強(qiáng)降雨條件下巖質(zhì)邊坡傾倒崩塌破壞機(jī)理
——以鄂西趙家?guī)r崩塌為例

曾 芮，姜明順，孫琳馗，熊承仁

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)教育部長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074)

0 引言

鄂西山區(qū)雨量充沛、巖溶發(fā)育，崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。崩塌是其中分布最廣的地質(zhì)災(zāi)害之一，但由于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、影響因素眾多等原因，崩塌機(jī)理的分析一直是廣大學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)與難點(diǎn)[1—7]。鄭允等[8]通過(guò)建立頂坡荷載作用下巖質(zhì)邊坡塊體傾倒破壞地質(zhì)力學(xué)模型，探討了不同巖塊厚度和切坡角度下坡頂荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；劉才華等[9]通過(guò)建立地震作用下巖質(zhì)邊坡傾倒破壞地質(zhì)力學(xué)模型，理論分析了地震作用對(duì)邊坡傾倒穩(wěn)定性的影響，提出了判別邊坡破壞模式的地震影響系數(shù)臨界值；鄭允等[10]針對(duì)巖塊長(zhǎng)細(xì)比較大的情況，推導(dǎo)了地震作用下巖質(zhì)邊坡傾倒破壞的一般解析解；楊根蘭等[11]以小灣水電站引水溝上部高邊坡為例，詳細(xì)分析了其傾倒破壞模式，揭示了這類(lèi)大規(guī)模的傾倒破壞表現(xiàn)特征及其形成條件。這些研究對(duì)各類(lèi)成因的巖質(zhì)邊坡傾倒破壞模式進(jìn)行了分析，但針對(duì)以強(qiáng)降水為誘因，受節(jié)理切割的傾倒式崩塌災(zāi)害現(xiàn)今還未見(jiàn)系統(tǒng)性研究。鑒于此，以趙家?guī)r崩塌為例，針對(duì)受節(jié)理切割的危巖體傾倒失穩(wěn)破壞模式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察資料，對(duì)危巖體失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行了理論研究，并采用有限元數(shù)值模擬方法半定量分析了崩塌災(zāi)害的直接誘發(fā)因素。

1 工程概況

1998年8月16日16 時(shí)16分, 位于湖北省宜昌市五峰土家族自治縣的趙家?guī)r危巖體發(fā)生整體傾倒失穩(wěn)，在幾分鐘時(shí)間里崩塌體轉(zhuǎn)化為高速遠(yuǎn)程碎屑流，沿溝谷水平運(yùn)動(dòng)距離約2 km。此次崩塌災(zāi)害造成物源區(qū)下方2 座電站攔水壩和部分引水明渠破壞，毀壞7 棟84 間民房，破壞農(nóng)田莊稼約8.47 ha山林土地約13.6 ha，影響公路約1 210 m，造成直接經(jīng)濟(jì)損失約1.619×107元。幸運(yùn)的是，由于前期的預(yù)防監(jiān)測(cè)，此次崩塌沒(méi)有造成人員傷亡，是湖北省地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防預(yù)報(bào)成功的典型案例之一。

1.1 地形地貌

趙家?guī)r崩塌是發(fā)生在湖北省西部山區(qū)清江流域的一處較為典型的傾倒式巖質(zhì)崩塌，其地處清江與澧水分水嶺地帶，地貌上屬于構(gòu)造剝蝕溶蝕中低山地貌。原始危巖體位于湖北省五峰縣長(zhǎng)樂(lè)坪鎮(zhèn)橋坪村趙家?guī)r陡崖處，距離五峰舊縣城約15 km，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察資料，趙家?guī)r崩塌的主崩方向約為NE 75°，原始危巖體崖頂高程1 690～1 720 m，崖底高程1 620～1 640 m，崩塌體呈“方塊狀”，原始危巖體長(zhǎng)約139 m，平均高約80 m，平均厚約40 m，總體積約4.485×10 m3，崩塌體原始地形見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 趙家?guī)r崩塌碎屑流運(yùn)動(dòng)路徑圖Fig.1 Debris flow path map of Zhaojiayan Collapse

