四川南部花岗岩地层崩岗成因机制及处理措施研究——以机场工程为例

柳天佳，谢春庆，潘 凯，赵新杰，张李东

（广东中煤江南工程勘测设计有限公司，广东 广州 510440）

1 概述

崩岗是指山坡土体在水力和重力综合作用下受破坏而崩塌、冲刷后由崩落至坡脚的堆积物与崩落土体的坡面共同形成的特殊地貌[1-2]。崩岗的危害性仅次于滑坡和泥石流灾害[3]，我国崩岗主要分布于南方粤、桂、闽、赣、湘、鄂、皖等地区，分布区总面积为48.34km2，数量达23.91万个[4]。主要的发育地层为花岗岩、砂砾岩、砂页岩和泥质页岩等，其中85%以上分布于花岗岩风化层中[5]。

近几十年来关于崩岗我国学者做了大量的研究，主要的方向是对我国南方地区崩岗的成因机理、防治措施进行分析研究，研究的立足点多为水土保持与环境治理，而以工程建设为出发点的研究则相对较少。本文以四川南部某机场工程为例，系统分析工程区花岗岩地层崩岗的成因机制，并结合“大面积深挖高填”的机场工程建设特点，针对性地提出崩岗灾害处理措施建议，为后续工程设计、施工提供依据，同时也为其他类似工程建设提供参考。

2 研究区概况

研究区属季风高原型亚热带岛状立体气候，气候垂直分带明显。具有夏季长、气温日变化大、干热、日照强、降雨集中等特点。研究区年平均气温20.3C°，年平均降雨量761.6mm，降雨一般集中在6～10月，多大—暴雨。

研究区地处云贵高原北部南北向构造带与“歹”字形构造带的复合部位。机场场区展布于走向S45°W延伸的山脊之上，海拔高程1829～1946.4m，属于构造侵蚀中山地貌，地形切割深度100～200m。

研究区地层主要由第四系松散堆积物（Q4）和寒武纪下统（∈1）、震旦系观音岩组（Zbg）、下元古界会理群组（Pt1）、晋宁期花岗岩（γ2）组成。其中晋宁期花岗岩（γ2）分布最广，面积约占场区总面积的80%，岩体以全风化为主，厚度20～60m，扰动状态下呈砂状。

3 崩岗特征

场区花岗岩地层分布区共发育23处崩岗。场区崩岗面积600～30000m2不等，以中型崩岗为主（面积1000～3000m2），个别为大型崩岗（面积大于3000m2）。根据崩岗的平面形态，将场地内崩岗分为条形（图1-a）、瓢形（图1-b）、爪形（图1-c）、混合型（图1-d）[6]，其中条形崩岗5个，占比21.74%，瓢形崩岗13个，占比56.52%，爪形崩岗3个，占比13.04%，混合型崩岗2个，占比8.70%。

场区内各崩岗形态要素包括：上部汇水区、崩壁、崩积体、输沙通道和洪积锥[7]（图2-a、b）。上部汇水区是指崩壁后缘至分水岭的斜坡区域，汇水区面积主要由崩岗与分水岭距离和所处斜坡面积决定，崩岗距分水岭越远、所处斜坡面积越大则汇水区面积越大。崩壁为崩岗内陡峭或近垂直的后壁和侧壁，场区内崩壁高度在3～30m之间不等，崩壁后缘附近斜坡区域发育多级错台。崩积体是崩壁在重力侵蚀后溯源垮塌、崩落在崩岗内部的堆积体，崩积体厚度3～15m。输沙通道呈狭长状分布于崩岗前端，是水流侵蚀、搬运崩积体的通道，宽度1～5m，场区崩岗输沙通道长短不一，部分小型崩岗未见输沙通道发育。洪积锥分布于输沙通道的最前端，为崩积体经水流由输沙通道向外搬运运输后的堆积体，场区内洪积锥一般分布于宽缓“U”型沟谷两侧。

4 崩岗成因机制分析

崩岗是一种水力侵蚀和重力侵蚀相互作用的复合地貌类型，其发生须具备三个基础条件：深厚松散的风化层、暴雨径流、重力作用；同时地形、温度、人类活动也是崩岗形成的影响因素[6-10]。

