震裂斜坡軟巖崩塌成因機(jī)制與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

馬艷波，裴向軍，黃翔超

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川610059）

0 引言

“5.12”汶川地震觸發(fā)了大量地質(zhì)災(zāi)害，斜坡巖體震裂松動(dòng)，巖體損傷大，地震裂縫發(fā)育。李家屋脊崩塌危巖體巖性為千枚巖，位于四川省青川縣關(guān)莊鎮(zhèn)新華村尹家溝，主要由7處分散危巖體構(gòu)成。變形較強(qiáng)烈，裂縫明顯，現(xiàn)狀不穩(wěn)定，在暴雨和余震的誘發(fā)下，易產(chǎn)生新的變形乃至破壞失穩(wěn)，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)居民造成危害。因此，有必要對(duì)軟巖崩塌的受控因素、形成機(jī)理和破壞模式進(jìn)行研究，合理評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上給出防治措施建議，以護(hù)衛(wèi)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

目前工程中危巖勘查主要以細(xì)致的地面地質(zhì)調(diào)查為主，穩(wěn)定性評(píng)價(jià)主要以定性調(diào)查為主，定量評(píng)價(jià)為輔，本文嘗試從災(zāi)害的地質(zhì)演化過程入手，運(yùn)用UDEC數(shù)值模擬危巖破壞過程，并輔以穩(wěn)定性計(jì)算以期獲得合理評(píng)價(jià)，為災(zāi)后重建更好地發(fā)揮我們的力量。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

研究區(qū)地貌屬青川縣中部侵蝕構(gòu)造中低山地貌區(qū)，以侵蝕構(gòu)造中山以及侵蝕構(gòu)造中低山為主，山地占總面積的88.3%以上。關(guān)莊鎮(zhèn)新華村李家屋脊為NNW向延伸的條形山體，山頂海拔高程約1 340m，與其下部河流相對(duì)高差約400m。

1.2 地層巖性

李家屋脊崩塌危巖體主要由震旦系元吉組（Zy2）千枚巖、白云巖與灰?guī)r的韻律式不等厚互層組成，巖層產(chǎn)狀為18～80°∠23～68°，巖體結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)（千枚巖地段）或塊狀結(jié)構(gòu)（灰?guī)r與白云巖地段），巖體質(zhì)量類別為Ⅱ類。多數(shù)斜坡分布有第四系殘坡積塊碎石黏性土覆蓋層，厚度0.5～4.0m不等。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料，區(qū)內(nèi)分屬3個(gè)不同的構(gòu)造區(qū)，2條大斷裂橫貫全境，北為呈北東向的喬莊大斷裂，以北屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)之摩天嶺臺(tái)?。荒蠟槌时睎|向之茶壩大斷裂，以南屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)之龍門山—大巴山臺(tái)緣褶斷帶之龍門山褶斷束；2條斷裂之間屬松潘—甘孜地槽褶皺系之后龍門山冒地槽褶皺帶。

1.4 風(fēng)化卸荷與構(gòu)造裂隙

李家屋脊崩塌危巖體所在斜坡為巖質(zhì)陡坡，以軟巖千枚巖為主，由于其抗風(fēng)化能力較弱，巖體構(gòu)造裂隙、風(fēng)化裂隙發(fā)育，受節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系與坡面關(guān)系控制，這些風(fēng)化卸荷裂隙和地震拉裂縫構(gòu)成危巖的失穩(wěn)控制邊界，危巖體極易沿坡向一致的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生整體滑移或局部墜落；危巖體表層破碎，巖體間結(jié)構(gòu)面相互組合，易形成菱形塊體，在凸出坡表的巖體易在局部臨空發(fā)生小型的傾倒或墜落。

2 崩塌危巖體變形特征

本次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定了危巖帶的范圍及規(guī)模：李家屋脊崩塌體由7處危巖體組成，主要分布于山頂元包梁2處以及山頂東西兩面山脊陡坡上5處，危巖體分布見圖1。

圖1 危巖體分布圖

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，崩塌危巖區(qū)內(nèi)主要的變形破壞特征有以下幾種情況：