圖2 趙家?guī)r原始地形圖Fig.2 Original terrain map of Zhaojiayan

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)查和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，趙家?guī)r物源區(qū)位于獅子垴向斜核部、趙家?guī)r原始陡崖處，滑坡區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)構(gòu)造有獅子垴向斜和3條小型逆斷層，向斜核部及兩翼地層主要為微晶灰?guī)r，SE翼巖層產(chǎn)狀350°∠12°，NW翼巖層產(chǎn)狀170°∠11°，兩翼形態(tài)對(duì)稱(chēng)。

1.3 地層巖性

研究區(qū)內(nèi)主要出露有三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系地層，成分主要為灰?guī)r、頁(yè)巖、砂巖等沉積巖類(lèi)；原始危巖體主要為二疊系吳家坪組上、中段地層，下伏基巖為二疊系吳家坪組下段地層，具體如下：

①Q(mào)4：第四系松散堆積物，主要為土黃色碎石土、粉質(zhì)黏土；

②P2w3：二疊系中統(tǒng)吳家坪組上段灰?guī)r，灰色、灰白色中厚層結(jié)構(gòu)；

③P2w2：二疊系中統(tǒng)吳家坪組中段含燧石結(jié)核灰?guī)r，深灰色、灰色中厚層結(jié)構(gòu)，其中燧石結(jié)核呈黑色，粒徑3～15 mm不等；

④P2w1：二疊系中統(tǒng)吳家坪組下段炭質(zhì)頁(yè)巖夾煤層，黑色、灰黑色層狀結(jié)構(gòu)；

⑤P1m：二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r，灰色中厚層結(jié)構(gòu)。

各地層平行整合接觸，產(chǎn)狀均為250°∠4°。

2 趙家?guī)r崩塌影響因素

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)查，趙家?guī)r崩塌的主要影響因素有以下五點(diǎn)。

2.1 三面臨空近直角陡峭的地形地貌

趙家?guī)r原始地形南高北低，呈陡崖地形，原始危巖體地勢(shì)高陡，臨空面近乎直立，且呈三面臨空狀態(tài)，為崩塌災(zāi)害的發(fā)生提供有利的地形條件。

崩塌體物源區(qū)和堆積區(qū)相對(duì)高差達(dá)880 m，使得崩塌體具有很高的重力勢(shì)能，為崩塌碎屑流和塊體運(yùn)動(dòng)提供了動(dòng)力來(lái)源。

2.2 上硬下軟的巖性組合

由剖面圖(圖3)可見(jiàn)，趙家?guī)r上部為強(qiáng)度較高的灰?guī)r、含燧石結(jié)核灰?guī)r，下伏為強(qiáng)度較低的炭質(zhì)頁(yè)巖，構(gòu)成上硬下軟的軟弱斜坡巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型。下部的炭質(zhì)頁(yè)巖易受到風(fēng)化作用等地質(zhì)營(yíng)力侵蝕，破壞其巖體結(jié)構(gòu)，使得原本就不高的強(qiáng)度進(jìn)一步降低，甚至發(fā)生形變，從而導(dǎo)致上部巖體發(fā)生應(yīng)力重分布，影響趙家?guī)r山體整體穩(wěn)定性。此外，炭質(zhì)頁(yè)巖巖層易形成滑動(dòng)面，雖然趙家?guī)r巖層內(nèi)傾，但也一定程度上影響著山體的穩(wěn)定性。

圖3 趙家?guī)r原始剖面圖Fig.3 Geological profile of Zhaojiayan1—第四系松散堆積物； 2—灰?guī)r； 3—含燧石結(jié)核灰?guī)r；4—煤層；5—煤樁；6—灰質(zhì)頁(yè)巖。

2.3 下伏煤層開(kāi)挖

開(kāi)采位置主要位于二疊系上統(tǒng)吳家坪組下段(P2w1)含煤層炭質(zhì)頁(yè)巖中，山體底部煤層的不斷的開(kāi)采對(duì)趙家?guī)r整體應(yīng)力場(chǎng)分布產(chǎn)生影響：未開(kāi)采前，巖體的節(jié)理裂隙以緩慢加速變形為主；1995至1998年初，下部煤層陸續(xù)被采空，在自重作用以及采空沉陷作用下，趙家?guī)r頂部原有的小型裂縫擴(kuò)展貫通，形成統(tǒng)一連續(xù)性裂縫，加速了斜坡的破壞。

