四川后底沟危岩特征及稳定性和运动特性研究

李 颖

(河南润和工程管理有限公司，河南 南阳 473000)

2013年“4·20”芦山7.0级大地震给四川人民带来了巨大的生命财产损失，也引发了大量崩塌、滑坡、泥石流等次生地质灾害[1]。这次强震的发震断裂为龙门山断裂带，地处松潘—甘孜造山带与扬子地块的接合部，是青藏高原东部的重要边界，挤压运动始于晚三叠，从侏罗纪到第四纪一直在活动。龙门山断裂带自西向东活动性依次增强，包括后山断裂、中央断裂、前山断裂等，其中前山断裂的南段即大川—天全断裂段活动最强，恰穿过芦山县境内。“4·20”地震前全县共存在144处地质灾害，截止至2013年5月31日“4·20”地震和降雨诱发573处地质隐患点[2]。2013年7月9日暴雨后排查新增89处地质灾害隐患点，共排查核实662处地质灾害隐患点，这些隐患严重制约地区经济发展[3]。

后底沟崩塌为“4·20”芦山地震所产生。“4·20”芦山地震后，6月20日强降雨造成该处崩塌危岩体大量崩落，给人民生命财产安全带来巨大威胁。

近年来，国内外很多学者对危岩的特征及形成机理进行了研究[4]。Poisel等[5]对意大利北部阿尔卑斯山进行地质灾害研究，得出了危岩体失稳模式为滑动、旋转滑动、倾倒;曾芮[6]研究了强降雨作用下崩塌的形成机制;陈洪凯等[7-9]认为危岩的形成是由内因、外因共同作用的结果。

该研究以四川后底沟危岩为对象，对其危岩的稳定性进行评价，对危岩形成的影响因素进行分析，利用Rockfall软件对危岩的运动路径进行模拟，为未来的工程治理提供依据。

1 研究区自然地理条件及地质环境条件

1.1 研究区自然地理条件

后底沟危岩位于四川雅安市芦山县太平镇春光村董家沟社，位于县境西南部，距县城20.4 km，双石至大川公路(X073)过境。区内气候类型属于亚热带湿润季风气候，总体特点是：温暖潮湿，气候温和，冬无严寒，夏无酷暑，四季分明，雨量充沛，降雨集中，霜稀雪少，无霜期长。多年平均气温15.2 ℃，月均气温最高为24.2 ℃(7月)，最低为5.0 ℃(1月)；多年平均降雨量为1 313.1 mm；区内河流均属于大渡河水系。芦山境内河溪纵横密布，以芦山河、宝兴河为主的河溪556条，其中流域面积在30 km2以下的549条。

1.2 研究区地质环境条件

2 危岩体基本特征及影响因素

后底沟崩塌分布于后底沟左岸，顶部高程1 269 m，下部沟内高程1 069 m，相对高差200 m。受地形影响，崩塌主要发育在陡倾岩质边坡部位，灾害点共分为W1危岩区、W2危岩区、落石堆积区三个区域，以下分别对其进行详述如下。

2.1 危岩分布及形态特征

W1危岩区：位于勘查区西侧，顶部高程1 180 m，底部高程1 147 m，整体高差约33 m，平面面积约1 200 m2，整体方量约4 000 m3。W1危岩区分为两个小区，W1-1危岩区(见图1，图2)，坡度近直立，岩体破碎，危岩区高约26 m，长约40 m，厚度约3 m，整体方量约1 600 m3。岩层产状310°∠50°，危岩主要沿顺破卸荷裂隙向下崩落，对下方居民房构成威胁。该危岩区上主要发育有两组结构面：J1：140°∠51°，宽约1 cm～3 cm，间距0.2 m～0.3 m，裂面较平直，无填充。J2:170°∠74°，宽约2 mm～5 mm，间距0.5 m～1.0 m，裂面较平直，无填充。J3:65°∠60°，宽约1 cm～2 cm，间距0.1 m～0.2 m，裂面较平直，无填充。W1-2(如图3，图4所示)位于崩塌区右上方，在4·20芦产生崩塌落石约150 m3，目前约140 m3停留于坡表。W1上部危岩体，坡度约50°，岩体破碎，危岩区高约30 m，长约40 m，厚度约3 m，整体方量约2 250 m3。岩层产状310°∠50°，危岩主要沿顺破卸荷裂隙向下崩落，对下方居民房构成威胁；该危岩体上主要发育有两组结构面：J1：140°∠62°，宽约1 cm～3 cm，间距0.2 m～0.3 m，裂面较平直，无填充。J2：170°∠74°，宽约2 mm～5 mm，间距0.5 m～1.0 m，裂面较平直，无填充。J3：70°∠65°，宽约1 cm～2 cm，间距0.1 m～0.2 m，裂面较平直，无填充。

