汶川地震區(qū)映秀—臥龍公路邊坡崩塌類型的赤平投影解法

王孝健，蘇生瑞，成良霞

（長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引言

汶川地震引起震區(qū)公路大量邊坡巖體的震裂和松動(dòng)，在后期余震、降雨及重力作用下極易發(fā)生崩塌，給過往行人和車輛造成安全隱患。并且山區(qū)公路地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)崩塌災(zāi)害的調(diào)查周期較長(zhǎng)，所以對(duì)邊坡崩塌類型進(jìn)行快速判別方法的研究是非常有必要的。

利用赤平投影圖解方法來分析邊坡穩(wěn)定性已取得了不少成果，陳祖煜等［1］對(duì)邊坡失穩(wěn)模式的探討分析中充分利用赤平投影并且開發(fā)成YCW軟件；孫玉科等［2］最早利用赤平投影圖解法三維空間力系問題從而更精確地分析邊坡巖體的穩(wěn)定性；蘇生瑞等［3］通過詳細(xì)介紹赤平投影的原理以及幾何作圖應(yīng)用，并探討如何利用一組結(jié)構(gòu)面以及兩組結(jié)構(gòu)面在赤平投影圖解中的關(guān)系判別邊坡的穩(wěn)定性；王立人等［8］、盧達(dá)［9］、吳紹強(qiáng)等［10］利用赤平投影進(jìn)行實(shí)際工程的穩(wěn)定性分析并通過定量分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。而關(guān)于運(yùn)用赤平投影圖解方法來判定崩塌類型的研究甚少，尤其是在震后公路邊坡發(fā)生崩塌的類型確定上。鑒于此，在地震力的影響下，通過選取震后公路巖質(zhì)邊坡控崩結(jié)構(gòu)面并利用赤平投影圖解方法對(duì)其進(jìn)行分析，結(jié)合工程地質(zhì)條件分析，得出不同崩塌類型的赤平投影圖解判據(jù)，并將判據(jù)應(yīng)用于震后映秀—臥龍公路K0+650～K44+068段邊坡典型崩塌，得出的崩塌類型與實(shí)際相符，為震后公路邊坡崩塌類型進(jìn)行快速判別提供了理論指導(dǎo)。

1 控崩結(jié)構(gòu)面的選取

震后公路巖質(zhì)邊坡中，邊坡崩塌主要受結(jié)構(gòu)面的控制，它們相互之間的空間分布位置、組合關(guān)系（包括震后邊坡或邊坡臨空面的產(chǎn)狀）和結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)性質(zhì)等，對(duì)震后公路邊坡崩塌的形成起著至關(guān)重要的作用［2］。巖質(zhì)邊坡中由于受到構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響往往發(fā)育著多組結(jié)構(gòu)面，在地震力影響下產(chǎn)生多組次生結(jié)構(gòu)面。控崩結(jié)構(gòu)面指的是形成崩塌的一組或兩組主控結(jié)構(gòu)面，就震后公路邊坡發(fā)生崩塌類型而言，控崩結(jié)構(gòu)面起著至關(guān)重要的作用。在分析震后崩塌類型時(shí)，往往選取一條或一組結(jié)構(gòu)面作為震后崩塌的控崩結(jié)構(gòu)面，通過分析結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面的的空間關(guān)系可以確定崩塌的類型。

控崩結(jié)構(gòu)面的選取原則如下：

（1）對(duì)于發(fā)育多組結(jié)構(gòu)面的震后公路邊坡，選取延伸最長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)面作為控崩結(jié)構(gòu)面。

（2）從野外定性描述中分析，應(yīng)選擇剪或張節(jié)理中充填有粘土礦物等弱礦物或者風(fēng)化程度高的巖體碎屑物質(zhì)的一條結(jié)構(gòu)面作為控崩結(jié)構(gòu)面，并且延伸較長(zhǎng)。

