四川后底溝危巖特征及穩(wěn)定性和運動特性研究

李 穎

(河南潤和工程管理有限公司，河南 南陽 473000)

2013年“4·20”蘆山7.0級大地震給四川人民帶來了巨大的生命財產(chǎn)損失，也引發(fā)了大量崩塌、滑坡、泥石流等次生地質災害[1]。這次強震的發(fā)震斷裂為龍門山斷裂帶，地處松潘—甘孜造山帶與揚子地塊的接合部，是青藏高原東部的重要邊界，擠壓運動始于晚三疊，從侏羅紀到第四紀一直在活動。龍門山斷裂帶自西向東活動性依次增強，包括后山斷裂、中央斷裂、前山斷裂等，其中前山斷裂的南段即大川—天全斷裂段活動最強，恰穿過蘆山縣境內(nèi)?！?·20”地震前全縣共存在144處地質災害，截止至2013年5月31日“4·20”地震和降雨誘發(fā)573處地質隱患點[2]。2013年7月9日暴雨后排查新增89處地質災害隱患點，共排查核實662處地質災害隱患點，這些隱患嚴重制約地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展[3]。

后底溝崩塌為“4·20”蘆山地震所產(chǎn)生?！?·20”蘆山地震后，6月20日強降雨造成該處崩塌危巖體大量崩落，給人民生命財產(chǎn)安全帶來巨大威脅。

近年來，國內(nèi)外很多學者對危巖的特征及形成機理進行了研究[4]。Poisel等[5]對意大利北部阿爾卑斯山進行地質災害研究，得出了危巖體失穩(wěn)模式為滑動、旋轉滑動、傾倒;曾芮[6]研究了強降雨作用下崩塌的形成機制;陳洪凱等[7-9]認為危巖的形成是由內(nèi)因、外因共同作用的結果。

該研究以四川后底溝危巖為對象，對其危巖的穩(wěn)定性進行評價，對危巖形成的影響因素進行分析，利用Rockfall軟件對危巖的運動路徑進行模擬，為未來的工程治理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)自然地理條件及地質環(huán)境條件

1.1 研究區(qū)自然地理條件

后底溝危巖位于四川雅安市蘆山縣太平鎮(zhèn)春光村董家溝社，位于縣境西南部，距縣城20.4 km，雙石至大川公路(X073)過境。區(qū)內(nèi)氣候類型屬于亞熱帶濕潤季風氣候，總體特點是：溫暖潮濕，氣候溫和，冬無嚴寒，夏無酷暑，四季分明，雨量充沛，降雨集中，霜稀雪少，無霜期長。多年平均氣溫15.2 ℃，月均氣溫最高為24.2 ℃(7月)，最低為5.0 ℃(1月)；多年平均降雨量為1 313.1 mm；區(qū)內(nèi)河流均屬于大渡河水系。蘆山境內(nèi)河溪縱橫密布，以蘆山河、寶興河為主的河溪556條，其中流域面積在30 km2以下的549條。

1.2 研究區(qū)地質環(huán)境條件

2 危巖體基本特征及影響因素

后底溝崩塌分布于后底溝左岸，頂部高程1 269 m，下部溝內(nèi)高程1 069 m，相對高差200 m。受地形影響，崩塌主要發(fā)育在陡傾巖質邊坡部位，災害點共分為W1危巖區(qū)、W2危巖區(qū)、落石堆積區(qū)三個區(qū)域，以下分別對其進行詳述如下。

