崩塌破坏模式及裂隙水压力阈值研究

任凯珍，胡福根，南 赟，张翊超

(北京市地质灾害防治研究所，北京 100120)

北京地处华北平原的西北边缘，东、西、北三面群山环绕，东南是一块缓缓向渤海倾斜的平原，总面积为16 410 km2，其中山区面积约占62%.地势西北高东南低，最高峰东灵山海拔2 303 m；最低点在通州区柴厂屯一带，海拔8 m.西部山区属太行山余脉，由一系列北东走向大致平行排列的山脉组成.北部山区属燕山山脉，山间镶嵌着若干山间盆地，地势自南向北呈阶梯状增高，最后进入内蒙古高原.大地构造位置处于中朝准地台燕山台褶带中段以及华北断坳之西北隅.自太古代以来，经历了多次构造变动和多阶段多旋回的地质构造演化.出露地层属华北地层分区，除普遍缺失震旦系、奥陶系上统、志留系、泥盆系、石炭系下统、白垩系上统及第三系古新统外，从太古界的古老变质岩系至第四系各时代地层出露良好[1].北京的气候为暖温带半湿润半干旱季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促，每年10月至翌年5月受西伯利亚干冷气团控制，6月至9月受海洋暖湿气团的影响.降水主要集中在夏季，占全年的7至8成，常出现暴雨，由此引发崩塌、滑坡、山洪、泥石流等地质灾害.据近十年数据统计，北京共发生突发地质灾害338起，其中崩塌占比约86%，造成公路交通设施、居民家庭财产等受损.2012年7月9日，门头沟区G109国道发生危岩体崩落，方量仅10 m3，砸中一辆正在行驶的货车，致司机重伤，见图1[2]；2016年8月5日，房山区霞云岭乡庄户台村发生崩塌，方量9 500 m2，17间房屋受损(其中掩埋7间)，见图2[3].因此，崩塌灾害防治被北京市政府列为地质灾害防治工作的重点.为有效开展崩塌灾害防治工作，实现崩塌灾害精准预警尤为重要，但因其具有突发性，预警难度仍为突发地质灾害防治工作的难点.基于此，从其破坏模式及力学层面入手，开展崩塌灾害裂隙水压阈值初步研究.

图1 2012-07-09门头沟区G109国道崩塌灾害

图2 2016-08-05房山区霞云岭乡庄户台村崩塌灾害

1 崩塌灾害破坏模式

据近十年数据统计，北京发生崩塌灾害的规模均为小型；物质组成以岩质为主，占比88%；自然动力成因主要为降雨；人工动力成因主要为修路切坡和建房切坡；破坏模式以滑移式为主，占比约71%，其次为坠落式和倾倒式.

1.1 不同岩性崩塌灾害破坏模式

北京崩塌灾害主要发生的坡体岩性为砂砾岩、白云岩、花岗岩、片麻岩、灰岩和凝灰岩.通过统计不同岩性崩塌灾害破坏模式得出，除岩性为花岗岩的崩塌灾害外，其他岩性崩塌灾害破坏模式主要为滑移式，占比大于50%，其次为坠落式和倾倒式(见图3、图4).因此，通过上述统计并结合实践可得出崩塌灾害的破坏模式与其所在坡体岩性相关度不大.

图3 近十年发生在不同岩性和不同破坏模式的崩塌灾害数量统计图

图4 近十年发生在不同岩性的崩塌灾害不同破坏模式灾害数量占比统计图

1.2 不同规模崩塌灾害破坏模式

将近十年岩质崩塌灾害规模分为6类：≥1万m3，0.5～1万 m3，0.1～0.5万 m3，0.05～0.1万 m3，0.01～0.05万 m3，<0.01万 m3.通过统计不同规模范围内岩质崩塌灾害破坏模式得出不同规模岩质崩塌灾害的破坏模式均以滑移式为主，占比均大于50%，其次为坠落式和倾倒式(图5).由此可见，崩塌灾害的破坏模式与规模相关度不大.

