莊明水

(福建省廈門地質(zhì)工程勘察院，廈門 361008)

1 研究背景

花崗巖球狀風(fēng)化體是花崗巖風(fēng)化殘留的產(chǎn)物，廣泛分布于我國東南沿海地區(qū)。

有關(guān)花崗巖球狀風(fēng)化體的成因，國內(nèi)外許多學(xué)者都開展了大量的研究和探討。施有志[1]等認(rèn)為出露地表的花崗巖在長期風(fēng)化作用下其棱角逐漸減小，最終形成表面較為光滑的球狀孤石，即花崗巖球狀風(fēng)化體；Ruxton和Berry[2]以香港地區(qū)花崗巖為研究對象，從氣候條件和歷史地貌等方面對其風(fēng)化和剝蝕過程進(jìn)行了分析和探討；Brock[3]從礦物成分角度對花崗巖風(fēng)化過程進(jìn)行探究，認(rèn)為其風(fēng)化過程本質(zhì)上與巖石內(nèi)部礦物成分的浸出相關(guān)；Boyne[4]認(rèn)為球狀風(fēng)化體的產(chǎn)生是化學(xué)和物理綜合作用的結(jié)果，物理和化學(xué)過程的耦合將對風(fēng)化鋒面的推進(jìn)速度有重大影響；Sarracino[5]認(rèn)為球狀風(fēng)化構(gòu)造是不同化學(xué)淋濾和沉積作用形成的，并通過建立裂隙網(wǎng)絡(luò)模型的邊界條件驗(yàn)證橢球狀風(fēng)化體最終都將在風(fēng)化作用下形成球體；Lan[6]對我國華南地區(qū)花崗巖風(fēng)化特性進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)研究，認(rèn)為其風(fēng)化程度與化學(xué)物質(zhì)和礦物成分相關(guān)；張兵[7]從板塊運(yùn)動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造、水文以及巖體礦物成份等方面綜合分析了廈門島內(nèi)孤石形成過程，認(rèn)為花崗巖球狀風(fēng)化體的形成是各因素綜合作用的結(jié)果。

在針對花崗巖球狀風(fēng)化體的勘查技術(shù)分析方面；王浩[8]通過分析我國閩東南花崗巖球狀風(fēng)化帶發(fā)育特征進(jìn)行分析，認(rèn)為其形成原因與氣候、構(gòu)造斷裂帶分布以及礦物成分等因素有關(guān)；在球狀風(fēng)化體勘察與探測方面；鐘宇[9]將自主研制的電火花震源探測系統(tǒng)與跨孔聲波CT技術(shù)相結(jié)合，并驗(yàn)證了其在花崗巖球狀風(fēng)化體探測工作中的可靠性；劉宏岳[10]首次將工程物探法應(yīng)用到海域孤石探查工作中，采取地震反射波CDP多次疊加技術(shù)對海底地層中花崗巖孤石的發(fā)育特征進(jìn)行了勘察；馮濤[11]對武廣客運(yùn)專線花崗巖球狀風(fēng)化體普遍發(fā)育區(qū)段采取地表調(diào)繪和鉆探手段分析其分布規(guī)律特征，提出了適用于花崗巖球狀風(fēng)化體的綜合勘查技術(shù)；在針對危巖體防治措施方面，冉濤、蔣文明、曹權(quán)以及周平[12～15]等分別對三峽庫區(qū)、深圳地區(qū)和某油庫邊坡危巖帶成因機(jī)制及失穩(wěn)模式進(jìn)行多方面分析，并針對不同類型危巖體提出了綜合防治措施。

通過前人研究成果可知，花崗巖球狀風(fēng)化體具有明顯的地域特征，有關(guān)廈門島內(nèi)孤石成因及分布特征等方面的研究還相對較少。廈門島內(nèi)云頂巖南側(cè)一帶分布有較多的花崗巖球狀風(fēng)化體(孤石)，孤(滾)石群(堆)以2～3個(gè)或十幾個(gè)互相堆疊方式成群分布于山體斜坡上；山體斜坡較陡，部分地段危巖群裸露，一旦發(fā)生危巖失穩(wěn)形成崩塌，將直接威脅山底建筑以及人員的安全，危害嚴(yán)重。因此，本文以廈門島云頂巖南側(cè)某山體為研究區(qū)，運(yùn)用三維激光掃描與無人機(jī)傾斜攝影相結(jié)合方法對該區(qū)域孤(滾)石發(fā)育規(guī)律及失穩(wěn)模式進(jìn)行調(diào)查和分析，并提出針對性防治措施建議。

