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

(北京市地質災害防治研究所，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，其中山區面積約占62%.地勢西北高東南低，最高峰東靈山海拔2 303 m；最低點在通州區柴廠屯一帶，海拔8 m.西部山區屬太行山余脈，由一系列北東走向大致平行排列的山脈組成.北部山區屬燕山山脈，山間鑲嵌著若干山間盆地，地勢自南向北呈階梯狀增高，最后進入內蒙古高原.大地構造位置處于中朝準地臺燕山臺褶帶中段以及華北斷坳之西北隅.自太古代以來，經歷了多次構造變動和多階段多旋回的地質構造演化.出露地層屬華北地層分區，除普遍缺失震旦系、奧陶系上統、志留系、泥盆系、石炭系下統、白堊系上統及第三系古新統外，從太古界的古老變質巖系至第四系各時代地層出露良好[1].北京的氣候為暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候，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控制，6月至9月受海洋暖濕氣團的影響.降水主要集中在夏季，占全年的7至8成，常出現暴雨，由此引發崩塌、滑坡、山洪、泥石流等地質災害.據近十年數據統計，北京共發生突發地質災害338起，其中崩塌占比約86%，造成公路交通設施、居民家庭財產等受損.2012年7月9日，門頭溝區G109國道發生危巖體崩落，方量僅10 m3，砸中一輛正在行駛的貨車，致司機重傷，見圖1[2]；2016年8月5日，房山區霞云嶺鄉莊戶臺村發生崩塌，方量9 500 m2，17間房屋受損(其中掩埋7間)，見圖2[3].因此，崩塌災害防治被北京市政府列為地質災害防治工作的重點.為有效開展崩塌災害防治工作，實現崩塌災害精準預警尤為重要，但因其具有突發性，預警難度仍為突發地質災害防治工作的難點.基于此，從其破壞模式及力學層面入手，開展崩塌災害裂隙水壓閾值初步研究.

圖1 2012-07-09門頭溝區G109國道崩塌災害

圖2 2016-08-05房山區霞云嶺鄉莊戶臺村崩塌災害

1 崩塌災害破壞模式

據近十年數據統計，北京發生崩塌災害的規模均為小型；物質組成以巖質為主，占比88%；自然動力成因主要為降雨；人工動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 不同巖性崩塌災害破壞模式

北京崩塌災害主要發生的坡體巖性為砂礫巖、白云巖、花崗巖、片麻巖、灰巖和凝灰巖.通過統計不同巖性崩塌災害破壞模式得出，除巖性為花崗巖的崩塌災害外，其他巖性崩塌災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(見圖3、圖4).因此，通過上述統計并結合實踐可得出崩塌災害的破壞模式與其所在坡體巖性相關度不大.

圖3 近十年發生在不同巖性和不同破壞模式的崩塌災害數量統計圖

圖4 近十年發生在不同巖性的崩塌災害不同破壞模式災害數量占比統計圖

1.2 不同規模崩塌災害破壞模式

將近十年巖質崩塌災害規模分為6類：≥1萬m3，0.5～1萬 m3，0.1～0.5萬 m3，0.05～0.1萬 m3，0.01～0.05萬 m3，<0.01萬 m3.通過統計不同規模范圍內巖質崩塌災害破壞模式得出不同規模巖質崩塌災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，崩塌災害的破壞模式與規模相關度不大.

圖5 近10年不同規模巖質崩塌災害中不同破壞模式災害數量占比統計圖

1.3 不同坡度崩塌災害破壞模式

將近10年巖質崩塌災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%的巖質崩塌災害發生在陡坡.通過統計不同坡度范圍內巖質崩塌災害破壞模式得出不同坡度范圍內的巖質崩塌災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，崩塌災害的破壞模式與坡度相關度不大.

圖6 近10年不同坡度巖質崩塌災害中不同破壞模式災害數量占比統計圖

1.4 不同坡體類型崩塌災害破壞模式

坡體按巖層傾向與坡向的關系可分為順向坡、反向坡、切向坡和直立坡.當巖層走向與坡向垂直，如果巖層產狀>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.通過選取近10年數據相對完整的100起巖質災害，統計得出不同坡體類型(按巖層傾向與斜坡的關系分類)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，崩塌災害的破壞模式與巖層傾向和斜坡坡向相關度不大.

圖7 近10年不同坡體巖質崩塌災害中不同破壞模式災害數量占比統計圖

1.5 結構面與崩塌災害破壞模式

1.5.1 門頭溝區王平鎮南港村崩塌災害

2013年10月16日，門頭溝區王平鎮南港村某房屋西側邊坡發生崩塌，方量約50 m3，造成了5 m干砌石擋墻、20 m2防護網和1個警示牌損壞[4].該崩塌所在坡體坡高10 m、坡向232°、坡度約90°；發育3組結構面，分別為巖性產狀218°∠12°、節理產狀152°∠64°、42°∠87°.結構面將巖體切割成塊體，危巖沿著垂直結構面發生轉動性傾倒，從而發生傾倒式崩塌(圖8).

