湘西铁路沿线红层边坡工程地质研究

湘西铁路沿线红层边坡工程地质研究 第1&卷第2期 2007年6月 中国地质灾害与防治 TheChineseJournalofGeologicalHazardandControl V01.18No.2 Jun.2007 湘西铁路沿线红层边坡工程地质研究 刘成禹,何赤忠,何满潮. (1.福卅l大学环境与资源学院,福建福州350002;2.广州铁路集团公司工务处,广东广州510088; 3.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083) 摘要:地处湘西山区的湘黔,焦柳铁路沿线分布众多的红层边坡.因其工程地质条件的特殊性,边坡灾害时有发生,严 重影响了列车的安全运行.文章首先对这一地区红层的工程地质特性进行研究,在此基础上,对边坡破坏形式,规律, 机理等进行深入探讨.研究表明:分布在湘西铁路沿线的红层具有岩性多变,软硬互层,浸水崩解,遇水软化,结构面 众多及泥化软弱夹层发育等工程特性;红层边坡变形破坏的主要形式有风化剥落,坡面变形,崩塌落石和顺层滑坡 等.文章通过湘西湘黔,焦柳铁路沿线12处较大红层路堑滑坡的调查及综合 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,得出这一地区红层路堑滑坡形成 的基本规律并根据滑坡体物质及滑动面特征对其进行了分类.分析了该地区红层滑坡的形成机理并提出红层边坡 地质灾害的防治 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 . 关键词:红层;工程地质特性;边坡;规律;机理;防治措施;湘西铁路 文章编号:1003—8035(2007)02—0058—05中图分类号:U216.41;P642.2文献标识码:A 1日lJ吾 在湖南省境内.广泛分布着泥岩,砂质泥岩,泥质 砂岩,砂岩.这些岩石因富含铁的氧化物而呈红色, 深红色或褐色.地质学上称为红层q.地处湘西 山区的湘黔,焦柳铁路沿线分布着大量的白垩系红 层.据统计,两条正线通过红层的地段就有184km. 由于红层工程地质条件的特殊性,沿线边坡破坏时有 发生,严重影响着列车的安全运行.自1980年以来, 该段仅因红层路堑滑坡,中断正线行车达12次,累计 中断行车时间达278小时36分.其中列车颠覆3 次,拦停区间运行2次,封锁区间7次,给铁路运输造 成了巨大的经济损失.因此,对沿线红层工程地质特 性及边坡破坏事件进行调查研究,在此基础上对破坏 类型,破坏规律及机理等进行系统研究并提出适宜的 防治措施具有重要的意义. 2湘西红层工程地质特性 湘西湘黔,焦柳铁路沿线红层普遍具有岩性多 变,软硬互层,浸水崩解,遇水软化,结构面众多及软 弱夹层发育等工程地质特性. 2.1岩性多变软硬互层 因物质来源及沉积环境不同,岩石的物质组成, 颗粒大小,胶结物质,胶结类型等均存在明显差异. 岩性及岩相的差异导致了边坡各岩层力学性质的较 大差异,呈现明显的软硬互层现象. 2.1.1结构 红层存在两种典型的结构,即碎屑结构与泥质结 构.湘西境内湘黔,焦柳铁路沿线具有碎屑结构的红 层主要有泥质砂岩,泥质粉砂岩,泥质细砂岩,砂岩; 泥质结构主要有泥岩,页岩,砂质泥岩.按照岩石学 分类可相应地将它们分为碎屑岩和粘土岩.碎屑岩 具有粒状碎屑结构,岩石碎屑含量高达65%,85%, 其颗粒之间以孔隙式胶结为主,这类岩石强度较高, 抗风化能力较强;粘土岩呈泥状或含粉砂泥状结构, 以基底式胶结及泥质接触式胶结为主,岩石碎屑含量 一 般为5%,10%,这类岩石强度低,抗风化能力弱, 含砂泥状结构的红砂岩较之典型泥状结构的红砂岩 强度略高,抗风化能力略强. 2.1.2成分 在研究区取代表性岩样做x射线衍射及化学分 析试验,得出研究区碎屑岩及粘土岩的矿物成分,化 学成分(表1,表2). 由表1,表2的测试结果可看出:研究区红层均 含粘土矿物,但粘土岩所含粘土矿物远高于碎屑岩; 收稿日期:2006—07—13;修回日期:2006—07.20 基金项目:福州大学人才基金资助项目(824951) 作者简介:刘成禹(1970,),男,博士,主要从事工程地质及岩 土工程的教学和科研工作. 