2 孤(滾)石分布規(guī)律

2.1 總體分布特征

研究區(qū)山體總體海拔不高，區(qū)內(nèi)的最大相對高差約100 m，但斜坡部分區(qū)域坡度較陡，大量危巖體發(fā)育于十分陡峭的坡面之上。復(fù)雜地況條件下，傳統(tǒng)地質(zhì)調(diào)查手段難以獲取精確的孤(滾)石位置、規(guī)模以及邊界條件等信息，因此，此次研究采用三維激光掃描與無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合的手段對研究區(qū)孤(滾)石分布狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)測量，結(jié)合現(xiàn)場勘測手段，對研究區(qū)孤(滾)石發(fā)育規(guī)律進(jìn)行信息采集和分析。

現(xiàn)場調(diào)查表明，研究區(qū)發(fā)育危巖點(diǎn)或危巖帶共計(jì)97處，其中Ⅰ區(qū)10處，Ⅱ區(qū)38處，Ⅲ區(qū)19處，Ⅳ區(qū)30處，孤石詳細(xì)分布如圖1。

圖1 研究區(qū)孤(滾)石分布圖

研究區(qū)山體地貌單元屬低山高丘陵，整體呈西高東低，地勢起伏較大，山體最大高差112 m，坡度一般為15°～35°，部分較陡(45°～60°)，植被發(fā)育較好，大部分為相思樹等喬木及低矮灌木，局部坡體為裸露的巖壁。巖壁多發(fā)育滑移式、孤立式、傾倒式、墜落式危巖體，規(guī)模主要為大、中型。

2.2 坡度分布特征

研究區(qū)孤(滾)石發(fā)育位置坡度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。調(diào)查區(qū)共發(fā)育97處危巖點(diǎn)，分別處于不同坡度山體。其中，坡度為15°～25°的山體僅發(fā)育12塊孤石，含量最少，占總孤石數(shù)的12.37%；40塊孤石發(fā)育在坡度為25°～35°的坡體上，占總數(shù)的41.24%；坡度為35°～45°的山體上發(fā)育有21塊孤石，為總量的21.65%；剩余24塊孤石發(fā)育在45°～60°坡體上，占總數(shù)百分比為24.74%。孤石發(fā)育位置坡度與孤石個(gè)數(shù)相關(guān)關(guān)系柱狀圖如圖2。由圖2可知，孤石數(shù)量隨著發(fā)育位置坡度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，因此，可以認(rèn)為孤石發(fā)育位置坡度和個(gè)數(shù)存在一定的區(qū)間效應(yīng)，25°～35°為孤石發(fā)育最優(yōu)坡度。

表1 孤(滾)石分布坡度情況統(tǒng)計(jì)表

圖2 孤石分布位置坡度與個(gè)數(shù)相關(guān)關(guān)系柱狀圖

2.3 規(guī)模特征

通過對研究區(qū)孤(滾)石體積規(guī)模進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域孤(滾)石體積差異較大，最大可達(dá)152.4 m3，最小僅0.6 m3。孤(滾)石規(guī)模統(tǒng)計(jì)表見表2。由表2可知，研究區(qū)孤(滾)石體積多在10 m3以下，占總量的46.39%；體積在30 m3以下的孤石占總量的74.23%；體積大于100 m3孤石僅發(fā)育3塊，占總量百分?jǐn)?shù)為3.09%。孤石體積與個(gè)數(shù)相關(guān)關(guān)系圖如圖3所示。由圖3可知，孤石數(shù)量隨孤石體積的增大而減小，即孤石體積和個(gè)數(shù)存在負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