（1）由于“5.12”特大地震造成的山體基巖千枚巖內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面拉裂張開錯(cuò)動(dòng)，可見危巖體后緣拉裂縫，裂縫張開40～60cm，可見深度30～40cm，延伸方向120°，這些裂縫將巖體切割成松動(dòng)的孤立塊巨石，大多危巖體斜靠或懸掛于陡坡上，局部結(jié)構(gòu)面未完全切割，在坡表形成凸起；有的已脫離巖體，滾落在坡體較緩的部位（圖2）。

圖2 危巖體變形特征

（2）由于裂隙、雨水沖刷及風(fēng)化作用，部分塊石與母巖保持微弱的連接關(guān)系或已產(chǎn)生了崩塌但仍然停留在坡體上，隨時(shí)可能產(chǎn)生進(jìn)一步的崩落（圖3）。

（3）由于以余震為主的地震動(dòng)因素，使得松動(dòng)的坡表巖體層面不一致，上部反坡，下部順坡（見圖4），下部順坡的巖體極易崩落，崩落后使得上部反坡巖體又臨空。

圖3 危巖分布區(qū)的變形跡象

圖4 危巖體結(jié)構(gòu)面特征

（4）由5.12特大地震造成強(qiáng)力地震動(dòng)力，使得李家屋脊山頂及山嘴等處形成明顯的裂縫，山頂裂縫近南北方向延伸，裂縫張開15～75cm，可見深度25～60cm；山嘴處的裂縫長(zhǎng)9m，可見深度80～120cm，延伸方向250°，張開40～50cm；在WY2陡坡下崩塌堆積物處可見一近東西延伸的裂縫，裂縫長(zhǎng)17m，可見深度30～40cm，張開40～50cm（見圖5）。

圖5 危巖分布區(qū)的變形跡象（裂縫）

3 成因機(jī)制分析及破壞模式

3.1 影響因素及成因機(jī)制分析

該危巖體的形成與發(fā)展受多種因素的影響，有其潛在的內(nèi)在因素和外動(dòng)力因素。

3.1.1 內(nèi)在因素

內(nèi)在因素主要有地形地貌、地層巖性、構(gòu)造裂隙發(fā)育及巖體結(jié)構(gòu)等的影響。

前面對(duì)地形地貌、地層巖性、構(gòu)造裂隙發(fā)育有所闡述，這里主要對(duì)巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。危巖體受控于結(jié)構(gòu)面和裂隙，其組合切割形成塊體，巖石失去整體性，為危巖的發(fā)育提供了重力和基本物質(zhì)條件（見圖6）。

圖6 結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

3.1.2 外在因素

誘發(fā)形成危巖的外動(dòng)力因素主要包括地震、降雨及風(fēng)化卸荷等。

（1）地震：汶川“5.12”大地震直接誘發(fā)了危巖體和崩塌的形成。地震過程中，強(qiáng)大的地殼運(yùn)動(dòng)將巖體震裂，破壞了巖體的完整性，從原巖脫落形成了崩塌危巖體。

（2）降雨：降雨是影響危巖穩(wěn)定的重要因素。水體對(duì)巖體具有侵蝕、潤(rùn)滑和軟化等作用，巖體自重增加，力學(xué)參數(shù)有所降低，因此降低了危巖的穩(wěn)定性。

（3）風(fēng)化卸荷：兩者共同對(duì)巖體進(jìn)行淺表生時(shí)效改造，風(fēng)化使巖石礦物的蝕變與流失，卸荷使巖體應(yīng)力的松弛，為風(fēng)化營(yíng)力的介入提供了通道，危巖體的發(fā)育是從卸荷裂隙開始的。

3.1.3 成因機(jī)制分析

從危巖形成的地質(zhì)過程機(jī)制分析，受巖體本身的工程地質(zhì)特性控制，危巖的形成主要是巖體巖性、巖體結(jié)構(gòu)特征、所處的地形地貌等內(nèi)因和“5.12”汶川大地震強(qiáng)烈的外荷載作用的結(jié)果，內(nèi)因?yàn)槲r的發(fā)育提供了重力和基本物質(zhì)條件，長(zhǎng)期的地殼內(nèi)外營(yíng)力作用是危巖形成的主要誘因。危巖所處中低山，巖體完整性遭破壞、裂隙較發(fā)育，巖體受裂隙和臨空條件的控制，形成塊體，林立突出坡表，形成具危害性的崩塌危巖體。