第2期刘成禹,等:湘西铁路沿线红层边坡工程地质研究59 研究区红层的化学成分主要有4种,其中粘土岩中 CaO及Fe:O,的含量明显高于碎屑岩.在这4种化 学成分中CaO的化学性质最不稳定,在水的作用下 易产生溶蚀[4,5].可见粘土岩较碎屑岩更易发生化 学风化. 表1岩样矿物成分及含量 Table1Mineralcomponentofredrockspecimens 表2岩样化学成分及含量 Table2Chemicalcompositionofredrockspecimens 2.1.3物理力学性质 由表3可看出:由于红层结构,成分,胶结物质不 同,其物理力学性质出现较大差异.粘土岩的强度明 显低于碎屑岩;吸水率,自由膨胀率明显高于碎屑岩. 试验还发现:对同类岩石而言,粘土含量越高其 强度越低,吸水率,自由膨胀率越高,越易软化;红层 的粘聚力随含水率的增大而剧减,粘土岩饱和状态下 的粘聚力仅为干燥时的0.3,0.5倍.这说明,红层 吸水后,随其中钙质及其它可溶性胶结物溶失或软 化,粘聚力急剧降低.红层的抗剪强度在很大程度上 取决于胶结物质吸水后被溶失或软化的程度. 上述分析表明:由于红层形成过程中物质来源及 沉积环境的不同,红层边坡中邻近岩层的物质组成, 颗粒大小,胶结物质,胶结类型,层厚等均存在差异. 这些差异最终导致了红层边坡中邻近岩层在力学性 质及抗风化能力等方面存在明显差异.红层边坡出 现了其特有的软硬互层,不等厚互层现象. 2.2浸水崩解遇水软化 红层大都富含粘土矿物,特别是泥岩,泥质胶结粉 砂岩及泥质砂岩中,粘土矿物含量高达50%,且以蒙脱 石为主,其含量30%.由于蒙脱石亲水性很强,加之颗 粒间胶结较弱,样品浸水2,5h后即开始崩解,最后成 泥状.红层遇水后,随着胶结物的溶失及软化,其强度 明显降低,岩样软化系数最小达0.1(表3). 表3岩样物理力学性质指标 Table3Thephysicalandmechanicalparametersofredrockspecimens 2.3结构面众多 红层属沉积岩,具明显的沉积韵律,由粗变细,较 有规律.由于受沉积环境的影响,相变.频繁,层理较 多,层理面光滑平整并往往富集云母,粘土等遇水软 化的矿物.岩层中的沉积间断,胶结不良,风化作用, 构造作用及边坡开挖卸荷均可使红层产生众多的结 构面.这些结构面破坏了岩体的完整性,使其强度降 低,透水性增强. 2.4泥化软弱夹层 研究区的红层属白垩系岩层.其形成后均经历 过喜马拉雅构造运动],水平岩层在弯曲与倾斜过程 中,都发生过层间错动,层间软弱夹层在剪切力的作 用下结构遭到破坏,裂隙增多,成为剪切破碎带.在 风化及水的长期作用下,层间剪切带逐渐泥化,抗剪 强度大幅降低,成为红层中最软弱,延伸最长的最大 可能滑动面.红层边坡的破坏大多沿此泥化软弱夹 层发生. 3红层边坡变形破坏型式 通过对湘西境内湘黔,焦柳铁路沿线红层边坡的 调查,红层边坡变形破坏的型式主要有风化剥落,边 坡变形,崩塌落石和顺层滑坡4种. 3.1风化剥落 风化剥落是贯穿红层边坡始终的边坡变形型式. 从路堑形成开始,边坡便发生风化.风化速度随岩石 中矿物成分及含量,胶结物等的不同而有明显差异. 一 般泥质砂岩裸露后30,50d即出现大量风化剥落; la后风化成粘土;钙质胶结的砂岩风化速度则很慢. 风化剥落一年四季都在红层中发生.风化岩块 及碎屑不断落入路堑两侧的侧沟中.在雨季特别是 60 中国地质灾害与防治 ZH0NGGU0DIZHIZAIHAIYUFANGZHIXUEBA02007焦 大暴雨时,地表水冲刷边坡风化层,大量风化产物冲 入侧沟甚至冲到线路,轻则堵塞侧沟,重则中断行车. 这在研究区的两条线路上都发生过. 3.2坡面变形 坡面变形是红层边坡中普遍存在的边坡变形形 式.红层边坡普遍存在软硬互层,不等厚互层现象. 在长期的风化作用下,边坡坡面凹凸不平,相对较硬 的岩层因其风化速度比其下较软的岩层慢,底部临 空,随着时间的延续,临空面越来越大,成为突出的危 岩.除影响边坡的美观外,长期发展下去还可能发生 崩塌,落石等不良地质现象. 3.3崩塌落石 红层路堑地段崩塌落石曾对行车安全造成严重 威胁.