地震作用下高陡斜坡變形及運動特征研究

袁進科，陳杰

（地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059)

1 引言

四川西部地區(qū)多高山峽谷，具有極特殊的地質環(huán)境，地震的烈度和頻度都較高，并且地處高海拔高寒山區(qū)，斜坡巖體結構破碎[1]。這些區(qū)域的斜坡由于受到地震作用以及凍融風化的影響，巖體變形失穩(wěn)后崩解、碎裂形成散粒體沿坡面運動，對坡腳的防護結構以及交通運行構成威脅。并且由于地震對山體造成的破壞具有長期效應，因此，震裂山體的碎塊從高位不斷分解、崩落于坡腳，停留、堆積形成大小各異的散粒體[2]。隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，當前擬建的川藏公路、川藏鐵路交通線大部分路段需要穿越高山峽谷區(qū)域，同時又地處地震活躍區(qū)域，因此，擬建的川藏公路、鐵路沿線高陡斜坡在地震作用下的安全穩(wěn)定問題成為需要高度關注和亟待解決的關鍵技術問題。同時，公路沿線高陡斜坡的變形體在地震動力作用下失穩(wěn)，由此誘發(fā)的次生地質災害造成的散粒體沖擊往往構成更大的破壞[3]。由于四川西部峽谷山區(qū)斜坡災害的特殊性，如果不對這類地質災害引起重視，那么對于交通沿線、工程建設及運營造成的損失將是巨大的。本文基于擬建川藏高速公路沿線地質災害調查，通過典型高陡斜坡的現(xiàn)場地質調查及模擬分析，研究地震作用下的變形失穩(wěn)及運動破壞特征，為今后高陡斜坡災害及散粒體危害防治提供參考。

2 研究區(qū)概況

2.1 工程地質概況

斜坡位于汶川至馬爾康高速公路裕豐巖村，整體地形較陡，局部形成陡崖，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。斜坡坡高約190 m，下部坡度接近80°，上部坡度在30°～40°。斜坡上部屬于崩坡積碎石土層，植被發(fā)育，以雜草為主；下部為千枚巖基巖，局部形成陡崖地貌。斜坡走向為N50°W，傾北東，巖性為千枚巖，片理面優(yōu)勢產(chǎn)狀為350°∠77°，與河流走向呈40°角度相交，屬于斜向坡。

2.2 地質構造及地震

該斜坡位于桃坪倒轉背斜的核部，背斜核部影響帶內巖層發(fā)生明顯彎曲，分布在志留系茂縣群中。研究區(qū)屬地震活動區(qū)，并緊鄰地震活動頻繁而強烈的松潘、龍門山地震帶。根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》國家標準第1 號修改單，橋址區(qū)地震動峰值加速度為0.20g，對應地震烈度為Ⅷ度。

3 變形破壞特征

3.1 巖體結構

由于河谷風化、卸荷嚴重，在斜坡前緣陡崖部位發(fā)育一處變形體WY1，海拔高程為1 607～1 622 m，坡向為40°。長約為70 m，高度約為13 m，厚度約3.5 m，總方量約為3 185 m3（見圖1）。該地層產(chǎn)生于古生界志留系茂縣群第三段，場地巖性以絹云石英千枚巖為主。

圖1 斜坡工程地質剖面圖

3.2 變形特征

斜坡變形體屬于中等傾倒巖體。這類型的傾倒巖體大部分發(fā)育在斜向坡中，巖體結構以薄層狀或次塊狀為主，變形體完整性較好，局部發(fā)育大的凹腔。巖層沿著結構面錯動發(fā)生強烈的傾倒變形，巖層傾角變化幅度一般在15°～25°，整個傾倒變形體折而不亂，片理面清晰可見（見圖2）。巖層沿陡傾片理面或板理面拉張變形強烈，局部巖柱表現(xiàn)為顯著的切層破壞。這種中等傾倒變形體主要發(fā)生在斜坡的淺表層部位，越往坡內深部片理面或板理面的層間錯動特征越弱，折斷面與基巖呈平緩過渡[4]。

圖2 斜坡前緣變形體WY1

3.3 變形機制

從變形體特征分析，其變形模式屬于傾倒-折斷-蠕滑型（見圖3），主要特征是在河流快速下切過程中，伴隨強烈的河谷卸荷作用，淺表層的應力場發(fā)生改變，導致反傾或斜交的薄層狀陡傾巖層發(fā)生傾倒變形。同時內部發(fā)育一組傾角較緩的不連續(xù)結構面，使得巖體傾倒過程中多沿該組結構面發(fā)生折斷破壞。斜坡基巖為千枚巖，巖體強度低、層厚較薄，在傾倒變形過程中對折斷根部產(chǎn)生擠壓作用，會產(chǎn)生較明顯的揉皺現(xiàn)象，在變形過程中形成一條擠壓破碎帶，傾倒變形體沿著這條壓碎帶向臨空面方向發(fā)生滑移。