2.4 節(jié)理裂隙發(fā)育

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，崩塌后緣裂壁可見(jiàn)長(zhǎng)期水流作用所形成的鈣化、黃泥殘留和層間溶蝕裂縫存在，表明巖體內(nèi)巖溶較發(fā)育。危巖體巖性為灰?guī)r(P2w3)、含燧石結(jié)核灰?guī)r(P2w2)，在長(zhǎng)期的巖溶作用下，使得原有溶蝕節(jié)理、張拉裂縫加寬，并逐步貫通，形成巖溶裂隙系統(tǒng)。巖溶裂隙系統(tǒng)的出現(xiàn)，加速了降雨雨水的徑流運(yùn)移速度，使得降水能通過(guò)溶蝕裂縫快速進(jìn)入軟弱基座，降低其力學(xué)強(qiáng)度。尤其趙家?guī)r頂部的大型拉裂縫(圖3)形成，切割山體形成危巖體，是崩塌災(zāi)害的主要影響因素之一。

2.5 強(qiáng)降水

趙家?guī)r地處湖北西南暴雨中心之一，在危巖體發(fā)生崩塌前一個(gè)月，從1998年7月21日至8月17日五峰縣共出現(xiàn)7次暴雨、大暴雨過(guò)程，其中8月3日降雨量達(dá)109 mm。7月下旬至8月中旬降雨天數(shù)為25天，降雨量達(dá)578.4 mm，是歷史同期平均降雨量的2倍。持續(xù)的降雨使危巖體后緣拉裂縫寬度由0.1 m增加到0.62 m。8月16日當(dāng)日降雨量達(dá)到了100.7 mm，危巖體裂縫亦持續(xù)加寬，直至16時(shí)16分趙家?guī)r危巖體整體失穩(wěn)，強(qiáng)降水是其破壞的直接誘發(fā)因素。

3 傾倒破壞數(shù)值模擬

為驗(yàn)證以上對(duì)趙家?guī)r崩塌破壞機(jī)理的工程地質(zhì)判斷，通過(guò)數(shù)值模擬的手段，分別模擬煤層開(kāi)挖、節(jié)理裂隙發(fā)育和強(qiáng)降雨時(shí)趙家?guī)r的應(yīng)力場(chǎng)及變形特征，數(shù)值模擬軟件選用ABAQUS。

3.1 模型建立

根據(jù)趙家?guī)r原始剖面圖結(jié)合危巖體穩(wěn)定性影響因素的初步理論分析建立數(shù)值模擬模型。由于趙家?guī)r頂部的第四系堆積物層厚較薄且對(duì)危巖體穩(wěn)定性的影響非常小可忽略不計(jì)，故為簡(jiǎn)化計(jì)算，建立模型時(shí)將其略去，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖4。為同時(shí)滿(mǎn)足計(jì)算精度與速度要求，將模型共劃分為2 430個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 637個(gè)網(wǎng)格單元，網(wǎng)格類(lèi)型為線性三節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元(CPE3)(圖4)。模型邊界條件為：模型左邊界和底部邊界固定，即模型的左邊界和底部邊界水平位移和豎直位移均為零；模型頂部邊界和坡面為自由邊界。本構(gòu)模型采用ABAQUS軟件自帶的Drucker-Prager 模型。趙家?guī)r原始最大主應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。

3.2 參數(shù)選取

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，各巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 趙家?guī)r崩塌模擬模型網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Mesh diagram of Zhaojiayan simulation model

圖5 趙家?guī)r原始最大主應(yīng)力分布圖Fig.5 Maximum principal stress distribution of original Zhaojiayan

巖性彈性模量E/GPa黏聚力C/MPa內(nèi)摩擦角Φ/(°)泊松比μ重度/(kN·m-3)體積模量/GPa灰?guī)r(P2w3)5.338.7634.990.27126.203.44含燧石結(jié)核灰(P2w2)5.931.4536.130.24125.952.50炭質(zhì)頁(yè)巖(P2w1)4.521.0217.660.22124.481.90