焦柳线K1020,K1087,K1140,湘黔线K476等 处都曾发生过崩塌落石现象.据统计,仅造成中断行 车达9处12次之多.崩塌落石主要发生在地形陡 峻,地质构造复杂的陡坡上,焦柳线K910,K950地 处澧水峡谷断裂带,崩塌,落石高发带.此外,较厚, 较坚硬的岩层在上,较弱的粘土岩在下的地段,也常 发生崩塌,落石现象.崩塌大多是节理面切割了岩层 并与层理面连通后,沿软弱层面发生顺层滑动后崩落 的.湘黔,焦柳线造成列车颠覆的3次崩塌中,均属 此类顺层崩塌. 3.4顺层滑坡 焦柳线K847,K1132右侧路堑边坡,湘黔线 K444,K454右侧路堑边坡等都发生过顺层滑坡.自 1980年以来,湘西山区的湘,黔,焦柳铁路因红层路 堑顺层滑坡,中断行车达12次.滑坡均沿基岩面或 软弱夹层滑动. 4红层滑坡特征及机理 4.1特征 4.1.1岩层倾向线路.12处中断行车的红层路堑滑 坡,岩层均倾向线路,但倾角并非很陡,为12.,24.. 4.1.2有大量的地表水补给.?前期有较大的降雨 量,即12处红层路堑滑坡均发生在大暴雨之后.如 焦柳K1132滑坡前ld日降雨量为94.4mm;焦柳线 K845,K846滑坡前ld日降雨量竞高达214.1mm.? 山坡上的农用灌渠渗水或雨后溃堤溢水.12处滑坡 山坡上有农用灌渠的达5处,滑坡发生前均存在不同 程度的渗漏. 4.1.3坡顶岩土层具有良好的地下水入渗通道.12 处滑坡中,滑体或为卵石土,粘砂土等透水性较好的 堆积层或为节理,裂隙发育的红层,具有良好的地表 水下渗条件.即使较大暴雨,也很难形成地表径流, 而是源源不断地渗入边坡. 4.1.4沿不透水软弱夹层滑动.12处滑坡的滑动面 均为泥岩,页岩等不透水软弱夹层. 4.2分类 根据滑坡体物质及滑动面特征,将发生在这一地 区的红层滑坡分成3类. 4.2.1上覆透水性较好的土层.滑体为卵石土,粘 砂土等透水性较好的堆积层;下伏倾向线路,风化轻 微的红层.滑体沿基岩面滑动.焦柳线K845,K846 及湘黔线K444均属于此类滑坡. 图1焦柳线K845滑坡纵断面示意图 Fig.1SectionoflandslideinK845alongJiao-liuRailway ?泥质粉砂岩?砂卵石土?滑动面 ?既有挡墙倾斜?桔园 焦柳线K845+600,+800段线路切割坡脚成半 路堑通过.山坡平缓,高35m,表层为澧水阶地的砂 卵石土,透水性极强.下伏泥质粉砂岩,岩层倾向线 路,倾角20..1991年7月9日,当地普降特大暴雨. 雨水沿地表下渗至基岩面,在基岩顶面形成软弱层. 山坡土体推动挡墙下滑,并将线路路基隆起,中断正 线行车(图1)., 4.2.2严重风化的红砂岩下伏硬质岩.滑体为风化 严重,裂隙发育的粘土岩.滑体沿下伏倾向线路,较 硬的砂岩或其它沉积岩顶面滑动.焦柳线k910, kl169,k1295滑坡均属于这种类型. 焦柳线K910+169,+188左侧堑坡高15m.堑 坡下部为石灰岩,上部为泥质砂岩.岩层倾向线路, 倾角20,23..坡顶覆盖土厚0,2m.其下泥质砂岩 风化严重,大块风化红砂岩孤石夹于表土中.1989年 8月30日至9月1日,当地普降特大暴雨,雨水沿地 表下渗至泥灰岩顶面,在其顶面形成软弱层.9月2 日山坡失稳下滑(图2). 第2期刘成禹,等:湘西铁路沿线红层边坡工程地质研究61 图2焦柳线1(,910滑坡纵断面示意图 Fig.2Sectionoflandsfidein1(,910alongJiao-LiuRailway ?泥灰岩?强风化泥质砂岩 ?滑动面?砂粘土?天沟 4.2.3边坡上部红层虽然风化不严重但有下切较深 的构造裂隙,其与软弱层面连通,形成滑动面.这类 滑坡之滑体沿构造裂隙及其下倾向线路的软弱夹层 滑动.焦柳线K1140,K1147,K847,湘黔线K454,K476 等都属于这种类型. 焦柳线K847+093,+245段右侧路堑边坡高 22m,坡度1:0.45.路堑边坡出露红砂岩,泥质粉岩, 岩层倾向线路,倾角12.,堑顶以上为平缓山丘,覆盖 土层厚2,3m.