W2危岩区：位于勘查区北侧顶部，顶部高程1 269 m，崩塌底部高程1 245 m，相对高差24 m，平面面积约630 m2，整体方量约3 000 m3。W2危岩区共有两个较大危岩体，W2-1约500 m3，主要以倾倒式破坏形式发生崩塌(见图5)，W2危岩区西侧危岩体，坡度近直立，危岩体较完整，下部基座为薄层砂质泥岩，分化强烈，形成有凹岩腔。危岩区高约24 m，长约20 m，厚度约5 m，整体方量约2 400 m3。岩层产状320°∠34°，危岩主要沿顺破卸荷裂隙向下崩落，对下方居民房构成威胁;该危岩体上主要发育有三组结构面(如图6所示)：J1：155°∠85°，宽约1 cm～2 cm，间距0.2 m～0.3 m，裂面较平直，无填充。J2：180°∠49°，宽约2 mm～5 mm，间距0.5 m～1.0 m，裂面较平直，无填充。J3：215°∠80°，宽约1 cm～3 cm，间距0.1 m～0.2 m，裂面较平直，无填充。W2-2(如图7所示)约260 m3，可能以坠落式破坏形成崩塌，目前W2-2脱离岩，形成危石，基座砂岩在地震时已经产生裂缝，发生崩落的可能性较大，危害较大;W2上部危岩体，危岩单体高13 m，宽5 m，厚4 m，单体方量260 m3，W2-2整体方量约600 m3，目前W2-2已脱离母体，基座基岩在4·20地震时产生了裂缝，目前处于欠稳定状态，随时可能发生崩落，对下方居民房构成威胁;该危岩体上主要发育有三组结构面(如图8所示)：J1：155°∠85°，宽约为1 cm～2 cm，间距0.2 m～0.3 m，裂面较平直，无填充;J2：180°∠49°，宽约2 mm～5 mm，间距0.5 m～1.0 m，裂面较平直，无填充;J3：215°∠80°，宽约为1 cm～3 cm，间距0.1 m～0.2 m，裂面较平直，无填充。

落石堆积区：主要以滚石为主，具有危险性的主要为4·20地震崩落滚石，早期崩塌落石已趋于稳定，目前勘查区两处崩塌危岩下方斜坡约有危石62 m3，停留于斜坡表层，多为植被拦挡停留，稳定性较差，再次崩落的可能性较大。

2.2 危岩形成的影响因素

1)地层岩性:形成危岩的陡崖为泥质砂岩，岩体破碎，受挽近期区域地质抬升影响，在卸荷作用下，下部基座破碎岩体最先崩落，容易形成凹岩腔，会发生崩塌破坏。

2)地质构造:受芦山向斜中部西北侧、双石～大川冲断层影响，勘查区节理裂隙广泛发育，区内砂岩主要发育有四组裂隙，即NNE,NNW,NWW和原生层面裂隙，受地壳抬升，地形深切形成陡崖，受大河、后底沟浸蚀影响，危岩体下部薄层泥岩风化剥落形成凹腔，使崩塌危岩体三面临空，坡向与NNE,NNW裂隙倾向相同，在崖顶边缘，形成张应力集中区，且因砂泥岩差异性风化，下部局部凹岩腔发育，原构造面进一步加长、加深。

3)地形地貌:W1危岩区陡崖高约33 m，W2危岩区陡崖高约25 m。W2危岩区J1结构面为外倾、陡倾结构面，大大加剧了崩塌的发生。

3 危岩稳定性分析

3.1 危岩体稳定性定性分析及评价

后底沟崩塌为芦山4·20强烈地震诱发的新生灾害体，根据其特征不同，共分为2个区。W1危岩区：位于勘查区西侧，顶部高程1 180 m，底部高程1 147 m，整体高差约33 m，平面面积约1 200 m2，整体方量约4 000 m3。受芦山4·20地震影响，W1危岩区在6·20暴雨诱发下，发生了滑移式崩塌，根据现场详细调查及勘查，该区受外倾结构面，主要以滑移式破坏为主，在降雨及地震等不利条件作用下，再次发生大规模滑移式崩塌的可能性较大。W2危岩区共有两个较大危岩体，W2-1约500 m3，W2-2约260 m3，现状条件下W2-1稳定性稍好，处于基本稳定状态，但由于基岩底部形成有凹岩腔，进一步发展，在不利工况条件下发生倾倒式破坏的可能性较大；目前W2-2脱离岩，形成危石，基座砂岩在地震时已经产生裂缝，处于欠稳定状态，发生崩落的可能性较大，危害较大。目前崩塌堆积区整体未见变形破坏现象，坡表危石处于稳定～不稳定状态，再次发生滚落的可能性较大。