4.1 地形因素

场区崩岗均分布于分水岭两侧的斜坡，崩岗后壁位置相对较高，多接近分水岭，斜坡前缘与沟谷相接，斜坡坡度从分水岭到沟谷逐渐变陡，一般10°～25°。斜坡为降雨的汇集、径流和侵蚀提供了有利条件。斜坡上部坡度较缓，地表水流速较慢，以面状侵蚀为主（图3-a）；中下部坡度逐渐变陡，地表水流速加快，逐渐转为下蚀为主（图3-b），随着斜坡前缘深切冲沟沟源的不断下切和溯源发展，崩岗逐渐成型（图3-c）；初步成型的崩岗后缘和侧缘崩壁多呈陡倾或直立状，此时地形因素逐渐引发崩岗成因中的另一侵蚀类型—重力侵蚀（图3-d）；在水力和重力相互作用下，崩岗得以进一步发展、扩张。

通过对地形因素的分析，可以得出场区内几种类型崩岗是处于不同时期的地表形态。崩岗形成前期，坡面多表现为细沟、浅沟和深切的冲沟[11]；随着冲沟的进一步深切、扩张，则形成崩岗的初期形态，也就是条形崩岗；多个条形崩岗的输沙通道交汇相连则形成爪形崩岗；爪形崩岗内部各“爪”之间的原地面被水力、重力侵蚀破坏后相连，瓢形崩岗也由此而生，瓢形崩岗也可由条形崩岗直接扩张形成；混合型崩岗则是多个处于不同发展期的崩岗形成的崩岗群。

根据调查统计，场区发育崩岗的斜坡坡向多为南、西南或东南，也就是阳坡和半阳坡，常年充足的日光照射促进了花岗岩体的风化，因此斜坡坡向对崩岗的发育也有一定影响。

4.2 岩性因素

场区80%面积分布全风化花岗岩，厚度20～60m，为崩岗发育提供了充足的物质基础。全风化岩体多呈砾状、砂状和粉土状，粗细混杂，总体粗颗粒含量大，细颗粒含量较少（表1）。粗颗粒间多形成架空结构，孔隙度大、连通性强、透水性好，为地表水的入渗提供了空间和通道，有利于崩岗形成。

表1 场区全风化花岗岩颗粒组成

风化层中Fe2O3、Al2O3总体含量较低（表2），导致风化层胶结性差，排列松散，岩土体的抗冲刷、侵蚀的能力降低[12]，土体的抗剪强度（粘聚力、内摩擦角）也随之降低，风化层的崩解速度加快[13]，随着地表水不断入渗SiO2、CaO、MgO 因发生淋溶作用而逐渐损失[13]，导致风化层孔隙度进一步增大，整体结构进一步破坏，进而促进崩岗的形成、发展。

表2 场区全风化花岗岩化学成分

4.3 气象因素

研究区年平均降雨量761.6mm，虽未达到相关统计成果给出的一般水平（年均降雨量1000mm以上）[14]，但是降雨相对集中，且多为大—暴雨，降雨一方面对原生风化层进行溅蚀、冲刷侵蚀和搬运，促使崩岗的形成；一方面在已有崩岗的崩壁处形成落差较大的跌水，对崩壁底部进行侧向掏蚀，促使崩壁在重力作用下崩塌、滑塌，从而使崩岗得到发展。

降雨形成的地表径流在流经崩壁后缘错台区时一部分沿各台坎间竖向裂隙入渗形成地下水，地下水对崩岗后壁稳定性影响主要表现在以下4个方面：①地下水沿裂隙面对崩壁产生横向挤胀效应；②对崩壁风化层产生饱水加载效应；③浸泡、软化风化层，降低其力学稳定性；④地下水向下径流过程中对风化层进行渗流潜蚀，同时溶解、水解风化层中易溶物质，破坏其整体结构性。

4.4 人类活动因素

研究区紧邻乡镇人群聚集区，人类活动较为频繁，在人工和机械的扰动下，全风化层上覆的粉质粘土层已失去原有的结构，土体结构变得松散，内部孔隙度增大，不仅原有的抗侵蚀能力消失，而且更有利于降雨的入渗、侵蚀。场区乔木多为松树，阳坡灌木分布较少，松树的根系在一定程度上破坏风化层的完整性，增加其裂隙发育程度。同时附近居民在全风化层的采砂行为也是诱发和促进崩岗形成的因素之一。