图5 近10年不同规模岩质崩塌灾害中不同破坏模式灾害数量占比统计图

1.3 不同坡度崩塌灾害破坏模式

将近10年岩质崩塌灾害所在坡体坡度分为3类，即45°～60°、60°～75°、75°～90°，其中坡度>60°的坡体称之为陡坡.北京近10年约86%的岩质崩塌灾害发生在陡坡.通过统计不同坡度范围内岩质崩塌灾害破坏模式得出不同坡度范围内的岩质崩塌灾害的破坏模式均以滑移式为主，占比均大于60%，其次为坠落式和倾倒式(图6).由此可见，崩塌灾害的破坏模式与坡度相关度不大.

图6 近10年不同坡度岩质崩塌灾害中不同破坏模式灾害数量占比统计图

1.4 不同坡体类型崩塌灾害破坏模式

坡体按岩层倾向与坡向的关系可分为顺向坡、反向坡、切向坡和直立坡.当岩层走向与坡向垂直，如果岩层产状>80°，则为直立斜坡；除此之外，倾向与坡向夹角<30°，则为顺向坡，反之为反向坡.除上述情况外，岩层走向与坡向相交为切向坡.通过选取近10年数据相对完整的100起岩质灾害，统计得出不同坡体类型(按岩层倾向与斜坡的关系分类)的破坏模式均以滑移式为主，占比均大于70%，其次为坠落式和倾倒式(图7).由此可见，崩塌灾害的破坏模式与岩层倾向和斜坡坡向相关度不大.

图7 近10年不同坡体岩质崩塌灾害中不同破坏模式灾害数量占比统计图

1.5 结构面与崩塌灾害破坏模式

1.5.1 门头沟区王平镇南港村崩塌灾害

2013年10月16日，门头沟区王平镇南港村某房屋西侧边坡发生崩塌，方量约50 m3，造成了5 m干砌石挡墙、20 m2防护网和1个警示牌损坏[4].该崩塌所在坡体坡高10 m、坡向232°、坡度约90°；发育3组结构面，分别为岩性产状218°∠12°、节理产状152°∠64°、42°∠87°.结构面将岩体切割成块体，危岩沿着垂直结构面发生转动性倾倒，从而发生倾倒式崩塌(图8).

图8 2013-10-16门头沟区王平镇南港村崩塌灾害

1.5.2 滦赤路K135+300 m处崩塌灾害

2017年6月23日，S309(滦赤路)K135+300 m处发生崩塌，方量约2 000 m3，造成了50 m长的浆砌石挡墙和道路损坏[5].该崩塌所在坡体坡向355°、坡度58°，发育3组结构面分别为岩性产状355°∠58°、节理产状90°∠55°、135°∠42°.岩层层面与节理面彼此交切，将岩体切割成破碎的块石，危岩沿着结构面剪出，从而发生滑移式崩塌(图9).

图9 2017-06-23 滦赤路K135+300 m处崩塌灾害

1.5.3 滦赤路K107+100 m处崩塌灾害

2020年7月3日，滦赤路K107+100 m处发生崩塌，方量约200 m3，造成了30 m道路路肩、钢索护栏和路下方步行栈道受损[6].该崩塌所在坡体坡向190°、坡度70°，主要发育3组结构面，分别为岩性产状105°∠20°、节理产状175°∠80°、245°∠60°.结构面将岩体切割成块体，危岩下方悬空以自由落体形式脱离母体，从而形成坠落式崩塌(图10).

图10 2020-07-03 滦赤路K107+100 m处崩塌灾害

由上述案例和野外调查经验可知，崩塌灾害的发生应至少存在3组结构面，其中倾倒式崩塌一般存在反倾结构面，滑移式崩塌一般存在与坡向相近的连续性结构面，坠落式崩塌一般存在近水平和近垂直的结构面.

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2 裂隙水压力阈值研究

通过统计分析得出，崩塌灾害为北京市突发地质灾害数量最多的灾害类型，物质组成主要为岩质，破坏模式主要以滑移式为主，诱发因素主要为降雨，因此选取降雨型滑移式岩质崩塌作为研究对象，对其裂隙水压力阈值进行研究.

