崩塌破壞模式及裂隙水壓力閾值研究

任凱珍，胡福根，南 赟，張翊超

(北京市地質(zhì)災(zāi)害防治研究所，北京 100120)

北京地處華北平原的西北邊緣，東、西、北三面群山環(huán)繞，東南是一塊緩緩向渤海傾斜的平原，總面積為16 410 km2，其中山區(qū)面積約占62%.地勢(shì)西北高東南低，最高峰東靈山海拔2 303 m；最低點(diǎn)在通州區(qū)柴廠屯一帶，海拔8 m.西部山區(qū)屬太行山余脈，由一系列北東走向大致平行排列的山脈組成.北部山區(qū)屬燕山山脈，山間鑲嵌著若干山間盆地，地勢(shì)自南向北呈階梯狀增高，最后進(jìn)入內(nèi)蒙古高原.大地構(gòu)造位置處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)燕山臺(tái)褶帶中段以及華北斷坳之西北隅.自太古代以來(lái)，經(jīng)歷了多次構(gòu)造變動(dòng)和多階段多旋回的地質(zhì)構(gòu)造演化.出露地層屬華北地層分區(qū)，除普遍缺失震旦系、奧陶系上統(tǒng)、志留系、泥盆系、石炭系下統(tǒng)、白堊系上統(tǒng)及第三系古新統(tǒng)外，從太古界的古老變質(zhì)巖系至第四系各時(shí)代地層出露良好[1].北京的氣候?yàn)榕瘻貛О霛駶?rùn)半干旱季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促，每年10月至翌年5月受西伯利亞干冷氣團(tuán)控制，6月至9月受海洋暖濕氣團(tuán)的影響.降水主要集中在夏季，占全年的7至8成，常出現(xiàn)暴雨，由此引發(fā)崩塌、滑坡、山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害.據(jù)近十年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京共發(fā)生突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害338起，其中崩塌占比約86%，造成公路交通設(shè)施、居民家庭財(cái)產(chǎn)等受損.2012年7月9日，門頭溝區(qū)G109國(guó)道發(fā)生危巖體崩落，方量?jī)H10 m3，砸中一輛正在行駛的貨車，致司機(jī)重傷，見(jiàn)圖1[2]；2016年8月5日，房山區(qū)霞云嶺鄉(xiāng)莊戶臺(tái)村發(fā)生崩塌，方量9 500 m2，17間房屋受損(其中掩埋7間)，見(jiàn)圖2[3].因此，崩塌災(zāi)害防治被北京市政府列為地質(zhì)災(zāi)害防治工作的重點(diǎn).為有效開展崩塌災(zāi)害防治工作，實(shí)現(xiàn)崩塌災(zāi)害精準(zhǔn)預(yù)警尤為重要，但因其具有突發(fā)性，預(yù)警難度仍為突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害防治工作的難點(diǎn).基于此，從其破壞模式及力學(xué)層面入手，開展崩塌災(zāi)害裂隙水壓閾值初步研究.

圖1 2012-07-09門頭溝區(qū)G109國(guó)道崩塌災(zāi)害

圖2 2016-08-05房山區(qū)霞云嶺鄉(xiāng)莊戶臺(tái)村崩塌災(zāi)害

1 崩塌災(zāi)害破壞模式

據(jù)近十年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京發(fā)生崩塌災(zāi)害的規(guī)模均為小型；物質(zhì)組成以巖質(zhì)為主，占比88%；自然動(dòng)力成因主要為降雨；人工動(dòng)力成因主要為修路切坡和建房切坡；破壞模式以滑移式為主，占比約71%，其次為墜落式和傾倒式.

1.1 不同巖性崩塌災(zāi)害破壞模式

北京崩塌災(zāi)害主要發(fā)生的坡體巖性為砂礫巖、白云巖、花崗巖、片麻巖、灰?guī)r和凝灰?guī)r.通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同巖性崩塌災(zāi)害破壞模式得出，除巖性為花崗巖的崩塌災(zāi)害外，其他巖性崩塌災(zāi)害破壞模式主要為滑移式，占比大于50%，其次為墜落式和傾倒式(見(jiàn)圖3、圖4).因此，通過(guò)上述統(tǒng)計(jì)并結(jié)合實(shí)踐可得出崩塌災(zāi)害的破壞模式與其所在坡體巖性相關(guān)度不大.

