贵州省纳雍县普洒村崩塌形成机制及其后缘危岩体稳定性评价

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2017年8月28日,贵州省纳雍县张家湾镇普洒村发生高位崩塌地质灾害,崩塌形成的碎屑流摧毁了坡脚平台处普洒村居民区,灾害造成26人死亡,9人失踪。崩塌灾害的治理需要在认识崩塌形成机理以及演化规律基础上,找到关键的控制性因素,再结合防治需求,才能找到有效的防治方法,研究工作对普洒村崩塌治理与二次灾害预防,具有一定的参考意义,也为环境恢复和是否可继续开采奠定理论分析基础。同时也对缓倾内上硬下软型和下部采空区类型的高边坡稳定性评价具有一定的参考意义。本人在导师带领下先后两次参与普洒村崩塌的野外现场调查,分析普洒村边坡的坡体结构特征以及崩塌特征,再结合崩塌发生的视频资料,分析其变形破坏的过程和模式,对崩塌的形成机理做出定性评价;然后通过数值模拟对边坡的形成演化过程进行模拟,对边坡内部的应力分布以及岩体卸荷情况进行分析,得出较为符合实际的边坡地质原型,在此基础上再通过数值模拟研究采煤条件下的崩塌形成机理。最后对后缘危岩体边坡进行稳定性评价以及对进一步采煤对现有边坡稳定性的影响进行研究,所得认识主要如下:(1)现场勘察通过对地形地貌、地层岩性、坡体结构、物质成分和风化卸荷特征的详细调查,认为崩塌边坡坡体是一处上部较硬下部较软的近水平型边坡,崩塌源区顶部主要为飞仙关组三段(T1f~3)的强风化灰岩,上部为飞仙关组二段(T1f~2)的强风化粉砂质泥岩,中部为飞仙关组一段(T1f~1)粉砂岩,下部为相对较软的长兴组-大隆组(P3c+d)粉砂质泥岩夹煤线,坡体底部龙潭组(P3l)发育多层煤层,有人为开采活动,陡崖整体坡度约60°,陡崖顶部近直立。(2)通过现场对后缘拉裂缝、拉陷槽等变形破坏现象的勘察和力学性质分析,以及对崩塌堆积体进行详细的分区和物质成分统计,对崩塌变形破坏模式和运动过程进行反分析及印证,得出崩塌具有部分倾倒破坏的特征。对崩塌形成的坡体结构特征、采煤活动及降雨等因素进行分析,并结合崩塌发生时的视频录像,对崩塌发生的过程及变形破坏模式进行进一步分析,其破坏模式为拉裂-剪断。(3)对崩塌形成机制进行定性分析得出,崩塌形成主要分为三个阶段,第一阶段为自然演化阶段:坡体向临空面发生卸荷回弹,节理裂隙形成,在降雨等作用下结构面向坡内发展延申;第二阶段为裂缝发展贯通,锁固段形成阶段:裂缝进一步向下发展延申,将岩体与母岩切割开,危岩体形成,其与母岩连接部分对危岩体稳定性起到了控制性作用的关键块体“锁固段”形成;第三阶段为锁固段破坏-边坡失稳阶段,拉裂缝进一步扩展,危岩体自重增大,锁固段岩体内应力进一步集中,最终锁固段承受不住中上部岩土体的挤压作用后被剪断,与上部岩土体一起向临空面方向移动,导致崩塌的发生。(4)形成机制二维数值模拟分析结果可得:采用有限元数值模拟软件分析普洒村高陡斜坡的形成过程(即自然演化阶段),分析模拟结果,得到普洒村高边坡的演化机制并根据位移监测数据研究其卸荷深度,划分出卸荷带,为下文离散元模拟节理裂隙分布提供依据与参考,再采用离散元模拟采煤对边坡的影响,计算结果表明:(1)后缘裂缝形成前采煤影响:坡体内部原本平衡的天然应力状态受到破坏,斜坡最终因采空区的沉降而发生变形,坡体沉降会随着时间的推进逐步增加,使上覆岩层节理裂隙快速发育,加速了后缘拉裂缝的形成。(2)降雨作用影响:降雨使坡体自重应力增加,降入入渗后汇聚于岩体裂隙中,孔隙水压力增大,结构面参数降低,岩体的强度也相应降低,降雨作用主要体现在加载作用、降低岩体和结构面强度以及加速边坡变形破坏及演化过程等方面,对边坡节理裂隙发展、贯通起到了催化加速的作用,加速锁固段形成。(3)后缘裂缝形成后继续采煤影响:继续开采M14和M10煤层,采空区上覆岩体在降雨软化作用下加速变形然后塌陷,上覆岩体沉降加速节理裂隙发育贯通,坡顶及后缘来裂缝进一步拉开,坡体变形加速层间错动,在坡体自重应力下从临空方剪出,坡体发生破坏,崩塌发生。(5)后缘危岩体边坡在天然工况下基本稳定,在暴雨工况下处于欠稳定状态,相比于天然工况,暴雨工况下危岩体沉降量明显增大,沿坡面部位位移量有明显突变,坡体中下部剪出口有较为明显的挤压或鼓胀,剪出口附近出现剪应力增量集中带,且逐渐向上贯通,最终在坡体上部危岩体自重应力大于斜坡中部T1f~2岩层阻滑力时,坡体失稳。且随着煤层进一步的开挖,危岩体边坡的稳定性逐渐降低,到第四次开挖时采空区发生塌陷,坡体处于不稳定状态。
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