贵州凯里市龙场镇崩塌形成机制研究

摘要

2013年2月18日11时30分左右和19日凌晨8时左右，贵州省黔东南苗族侗族自治州凯里市龙场镇渔洞村岔河组老山新村，在同一位置先后发生两次崩塌灾害。此次灾害导致5人死亡，掩埋6栋房屋，转移安置21户79人。
　　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，通过对龙场崩塌工程地质条件调查和相关资料收集，结合室内的资料整理，首先分析龙场镇边坡结构特征和崩塌特征，建立出龙场崩塌形成的“概念模型”;然后通过数值模拟分析采煤诱发崩塌形成的机理。并探讨崩塌后缘深切溶蚀裂隙形成机理，主要认识和成果如下:
　　(1)龙场镇崩塌工程地质条件:龙场高陡斜坡陡壁高约215m，宽80米、厚8～24米，陡壁坡度为85～87°，崖面总体较平顺，受同向结构面主控。地层从上到下依次为栖霞组和茅口组石灰岩、梁山组泥页岩和尧梭组石灰岩，其中梁山组泥页岩中夹有一煤层。所以坡体整体上为缓倾坡内上硬下软型结构。坡体上部岩溶较发育，其中存在NNE向溶蚀裂隙，高约60m，底界高于河床80～85m;上部与落水洞相通，但与坡顶岩体仍有较强连接。在崩塌体上游侧有煤矿开采，煤矿主井出口距离崩塌体上游90m陡崖坡脚处，采煤活动是向山体内部开凿近900m巷道，然后回采，目前采空区距离陡崖出口水平距离500m，采空面积18500m2。采空区底板高程为570～590m，距坡顶高差220～280m。
　　(2)崩塌破坏特征:崩塌堆积体约30万m3并在陡崖底部形成平均厚度20m、沿河纵向长180m、横向宽140m的堰塞坝，阻断鱼洞河河道，在堆积体上游形成沿河长约200米的堰塞湖。崩塌后壁根据特征不同，可以分为上中下三个部分:崩塌壁上部高约为40m左右，在崩塌发生前，在陡崖面附近，崩塌岩体与崩塌后壁有较强的岩桥连接存在;中部高约为50m左右，崩塌壁面大部分沿溶蚀性裂隙发育，极少部分崩塌岩体与崩塌后壁也有岩桥连接;下部高约为100m左右，以新鲜的岩石断面为主，表明在崩塌底部，崩塌岩体与崩塌壁面大部分连接。
　　(3)建立龙场镇崩塌形成机制“概念模型”:龙场崩塌是在特殊坡体结构条件下，由采煤诱发形成的。龙场高陡斜坡为缓倾坡内上硬下软型斜坡，在龙场崩塌处，中上部陡崖面附近形成NNE向溶蚀裂隙，其上下两端均与坡体相连。坡体中采煤，导致采空区上部岩体下沉变形，并牵引周边岩体，导致坡顶岩桥弱化。当采煤导致上部岩桥破坏时，坡体进入累进性破坏阶段进而失稳。二次崩塌位于一次崩塌壁左侧，一次崩塌发生相当于“开挖”坡脚，并伴有碰撞、震动等作用，导致二次崩塌岩体进入累进性破坏阶段。经过21小时的变形破坏发展，二次崩塌发生。
　　(4)研究龙场镇灰岩溶蚀规律，通过对有无外部荷载的灰岩试样（即应力集中高的试样和应力集中低的试样）展开溶蚀试验，将其试验结果进行对比。试验结果表明高应力集中区域的溶蚀速率明显大于低应力区域的溶蚀速率。总结现象，推断随着应力的增加，灰岩的溶蚀速率也会提高。
　　(5)进行二维数值模拟，以“概念模型”为基础建立数值模型。将模型介质分为8类。采空区左侧距离左边界约180m，采空区水平长度约193m，按照80％采空率设置总共32步煤矿开采。进一步分析表明:
　　①在持续进行煤层开挖条件下，在进行到第15步时，坡体内应力和变形发生明显变化，这表明坡体在煤层开挖影响下发生局部破坏。在完成岩桥局部断裂后，坡体内塑性区分布趋向合理。
　　②岩桥局部断裂后，继续持续进行煤层开挖，则在第29步完成后，坡体的应力和变形又发生较明显改变，溶蚀裂隙下端附近出现塑性区，这说明坡体会发生局部破坏，岩桥进一步断裂。进一步表明，岩桥进一步扩展，对坡体内塑性区改善不明显，随岩桥连接作用降低，塑性区会扩大。这表明坡体进入到累进性破坏阶段。
　　③完成采空区开挖和岩桥断开后，坡体内变形特征显示块体滑移变形特征，剪出口位置高于河床约55m。剪切带倾角约50°。塑性区集中分布在溶蚀裂隙下端附近，其中岩体将发生脆性破坏。

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 应力腐蚀理论研究现状

1．2．2 上硬下软近水平型边坡失稳案例和其主要影响因素

1．2．3 岩质边坡崩塌破坏的稳定性分析方法

1．3 研究思路、内容、技术路线

1．3．1 研究思路及内容

1．3．2 技术路线

第2章 研究区环境地质条件

2．1 自然地理

2．1．1 地理位置

2．1．2 气象特征

2．1．3 水文特征

2．2 研究区区域地质特征

2．2．1 区域地形地貌

2．2．2 区域地质构造

2．2．3 新构造运动及地震

2．3 崩塌区工程地质条件

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 岩体风化卸荷特征

2．3．6 人类工程活动

第3章 龙场镇崩塌的主要特征及形成机制研究

3．1 边坡结构特征

3．2 崩塌特征

3．2．1 崩塌堆积体特征

3．2．2 崩塌壁特征

3．2．3 崩塌失稳过程

3．3 龙场镇崩塌成因机制定性分析

3．4 小结

第4章 凯里市龙场镇灰岩溶蚀规律研究

4．1 研究目的和意义

4．2 试验方案

4．2．1 试验思路

4．2．2 岩石矿物成分确定

4．2．3 试样溶液pH值设定

4．2．4 试样样品形态及荷载设计

4．2．5 试验仪器

4．4 试验方法及过程

4．5 试验结果整理

4．5．1 溶蚀试验前后试样形态观察

4．5．2 应力对溶蚀速率影响分析

4．5．3 试验存在的问题及改进

4．6 小结

第5章 龙场镇崩塌形成机理数值模拟研究

5．1 计算模型建立

5．1．1 模型范围

5．1．2 模型介质和参数选取

5．1．3 计算工况拟定

5．1．4 边界条件

5．1．5 模型离散化

5．2 初始应力场模拟

5．2．1 最大主应力特征

5．2．2 最小主应力特征

5．2．3 最大剪应力

5．2．4 塑性区分布特征

5．3 采煤诱发龙场镇崩塌形成机理分析

5．3．1 崩塌岩体上部岩桥局部破裂分析

5．3．2 崩塌岩体上部岩桥断裂及崩塌发生机理分析

5．3．3 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果