强烈岩溶控制型高速滑坡形成机理研究——以武隆鸡尾山滑坡为例

摘要

2009年6月5日下午15时许，重庆市武隆县铁矿乡鸡尾山发生了大规模的崩滑，滑坡形成的堆积物掩埋了12户民房和正在开采铁矿的矿井入口，造成74人死亡，8人受伤，成为近年来少有的一次崩滑灾难性事件。
　　本文以地质过程机制分析—量化评价学术思想和系统工程地质学原理为指导，通过对鸡尾山滑坡工程地质条件调查和相关资料收集，结合室内的资料整理，首先分析滑坡结构特征、岩溶特征、变形破坏特征，建立鸡尾山滑坡“地质原型”;运用试验方法对滑坡区岩体物理力学性质及强烈岩溶边界发育规律进行研究，然后结合试验运用三维数值模拟对滑坡形成机理进行定量分析。主要认识和成果如下:
　　(1)通过分析鸡尾山滑坡资料和补充勘查得知，鸡尾山斜坡是软弱基座型小角度斜向倾内高陡坡。斜坡上部茅口组灰岩岩溶发育，滑带为栖霞组上段和中段过渡带的碳质软弱夹层，山体下部梁山组地层中含有铁矿层。斜坡岩体中发育两组相互垂直的陡倾结构面，这两组结构面分别控制滑坡后缘边界裂缝和左侧边界岩溶裂缝的空间展布特征。滑源区前部内侧强烈岩溶带内竖向溶槽、溶蚀裂隙和落水洞强烈发育，岩溶带内岩溶率达到60％～70％。
　　(2)表生改造作用使得滑体沿着滑面滑移变形，形成后缘拉裂缝和左侧岩溶裂缝。前部内侧强烈岩溶带边界锁固段岩体失稳破坏后，前缘滑体沿强烈岩溶带边界高速剪切滑出。后部主滑体失去前缘岩体阻挡，主滑体沿N25° E方向滑出滑床，沿途将滑源区前侧都崖壁突出岩体铲刮带走形成铲刮区。通过对堆积区变形破坏现象分析及滑体运动数据测量，计算得到主滑体滑出剪出口时的运动速度约为27.02m/s。
　　(3)基于滑坡基本特征分析可知，不利的岩体结构组合为鸡尾山滑坡形成的不良地质基础;前部内侧强烈岩溶带为滑坡高速滑出的控制性因素;山体下部大范围的矿层开采是滑坡形成的诱发因素。滑坡形成及演化分为三个阶段:表生改造阶段:河谷侵蚀下切和地表水长期入渗作用下，坡体沿两组原生结构面形成卸荷拉裂溶蚀裂隙带，前部内侧沿有利汇水地形内岩体发育形成岩溶带，导致滑体沿下部软弱夹层滑移-拉裂变形;锁固段形成阶段:山体下部采空区逐步扩大，导致主滑体下滑变形加剧，促进前部内侧强烈岩溶带发育形成，滑体前部内侧强烈岩溶型边界处锁固段逐步形成，在长期变形过程中锁固段岩体积累了大量应变能;锁固段剪切破坏-滑坡高速启动阶段:锁固段岩体承受的滑移剪切力超出岩体抗剪切能力时，岩体失稳破坏，岩体中积累的高应变能瞬间释放，导致滑体沿着前部内侧强烈岩溶边界高速滑出形成滑坡。
　　(4)根据研究需要，研制应力-溶蚀试验仪器，从定性和定量两个方面开展应力-溶蚀耦合试验，研究应力对碳酸盐岩溶蚀作用的影响。试验结果如下:鸡尾山滑坡滑源区上部茅口组灰岩和下部栖霞组灰岩溶蚀发育程度差异较大，在相同条件下，茅口组灰岩溶蚀速率是栖霞组灰岩溶蚀速率的3倍。应力通过增大反应体系中固体表面反应物活化能和固液接触面积促进灰岩溶蚀作用。试验后试样溶蚀指标均较随着应力的增大而增强（或增大）;岩石溶蚀速率随着试样所受应力的增加而增快，当试样两端施加应力超过7MPa时溶蚀速率随应力变化的增量增大。溶蚀作用产生的二氧化碳气泡通过增加固液接触面积和增强高应力区应力集中程度促进碳酸盐岩溶蚀作用。
　　(5)三维数值模拟分析结果可得出:
　　①.初始应力场状态下，斜坡岩溶作用不发育及山体下部采矿活动未发生时，斜坡岩体未发生变形破坏，坡体处于稳定状态;岩溶带发育演化，改变了坡体上部岩体应力状态，坡体上部岩体滑源区边界位置出现卸荷带，形成后缘和左侧岩溶边界，将滑体和稳定山体隔离。岩溶带形成后，滑体沿软弱层向下滑移，表现出后部滑体推动特征。塑性区主要分布在滑体前部内侧强烈岩溶带附近，范围较小，斜坡仍处于稳定状态。
　　②.岩溶型边界形成后，坡体下部矿层开采，使得坡体上部岩体应力状态进一步改变，从而加快上部坡体变形破坏进程。坡体上部岩体变形破坏与下部采空区具有时空上的一致性，采空区上部岩体的变形破坏程度最大;滑源区岩体位移矢量方向随着下部矿层开采逐渐向临空方向偏转，尤其是滑体前缘岩体，当开采至前缘滑体下部时，岩体位移矢量方向为N35°E，后部主滑体滑移方向为N25°E。随着下部采空进行坡体上部滑源区岩体塑性变形区范围逐渐增大，坡体下部采空区形成后，强烈岩溶带塑性区贯通，前缘锁固段岩体发生剪切失稳破坏。
　　(6)结合应力-溶蚀试验和三维数值模拟结果分析可知，在坡体变形演化过程中，滑体沿着软弱带向下滑移变形挤压前部内侧岩溶带岩体，使得岩溶带内形成局部高应力区，增强溶蚀作用。坡体下部采空，使得滑体沿着软弱层向下滑移变形加剧，使得岩溶带岩体应力集中程度增高，从而进一步增强岩体溶蚀作用，形成岩溶率达到60％～70％的强烈岩溶带，使得岩体力学性质降低，加速了坡体变形破坏进程，最终导致滑坡失稳。山体下部采矿作用加速坡体变形破坏进行，从而导致滑坡形成;滑体岩溶边界及前部内侧强烈岩溶带对滑体运动方向起到了控制性作用。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 鸡尾山滑坡形成机理研究现状