3.2 破壞模式分析

此運(yùn)用離散元數(shù)值模擬軟件UDEC對(duì)該典型危巖體破壞機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)單模擬分析（見圖7）。

圖7 典型危巖體破壞運(yùn)動(dòng)過程

受構(gòu)造裂隙和結(jié)構(gòu)面控制的危巖體于地震作用發(fā)生滑移失穩(wěn)，經(jīng)啟動(dòng)—滑移—塌落三步。

根據(jù)危巖體巖性組合情況及已有的崩塌破壞現(xiàn)象，結(jié)合其他不利結(jié)構(gòu)面的組合，并考慮到坡面上的巖體松動(dòng)情況和破壞特征，判斷其變形破壞模式有滑移和墜落（整體滑移、局部墜落）。破壞模式見圖8～圖9。

4 崩塌危巖體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

綜前所述，結(jié)合該區(qū)工程地質(zhì)條件和危巖變形特征，主要考慮計(jì)算滑移式破壞模式。

穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：W——單位長(zhǎng)度危巖體重力（kN）；

P——單位長(zhǎng)度危巖體承受的水平地震力（kN）；

Q——孔隙水壓力；

H—— 危巖體高度（m）；

β—— 破裂面傾角（°）；

c，φ——分別為破裂面的等效黏聚力（kPa）和內(nèi)摩擦角（°）。

（1）工況的選?。篴.天然狀態(tài)（自重）；b.暴雨?duì)顟B(tài)（飽和＋自重）；c.地震狀態(tài)（自重＋地震力（0.15g））。

圖8 滑移式危巖

圖9 墜落式危巖

（2）參數(shù)確定

危巖體結(jié)構(gòu)面的參數(shù)難于獲取，本次計(jì)算中采用巖石試驗(yàn)、相似地層類比，并參考地區(qū)經(jīng)驗(yàn)綜合取值。詳見表1。

表1 巖土物理力學(xué)指標(biāo)

經(jīng)計(jì)算，天然狀態(tài)：K＝1.32～1.64；暴雨?duì)顟B(tài)：K＝1.20～1.31；地震狀態(tài)：K＝1.04～1.23。

根據(jù)DZ／T 0218—2006《滑坡防治工程勘查規(guī)范》（見表2），結(jié)合計(jì)算結(jié)果可知，該危巖體在降雨工況下處于基本穩(wěn)定，地震工況下處于欠穩(wěn)定。

表2 危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

綜合本次勘查成果及危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，由于危巖體整體節(jié)理裂隙發(fā)育，后緣已被裂縫分割，在地震、暴雨、暴曬等外因作用下，極有可能發(fā)生大規(guī)模的整體滑移或小規(guī)模的傾倒、墜落崩塌，對(duì)新華村13戶62人、耕地約6 700m2造成威脅，對(duì)當(dāng)?shù)卣魏蜕鐣?huì)影響很大。

5 防治措施建議

鑒于災(zāi)害的危害性和緊迫性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查和工程地質(zhì)測(cè)繪及試驗(yàn)，結(jié)合勘查區(qū)的工程地質(zhì)條件，考慮斜坡高陡，危巖體處于斜坡高處，主動(dòng)防護(hù)措施較難實(shí)施，防治工程方案建議采用：攔石擋墻（落石槽）。同時(shí)，針對(duì)危巖區(qū)，對(duì)穩(wěn)定極差的危巖進(jìn)行定期巡查，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警。

6 結(jié)語(yǔ)

危巖體是指陡峭邊坡上被多組結(jié)構(gòu)面切割，在重力、風(fēng)化營(yíng)力、地震和滲透壓力等外力作用下可能與母巖分離而墜落失穩(wěn)的巖石塊體。危巖的形成、失穩(wěn)與運(yùn)動(dòng)屬邊坡地貌動(dòng)力過程演化的一種重要形式，其破壞失穩(wěn)具突發(fā)性、致災(zāi)具有毀滅性的特點(diǎn)。因此，對(duì)危巖體的成因機(jī)制的研究更顯重要，正確評(píng)價(jià)危巖體的穩(wěn)定性，并采取合理有效的治理措施以消除隱患，保護(hù)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

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