2.1 危巖分布及形態(tài)特征

W1危巖區(qū)：位于勘查區(qū)西側，頂部高程1 180 m，底部高程1 147 m，整體高差約33 m，平面面積約1 200 m2，整體方量約4 000 m3。W1危巖區(qū)分為兩個小區(qū)，W1-1危巖區(qū)(見圖1，圖2)，坡度近直立，巖體破碎，危巖區(qū)高約26 m，長約40 m，厚度約3 m，整體方量約1 600 m3。巖層產(chǎn)狀310°∠50°，危巖主要沿順破卸荷裂隙向下崩落，對下方居民房構成威脅。該危巖區(qū)上主要發(fā)育有兩組結構面：J1：140°∠51°，寬約1 cm～3 cm，間距0.2 m～0.3 m，裂面較平直，無填充。J2:170°∠74°，寬約2 mm～5 mm，間距0.5 m～1.0 m，裂面較平直，無填充。J3:65°∠60°，寬約1 cm～2 cm，間距0.1 m～0.2 m，裂面較平直，無填充。W1-2(如圖3，圖4所示)位于崩塌區(qū)右上方，在4·20蘆產(chǎn)生崩塌落石約150 m3，目前約140 m3停留于坡表。W1上部危巖體，坡度約50°，巖體破碎，危巖區(qū)高約30 m，長約40 m，厚度約3 m，整體方量約2 250 m3。巖層產(chǎn)狀310°∠50°，危巖主要沿順破卸荷裂隙向下崩落，對下方居民房構成威脅；該危巖體上主要發(fā)育有兩組結構面：J1：140°∠62°，寬約1 cm～3 cm，間距0.2 m～0.3 m，裂面較平直，無填充。J2：170°∠74°，寬約2 mm～5 mm，間距0.5 m～1.0 m，裂面較平直，無填充。J3：70°∠65°，寬約1 cm～2 cm，間距0.1 m～0.2 m，裂面較平直，無填充。

W2危巖區(qū)：位于勘查區(qū)北側頂部，頂部高程1 269 m，崩塌底部高程1 245 m，相對高差24 m，平面面積約630 m2，整體方量約3 000 m3。W2危巖區(qū)共有兩個較大危巖體，W2-1約500 m3，主要以傾倒式破壞形式發(fā)生崩塌(見圖5)，W2危巖區(qū)西側危巖體，坡度近直立，危巖體較完整，下部基座為薄層砂質泥巖，分化強烈，形成有凹巖腔。危巖區(qū)高約24 m，長約20 m，厚度約5 m，整體方量約2 400 m3。巖層產(chǎn)狀320°∠34°，危巖主要沿順破卸荷裂隙向下崩落，對下方居民房構成威脅;該危巖體上主要發(fā)育有三組結構面(如圖6所示)：J1：155°∠85°，寬約1 cm～2 cm，間距0.2 m～0.3 m，裂面較平直，無填充。J2：180°∠49°，寬約2 mm～5 mm，間距0.5 m～1.0 m，裂面較平直，無填充。J3：215°∠80°，寬約1 cm～3 cm，間距0.1 m～0.2 m，裂面較平直，無填充。W2-2(如圖7所示)約260 m3，可能以墜落式破壞形成崩塌，目前W2-2脫離巖，形成危石，基座砂巖在地震時已經(jīng)產(chǎn)生裂縫，發(fā)生崩落的可能性較大，危害較大;W2上部危巖體，危巖單體高13 m，寬5 m，厚4 m，單體方量260 m3，W2-2整體方量約600 m3，目前W2-2已脫離母體，基座基巖在4·20地震時產(chǎn)生了裂縫，目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，隨時可能發(fā)生崩落，對下方居民房構成威脅;該危巖體上主要發(fā)育有三組結構面(如圖8所示)：J1：155°∠85°，寬約為1 cm～2 cm，間距0.2 m～0.3 m，裂面較平直，無填充;J2：180°∠49°，寬約2 mm～5 mm，間距0.5 m～1.0 m，裂面較平直，無填充;J3：215°∠80°，寬約為1 cm～3 cm，間距0.1 m～0.2 m，裂面較平直，無填充。

落石堆積區(qū)：主要以滾石為主，具有危險性的主要為4·20地震崩落滾石，早期崩塌落石已趨于穩(wěn)定，目前勘查區(qū)兩處崩塌危巖下方斜坡約有危石62 m3，停留于斜坡表層，多為植被攔擋停留，穩(wěn)定性較差，再次崩落的可能性較大。

2.2 危巖形成的影響因素

1)地層巖性:形成危巖的陡崖為泥質砂巖，巖體破碎，受挽近期區(qū)域地質抬升影響，在卸荷作用下，下部基座破碎巖體最先崩落，容易形成凹巖腔，會發(fā)生崩塌破壞。