（3）在多組結(jié)構(gòu)面組合交線中，由兩條結(jié)構(gòu)面組合交線與邊坡臨空面形成的塊狀結(jié)構(gòu)體體積最大，此時(shí)將這兩條結(jié)構(gòu)面作為控崩結(jié)構(gòu)面組。

選取控崩結(jié)構(gòu)面應(yīng)結(jié)合邊坡的工程地質(zhì)條件，往往巖性不同對(duì)選取控崩結(jié)構(gòu)面的影響很大。巖漿巖中宜選取一條延伸最長(zhǎng)并充填弱礦物或風(fēng)化程度低的物質(zhì)作為控崩結(jié)構(gòu)面，這是由于巖漿巖結(jié)構(gòu)主要以塊狀結(jié)構(gòu)為主，塊狀結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡的結(jié)構(gòu)面從成因類型來看可以分為兩類：一類屬于原生節(jié)理裂隙，其在巖體中分布比較均勻，延伸較長(zhǎng)，有一定的連續(xù)性，巖體容易被原生大裂隙切割，形成的結(jié)構(gòu)體塊度大，易于保存；另一類是構(gòu)造節(jié)理裂隙，它們是由于巖體受構(gòu)造力作用發(fā)生變形破裂時(shí)形成的，因而系統(tǒng)性比較分明，連續(xù)性也比較強(qiáng)。沉積巖中層理發(fā)育，宜選取結(jié)構(gòu)面與層理呈平行或者交角較小的一條或兩條結(jié)構(gòu)面作為控崩結(jié)構(gòu)面，這主要是由于當(dāng)沉積巖中控崩結(jié)構(gòu)面一旦貫通無膠結(jié)的巖塊極易形成崩塌。變質(zhì)巖中由于變質(zhì)作用的強(qiáng)弱程度不同，在選取控崩結(jié)構(gòu)面應(yīng)充分結(jié)合野外調(diào)查資料，宜選取與片理交角較小或近乎垂直的結(jié)構(gòu)面作為控崩結(jié)構(gòu)面。

2 控崩結(jié)構(gòu)面的赤平投影分析

巖質(zhì)邊坡發(fā)生崩塌的類型按崩塌體在坡面的運(yùn)動(dòng)形式可以歸納為：滑移式、傾倒式和墜落式［4］。研究震后公路邊坡發(fā)生崩塌的類型，重點(diǎn)是分析控崩結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面的關(guān)系。因兩者在空間三維中研究過于復(fù)雜，故轉(zhuǎn)為二維平面利用赤平投影圖解方法來分析，再將結(jié)果用于崩塌類型的確定，進(jìn)行驗(yàn)證，即通過已選取的控崩結(jié)構(gòu)面，結(jié)合震后邊坡工程地質(zhì)條件，利用控崩結(jié)構(gòu)面的赤平投影圖解確定崩塌類型。

2.1 單組控崩結(jié)構(gòu)面赤平投影分析

選取出單組控崩結(jié)構(gòu)面時(shí)，考慮其與邊坡臨空面的赤平投影分析，結(jié)合邊坡工程地質(zhì)條件判定震后公路邊坡崩塌類型。

（1）滑移式崩塌：滑移式崩塌是指失穩(wěn)巖體沿已有的層面或其它結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移，一旦崩塌體重心滑出坡外，就會(huì)形成崩塌［4，6］。由于是單組控崩結(jié)構(gòu)面控制，如圖1（a）所示，結(jié)構(gòu)面傾向與邊坡臨空面傾向一致，傾角略小于坡角，在層狀結(jié)構(gòu)、板狀結(jié)構(gòu)發(fā)育的巖質(zhì)邊坡中易發(fā)生滑移式崩塌。