圖3 近十年發(fā)生在不同巖性和不同破壞模式的崩塌災(zāi)害數(shù)量統(tǒng)計(jì)圖

圖4 近十年發(fā)生在不同巖性的崩塌災(zāi)害不同破壞模式災(zāi)害數(shù)量占比統(tǒng)計(jì)圖

1.2 不同規(guī)模崩塌災(zāi)害破壞模式

將近十年巖質(zhì)崩塌災(zāi)害規(guī)模分為6類：≥1萬(wàn)m3，0.5～1萬(wàn) m3，0.1～0.5萬(wàn) m3，0.05～0.1萬(wàn) m3，0.01～0.05萬(wàn) m3，<0.01萬(wàn) m3.通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同規(guī)模范圍內(nèi)巖質(zhì)崩塌災(zāi)害破壞模式得出不同規(guī)模巖質(zhì)崩塌災(zāi)害的破壞模式均以滑移式為主，占比均大于50%，其次為墜落式和傾倒式(圖5).由此可見(jiàn)，崩塌災(zāi)害的破壞模式與規(guī)模相關(guān)度不大.

圖5 近10年不同規(guī)模巖質(zhì)崩塌災(zāi)害中不同破壞模式災(zāi)害數(shù)量占比統(tǒng)計(jì)圖

1.3 不同坡度崩塌災(zāi)害破壞模式

將近10年巖質(zhì)崩塌災(zāi)害所在坡體坡度分為3類，即45°～60°、60°～75°、75°～90°，其中坡度>60°的坡體稱之為陡坡.北京近10年約86%的巖質(zhì)崩塌災(zāi)害發(fā)生在陡坡.通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同坡度范圍內(nèi)巖質(zhì)崩塌災(zāi)害破壞模式得出不同坡度范圍內(nèi)的巖質(zhì)崩塌災(zāi)害的破壞模式均以滑移式為主，占比均大于60%，其次為墜落式和傾倒式(圖6).由此可見(jiàn)，崩塌災(zāi)害的破壞模式與坡度相關(guān)度不大.

圖6 近10年不同坡度巖質(zhì)崩塌災(zāi)害中不同破壞模式災(zāi)害數(shù)量占比統(tǒng)計(jì)圖

1.4 不同坡體類型崩塌災(zāi)害破壞模式

坡體按巖層傾向與坡向的關(guān)系可分為順向坡、反向坡、切向坡和直立坡.當(dāng)巖層走向與坡向垂直，如果巖層產(chǎn)狀>80°，則為直立斜坡；除此之外，傾向與坡向夾角<30°，則為順向坡，反之為反向坡.除上述情況外，巖層走向與坡向相交為切向坡.通過(guò)選取近10年數(shù)據(jù)相對(duì)完整的100起巖質(zhì)災(zāi)害，統(tǒng)計(jì)得出不同坡體類型(按巖層傾向與斜坡的關(guān)系分類)的破壞模式均以滑移式為主，占比均大于70%，其次為墜落式和傾倒式(圖7).由此可見(jiàn)，崩塌災(zāi)害的破壞模式與巖層傾向和斜坡坡向相關(guān)度不大.

圖7 近10年不同坡體巖質(zhì)崩塌災(zāi)害中不同破壞模式災(zāi)害數(shù)量占比統(tǒng)計(jì)圖

1.5 結(jié)構(gòu)面與崩塌災(zāi)害破壞模式

1.5.1 門頭溝區(qū)王平鎮(zhèn)南港村崩塌災(zāi)害

2013年10月16日，門頭溝區(qū)王平鎮(zhèn)南港村某房屋西側(cè)邊坡發(fā)生崩塌，方量約50 m3，造成了5 m干砌石擋墻、20 m2防護(hù)網(wǎng)和1個(gè)警示牌損壞[4].該崩塌所在坡體坡高10 m、坡向232°、坡度約90°；發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面，分別為巖性產(chǎn)狀218°∠12°、節(jié)理產(chǎn)狀152°∠64°、42°∠87°.結(jié)構(gòu)面將巖體切割成塊體，危巖沿著垂直結(jié)構(gòu)面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)性傾倒，從而發(fā)生傾倒式崩塌(圖8).