3.3 煤層開(kāi)挖

趙家?guī)r下伏煤層厚度不大，煤礦規(guī)模較小，1998年后采煤活動(dòng)逐漸停止。開(kāi)挖深度約80 m，開(kāi)挖煤硐的高度約1.5 m，煤硐內(nèi)煤柱間距約20～30 m。由模擬結(jié)果(圖6)可見(jiàn)，最大主應(yīng)力峰值出現(xiàn)在坡頂處，其值為9.071×106Pa，ABAQUS軟件默認(rèn)應(yīng)力值為正是拉應(yīng)力，即該處應(yīng)力狀態(tài)為受拉。煤礦末端和靠近末端的兩個(gè)煤柱頂端出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中煤礦末端最大主應(yīng)力為-2.106×106Pa，由里至外三個(gè)煤柱頂端的最大主應(yīng)力分別為-9.178×105Pa、-7.646×105Pa、-4.054×105Pa，從坡底到坡頂巖體應(yīng)力狀態(tài)由壓應(yīng)力逐漸變?yōu)槔瓚?yīng)力。煤層開(kāi)挖之后，煤硐上部的自重全由3根煤柱和未開(kāi)采部分承擔(dān)，應(yīng)力分布不均，故在煤礦末端和煤柱頂端出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時(shí)也是由于自重應(yīng)力的作用，山體下半部包括煤層開(kāi)挖處最大主應(yīng)力均為負(fù)值。僅在煤礦開(kāi)采的影響下，趙家?guī)r山體未見(jiàn)明顯變形，煤礦內(nèi)的礦柱仍然完好，這與走訪當(dāng)?shù)貢r(shí)獲得的信息一致。故煤層的開(kāi)挖使得巖體下部架空，巖體內(nèi)部應(yīng)力重分布，加速了巖體蠕變破壞的發(fā)展，對(duì)趙家?guī)r穩(wěn)定性有一定影響，但不是誘發(fā)其崩塌破壞的直接因素。

圖6 煤層開(kāi)挖時(shí)最大主應(yīng)力分布圖Fig.6 Maximum principal stress distribution of coal seam excavation

3.4 節(jié)理裂隙發(fā)育

趙家?guī)r山體內(nèi)主要發(fā)育兩組近乎正交的陡傾節(jié)理，加之巖溶的作用，山體內(nèi)節(jié)理裂隙十分發(fā)育。其中對(duì)趙家?guī)r穩(wěn)定性影響最大的是山體后緣的大型拉裂縫，據(jù)監(jiān)測(cè)資料，1998年4月至8月隨著持續(xù)性的降雨，裂縫寬度由0.1 m增加至0.62 m，故本文主要模擬當(dāng)該裂縫形成時(shí)山體內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)。

由模擬結(jié)果(圖7)可見(jiàn)，拉裂縫末端最大主應(yīng)力達(dá)到2.594×107Pa，有明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，該處也是山體內(nèi)部最大主應(yīng)力最大值處，說(shuō)明了該裂縫的形成大幅度改變了巖體內(nèi)的應(yīng)力分布。煤礦末端最大主應(yīng)力為-1.723×106Pa，相比僅煤層開(kāi)挖時(shí)壓應(yīng)力減小。由里至外三個(gè)煤柱頂端的最大主應(yīng)力分別為-1.126 1×106Pa、-2.615×106Pa、-3.169×106Pa，相比僅煤層開(kāi)挖時(shí)壓應(yīng)力增加。裂縫切割山體形成危巖體，與僅煤層開(kāi)挖時(shí)不同，危巖體的自重由裂縫未貫通部位與最靠近坡面的煤柱承擔(dān)，故此時(shí)裂縫末端和該煤柱頂端最大主應(yīng)力出現(xiàn)明顯改變。

故由于節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體出現(xiàn)些許變形，內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，一定程度上影響了趙家?guī)r的穩(wěn)定性。但山體整體未發(fā)生破壞，趙家?guī)r山體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以節(jié)理裂隙發(fā)育也不是誘發(fā)其崩塌破壞的直接因素。

圖7 后緣拉裂縫發(fā)育時(shí)最大主應(yīng)力分布圖Fig.7 Maximum principal stress distribution of tension crack generation

