花岗岩边坡孤石失稳致灾成因研究

周明文，李文俊，孙翰卿，许 龙

（1、广州市设计院集团有限公司 广州 510620；2、华南理工大学土木与交通学院 广州 510640；3、广州建筑股份有限公司 广州 510030；4、广东省有色矿山地质灾害防治中心 广州 510080）

0 引言

孤石是花岗岩地区边坡上部的花岗岩块石在长期风化作用下形成的风化球［1］，广泛分布于我国华南沿海地区，其中以广东、福建最为丰富。孤石在降雨等其它因素影响下极易发生失稳滚落，诱发崩塌落石灾害。据统计，2016～2020 年期间，广东省共发生地质灾害1 152 起，其中：滑坡389 起、崩塌落石702 起、泥石流15 起、地面塌陷38 起、地面沉降6 起、地裂缝2起，崩塌落石灾害占比高达60.9%。

孤石滚落诱发的落石灾害具有突发性和难以预测性［2］，对影响范围内的基础设施及房屋建筑造成严重威胁。揭示边坡孤石的致灾成因是落石灾害预警预测的基础，对保护人民群众生命财产安全具有重要的意义。

国内外学者对落石灾害方面开展了大量研究。黄润秋等人［3］利用正交试验理论分析了对不同形状及质量的块石运动特征；唐红梅等人［4］通过研究危岩体的运动过程提出落石的运动轨迹计算方程；叶四桥等人［5］研究了落石的弹跳模式与滚动模式对运动参数的影响；黄润秋等人［6］设计了利用平台消减落石的冲击能量，并进行了落石停积作用的相关试验；GRUBER 等人［7］认为气候变化是导致落石灾害的原因之一，并建立了包含气温变量的灾害预测模型；许丹丹［8］优化了落石灾害相关的防护措施；KNOFLACH 等人［9］证实了热效应对岩面不稳定性的重要性；戎泽鹏等人［10-11］利用Rockfall 软件对孤石滚落路径、速度、能量进行数值模拟；黄剑宇等人［12］使用无人机对地灾现场进行倾斜摄影得到现场三维地形图；叶阳等人［13］采用了实验与三维建模结合的方法揭示了落石的损伤破碎。

综上所述，国内外关于落石灾害的研究主要集中于分析岩石块体失稳滚落后的运动轨迹与防护措施方面，而关于孤石失稳致灾影响因素的相关研究成果较少，特别缺乏孤石滚落原因相关的工程地质调查工作。

本文以广州某边坡孤石综合治理工程为依托，开展边坡孤石工程地质调查，揭示了孤石失稳滚落的内、外在影响因素，对孤石致灾的预警预测提供理论基础与技术保障。

1 工程概况

2018年受到台风‘艾云尼’带来的暴雨影响，广州市黄埔区某住宅后山出现多处山体崩塌地质灾害，后山边坡顶部部分孤石崩滑如图1所示。

该边坡原先为人工采石场，开挖形成高60～90 m、坡度为60°～75°的高陡边坡。边坡上覆岩土体主要为第四系花岗岩残积土与风化花岗岩。根据现场调查，降雨汇水已经在天沟下方坡面上形成5条冲沟，如图2所示，其中冲沟1～冲沟3内土体出现松动；冲沟4由于雨水冲刷，坡面上原有残坡积和全、强风化层已被冲刷干净，基本裸露出中风化基岩，基岩顶部孤石堆叠；冲沟5 调查期间虽未发现明显变形迹象，但通过对比地形及降雨汇水情况分析，该处沟谷存在被降雨汇水冲刷而导致土体失稳形成如冲沟1～冲沟3 的可能。上述冲沟的形成主要是由于现有天沟缺少维护保养致使山坡上排水系统未能起到应有作用。

图2 降雨汇水形成冲沟相对位置示意图Fig.2 Schematic Diagram of the Relative Position of Gully Formation Due to Rainwater Convergence

2 地质灾害成因分析

根据崩塌的现状特征与边坡体变形特点分析，结合工程的现场勘察情况，可将地质灾害的成因可分为内在因素与外部因素两类。内在因素与勘查区环境地质条件及自身特点有关，主要包括边坡所在地的地形地貌、工程地质岩组合、水文地质条件；外在因素主要为强降雨与外力作用。

2.1 内在因素

2.1.1 地形地貌

某住宅后山所属的地貌单元类型为剥蚀构造低山残丘，+190 m标高以下大部分为前期采石场开挖形成的陡坡和陡崖，坡度60°～75°，陡峭地形为孤石和危岩提供的势能对坡脚居民及其人身财产安全威胁最大。190 m 标高以上为自然山坡，坡度20°～40°，地形总体上缓下陡。