圖3 變形機制圖

4 地震動力分析

4.1 計算模型

為了揭示斜坡變形體的漸進破壞過程，采用離散元軟件進行斜坡在地震狀態(tài)下失穩(wěn)、崩解、散落過程的數(shù)值模擬分析。以變形體地質剖面圖為計算剖面，整個模型共劃分為874 個單元網(wǎng)格，模型邊界均采用固定邊界條件（見圖4）。計算模型高250 m，底部寬185 m，坡度50°。

圖4 計算模型網(wǎng)格圖

4.2 計算邊界

在對離散元模型進行地震動力影響分析時，模型底部采用黏滯邊界，兩側采用自由場邊界，能夠有效地避免向外傳遞的地震波的反射和能量的發(fā)散[5]。地震波采用模擬地震波，加速度為0.20g，持續(xù)時間100 s。

4.3 計算參數(shù)

模型主要選用強、中風化層巖體作為計算參數(shù)，選擇的結構面一組與坡體反向緩傾，一組近似垂直，巖體被結構面切割成不同大小的巖塊。模型其余參數(shù)根據(jù)室內試驗和工程地質類比法得出見表1 和表2。

表1 巖石物理力學參數(shù)

表2 結構面物理力學指標

4.4 變形過程分析

斜坡在地震動力作用下的變形破壞過程見圖5。從不同時段的變形過程看出，WY1 變形體在地震作用下崩解失穩(wěn)。該區(qū)域受到一組陡峭節(jié)理面5°∠55°和一組底部緩傾結構面199°∠17°的切割作用，巖體成薄層、碎裂狀結構。同時這部分又是地震作用時應力集中的區(qū)域，當應力值超過該切割節(jié)理面的抗剪強度時，后緣裂縫和底部的緩傾結構面貫通，形成了控制WY1 變形體失穩(wěn)的底部滑面。在地震力的持續(xù)作用下，切割節(jié)理面和后緣裂縫貫通，WY1 變形體沿底部貫通的滑動面發(fā)生滑移式失穩(wěn)。同時，WY1 變形體在地震作用下失穩(wěn)過程中發(fā)生了崩解，沿坡面呈現(xiàn)散粒體狀向坡下運動，沿坡面運動到坡腳位置，易對坡腳的建筑構成嚴重威脅。

圖5 不同時刻斜坡變形特征

在地震作用下斜坡主應力的分布從表面逐漸向深部呈現(xiàn)遞增的特征，其中坡腳處的主應力達到1 700 kPa，局部位置達到2 000 kPa。剪應力值在坡腳有明顯的應力集中，應力值達到500 kPa，靠近坡面剪應力值逐漸減少。而在WY1 變形體的分布區(qū)域，剪應力量值達到100 kPa。

5 結論

本文選取四川西部深切峽谷區(qū)擬建川藏高速沿線典型高陡斜坡，基于地震動力響應進行了變形失穩(wěn)及運動特征分析，主要研究成果如下：

1）斜坡出露基巖為千枚巖，整體地形較陡，局部形成陡崖，坡高約190 m，下部坡度接近80°，上部坡度在30°～40°。受到斷層破碎帶的影響，斜坡節(jié)理裂隙發(fā)育，片理面為350°∠77°，對應地震烈度為Ⅷ度。

2）斜坡變形體屬于中等傾倒巖體，變形模式屬于傾倒-折斷-蠕滑型。巖體結構以薄層狀或次塊狀為主，變形體完整性較好，主要發(fā)生在斜坡的淺表層部位。在重力及上部巖體的擠壓作用下，巖體沿著薄層狀結構巖體的根部被折斷，后側巖體推動前方巖體傾倒，坡表的變形近乎連續(xù)，而底部的擠壓破碎帶逐漸貫通，并且與后緣裂縫相互貫通，最終形成貫通性的破壞。

3）在地震動力作用下坡腳處的主應力達到1 700 kPa，局部位置達到2 000 kPa，而在WY1 變形體的分布區(qū)域，剪應力量值達到100 kPa。WY1 變形體處于地震作用時應力集中的區(qū)域，變形體沿底部貫通的滑動面發(fā)生滑移式失穩(wěn)。同時變形體在地震作用下失穩(wěn)過程中發(fā)生了崩解，沿坡面呈現(xiàn)散粒體狀向坡腳運動。碎裂的散粒體運動沖擊對坡腳的建筑構成嚴重威脅。