圖8 2013-10-16門頭溝區王平鎮南港村崩塌災害

1.5.2 灤赤路K135+300 m處崩塌災害

2017年6月23日，S309(灤赤路)K135+300 m處發生崩塌，方量約2 000 m3，造成了50 m長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°，發育3組結構面分別為巖性產狀355°∠58°、節理產狀90°∠55°、135°∠42°.巖層層面與節理面彼此交切，將巖體切割成破碎的塊石，危巖沿著結構面剪出，從而發生滑移式崩塌(圖9).

圖9 2017-06-23 灤赤路K135+300 m處崩塌災害

1.5.3 灤赤路K107+100 m處崩塌災害

2020年7月3日，灤赤路K107+100 m處發生崩塌，方量約200 m3，造成了30 m道路路肩、鋼索護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°，主要發育3組結構面，分別為巖性產狀105°∠20°、節理產狀175°∠80°、245°∠60°.結構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處崩塌災害

由上述案例和野外調查經驗可知，崩塌災害的發生應至少存在3組結構面，其中傾倒式崩塌一般存在反傾結構面，滑移式崩塌一般存在與坡向相近的連續性結構面，墜落式崩塌一般存在近水平和近垂直的結構面.

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2 裂隙水壓力閾值研究

通過統計分析得出，崩塌災害為北京市突發地質災害數量最多的災害類型，物質組成主要為巖質，破壞模式主要以滑移式為主，誘發因素主要為降雨，因此選取降雨型滑移式巖質崩塌作為研究對象，對其裂隙水壓力閾值進行研究.

2.1 計算方法

計算方法參照《崩塌防治工程勘查規范(試行)》[7]，結合北京實際情況，提出如下公式：

1)后緣無陡傾裂隙的滑移式危巖穩定性計算公式如下：

(1)

式中：F為危巖穩定安全系數；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為滑面內摩擦角,(°)；c為滑面黏聚力，kPa；L為滑面長度，m.

2)滑面已貫通的降雨型滑移式危巖穩定性計算參照式(1)，結合北京實際，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算根據式(2)，當危巖在天然工況或暴雨工況下，處于失穩臨界狀態時，F取值1.00.危巖滑坡裂隙水壓力閾值

(3)

2.2 閾值的計算

2.2.1 參數的選取

1)崩塌破壞模式.北京市崩塌災害破壞模式主要以滑移式為主，為簡化計算過程，選取后緣無陡峭裂隙的滑移式崩塌為計算對象.

2)坡體巖性.北京市崩塌災害所在坡體巖性主要為砂礫巖、白云巖、花崗巖、片麻巖、灰巖和凝灰巖，因此選取坡體巖性為砂巖的崩塌為例進行計算.參照《工程地質手冊》(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、內摩擦角70°.

3)崩塌體積.北京市滑移式巖質崩塌災害中規模小于100 m3的災害占比約8成，因此選取體積分別為20、50、100、150、200 m3規模相對較小的情況進行計算.

4)滑面長度.根據北京崩塌災害發生情況及野外經驗，選取滑坡滑面長度為50 m進行計算.

5)滑面傾角.選取滑面傾角50°、60°、70°為代表開展計算.

6)工況和穩定系數.北京市崩塌災害主要發生在暴雨工況下，因此計算時未考慮地震荷載，穩定系數取值為1.0.

2.2.2 計算結果

根據式(3)和上述參數對巖性為砂巖的滑移式崩塌在天然和暴雨工況下失穩的孔隙水壓力閾值進行計算(圖11、圖12).由圖中可看出:

圖11 不同體積和不同滑動面傾角的滑移式砂巖崩塌孔隙水壓閾值計算結果散點圖

圖12 滑動面傾角為70°的不同體積砂巖崩塌孔隙水壓閾值計算結果散點圖

1)滑面傾角越大，體積-水壓力趨勢線的斜率越小，說明隨著滑動面傾角的增大，體積對危巖體失穩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)當滑動面傾角≥70°時，危巖體體積越大，裂隙水壓力閾值越小，說明此時危巖體的重力在其失穩情況下貢獻率更大.

3 結論

1)通過對近10年北京崩塌災害的統計，得出北京崩塌災害類型主要為小型巖質崩塌，破壞模式主要為滑移式，誘發因素主要為降雨.

2)對崩塌災害規模以及所在坡體的巖性、坡度、坡體類型以及發育的結構面和不同破壞模式進行統計分析，得出崩塌災害破壞模式主要與其所在坡體發育的結構面產狀密切相關.

3)式(3)適用于北京市的降雨型滑移式巖質崩塌裂隙水壓力閾值計算.

崩塌災害是北京市發生數量最多的突發地質災害類型，為北京市地災防治工作的重點.因崩塌突發性強，且與降雨中度相關，從統計學的角度或者臨界雨量開展預警的準確度較低.北京崩塌災害發生的主控因素為結構面，誘發因素主要為降雨，因而從崩塌災害發生的機理入手，開展裂隙水壓研究將是崩塌災害精準預警重要方向之一.