1．2．2 岩溶控制型斜坡灾害研究现状

1．2．3 碳酸盐岩溶蚀理论研究现状

1．2．4 地下开采对斜坡稳定影响研究现状

1．2．5 滑坡形成机制量化研究方法概述

1．3 研究内容、研究思路和技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究思路及技术路线

第2章 研究区工程地质环境条件

2．1 自然地理

2．2 区域地质特征

2．2．1 区域地貌

2．2．2 区域地层岩性

2．2．3 区域地质构造

2．2．4 新构造运动及地震

2．3 研究区工程地质条件

2．3．1 地形地貌

2．3．2 地层岩性

2．3．3 地质构造

2．3．4 水文地质条件

2．3．5 风化卸荷

2．4 人类工程活动

第3章 鸡尾山滑坡基本特征及形成机制定性分析

3．1 滑坡形态与规模

3．2 滑坡结构特征

3．2．1 滑前斜坡结构特征

3．2．2 滑源区特征

3．2．3 堆积区特征

3．3 滑前坡体变形特征

3．4 鸡尾山滑坡形成机制定性分析

3．4．1 鸡尾山滑坡形成影响因素

3．5．2 鸡尾山滑坡演化过程定性分析

第4章 研究区岩体物理力学性质研究

4．1 岩石物理性质研究

4．2 岩体力学及变形特性研究

4．2．1 岩石直剪试验

4．2．2 单轴压缩同步声发射试验

4．2．3 常规三轴力学试验

4．3 鸡尾山滑坡岩体质量评价

第5章 岩溶型边界形成机理试验研究

5．1 试验目的及意义

5．2 试验仪器研制

5．3 试验方案

5．3．1 试验思路

5．3．2 试样溶液pH值设定及配置

5．3．3 试验荷载及试样形态尺寸设计

5．4 试验过程及成果分析

5．4．1 定性组

5．4．2 定量组

5．4．3 应力溶蚀效应分析

5．5 小结

第6章 鸡尾山滑坡形成机理数值模拟研究

6．1 三维模型建立

6．1．1 模型范围及监测点设置

6．1．2 模型介质和参数选取

6．1．3 计算方案

6．1．4 模型边界条件及网格划分

6．2 初始应力场分析

6．3 岩溶发育过程对坡体变形破坏的影响

6．3．1 应力场分布特征

6．3．2 坡体变形特征

6．3．3 塑性区分布特征

6．4 底部采矿对坡体变形破坏影响

6．4．1 岩溶边界发育后底部采矿对坡体影响

6．4．2 有无岩溶边界发育底部采矿对坡体影响对比分析

6．5 鸡尾山滑坡形成机理综合分析

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果