该地形地貌形成的冲沟十分有利于降雨的汇水排水［14］，强降雨在短时间内可以形成坡面洪流冲刷，使得花岗岩孤石逐渐出露，稳定性降低，最终在短时间的强降雨作用下失稳滚落发生落石灾害。

2.1.2 工程地质岩组组合

该后山属于块状较硬或坚硬侵入岩组，后山山坡上出露的岩土体主要为第四系花岗岩残坡积土层和全、强风化岩层，由于风化作用节理裂隙发育，加之花岗岩体中原生结构面的发育，岩土层间往往软硬相间易形成软弱结构面，加之花岗岩残坡积土和风化土都有遇水易软化崩解，物理力学性质变差、土体抗剪强度变低的特性［15］，为崩塌、滑坡的发生提供了有力的物质条件，遇上雨季则易在土体自重和雨水冲刷作用下沿节理裂隙面向下滑动形成灾变。

而在陡崖上出露的中风化基岩中，3 组优势节理裂隙在岩质边坡顶部局部集中如图3 所示，对岩质边坡的整体性造成一定程度不利影响。

图3 勘查期间所摄悬崖顶部节理裂隙情况Fig.3 Conditions of the Joint Cracks at the Cliff Top Captured During the Investigation Period

2.1.3 水文地质条件

勘查区地下水径流方向与地形倾斜方向基本一致，这对边坡稳定性造成不利影响［16］。勘查区内基岩裂隙水水位埋深均较深且不同地段岩土层结构不同，不同区域地下水对边坡稳定性造成的不利影响机制不同，主要存在以下两种情况：①残坡积层和全、强风化层厚度不大以及地下水水位埋深不深的情况。在天沟附近勘探线线附近地下水水位埋深较其他区浅，有些地段中风化基岩裸露，在强降雨期间，其水位会迅速上升，在水位上升至地表后，其后降雨汇水会直接冲刷坡面，且上升的地下水会对地表的残坡积层和全、强风化层的物理力学性质造成不利影响，加剧降雨汇水对边坡的不利影响，同时急剧上升的地下水，其水压对出露于陡崖上岩质边坡顶部危岩体的稳定性造成一定程度不利影响。②现有天沟以上部分，地下水水位埋深深，上覆的残坡积层和全、强风化层厚度大，在降雨致使地表残坡积层饱和，由于其不能迅速垂直入渗补给基岩裂隙水，松散岩类孔隙水的水位也会迅速上升至地表，此后降雨汇水会迅速冲刷坡面，汇合松散岩类孔隙水对坡体上松散层进行冲刷，导致坡体不稳，部分地段会因降雨和地下水作用形成崩塌、滑坡地质灾害，这可从山体上有位于天沟附近的两处崩塌得到验证，如图4所示，而此二处崩塌所处位置的最终发展形态就是现有天沟下方坡体现有情况，即残坡积层冲刷干净，地表孤石堆叠。

图4 天沟下方发现的冲沟3及其附近堆存的孤石Fig.4 Gully 3 Discovered Below the Sky Gutter and the Isolated Boulders Piled Nearby

2.2 外在因素

2.2.1 强降雨

根据大量的现场地质调查，崩塌大多发生在强降雨之后。据统计，70%以上的崩塌落石灾害均发生在雨季［17］。广州属于南亚热带季风气候，雨量充沛。本文收集该地质灾害前10年广州市黄埔区的降雨统计资料，如图5所示。广州市黄埔区降雨量丰沛，但年际变化大，年降雨量在1 370.1～2 353.6 mm 之间，平均年降雨量1 954.0 mm。勘察区10年间每月的平均降雨量如图6所示，该落石灾害发生在全年降雨最多的6月。

图5 勘查区2007～2017年降雨量Fig.5 Rainfall Chart for the Survey Area from 2007 to 2017

图6 勘查区2007～2017年月平均降雨量Fig.6 Monthly Average Rainfall Chart for the Survey Area from 2007 to 2017

根据现场勘察分析强降雨主要产生以下3个方面的影响：

⑴强降雨带来的坡面汇流对坡面长期冲刷，每年雨季过后坡底排水沟中需清走几车泥砂，说明降雨汇流会带走坡体中颗粒，对坡体表层土体稳定造成不利影响，同时汇流淘蚀位于浅层土体中的孤石基底，对孤石的稳定性也会造成不利影响。

