震裂斜坡软岩崩塌成因机制与稳定性评价

马艳波，裴向军，黄翔超

（成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川610059）

0 引言

“5.12”汶川地震触发了大量地质灾害，斜坡岩体震裂松动，岩体损伤大，地震裂缝发育。李家屋脊崩塌危岩体岩性为千枚岩，位于四川省青川县关庄镇新华村尹家沟，主要由7处分散危岩体构成。变形较强烈，裂缝明显，现状不稳定，在暴雨和余震的诱发下，易产生新的变形乃至破坏失稳，对危险区内居民造成危害。因此，有必要对软岩崩塌的受控因素、形成机理和破坏模式进行研究，合理评价其稳定性的基础上给出防治措施建议，以护卫人民的生命财产安全。

目前工程中危岩勘查主要以细致的地面地质调查为主，稳定性评价主要以定性调查为主，定量评价为辅，本文尝试从灾害的地质演化过程入手，运用UDEC数值模拟危岩破坏过程，并辅以稳定性计算以期获得合理评价，为灾后重建更好地发挥我们的力量。

1 工程地质条件

1.1 地形地貌

研究区地貌属青川县中部侵蚀构造中低山地貌区，以侵蚀构造中山以及侵蚀构造中低山为主，山地占总面积的88.3%以上。关庄镇新华村李家屋脊为NNW向延伸的条形山体，山顶海拔高程约1 340m，与其下部河流相对高差约400m。

1.2 地层岩性

李家屋脊崩塌危岩体主要由震旦系元吉组（Zy2）千枚岩、白云岩与灰岩的韵律式不等厚互层组成，岩层产状为18～80°∠23～68°，岩体结构为层状结构（千枚岩地段）或块状结构（灰岩与白云岩地段），岩体质量类别为Ⅱ类。多数斜坡分布有第四系残坡积块碎石黏性土覆盖层，厚度0.5～4.0m不等。

1.3 地质构造

据区域地质调查资料，区内分属3个不同的构造区，2条大断裂横贯全境，北为呈北东向的乔庄大断裂，以北属扬子准地台之摩天岭台隆；南为呈北东向之茶坝大断裂，以南属扬子准地台之龙门山—大巴山台缘褶断带之龙门山褶断束；2条断裂之间属松潘—甘孜地槽褶皱系之后龙门山冒地槽褶皱带。

1.4 风化卸荷与构造裂隙

李家屋脊崩塌危岩体所在斜坡为岩质陡坡，以软岩千枚岩为主，由于其抗风化能力较弱，岩体构造裂隙、风化裂隙发育，受节理裂隙结构面组合关系与坡面关系控制，这些风化卸荷裂隙和地震拉裂缝构成危岩的失稳控制边界，危岩体极易沿坡向一致的结构面产生整体滑移或局部坠落；危岩体表层破碎，岩体间结构面相互组合，易形成菱形块体，在凸出坡表的岩体易在局部临空发生小型的倾倒或坠落。

2 崩塌危岩体变形特征

本次现场调查确定了危岩带的范围及规模：李家屋脊崩塌体由7处危岩体组成，主要分布于山顶元包梁2处以及山顶东西两面山脊陡坡上5处，危岩体分布见图1。

图1 危岩体分布图

经现场调查，崩塌危岩区内主要的变形破坏特征有以下几种情况：

（1）由于“5.12”特大地震造成的山体基岩千枚岩内部的结构面拉裂张开错动，可见危岩体后缘拉裂缝，裂缝张开40～60cm，可见深度30～40cm，延伸方向120°，这些裂缝将岩体切割成松动的孤立块巨石，大多危岩体斜靠或悬挂于陡坡上，局部结构面未完全切割，在坡表形成凸起；有的已脱离岩体，滚落在坡体较缓的部位（图2）。

图2 危岩体变形特征

（2）由于裂隙、雨水冲刷及风化作用，部分块石与母岩保持微弱的连接关系或已产生了崩塌但仍然停留在坡体上，随时可能产生进一步的崩落（图3）。

（3）由于以余震为主的地震动因素，使得松动的坡表岩体层面不一致，上部反坡，下部顺坡（见图4），下部顺坡的岩体极易崩落，崩落后使得上部反坡岩体又临空。

图3 危岩分布区的变形迹象

图4 危岩体结构面特征

（4）由5.12特大地震造成强力地震动力，使得李家屋脊山顶及山嘴等处形成明显的裂缝，山顶裂缝近南北方向延伸，裂缝张开15～75cm，可见深度25～60cm；山嘴处的裂缝长9m，可见深度80～120cm，延伸方向250°，张开40～50cm；在WY2陡坡下崩塌堆积物处可见一近东西延伸的裂缝，裂缝长17m，可见深度30～40cm，张开40～50cm（见图5）。