3.2 危岩体稳定性定量分析及评价

3.2.1 计算方法、模型及工况

1)滑移式危岩体计算方法。

计算式如上所示，计算模型如图9所示。

2)坠落式危岩体计算方法。

a.对后缘有陡倾裂隙的悬挑式危岩按下列公式计算，计算模型如图10所示。

b.对后缘无陡倾裂隙的悬挑式危岩按下列公式计算，计算模型如图11所示。

3)倾倒式危岩体计算方法。

倾倒式危岩按下式计算，计算模型如图12所示。

3.2.2 计算工况

计算工况如下：

1)工况一：自重(勘查期间天然水位)；

2)工况二：自重+暴雨(全饱和，饱和抗剪强度)；

3)工况三：自重+地震(地震加速度值0.15g)。

3.2.3 计算参数的选择

根据试验数据分析结果，按表1的参数进行危岩稳定性计算。

表1 危岩体物理力学参数建议值

3.3 稳定性分析

根据计算，各危岩区天然工况条件下稳定性系数1.408～2.828，处于稳定状态；暴雨工况条件下W2-1第二裂隙面倾倒式破坏稳定性系数1.471，处于稳定状态，其余裂隙面稳定性系数1.011～1.064，均处于欠稳定状态；地震工况条件下W2-2危岩体坠落式破坏稳定性系数1.086，处于欠稳定状态，其余裂隙面稳定性系数1.556～2.725，均处于稳定状态。根据现场调查，4·20地震时主要为坡体局部小型落石，地震后6月20日暴雨诱发W1-2危岩区大规模崩塌发生，因此，计算结果与现场实际情况基本吻合。

4 运动特性分析

Rockfall是在斜坡上随机放置一定数量的落石进行模拟和统计，下面利用该软件对整个运动特性进行了模拟。

4.1 参数选取及模拟

根据现场调查，“4·20”地震时崩塌落石最远距离达到公路位置，室内选取最大粒径3 m3、初速度为0的落石进行崩落计算，上部斜坡主要为植被覆盖林地，下部为无植被覆盖层；图13为危岩落石轨迹；图14是落石弹跳高度曲线；图15为落石能量曲线；图16为落石平移速度曲线。

4.2 结果分析

根据后底沟崩塌特征，现场调查“4·20”地震时落石运动距离类比，采用Rockfall软件分析计算，危岩体最远运动距离为130 m，280 m，与实际吻合,其中部分受树林拦挡，落距5 m～140 m。

由图可知，危岩带W2-1的落石在水平距离约45 m处弹跳高度最大，约为21 m；危岩带W2-2的落石在水平距离约60 m处弹跳高度最大，约为30 m；由落石总能量曲线和平移速度曲线可知，二者在某一点同时达到峰值，危岩带W1-1的落石在60 m处总能量、平移速度最大，总能量约1 100 kJ，平移速度约24 m/s;危岩带W1-2的落石在95 m处总能量、平移速度最大，总能量约670 kJ，平移速度约为23 m/s;危岩带W2-1的落石在70 m处总能量、平移速度最大，总能量约为2 900 kJ，平移速度约为31 m/s；危岩带W2-2的落石在95 m处总能量、平移速度最大，总能量约为3 600 kJ，平移速度约为38 m/s。

4.3 防治对策

后底沟崩塌共分为2个区，4个亚区，根据崩塌危岩体特征、破坏模式及破坏危害的对象，遵循安全可靠、技术可行、经济合理、施工方便的原则，主要考虑以下两种治理方案：

方案一：W1危岩区，采取张挂主动网治理，锚杆长为4.5 m，网格4 m×4 m。W2-1目前处于基本稳定状态，采取嵌补凹岩腔进行治理；W2-2危岩单体较大，危险性大，采取4孔锚索锚杆，锚索间用钢绞线连接，固定危岩。坡面危石局部进行人工清危处理，W2危岩区下方树林外、耕地上部设置一道被动网，防止坡面零星危石的威胁。

方案二：W1危岩区，在危岩区下方，清除坡表零星坡面危石，设置一道被动拦石网。W2-1危岩区采取锚索锚固；W2-2危岩单体较大，危险性大，采取4孔锚索锚杆，锚索间用钢绞线连接，固定危岩。在W2危岩区下方，公路外侧居民房后设置一道拦石墙。

通过施工技术、施工难度、经济合理性及安全可靠性等多方面比较，择优推荐方案一进行综合治理。

5 结论

1)后底沟崩塌灾害点共分为W1危岩区、W2危岩区、落石堆积区三个区域。2)危岩的形成受地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质等因素的影响，因此过去崩塌灾害发生较多。3)各危岩区自然条件下处于稳定状态；在地震条件下处于欠稳定状态；在暴雨条件下可能存在大规模崩塌发生。4)利用Rockfall对落石的运动特性进行了模拟,可以为工程设计提供一定的指导意义，最终为后底沟的崩塌预防提供了防治对策。