坏公路；b.崩塌斜坡路径区损坏的房屋；c.崩积物石块在斜坡上堆积以及后期修建的截水沟；d.已修建完好的路面；e.崩塌危岩体处修建的锚固与挡墙；f.危岩体支撑嵌补加固；g.危岩体上部拦网隔离；h.崩塌斜坡现状全貌。

建议：百丈沟两侧斜坡在夏季常常出现各类小型崩塌、滑坡，其发生频率随着时间具有递增的趋势。因此，应加强在百丈沟尤其是已经出现变形的地质灾害区域，进行演变规律的持续跟踪研究，结合新技术手段，提早识别，提前预警。