表2 孤(滾)石規(guī)模統(tǒng)計(jì)表

圖3 孤石規(guī)模與個(gè)數(shù)相關(guān)關(guān)系折線圖

3 孤(滾)石失穩(wěn)破壞模式

按照危巖體失穩(wěn)模式可將研究區(qū)孤石劃分為4種類型，即滑移式、滾動(dòng)式、傾倒式和墜落式(圖4)。

圖4 不同失穩(wěn)模式孤(滾)石

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合危巖體變形特征，對調(diào)查區(qū)孤石失穩(wěn)模式進(jìn)行如下分析：

3.1 滾動(dòng)式

調(diào)查區(qū)滾動(dòng)式孤(滾)石主要分布于緩坡覆蓋層之上，或集中堆積于陡坡坡腳，部分孤石懸掛于坡體之上底部形成凹腔。此類巖石在海蝕、地震、暴雨和漸進(jìn)性風(fēng)化作用下與母巖分離，靠與坡表的摩擦力、鑲嵌力或植物攔擋力維持自身穩(wěn)定。其失穩(wěn)模式一般為：在水對基座軟化或溶蝕使其與坡面摩擦力、嵌合力降低、攔擋的植被折斷、自身漸進(jìn)性風(fēng)化等作用下，重心逐漸偏移失去支撐而失穩(wěn)；當(dāng)危巖體嵌入坡表覆蓋層或者懸掛于坡緣時(shí)，以滾落形式失穩(wěn)；當(dāng)停留在覆蓋層表面未嵌入覆蓋層，常以滑落形式失穩(wěn)(圖5)。

圖5 滾動(dòng)式危巖體剖面圖

3.2 滑移式

滑移式危巖體一般以空間滑移方式失穩(wěn)。調(diào)查區(qū)部分滑移式孤(滾)石后緣具有傾坡外的陡傾結(jié)構(gòu)面，或以兩組或多組結(jié)構(gòu)面與坡面組合形成向臨空方向產(chǎn)生變形的危巖體，在海蝕、地震、暴雨、漸進(jìn)性風(fēng)化等作用下，結(jié)構(gòu)面裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張，巖體松弛，巖石質(zhì)量降低，斜交結(jié)構(gòu)面或傾坡外且傾角小于坡度的結(jié)構(gòu)面與一組側(cè)切割面貫通形成滑面，巖體沿兩組結(jié)構(gòu)面交線向臨空面發(fā)生滑移破壞(圖6)。

圖6 滑移式危巖體剖面圖

3.3 傾倒式

研究區(qū)內(nèi)分布有后緣存在陡傾或反傾結(jié)構(gòu)面的板狀巖體，巖層一般較薄，底部不存在凹腔或凹腔很淺。危巖體在強(qiáng)烈卸荷作用下，后緣陡傾結(jié)構(gòu)面張開，在自重、水壓力和震動(dòng)等作用下，巖體向臨空方向發(fā)生強(qiáng)烈傾倒變形，直至完全脫離母巖，造成崩塌災(zāi)害(圖7)。

圖7 傾倒式危巖體剖面圖

3.4 墜落式

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)部分孤石底部懸空且后緣存在陡傾結(jié)構(gòu)面，或孤石上部與母巖未完全脫離且下部有部分支撐點(diǎn)，將此類巖石劃分為墜落式孤(滾)石。墜落式孤石在巖體自重及漸進(jìn)性風(fēng)化作用下，后緣結(jié)構(gòu)面逐漸擴(kuò)大，拉應(yīng)力逐漸集中于未產(chǎn)生節(jié)理裂隙的部位，或在雨水及地下水沖刷作用下，底部支撐逐漸脫離，一旦未產(chǎn)生節(jié)理裂隙的部位拉應(yīng)力大于巖石自身抗拉強(qiáng)度時(shí)，拉裂縫迅速向下發(fā)展，巖橋被間斷與母巖徹底分離，從而發(fā)生墜落(圖8)。

圖8 墜落式危巖體剖面圖

4 孤(滾)石穩(wěn)定性評價(jià)

孤(滾)石穩(wěn)定性計(jì)算方法根據(jù)失穩(wěn)模式的不同主要分為滑移式、傾倒式和墜落式3種，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件，采用極限平衡分析法和靜力解析法對調(diào)查區(qū)孤(滾)石進(jìn)行天然、暴雨、地震工況下的穩(wěn)定性計(jì)算，針對不同失穩(wěn)方式采用不同穩(wěn)定性系數(shù)來確定其穩(wěn)定狀態(tài)，孤石穩(wěn)定狀態(tài)判斷標(biāo)準(zhǔn)見表3，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示。