（2）墜落式崩塌：墜落式崩塌在層狀結(jié)構(gòu)或塊狀結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡中都可以發(fā)生，但大多數(shù)發(fā)生在坡度較陡的邊坡中，并且在邊坡坡腳處出現(xiàn)由于人工開挖、地震力破壞以及風(fēng)化剝蝕等外營(yíng)力作用影響下而形成的凹腔［4，7］。這種類型的崩塌在沉積巖、變質(zhì)巖和巖漿巖區(qū)出現(xiàn)的可能性都有，主要取決于巖質(zhì)邊坡中的裂隙發(fā)育程度以及結(jié)構(gòu)體的被切割程度。如圖1（b）所示，結(jié)構(gòu)面傾向與邊坡臨空面傾向一致，傾角遠(yuǎn)大于坡角，在塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)完整性較好的巖漿巖中較易發(fā)生墜落式崩塌。

圖1 單組控崩結(jié)構(gòu)面赤平投影圖Fig.1 Stereographic projection of one structural surface con trolling collapse

（3）傾倒式崩塌：傾倒變形通常是指走向與坡面近于平行的陡傾層狀巖體（或被平行邊坡臨空面的卸荷裂隙分割的巖體）發(fā)生的向坡外的彎曲變形［4，8］。如圖 1（c）所示，當(dāng)控崩結(jié)構(gòu)面的傾角較大時(shí)，且傾向坡內(nèi)時(shí)，在平緩結(jié)構(gòu)面的共同作用下，易發(fā)生傾倒式崩塌。

2.2 兩組以上控崩結(jié)構(gòu)面赤平投影分析

當(dāng)邊坡中發(fā)育有多組結(jié)構(gòu)面時(shí)，應(yīng)依據(jù)控崩結(jié)構(gòu)面選取原則，選取兩組（含）以上典型的結(jié)構(gòu)面作為控崩結(jié)構(gòu)面組，再探討兩組控崩結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面的赤平投影分析，結(jié)合邊坡工程地質(zhì)條件確定崩塌的類型。

（1）滑移式崩塌：發(fā)生滑移式崩塌的地區(qū)主要在變質(zhì)巖區(qū)或沉積巖區(qū)，巖體結(jié)構(gòu)為片狀、板狀或?qū)訝?。如圖2（a）所示。當(dāng)邊坡臨空面傾角 β≤60°，控崩結(jié)構(gòu)面傾向與坡面臨空面走向、傾向一致時(shí)，但傾角小于邊坡坡角并且大于結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角時(shí)，結(jié)構(gòu)面的投影弧位于邊坡臨空面的投影弧之外，易發(fā)生滑移式崩塌，即φ≤α≤β，α為結(jié)構(gòu)面傾角，β為邊坡坡角，φ為結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角［1，9］。

（2）墜落式崩塌：墜落式崩塌一般發(fā)生在坡角較陡的邊坡中。如圖2（b）所示，邊坡臨空面的傾角β≥65°；當(dāng)被切割結(jié)構(gòu)體沿著控崩結(jié)構(gòu)面組某一條結(jié)構(gòu)面發(fā)生傾倒破壞時(shí)，φ≤α≤β，α為結(jié)構(gòu)面傾角，β為邊坡坡角，φ為結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角。此種破壞類似于滑移式崩塌，不同的是，巖體被結(jié)構(gòu)面切割后已經(jīng)形成不穩(wěn)定塊體，由于邊坡較陡，加上巖體中應(yīng)力釋放導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面上的剪應(yīng)力超過其自身抗剪強(qiáng)度時(shí)控崩結(jié)構(gòu)面瞬間被貫通時(shí)迅速發(fā)生墜落，發(fā)生崩塌。此類崩塌發(fā)生時(shí)，當(dāng)被切割巖體沿著控崩結(jié)構(gòu)面組發(fā)生破壞時(shí)，投影圖結(jié)構(gòu)面的交點(diǎn)與邊坡臨空面在同側(cè)，即控崩結(jié)構(gòu)面組組合交線的傾向與坡面臨空面傾向一致，但傾角小于坡角。