圖8 2013-10-16門頭溝區(qū)王平鎮(zhèn)南港村崩塌災(zāi)害

1.5.2 灤赤路K135+300 m處崩塌災(zāi)害

2017年6月23日，S309(灤赤路)K135+300 m處發(fā)生崩塌，方量約2 000 m3，造成了50 m長(zhǎng)的漿砌石擋墻和道路損壞[5].該崩塌所在坡體坡向355°、坡度58°，發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面分別為巖性產(chǎn)狀355°∠58°、節(jié)理產(chǎn)狀90°∠55°、135°∠42°.巖層層面與節(jié)理面彼此交切，將巖體切割成破碎的塊石，危巖沿著結(jié)構(gòu)面剪出，從而發(fā)生滑移式崩塌(圖9).

圖9 2017-06-23 灤赤路K135+300 m處崩塌災(zāi)害

1.5.3 灤赤路K107+100 m處崩塌災(zāi)害

2020年7月3日，灤赤路K107+100 m處發(fā)生崩塌，方量約200 m3，造成了30 m道路路肩、鋼索護(hù)欄和路下方步行棧道受損[6].該崩塌所在坡體坡向190°、坡度70°，主要發(fā)育3組結(jié)構(gòu)面，分別為巖性產(chǎn)狀105°∠20°、節(jié)理產(chǎn)狀175°∠80°、245°∠60°.結(jié)構(gòu)面將巖體切割成塊體，危巖下方懸空以自由落體形式脫離母體，從而形成墜落式崩塌(圖10).

圖10 2020-07-03 灤赤路K107+100 m處崩塌災(zāi)害

由上述案例和野外調(diào)查經(jīng)驗(yàn)可知，崩塌災(zāi)害的發(fā)生應(yīng)至少存在3組結(jié)構(gòu)面，其中傾倒式崩塌一般存在反傾結(jié)構(gòu)面，滑移式崩塌一般存在與坡向相近的連續(xù)性結(jié)構(gòu)面，墜落式崩塌一般存在近水平和近垂直的結(jié)構(gòu)面.

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2 裂隙水壓力閾值研究

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得出，崩塌災(zāi)害為北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量最多的災(zāi)害類型，物質(zhì)組成主要為巖質(zhì)，破壞模式主要以滑移式為主，誘發(fā)因素主要為降雨，因此選取降雨型滑移式巖質(zhì)崩塌作為研究對(duì)象，對(duì)其裂隙水壓力閾值進(jìn)行研究.

2.1 計(jì)算方法

計(jì)算方法參照《崩塌防治工程勘查規(guī)范(試行)》[7]，結(jié)合北京實(shí)際情況，提出如下公式：

1)后緣無(wú)陡傾裂隙的滑移式危巖穩(wěn)定性計(jì)算公式如下：

(1)

式中：F為危巖穩(wěn)定安全系數(shù)；G為危巖的重量，kN/m；QV為危巖的豎向地震荷載，kN/m；Qh為危巖的水平地震荷載，kN/m；θ為滑面傾角，(°)；U為滑面裂隙貫通段水壓力，kN/m；φ為滑面內(nèi)摩擦角,(°)；c為滑面黏聚力，kPa；L為滑面長(zhǎng)度，m.

2)滑面已貫通的降雨型滑移式危巖穩(wěn)定性計(jì)算參照式(1)，結(jié)合北京實(shí)際，將QV和Qh取值0，即

(2)

3)滑面已貫通的降雨型滑移式危巖滑面裂隙水壓力閾值的計(jì)算根據(jù)式(2)，當(dāng)危巖在天然工況或暴雨工況下，處于失穩(wěn)臨界狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)取值1.00.危巖滑坡裂隙水壓力閾值

(3)

2.2 閾值的計(jì)算

2.2.1 參數(shù)的選取

1)崩塌破壞模式.北京市崩塌災(zāi)害破壞模式主要以滑移式為主，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，選取后緣無(wú)陡峭裂隙的滑移式崩塌為計(jì)算對(duì)象.