⑵降雨常年冲刷坡面形成汇流冲沟，加剧了降雨对坡面土体稳定性的影响，冲沟及其附近土体和土体中的孤石的稳定性基本处于极限状态，在降雨作用下极可能诱发地质灾害。

⑶降雨对不同区域地下水补给时效差别，对勘查区地质灾害诱发模式也不尽相同。由于残坡积和全、强风化层总体厚度较厚以及地下水水位埋深较深，降雨补给地下水速度慢，对地质灾害的诱发主要体现在对土体物理力学性质的降低。在现有天沟附近及其下方，由于地表残坡积层和全、强风化层较薄或区域基岩裸露，加之地下水水位埋深较浅，降雨补给地下水速度快。

降雨对地质灾害的诱发主要体现在以下两个方面：①地下水水位急剧变化带来的水压力变化对危岩和浅层土体稳定性都会带来不利影响；②地下水水位急剧变化会加剧降雨冲刷带来的不利影响［18］。其中冲沟1 中孤石由于该台风引起的强降雨影响，发生失稳才会出现2018 年6 月8 日所发生落石灾害，而另外两处冲沟中孤石也存在此种迹象。发生落石后的边坡变形迹象图如图7 所示；而现有天沟上方出现的两处崩塌地质灾害，说明该地段在降雨和地下水作用下正在朝着天沟下方的情况发育。

图7 落石后冲沟1附近坡体上变形迹象Fig.7 Signs of Deformation on the Slope Near Gully 1 after the Rockfall

因此降雨是引发落石的重要因素，勘查区地质灾害治理工作必须做好完善的地表截排水措施和深部、浅部地下水泄水工作，方能最终解决降雨的不利作用。

2.2.2 外力作用

落石多发生在陡峭的斜坡上，在风化作用影响下，岩石力学强度削弱，重力作用使有岩体吸引到地面的趋势［19］，在受到动荷载如降雨、地震作用等作用下，导致岩石内部结构面的强度降低，促使岩体内应力释放，产生新的结构面，并使原本存在的裂隙更加发育，多次位移的积累下，限制孤石位移的土体剪切强度降低，最终导致土体破坏，从而导致孤石失稳并发生滚落。在本次落石灾害中，共有3 颗孤石失稳并滚落造成了对周边建筑物的损害，1 号孤石尺寸为1.4 m×2.0 m×0.85 m，重约6 t，将路灯撞歪；2号孤石尺寸为2.4 m×1.0 m×1.3 m，重约8 t，撞击住宅楼主体结构，造成墙体变形，钢筋裸露；3 号孤石尺寸为4.2 m×2.6 m×3.0 m，重约70～80 t，击穿坡脚挡土墙后，将被动防护网拉倒，破坏坡脚住宅楼风井处剪力墙，造成墙体混凝土碎裂，主筋暴露，墙体歪曲变形，如图8所示。

图8 3号崩落孤石Fig.8 Weathered Sphere No.3

因此孤石的外力作用也是影响其失稳的因素之一，对于过大重量的孤石，应当采取防护措施如设置平台、拦石网等。

3 结论

本文根据广州某小区后山边坡孤石失稳导致的崩塌落石灾害进行了详细的工程地质调查，并分析孤石失稳的内外在影响因素，得到以下结论：

⑴孤石失稳的内在因素包括地形地貌、工程地质岩组组合、水文地质条件。地形地貌表现在华南地区地形地貌大多为低山残丘，该地形极易形成冲沟，有利于降雨时对地表水的汇水与排水；工程地质岩组组合体现于华南地区大多为花岗岩残积土层与中、强风化花岗岩，其力学性质较差，且在风化作用下促进节理裂隙发育，遇到强降雨时土体极易发生失稳从而导致孤石滚落；水文地质条件主要是地下水径流方向与地形倾斜方向基本一致将导致强降雨时水冲刷坡面对表面残积土造成不利影响进一步加剧孤石的失稳。

⑵ 孤石失稳的外在因素包括强降雨与外力作用。在强降雨这种极端气候下，雨水除起冲刷作用外，其本身具有静水压力及动水压力，加速边坡土体的失稳以及加大对孤石的侧向动荷载，造成孤石的失稳滑落；外力作用是由于在风化作用影响下，孤石的力学性质削弱，且重力作用使孤石有向地面运动的趋势，在动荷载如降雨及地震作用等共同作用下会引起土体的松动并形成落石灾害。