（3）傾倒式崩塌：傾倒式崩塌主要發(fā)生在塊狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡中，在沉積巖和巖漿巖中居多。如圖2（c）所示，邊坡臨空面的傾角β≥30°；邊坡臨空面的傾向與控崩結(jié)構(gòu)面的傾向相反，且兩者的夾角ψ≥120°；發(fā)生傾倒破壞的區(qū)域一般為：120°（減去坡面傾角）～90°的傾角范圍［1，10］。當(dāng)滿足上述條件時(shí)，易發(fā)生傾倒式崩塌。

圖2 兩組結(jié)構(gòu)面赤平投影圖Fig.2 Stereographic projection of two structural surfaces controlling collapse

3 分析步驟

基于赤平投影圖解方法通過對(duì)滑移式、墜落式和傾倒式這三種類型的崩塌進(jìn)行分析，利用給出的三種崩塌類型判據(jù)可以得出下面的分析步驟：

（1）分析邊坡所處的工程地質(zhì)條件，重點(diǎn)從地層巖性和結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況進(jìn)行初步的判別；

（2）選擇一條或一組結(jié)構(gòu)面作為控崩結(jié)構(gòu)面，重點(diǎn)分析控崩結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面的空間位置關(guān)系；

（3）利用赤平投影圖解方法的分析結(jié)果，結(jié)合工程地質(zhì)條件，綜合給出崩塌的類型。

4 實(shí)例應(yīng)用

通過野外對(duì)映秀―臥龍公路 K0+650～K44+068段沿線發(fā)生的崩塌進(jìn)行調(diào)查，針對(duì)不同的崩塌類型，選取典型實(shí)例運(yùn)用不同判據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 滑移式崩塌實(shí)例分析

以映秀—臥龍公路里程 K29+056～K29+120段邊坡為例，邊坡坡向204°，坡角65°，巖性為Dwg變質(zhì)砂巖，層狀結(jié)構(gòu)（圖3～4）。主要結(jié)構(gòu)面片理產(chǎn)狀273°∠25°；發(fā)育兩組節(jié)理：①174°∠68°，間距為 0.2～0.4m，延伸 ＞0.5m；②284°∠70°，間距為 0.3 ～1.5m，延伸 0.4～1m。邊坡結(jié)構(gòu)面的赤平投影如圖5。

圖3 K 29+056～K 29+120處崩塌Fig.3 Collapse in K 29+056 ～ K 29+120

從赤平投影圖上可以看出，兩條結(jié)構(gòu)面①②與片理③共同切割邊坡，結(jié)構(gòu)面①與片理③組合交線OA產(chǎn)狀為254°∠24°，結(jié)構(gòu)面①與結(jié)構(gòu)面②組合交線OB產(chǎn)狀為227°∠56°，結(jié)構(gòu)面②與片理③組合交線產(chǎn)狀為 196°∠6°，邊坡臨空面產(chǎn)狀為 204°∠65°。

由此可以得出OA、OB、OC傾向均與邊坡臨空面傾向一致，且交線傾角均小于邊坡坡角，兩條結(jié)構(gòu)面與片理以不同的組合形式切割邊坡，形成的塊狀結(jié)構(gòu)體體積相對(duì)較小，只是增加了局部巖體的破碎程度，釋放巖體內(nèi)部應(yīng)力降低了邊坡整體的穩(wěn)定性，為崩塌的發(fā)生提供部分物質(zhì)條件。

此外，由于基巖巖性為變質(zhì)砂巖，片理面貫穿整個(gè)邊坡，延伸較長(zhǎng)故切割邊坡也較深，故選擇片理面③作為控崩結(jié)構(gòu)面，重點(diǎn)分析片理面③與邊坡臨空面④在赤平投影圖中的空間關(guān)系。

控崩結(jié)構(gòu)面投影弧與邊坡臨空面投影弧在同一側(cè)，說明控崩結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面傾向一致，但傾角小于坡角，由于整個(gè)巖質(zhì)邊坡為層狀結(jié)構(gòu)，所以較易發(fā)生滑移式崩塌。