5 崩岗对机场工程建设的影响及处理措施

5.1 崩岗对机场工程建设的影响

机场工程是一个“大面积深挖高填”的土石方工程，目前该机场规划跑道长3200m，机场飞行区指标近期为4C，机场设计标高1887.9m。机场建设土石方工程可分为挖方工程和填方工程（图4），最大挖方边坡高度58.5m，最大填方边坡高度117.9m，崩岗对不同的工程区域的影响是不同的。

对填方区的影响：①松散的砂土状的崩积体、洪积锥在填筑施工后，受上部飞机、填筑体等荷载的作用下产生过大沉降，导致机场跑道道面错台、断板等病害；②松散饱和的崩积体、洪积锥在地震作用下产生液化，导致填筑体结构、高填方边坡结构、道面等破坏；③降雨入渗对崩岗区内松散崩积体、洪积锥进行渗透潜蚀而形成地下空洞，引起上部填筑体塌陷，进而造成机场跑道道面脱空、塌陷、断板等破坏；④随着位于填方边坡区或填方边坡稳定性影响区的崩岗的不断扩展，造成填方边坡（尤其是高填方边坡）变形、失稳；⑤场区全风化花岗岩分布面积达80%，机场工程为挖填平衡，因此机场大部分填料为全风化花岗岩，开挖后的全风化花岗岩多呈砂状，具有易湿化、不易压实的特点，且填方边坡坡度一般为24°左右，高填方边坡可能在强降雨季节出现“类崩岗”灾害，并且“类崩岗”的发育速率远大于自然崩岗的形成速率，在较短时间内对机场稳定性造成严重威胁。

对挖方区的影响：①未完全挖除的崩岗进一步发育，影响整个挖方边坡的稳定性；②崩积体对降雨向机场飞行区内运移、堆积，有掩埋机场跑道的风险；③在挖方边坡处形成新的崩岗，对机场造成安全威胁。

5.2 崩岗处理措施

（1）填方区：①对崩壁分级开挖台阶与填筑体进行搭接；②完全清除填方区崩岗内的崩积体和洪积锥，在崩岗坑和输沙通道内设置碎石盲沟，盲沟包裹反滤土工布或在其上部设置碎石反滤层；③对填方边坡坡脚线外附近区域的崩岗设置观测点，对其发展速度进行长期监测，同时在填方边坡坡面、坡脚、坡脚与崩壁之间的汇水区设置截排水沟，将机场附近汇水引流至崩岗下游区域；④对填方土面区、边坡区表层用粘性土进行压实封面处理，减少降雨的冲刷侵蚀和入渗；⑤填方边坡坡面采用加筋格构+植草进行防护。

（2）挖方区：①全部挖除挖方区内的崩岗，对挖方土面区超挖部分或挖方后残留的崩岗坑采用填方区处理标准进行回填；②坡面采用格构或喷浆进行防护处理；③在挖方边坡顶部、坡面和坡脚设置截排水沟；④对位于挖方边坡坡顶线外附近的崩岗设置长期观测点。

6 结语

（1）崩岗的形成是一个内外地质因素相互作用产生的综合结果。在四川南部及整个西南地区，当地形、岩性、气象以及人类活动等因素满足一定条件且共同作用时，也会发育崩岗灾害。

（2）场区崩岗以中型为主，深厚的全风化花岗岩层、集中的强降雨以及风化层自重作用是场区崩岗形成的控制性因素，也是崩岗形成的内、外地质因素的表现。

（3）机场工程建设是一个庞大的系统工程，对于一个大面积深挖高填的土石方工程，最佳的防护治理措施应选择以削弱外地质因素为目的治理手段，并采取多种治理措施做到因地制宜、综合治理。同时治理还应与监测并行，加强对崩岗的监测，及时掌握灾害的变化与发展趋势，防微杜渐。

（4）鉴于目前关于崩岗与机场工程及类似大面积土石方工程之间的研究相对较少，本研究可较好的指导后续工程的设计与施工，同时对类似工程，尤其是四川南部乃至整个西南地区机场工程、道路工程均具有较高参考价值。