2)坡體巖性.北京市崩塌災(zāi)害所在坡體巖性主要為砂礫巖、白云巖、花崗巖、片麻巖、灰?guī)r和凝灰?guī)r，因此選取坡體巖性為砂巖的崩塌為例進(jìn)行計(jì)算.參照《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)表3-1-41～43[8]，取值為天然密度2.40 g/cm3、黏聚力2 kPa、內(nèi)摩擦角70°.

3)崩塌體積.北京市滑移式巖質(zhì)崩塌災(zāi)害中規(guī)模小于100 m3的災(zāi)害占比約8成，因此選取體積分別為20、50、100、150、200 m3規(guī)模相對(duì)較小的情況進(jìn)行計(jì)算.

4)滑面長(zhǎng)度.根據(jù)北京崩塌災(zāi)害發(fā)生情況及野外經(jīng)驗(yàn)，選取滑坡滑面長(zhǎng)度為50 m進(jìn)行計(jì)算.

5)滑面傾角.選取滑面傾角50°、60°、70°為代表開展計(jì)算.

6)工況和穩(wěn)定系數(shù).北京市崩塌災(zāi)害主要發(fā)生在暴雨工況下，因此計(jì)算時(shí)未考慮地震荷載，穩(wěn)定系數(shù)取值為1.0.

2.2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式(3)和上述參數(shù)對(duì)巖性為砂巖的滑移式崩塌在天然和暴雨工況下失穩(wěn)的孔隙水壓力閾值進(jìn)行計(jì)算(圖11、圖12).由圖中可看出:

圖11 不同體積和不同滑動(dòng)面傾角的滑移式砂巖崩塌孔隙水壓閾值計(jì)算結(jié)果散點(diǎn)圖

圖12 滑動(dòng)面傾角為70°的不同體積砂巖崩塌孔隙水壓閾值計(jì)算結(jié)果散點(diǎn)圖

1)滑面傾角越大，體積-水壓力趨勢(shì)線的斜率越小，說(shuō)明隨著滑動(dòng)面傾角的增大，體積對(duì)危巖體失穩(wěn)所需的裂隙水壓力敏感性越小.

2)在同等條件下，滑面傾角越大，裂隙水壓力閾值越小.

3)當(dāng)滑動(dòng)面傾角≥70°時(shí)，危巖體體積越大，裂隙水壓力閾值越小，說(shuō)明此時(shí)危巖體的重力在其失穩(wěn)情況下貢獻(xiàn)率更大.

3 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)近10年北京崩塌災(zāi)害的統(tǒng)計(jì)，得出北京崩塌災(zāi)害類型主要為小型巖質(zhì)崩塌，破壞模式主要為滑移式，誘發(fā)因素主要為降雨.

2)對(duì)崩塌災(zāi)害規(guī)模以及所在坡體的巖性、坡度、坡體類型以及發(fā)育的結(jié)構(gòu)面和不同破壞模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出崩塌災(zāi)害破壞模式主要與其所在坡體發(fā)育的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀密切相關(guān).

3)式(3)適用于北京市的降雨型滑移式巖質(zhì)崩塌裂隙水壓力閾值計(jì)算.

崩塌災(zāi)害是北京市發(fā)生數(shù)量最多的突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害類型，為北京市地災(zāi)防治工作的重點(diǎn).因崩塌突發(fā)性強(qiáng)，且與降雨中度相關(guān)，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度或者臨界雨量開展預(yù)警的準(zhǔn)確度較低.北京崩塌災(zāi)害發(fā)生的主控因素為結(jié)構(gòu)面，誘發(fā)因素主要為降雨，因而從崩塌災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理入手，開展裂隙水壓研究將是崩塌災(zāi)害精準(zhǔn)預(yù)警重要方向之一.