4.2 墜落式崩塌實(shí)例分析

圖5 K 29+056～K 29+120段邊坡赤平投影圖（上半球）Fig.5 Stereographic projection of the slopein K 29+056～K 29+120（episphere）

以映秀—臥龍公路里程 K15+964～K16+180段邊坡為例，邊坡坡向215°，坡角65°，巖性為元古代澄江—晉寧期第三期閃長(zhǎng)巖，塊狀結(jié)構(gòu)（圖6～7）。主要發(fā)育三組節(jié)理：①152°∠46°，間距為 1.2～1.5m，延伸 ＞5m；②292°∠42°，間距 0.6 ～1.0m，延伸 ＞5m；③200°∠64°，間距為 0.8 ～1.2m，延伸 ＞5m。

邊坡結(jié)構(gòu)面的赤平投影如圖8。從赤平投影圖上可以看出，三條結(jié)構(gòu)面①②③共同切割邊坡，結(jié)構(gòu)面組合形式不同，形成的塊狀結(jié)構(gòu)體大小形態(tài)也不相同，結(jié)構(gòu)面①與結(jié)構(gòu)面②組合交線OC產(chǎn)狀為：223°∠18°，結(jié)構(gòu)面①與結(jié)構(gòu)面③組合交線 OA產(chǎn)狀為140°∠45°；

圖6 K 15+964～K 16+180處崩塌Fig.6 Collapse in K 15+964 ～ K 16+180

圖7 K 15+964～K 16+180崩塌剖面圖Fig.7 Collap sesection map in K 15+964 ～ K 16+180

結(jié)構(gòu)面②與結(jié)構(gòu)面③組合交線產(chǎn)狀為267°∠39°。結(jié)構(gòu)面③在赤平投影圖中的投影弧與邊坡臨空面在同側(cè)，說明結(jié)構(gòu)面③與邊坡臨空面傾向一致，而二者傾角幾乎相同，從三條結(jié)構(gòu)面的空間組合關(guān)系上分析認(rèn)為結(jié)構(gòu)面③對(duì)于整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性影響不是很大，所以重點(diǎn)分析另外兩條結(jié)構(gòu)面的空間組合與邊坡臨空面的關(guān)系。

圖8 K 15+964～K 16+180段邊坡赤平投影圖（上半球）Fig.8 Stereographic projection of the slope in K 15+964～K 16+180（episphere）

巖體被結(jié)構(gòu)面切割形成的塊狀結(jié)構(gòu)體中①②組合最大，延伸均大于5m，故選擇①②組合作為控崩結(jié)構(gòu)面組，重點(diǎn)分析控崩結(jié)構(gòu)面組與邊坡臨空面在赤平投影圖中的空間關(guān)系?？乇澜Y(jié)構(gòu)面交點(diǎn)與邊坡投影弧線在同一側(cè)，說明控崩結(jié)構(gòu)面交線傾向與邊坡臨空面傾向一致，但傾角小于坡角，①②組合交線產(chǎn)狀為223°∠18°，邊坡臨空面產(chǎn)狀為 215°∠65°，交線與邊坡臨空面傾角相差47°，綜上分析控崩結(jié)構(gòu)面切割形成塊體OABC易沿著邊坡臨空面發(fā)生墜落式崩塌。

4.3 傾倒式崩塌實(shí)例分析

以映秀—臥龍公路里程 K30+968～K31+030段邊坡為例，邊坡坡向280°，坡角45°，巖性為 C+P灰?guī)r，層狀結(jié)構(gòu)（圖9～10）。主要結(jié)構(gòu)面層理產(chǎn)狀290°∠40°；發(fā)育兩組節(jié)理：①164°∠25°，間距為 0.4～1m，延伸 ＞2m；②35°∠70°，間距為 1m，延伸 ＞3m。外傾結(jié)構(gòu)斜坡。邊坡結(jié)構(gòu)面的赤平投影如圖11。