表3 危巖穩(wěn)定狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖9 不同工況下孤(滾)石穩(wěn)定狀態(tài)統(tǒng)計(jì)圖

由圖9可見，研究區(qū)孤(滾)石在3種不同工況下均大多處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，天然狀態(tài)下區(qū)內(nèi)沒有不穩(wěn)定孤石，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)孤(滾)石僅分布有8處，基本穩(wěn)定狀態(tài)孤(滾)石分布有78處，穩(wěn)定狀態(tài)孤(滾)石共發(fā)育11處；暴雨工況下，研究區(qū)共分布14處不穩(wěn)定狀態(tài)孤(滾)石，欠穩(wěn)定狀態(tài)孤(滾)石增加至14處，基本穩(wěn)定狀態(tài)孤石為65處，處于穩(wěn)定狀態(tài)孤(滾)石降為4處;地震工況下，區(qū)內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)的孤(滾)石數(shù)量保持不變，欠穩(wěn)定狀態(tài)孤(滾)石數(shù)相比暴雨工況減少了4處，但不穩(wěn)定狀態(tài)孤(滾)石含量驟增，達(dá)42處，數(shù)量已超過基本穩(wěn)定狀態(tài)下的孤石數(shù)。

從圖9數(shù)據(jù)可看出，地震工況下不穩(wěn)定和欠穩(wěn)定狀態(tài)下的孤(滾)石數(shù)共53處，暴雨工況下則僅28處，由此可以說明，相比暴雨工況，地震對研究區(qū)孤(滾)石穩(wěn)定性影響程度更大。

5 防治措施建議

在綜合考慮危巖體發(fā)育程度、穩(wěn)定性以及危害等級等因素，采取綜合措施對孤(滾)石進(jìn)行針對性防護(hù)。

對于所處斜坡坡面平緩、喬木等植被發(fā)育的危巖帶，針對少數(shù)堆疊或懸空分布于覆蓋層之上的體積較小的危巖體，可以進(jìn)行人工清除；對于存在明顯凹腔和懸空情況的孤(滾)石，可以對架空部位進(jìn)行混凝土漿砌片石內(nèi)嵌支撐或在巖體與坡體接觸部分進(jìn)行灌漿加固處理；對于體積較大、穩(wěn)定性較低的大塊孤石，可以采用錨桿進(jìn)行單體加固或局部進(jìn)行主動(dòng)網(wǎng)防護(hù)。少數(shù)孤(滾)石部分嵌入覆蓋層，穩(wěn)定性系數(shù)較高，可以暫不予處理，但需定期觀測孤石穩(wěn)定性變化情況。

6 結(jié)論

運(yùn)用無人機(jī)傾斜攝影和三維激光掃描技術(shù)并結(jié)合現(xiàn)場勘察手段，對廈門島內(nèi)云頂巖南側(cè)一帶孤(滾)石分布規(guī)律及失穩(wěn)模式進(jìn)行研究，對其穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)后提出了相應(yīng)的防治措施。主要得到如下結(jié)論：

(1) 調(diào)查區(qū)共確定出97處孤(滾)石(帶)，Ⅰ區(qū)10處，Ⅱ區(qū)38處，Ⅲ區(qū)19處，Ⅳ區(qū)30處。

(2) 調(diào)查區(qū)孤(滾)石失穩(wěn)模式共分為4種，即滾動(dòng)式、滑移式、傾倒式和墜落式。

(3) 根據(jù)不同失穩(wěn)模式采用不同計(jì)算方法對研究區(qū)孤(滾)石穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)在天然和暴雨工況下，研究區(qū)大部分孤(滾)石處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在地震工況下有一半以上孤(滾)石穩(wěn)定性較差(即處于欠穩(wěn)定或不穩(wěn)定狀態(tài))。

(4) 結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，對調(diào)查區(qū)內(nèi)孤(滾)石提出了人工清除、砌片石內(nèi)嵌支撐、灌漿加固處理和主動(dòng)網(wǎng)防護(hù)等針對性防治措施建議。