2)地質構造:受蘆山向斜中部西北側、雙石～大川沖斷層影響，勘查區(qū)節(jié)理裂隙廣泛發(fā)育，區(qū)內(nèi)砂巖主要發(fā)育有四組裂隙，即NNE,NNW,NWW和原生層面裂隙，受地殼抬升，地形深切形成陡崖，受大河、后底溝浸蝕影響，危巖體下部薄層泥巖風化剝落形成凹腔，使崩塌危巖體三面臨空，坡向與NNE,NNW裂隙傾向相同，在崖頂邊緣，形成張應力集中區(qū)，且因砂泥巖差異性風化，下部局部凹巖腔發(fā)育，原構造面進一步加長、加深。

3)地形地貌:W1危巖區(qū)陡崖高約33 m，W2危巖區(qū)陡崖高約25 m。W2危巖區(qū)J1結構面為外傾、陡傾結構面，大大加劇了崩塌的發(fā)生。

3 危巖穩(wěn)定性分析

3.1 危巖體穩(wěn)定性定性分析及評價

后底溝崩塌為蘆山4·20強烈地震誘發(fā)的新生災害體，根據(jù)其特征不同，共分為2個區(qū)。W1危巖區(qū)：位于勘查區(qū)西側，頂部高程1 180 m，底部高程1 147 m，整體高差約33 m，平面面積約1 200 m2，整體方量約4 000 m3。受蘆山4·20地震影響，W1危巖區(qū)在6·20暴雨誘發(fā)下，發(fā)生了滑移式崩塌，根據(jù)現(xiàn)場詳細調(diào)查及勘查，該區(qū)受外傾結構面，主要以滑移式破壞為主，在降雨及地震等不利條件作用下，再次發(fā)生大規(guī)模滑移式崩塌的可能性較大。W2危巖區(qū)共有兩個較大危巖體，W2-1約500 m3，W2-2約260 m3，現(xiàn)狀條件下W2-1穩(wěn)定性稍好，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，但由于基巖底部形成有凹巖腔，進一步發(fā)展，在不利工況條件下發(fā)生傾倒式破壞的可能性較大；目前W2-2脫離巖，形成危石，基座砂巖在地震時已經(jīng)產(chǎn)生裂縫，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生崩落的可能性較大，危害較大。目前崩塌堆積區(qū)整體未見變形破壞現(xiàn)象，坡表危石處于穩(wěn)定～不穩(wěn)定狀態(tài)，再次發(fā)生滾落的可能性較大。

3.2 危巖體穩(wěn)定性定量分析及評價

3.2.1 計算方法、模型及工況

1)滑移式危巖體計算方法。

計算式如上所示，計算模型如圖9所示。

2)墜落式危巖體計算方法。

a.對后緣有陡傾裂隙的懸挑式危巖按下列公式計算，計算模型如圖10所示。

b.對后緣無陡傾裂隙的懸挑式危巖按下列公式計算，計算模型如圖11所示。

3)傾倒式危巖體計算方法。

傾倒式危巖按下式計算，計算模型如圖12所示。

3.2.2 計算工況

計算工況如下：

1)工況一：自重(勘查期間天然水位)；

2)工況二：自重+暴雨(全飽和，飽和抗剪強度)；

3)工況三：自重+地震(地震加速度值0.15g)。

3.2.3 計算參數(shù)的選擇

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析結果，按表1的參數(shù)進行危巖穩(wěn)定性計算。

表1 危巖體物理力學參數(shù)建議值

3.3 穩(wěn)定性分析

根據(jù)計算，各危巖區(qū)天然工況條件下穩(wěn)定性系數(shù)1.408～2.828，處于穩(wěn)定狀態(tài)；暴雨工況條件下W2-1第二裂隙面傾倒式破壞穩(wěn)定性系數(shù)1.471，處于穩(wěn)定狀態(tài)，其余裂隙面穩(wěn)定性系數(shù)1.011～1.064，均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；地震工況條件下W2-2危巖體墜落式破壞穩(wěn)定性系數(shù)1.086，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，其余裂隙面穩(wěn)定性系數(shù)1.556～2.725，均處于穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，4·20地震時主要為坡體局部小型落石，地震后6月20日暴雨誘發(fā)W1-2危巖區(qū)大規(guī)模崩塌發(fā)生，因此，計算結果與現(xiàn)場實際情況基本吻合。