距堑顶8m处有一下切深度达8m的 垂直节理,1989年8月30Et至9月1Et,当地降特大 暴雨,雨水沿节理渗至砂岩与泥质粉砂岩间的夹层 处,形成泥化软弱夹层.9月2Et发生滑坡,约1.2万 Hl3土石沿泥化软弱夹层滑向线路(图3). 图3焦柳线K847滑坡纵断面示意图 Fig.3SectionoflandslideinK847 alongJiao-LinRailway ?砂岩?泥质粉砂岩?滑动面 ?泥质夹层?砂卵石土?桔园 4.3机理 岩层倾向线路是造成红层路堑滑坡的先决条件. 否则边坡只会出现风化剥落和掉块现象.边坡中泥 岩,页岩等软弱夹层遇水软化,强度急剧降低.是造 成红层滑坡的重要内因.此外,边坡上部覆盖透水性 好的土层或边坡上部岩层因构造,风化及开挖卸载等 作用,节理,裂隙发育,具有良好的渗水通道是造成红 层路堑顺层滑坡的重要内因.降雨是促使滑坡形成 的决定性外因.在久雨或暴雨后,雨水下渗并汇集泥 岩或页岩等软弱夹层处,层面形成一层抗剪强度很低 的”滑泥”.岩体在自重,降雨下渗产生的渗透压力作 用下,发生顺层滑动. 5红层边坡防治措施 红层边坡的破坏主要是因岩体本身破坏及水的 作用造成.红层滑坡的控制因素是软弱夹层在水的 作用下软化,泥化,形成”滑泥”.水的渗入是软弱夹 层软化,泥化的必要条件,而岩体破碎具有良好的渗 水通道是水渗入边坡使软弱夹层软化的前提条件. 此外,边坡岩体风化破坏也是边坡变形,诱发崩塌落 石的重要因素.因此,红层边坡地质灾害的预防及治 理必须从治水,防水以及防止岩层破坏着手. 新建铁路,公路中的红层边坡必须采取防风化措 施,减少边坡的暴露面和暴露时间,以免风化迅速发 展造成更大的危害.边坡较缓者,可采用喷浆,浆砌 片石护坡等措施;边坡较陡或风化层较厚,可采用挂 网喷浆或护墙等措施,以防止风化及地表水下渗. 做好坡顶覆盖土或风化岩层的防渗.对坡顶透 水性较好或风化严重,节理发育的岩土层,表面宜做 铺砌封闭.下切较深的裂隙应灌浆封闭,防止地表水 下渗.山坡上的农用灌渠要增加衬砌,加固堤坝,防 止渗漏,溃堤.山坡汇水面积较大时,应增设一道或 多道截水沟,及时拦截地表水,防止其下渗. 对存在不利结构面组合及软弱夹层的边坡,特别 是雨季出现层间渗水的边坡应引起特别注意.当确 认边坡有可能发生顺层滑动时,除做好上述治水,防 水及防风化外,还须采取适当措施对可能的滑坡或崩 塌体进行加固.对坡面因软硬互层,风化不均而出现 凹凸不平,危岩突出的既有边坡,宜适当清除危岩. 对不能清除的,应采取固定或设置拦石网,拦石墙等 措施,以防治落石的危害. 参考文献: [1]程强,寇小兵,黄绍槟,等.中国红层的分布及地质环 境特征][J].工程地质,1993,12(1):34—40. 62 中国地质灾害与防治 ZH0NGGU0DIzHIzAIHAIYUFANGZHIXUEBA02007正 [2]孔纪名,陈自生.川东89.7暴雨过程中的红层滑坡 [A].滑坡文集(9)[C].北京:中国铁道出版社,1989:36 — 42. [3]杨志达,李志勇.水在红砂岩路堑边坡破坏中的作用及 防治对策[J].中南公路工程,1999,24(4):6—8. [4]王磊,李萼雄.沉积岩石学[M].北京:地质出版社,1997. [5]EM谢乐盖耶夫.工程岩土学[M].北京:地质出版I社, 1990. [6]徐开礼,朱志澄.构造地质学[M].北京:地质出版社, 1989. Engineeringgeologystudyonfailureofredbedsslopesalong railwayinthewestofHunanProvince LIUCheng-yu,HEChi.zhong2,HEMan.ehao (1.SchoolofEnvironmentandResource,FuzhouUniversity,Fuzhou350002,China; 2.GongwuDepartmentofGuan~touRailwayCo.,LTD,Guangzhou510088,China; 3.SchoolofMechanicsandArchitecture,ChinaUniversityofMining,Beijing100083,China) Abstract:TherearemanyredbedsslopesalongtheXiangqianandJiaoliurailwaylocatedinwestmountainofHunan