图5 危岩分布区的变形迹象（裂缝）

3 成因机制分析及破坏模式

3.1 影响因素及成因机制分析

该危岩体的形成与发展受多种因素的影响，有其潜在的内在因素和外动力因素。

3.1.1 内在因素

内在因素主要有地形地貌、地层岩性、构造裂隙发育及岩体结构等的影响。

前面对地形地貌、地层岩性、构造裂隙发育有所阐述，这里主要对岩体结构进行分析。危岩体受控于结构面和裂隙，其组合切割形成块体，岩石失去整体性，为危岩的发育提供了重力和基本物质条件（见图6）。

图6 结构面赤平投影图

3.1.2 外在因素

诱发形成危岩的外动力因素主要包括地震、降雨及风化卸荷等。

（1）地震：汶川“5.12”大地震直接诱发了危岩体和崩塌的形成。地震过程中，强大的地壳运动将岩体震裂，破坏了岩体的完整性，从原岩脱落形成了崩塌危岩体。

（2）降雨：降雨是影响危岩稳定的重要因素。水体对岩体具有侵蚀、润滑和软化等作用，岩体自重增加，力学参数有所降低，因此降低了危岩的稳定性。

（3）风化卸荷：两者共同对岩体进行浅表生时效改造，风化使岩石矿物的蚀变与流失，卸荷使岩体应力的松弛，为风化营力的介入提供了通道，危岩体的发育是从卸荷裂隙开始的。

3.1.3 成因机制分析

从危岩形成的地质过程机制分析，受岩体本身的工程地质特性控制，危岩的形成主要是岩体岩性、岩体结构特征、所处的地形地貌等内因和“5.12”汶川大地震强烈的外荷载作用的结果，内因为危岩的发育提供了重力和基本物质条件，长期的地壳内外营力作用是危岩形成的主要诱因。危岩所处中低山，岩体完整性遭破坏、裂隙较发育，岩体受裂隙和临空条件的控制，形成块体，林立突出坡表，形成具危害性的崩塌危岩体。

3.2 破坏模式分析

此运用离散元数值模拟软件UDEC对该典型危岩体破坏机理进行简单模拟分析（见图7）。

图7 典型危岩体破坏运动过程

受构造裂隙和结构面控制的危岩体于地震作用发生滑移失稳，经启动—滑移—塌落三步。

根据危岩体岩性组合情况及已有的崩塌破坏现象，结合其他不利结构面的组合，并考虑到坡面上的岩体松动情况和破坏特征，判断其变形破坏模式有滑移和坠落（整体滑移、局部坠落）。破坏模式见图8～图9。

4 崩塌危岩体的稳定性评价

综前所述，结合该区工程地质条件和危岩变形特征，主要考虑计算滑移式破坏模式。

稳定性系数计算公式为：

式中：W——单位长度危岩体重力（kN）；

P——单位长度危岩体承受的水平地震力（kN）；

Q——孔隙水压力；

H—— 危岩体高度（m）；

β—— 破裂面倾角（°）；

c，φ——分别为破裂面的等效黏聚力（kPa）和内摩擦角（°）。

（1）工况的选取：a.天然状态（自重）；b.暴雨状态（饱和＋自重）；c.地震状态（自重＋地震力（0.15g））。

图8 滑移式危岩

图9 坠落式危岩

（2）参数确定

危岩体结构面的参数难于获取，本次计算中采用岩石试验、相似地层类比，并参考地区经验综合取值。详见表1。

表1 岩土物理力学指标

经计算，天然状态：K＝1.32～1.64；暴雨状态：K＝1.20～1.31；地震状态：K＝1.04～1.23。

根据DZ／T 0218—2006《滑坡防治工程勘查规范》（见表2），结合计算结果可知，该危岩体在降雨工况下处于基本稳定，地震工况下处于欠稳定。

表2 危岩稳定性评价标准

综合本次勘查成果及危岩体稳定性评价，由于危岩体整体节理裂隙发育，后缘已被裂缝分割，在地震、暴雨、暴晒等外因作用下，极有可能发生大规模的整体滑移或小规模的倾倒、坠落崩塌，对新华村13户62人、耕地约6 700m2造成威胁，对当地政治和社会影响很大。

5 防治措施建议

鉴于灾害的危害性和紧迫性，根据现场勘查和工程地质测绘及试验，结合勘查区的工程地质条件，考虑斜坡高陡，危岩体处于斜坡高处，主动防护措施较难实施，防治工程方案建议采用：拦石挡墙（落石槽）。同时，针对危岩区，对稳定极差的危岩进行定期巡查，发现异常及时报警。

6 结语

危岩体是指陡峭边坡上被多组结构面切割，在重力、风化营力、地震和渗透压力等外力作用下可能与母岩分离而坠落失稳的岩石块体。危岩的形成、失稳与运动属边坡地貌动力过程演化的一种重要形式，其破坏失稳具突发性、致灾具有毁灭性的特点。因此，对危岩体的成因机制的研究更显重要，正确评价危岩体的稳定性，并采取合理有效的治理措施以消除隐患，保护人民群众的生命财产安全。

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