3.5 強(qiáng)降雨

根據(jù)唐紅梅等[12]危巖裂隙水壓力計(jì)算公式為：

式中：ξ——裂隙水壓力折減系數(shù)，根據(jù)裂隙開(kāi)度，本文取ξ0.6=71.38%；

γw——主控結(jié)構(gòu)面內(nèi)水體容重/(kN/m3)；

h——主控結(jié)構(gòu)面內(nèi)沖水深度/m。

根據(jù)冉濤等[1]8月16日降雨在危巖體后緣內(nèi)形成的“水楔”高度達(dá)到136.33 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于危巖體高度，故可以認(rèn)為拉裂縫被水充滿(mǎn)。即本文中危巖體后緣裂隙水水壓力Q=1 284.84 kN/m，由于裂縫生成后的面不是自由面，所以在ABAQUS里面無(wú)法給出面力，因此用節(jié)點(diǎn)力代替，本文選取20個(gè)節(jié)點(diǎn)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)間隔3 m，每個(gè)單元長(zhǎng)度3 m，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)施加集中力，集中力=Q/20=64.242 kN/m，模擬結(jié)果如圖8所示。

由模擬結(jié)果(圖8)可見(jiàn)，拉裂縫末端最大主應(yīng)力達(dá)到1.756×108Pa，該處也是山體內(nèi)部最大主應(yīng)力最大值處，相比拉裂縫形成時(shí)其值增加了一個(gè)量級(jí)，說(shuō)明了強(qiáng)降雨造成的水壓力較大，大幅度改變了巖體內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)。煤礦末端最大主應(yīng)力為7.599×105Pa，相比拉裂縫形成時(shí)由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力?？科吕锏膬蓚€(gè)煤柱頂端的最大主應(yīng)力分別為7.913×105Pa、1.124×106Pa，與煤礦末端一樣，由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力?？拷旅娴拿褐敹俗畲笾鲬?yīng)力為-1.136×107Pa，相比拉裂縫形成時(shí)拉應(yīng)力變大，該處也是巖體拉應(yīng)力最大處。此外，可以清晰看到后緣拉裂縫已開(kāi)始變形，煤硐中靠近坡面的煤柱已發(fā)生破壞，危巖體發(fā)生整體失穩(wěn)破壞，這亦與走訪當(dāng)?shù)貢r(shí)獲得的信息一致。強(qiáng)降雨使得危巖體后緣裂縫快速充水，水壓力對(duì)危巖體產(chǎn)生側(cè)向水平推力，這是危巖體傾倒的主要?jiǎng)恿?lái)源，同時(shí)降雨還使巖體強(qiáng)度弱化，更加加速了整體的破壞。故強(qiáng)降雨是誘發(fā)趙家?guī)r發(fā)生傾倒失穩(wěn)破壞的直接因素。

圖8 強(qiáng)降水時(shí)最大主應(yīng)力分布圖Fig.8 Maximum principal stress distribution of heavy rainfall

4 結(jié)論

(1)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，分析趙家?guī)r崩塌影響因素包括三面臨空近直角陡峭的地形地貌、上硬下軟的巖性組合、下伏煤層開(kāi)挖、節(jié)理裂隙發(fā)育與強(qiáng)降水。

(2)運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對(duì)趙家?guī)r穩(wěn)定性進(jìn)行模擬：煤層開(kāi)挖改變了巖體內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)，加速了巖體的蠕變變形，促進(jìn)了危巖體后緣拉裂縫的形成，但未造成趙家?guī)r整體發(fā)生變形；危巖體后緣大型拉裂縫的形成進(jìn)一步改變了巖體內(nèi)部應(yīng)力分布，節(jié)理裂隙的發(fā)育使巖體結(jié)構(gòu)破碎，降低了巖體強(qiáng)度，但模擬結(jié)果顯示此時(shí)山體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)；強(qiáng)降雨作用下，裂縫迅速擴(kuò)張，危巖體整體發(fā)生傾倒破壞。故煤層開(kāi)挖和節(jié)理裂隙發(fā)育是影響趙家?guī)r穩(wěn)定性的重要因素，強(qiáng)降雨是誘發(fā)趙家?guī)r崩塌傾倒破壞的直接因素。