2.1 计算方法

计算方法参照《崩塌防治工程勘查规范(试行)》[7]，结合北京实际情况，提出如下公式：

1)后缘无陡倾裂隙的滑移式危岩稳定性计算公式如下：

(1)

式中：F为危岩稳定安全系数；G为危岩的重量，kN/m；QV为危岩的竖向地震荷载，kN/m；Qh为危岩的水平地震荷载，kN/m；θ为滑面倾角，(°)；U为滑面裂隙贯通段水压力，kN/m；φ为滑面内摩擦角,(°)；c为滑面黏聚力，kPa；L为滑面长度，m.

2)滑面已贯通的降雨型滑移式危岩稳定性计算参照式(1)，结合北京实际，将QV和Qh取值0，即

(2)

3)滑面已贯通的降雨型滑移式危岩滑面裂隙水压力阈值的计算根据式(2)，当危岩在天然工况或暴雨工况下，处于失稳临界状态时，F取值1.00.危岩滑坡裂隙水压力阈值

(3)

2.2 阈值的计算

2.2.1 参数的选取

1)崩塌破坏模式.北京市崩塌灾害破坏模式主要以滑移式为主，为简化计算过程，选取后缘无陡峭裂隙的滑移式崩塌为计算对象.

2)坡体岩性.北京市崩塌灾害所在坡体岩性主要为砂砾岩、白云岩、花岗岩、片麻岩、灰岩和凝灰岩，因此选取坡体岩性为砂岩的崩塌为例进行计算.参照《工程地质手册》(第四版)表3-1-41～43[8]，取值为天然密度2.40 g/cm3、黏聚力2 kPa、内摩擦角70°.

3)崩塌体积.北京市滑移式岩质崩塌灾害中规模小于100 m3的灾害占比约8成，因此选取体积分别为20、50、100、150、200 m3规模相对较小的情况进行计算.

4)滑面长度.根据北京崩塌灾害发生情况及野外经验，选取滑坡滑面长度为50 m进行计算.

5)滑面倾角.选取滑面倾角50°、60°、70°为代表开展计算.

6)工况和稳定系数.北京市崩塌灾害主要发生在暴雨工况下，因此计算时未考虑地震荷载，稳定系数取值为1.0.

2.2.2 计算结果

根据式(3)和上述参数对岩性为砂岩的滑移式崩塌在天然和暴雨工况下失稳的孔隙水压力阈值进行计算(图11、图12).由图中可看出:

图11 不同体积和不同滑动面倾角的滑移式砂岩崩塌孔隙水压阈值计算结果散点图

图12 滑动面倾角为70°的不同体积砂岩崩塌孔隙水压阈值计算结果散点图

1)滑面倾角越大，体积-水压力趋势线的斜率越小，说明随着滑动面倾角的增大，体积对危岩体失稳所需的裂隙水压力敏感性越小.

2)在同等条件下，滑面倾角越大，裂隙水压力阈值越小.

3)当滑动面倾角≥70°时，危岩体体积越大，裂隙水压力阈值越小，说明此时危岩体的重力在其失稳情况下贡献率更大.

3 结论

1)通过对近10年北京崩塌灾害的统计，得出北京崩塌灾害类型主要为小型岩质崩塌，破坏模式主要为滑移式，诱发因素主要为降雨.

2)对崩塌灾害规模以及所在坡体的岩性、坡度、坡体类型以及发育的结构面和不同破坏模式进行统计分析，得出崩塌灾害破坏模式主要与其所在坡体发育的结构面产状密切相关.

3)式(3)适用于北京市的降雨型滑移式岩质崩塌裂隙水压力阈值计算.

崩塌灾害是北京市发生数量最多的突发地质灾害类型，为北京市地灾防治工作的重点.因崩塌突发性强，且与降雨中度相关，从统计学的角度或者临界雨量开展预警的准确度较低.北京崩塌灾害发生的主控因素为结构面，诱发因素主要为降雨，因而从崩塌灾害发生的机理入手，开展裂隙水压研究将是崩塌灾害精准预警重要方向之一.