4 運動特性分析

Rockfall是在斜坡上隨機放置一定數(shù)量的落石進行模擬和統(tǒng)計，下面利用該軟件對整個運動特性進行了模擬。

4.1 參數(shù)選取及模擬

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，“4·20”地震時崩塌落石最遠距離達到公路位置，室內(nèi)選取最大粒徑3 m3、初速度為0的落石進行崩落計算，上部斜坡主要為植被覆蓋林地，下部為無植被覆蓋層；圖13為危巖落石軌跡；圖14是落石彈跳高度曲線；圖15為落石能量曲線；圖16為落石平移速度曲線。

4.2 結果分析

根據(jù)后底溝崩塌特征，現(xiàn)場調(diào)查“4·20”地震時落石運動距離類比，采用Rockfall軟件分析計算，危巖體最遠運動距離為130 m，280 m，與實際吻合,其中部分受樹林攔擋，落距5 m～140 m。

由圖可知，危巖帶W2-1的落石在水平距離約45 m處彈跳高度最大，約為21 m；危巖帶W2-2的落石在水平距離約60 m處彈跳高度最大，約為30 m；由落石總能量曲線和平移速度曲線可知，二者在某一點同時達到峰值，危巖帶W1-1的落石在60 m處總能量、平移速度最大，總能量約1 100 kJ，平移速度約24 m/s;危巖帶W1-2的落石在95 m處總能量、平移速度最大，總能量約670 kJ，平移速度約為23 m/s;危巖帶W2-1的落石在70 m處總能量、平移速度最大，總能量約為2 900 kJ，平移速度約為31 m/s；危巖帶W2-2的落石在95 m處總能量、平移速度最大，總能量約為3 600 kJ，平移速度約為38 m/s。

4.3 防治對策

后底溝崩塌共分為2個區(qū)，4個亞區(qū)，根據(jù)崩塌危巖體特征、破壞模式及破壞危害的對象，遵循安全可靠、技術可行、經(jīng)濟合理、施工方便的原則，主要考慮以下兩種治理方案：

方案一：W1危巖區(qū)，采取張掛主動網(wǎng)治理，錨桿長為4.5 m，網(wǎng)格4 m×4 m。W2-1目前處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，采取嵌補凹巖腔進行治理；W2-2危巖單體較大，危險性大，采取4孔錨索錨桿，錨索間用鋼絞線連接，固定危巖。坡面危石局部進行人工清危處理，W2危巖區(qū)下方樹林外、耕地上部設置一道被動網(wǎng)，防止坡面零星危石的威脅。

方案二：W1危巖區(qū)，在危巖區(qū)下方，清除坡表零星坡面危石，設置一道被動攔石網(wǎng)。W2-1危巖區(qū)采取錨索錨固；W2-2危巖單體較大，危險性大，采取4孔錨索錨桿，錨索間用鋼絞線連接，固定危巖。在W2危巖區(qū)下方，公路外側居民房后設置一道攔石墻。

通過施工技術、施工難度、經(jīng)濟合理性及安全可靠性等多方面比較，擇優(yōu)推薦方案一進行綜合治理。

5 結論

1)后底溝崩塌災害點共分為W1危巖區(qū)、W2危巖區(qū)、落石堆積區(qū)三個區(qū)域。2)危巖的形成受地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質等因素的影響，因此過去崩塌災害發(fā)生較多。3)各危巖區(qū)自然條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)；在地震條件下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨條件下可能存在大規(guī)模崩塌發(fā)生。4)利用Rockfall對落石的運動特性進行了模擬,可以為工程設計提供一定的指導意義，最終為后底溝的崩塌預防提供了防治對策。