Province.Becauseoftheredrockintheareahasmoreparticularityonthepartofengineeringgeologycharacter,slope failureoccurredfrequentlyinthepast.Forthisreason,theengineeringcharacterofredbedsandslopefailureoccurredin theareaarestudiedinthispaperfirstly.Then,base013aboveresearch,thestyle,lawandmechanismofslopefailureare studied.Theresearchfindingsshow:theredbedsalongrailwaylocatedinwestofHunanprovineeischaracterizedby lithologiecharacterdiversification,softandhardterranealternatelayer,easydisintegratingandsofteningintheactionof water;muchstructuralplaneandweakintercalation;thedeformationandfailurestyleofredbedsslopesintheareais flakingoffintheactionweathering,slopeshapedistorting,dilapidating,rockfallandconsequentlandslide,etc.Thelawof landslideformingintheareaisrevealedbytheinvestigationandresearchof12largelandslidesoccurredinthearea,the styleoflandslidealsoisclassifiedbasedonlandslidemassandslipplanecharacter.Baseonaboveresearch,the deformationandfailuremechanismofredbedsslopisanalysedinthispaper.Finally,thepreventingandharnessingmeans forredbedsslopegeologichazardispresented. Keywords:redbeds;specialcharacterofengineeringgeology;slope;law;mechanism;preventingandharnessingmeans; railwayinthewestofHunanProvines 山东烟台栖霞滑石矿 栖霞滑石矿又称李博士夼滑石矿,位于栖霞市东北部庙后镇,累计探 明储量超过3500×104t,列全国第三位,滑石质量全国第 一 .区内滑石矿的开发始于20世纪30年代,建国后几经停采的李博士 夼滑石矿重新筹建,1955年成立了栖霞滑石矿,滑石产量 约2×104t.到目前为止,最高年产滑石18.88×104t,累计产滑石 190×104t. 矿产资源开发在为国家和地方带来了巨大经济效益的同时,也产生 了大量的环境问题,主要表现为积存大量废弃物,造成矿 区周围生态环境的破坏,以及地面塌(沉)陷,地裂缝,泥(渣)石流,岩体崩塌矿山地质灾害.矿区及周边生态环境遭受破坏的区 域面积达5k,植被覆盖率仅15%左右.生态严重恶化区域面积约15hm2,几乎每年汛期都产生渣石滑塌事故. 截止到2005年,由于矿山开采诱发的地面塌陷有20余处;共发现3处,几十条规模不等的地裂缝和山体开裂,最宽达 5.00m,长几米至几百米不等;废弃物总积存量达100×104t以上,为泥石流的发生提供了物源.废渣(石)堆在多处侵占了狭窄的 泄洪渠道,使矿区遭受严重的潜在泥石(渣)流威胁. (中国地质环境监测院张德强)