從赤平投影圖上可以看出，結(jié)構(gòu)面①②與層理③共同作用于邊坡，灰?guī)r主要礦物成分為方解石，含有少量白云石，具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)，晶粒較細(xì)［4］，由于風(fēng)化程度低，所以灰?guī)r整體完整性較好，層理膠結(jié)程度高，該邊坡發(fā)生崩塌從巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析來看主要原因是結(jié)構(gòu)面的切割，崩塌的形成受風(fēng)化程度低的層理面影響不大。

結(jié)構(gòu)面①與層理③交線OA產(chǎn)狀為219°∠15°，結(jié)構(gòu)面①與結(jié)構(gòu)面②交線OB產(chǎn)狀為118°∠18°，結(jié)構(gòu)面②與層理③交線OC產(chǎn)狀為320°∠36°，OA與OC交線傾向與坡面臨空面一致，結(jié)構(gòu)面①與結(jié)構(gòu)②延伸較短，僅2～3m，切割巖體主要導(dǎo)致某一層面局部的破碎，對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性影響較小，但是，結(jié)構(gòu)面①與結(jié)構(gòu)②組合交線形成的塊狀結(jié)構(gòu)體體積較大，傾向與邊坡臨空面傾向相反，應(yīng)重點(diǎn)分析它們之間關(guān)系。

圖9 K 30+968～K 31+030處崩塌Fig.9 Collapse in K 30+968 ～ K 31+030

圖10 K 30+968～K 31+030處崩塌Fig.10 Collap sesection map in K 30+968～K 31+030

圖11 K 30+968～K 31+030段邊坡赤平投影圖（上半球）Fig.11 Stereographic projection of the slope in K 30+968～K 31+030（episphere）

結(jié)構(gòu)面①與結(jié)構(gòu)②組合交線OB在赤平投影圖上的投影弧與邊坡臨空面③不在同一側(cè)，說明OB傾向與邊坡臨空傾向相反，二者相差162°＞120°，且邊坡臨空面傾角 β=45°≥30°，綜合分析判斷該巖質(zhì)邊坡發(fā)生傾倒式崩塌。

5 結(jié)論

采用赤平投影方法來確定崩塌的類型是一種半定量方法，通過控崩結(jié)構(gòu)面的選取，結(jié)合邊坡工程地質(zhì)條件，利用赤平投影分析控崩結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面的關(guān)系，得到了以下結(jié)論：

（1）給出了選取控崩結(jié)構(gòu)面的原則，應(yīng)綜合節(jié)理跡長(zhǎng)以及充填物強(qiáng)度等因素選取一組結(jié)構(gòu)面或兩組結(jié)構(gòu)面作為控崩結(jié)構(gòu)面；

（2）對(duì)單組和多組控崩結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了赤平投影分析，考慮控崩結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面傾向一致時(shí)，結(jié)構(gòu)面傾角略小于邊坡坡角時(shí)易發(fā)生滑移式崩塌，結(jié)構(gòu)面傾角遠(yuǎn)小于邊坡坡角時(shí)易發(fā)生墜落式崩塌；控崩結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面傾向相反時(shí)，易發(fā)生傾倒式崩塌。

（3）將判據(jù)應(yīng)用于汶川地震后映秀—臥龍公路沿線邊坡發(fā)育的典型崩塌中，得出的崩塌類型與實(shí)際相符，可以為日后的震后公路崩塌類型給予理論指導(dǎo)。此外，因?yàn)楣穾r質(zhì)邊坡處于大的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，加上外界荷載的差異，風(fēng)化程度的高低等多方面因素影響，巖質(zhì)邊坡發(fā)生崩塌可能是一種類型，也有可能同時(shí)發(fā)生多種類型，在類型判定時(shí)應(yīng)綜合考慮多種因素。

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