北京市門頭溝區(qū)G109國道K40+800 m崩塌特征及成因分析

郭英 張國華

摘 要：2021年7月15日，北京市門頭溝區(qū)妙峰山鎮(zhèn)G109國道發(fā)生崩塌災害，崩塌體方量約280 m3，造成道路全幅中斷，防護欄損毀?；跒暮蟋F(xiàn)場應急調查資料，在系統(tǒng)收集災害發(fā)生區(qū)域地質及降雨資料的基礎上，分析闡述了崩塌災害的成因及變形演變過程。初步結果認為：該崩塌災害為滑移式崩塌，陡峻的邊坡及褶皺、斷層、穹窿構造的發(fā)育為崩塌的形成提供了有利的地形地質條件，順坡向的層理面和其余兩組節(jié)理面為崩塌的形成提供了有利的坡體結構條件，G109國道修建切坡加劇了坡體的變形，降雨是崩塌發(fā)生的直接誘發(fā)因素。該崩塌變形演變過程可分為4個階段：構造作用下的初始變形階段，風化、溫差、人類工程活動作用下的時效變形階段，降雨、風化、凍融等因素持續(xù)作用下的累積變形階段，降雨誘因下的破壞失穩(wěn)階段。

關鍵詞：G109;崩塌;成因;變形

Characteristics and genetic analysis on collapse at K40 + 800 m of highway G109 in Mentougou District， Beijing

GUO Ying， ZHANG Guohua

（Beijing Institute of Geological Hazard Prevention， Beijing 100120， China）

Abstract： On July 15， 2021， collapse disaster occurred along highway G109 in Miaofengshan town of Mentougou district. The collapse volume is about 280 m3 with the traffic completely disrupted and the fences badly damaged. Based on the first-hand data of post-disaster on-site emergency investigation， and systematic collection of regional geological and rainfall data， this paper analyzes the basic characteristics and the cause of the collapse and deformation evolution process of the collapse. Preliminary results show： the collapse is sliding collapse in nature; steep slope and the development of folds， faults， and dome structure provide a favorable terrain and geological conditions for the collapse; the slope to the bedding plane and the rest of the two groups of joint surface provide favorable slope structure conditions; cutting slop resulted from G109 construction magnifies deformation of the slope; and rainfall serves as the direct cause to the collapse disaster. The collapse deformation evolution process can be divided into four stages： initial deformation stage caused by tectonic action; aging deformation stage caused by action of weathering， temperature difference and human engineering activities; accumulated deformation stage caused by continuous rainfall， weathering and other factors; destruction and instability stage phase induced by rainfall.

Keywords： highway G109; collapse disaster; cause; deformation

北京地區(qū)位于華北平原西北隅，燕山山脈和太行山山脈銜接部位，區(qū)內地質構造復雜（鄭桂森等，2015）。區(qū)內褶皺、斷裂發(fā)育，嚴重破壞了巖體的穩(wěn)定性和完整性，加之新構造運動的持續(xù)發(fā)展，河床與溝谷不斷下切，形成了坡陡谷深的復雜地形條件，為崩塌等地質災害的發(fā)生提供了有利的基礎地質條件。

北京城市的發(fā)展伴隨著強烈的人類活動，在山區(qū)規(guī)劃建設了G109、G108、G110等多條國道復線工程，修建道路不可避免地對邊坡進行開挖，形成陡峭邊坡，導致巖體風化加速，卸荷松動，形成危巖塊體，在降雨、震動誘發(fā)因素作用下，危巖體發(fā)生崩落形成災害。北京市公路沿線幾乎每年都發(fā)生崩塌災害事件（趙忠海，2017;王海芝等，2020），崩塌規(guī)模一般不大，具有點多、面廣、規(guī)模小的特點，崩塌體積多在幾十至數(shù)百立方米，最大規(guī)模為3萬m3（趙忠海等，2018;張?zhí)锾锏龋?020），呈局部或零散分布，直接危及人類生命和造成交通干道堵塞。

2021年7月15日，北京市門頭溝區(qū)妙峰山鎮(zhèn)G109國道K40+800 m處發(fā)生崩塌災害，崩塌體方量約280 m3，造成道路全幅中斷，防護欄損毀，嚴重威脅到過往行人與車輛的安全。本文在調查的基礎上，對該崩塌災害的基本特征進行了描述，從地形地貌、地質構造、坡體結構3方面內在因素及人類工程活動、降雨作用2方面外在因素，對崩塌的致災成因進行了闡述，并對崩塌的變形演變過程進行了分析。深入研究G109國道崩塌的成因和變形演變過程，對北京市山區(qū)道路崩塌災害的防災減災工作，具有一定的指導意義。

1? 研究區(qū)概況

G109國道K40+800 m崩塌位于北京市門頭溝區(qū)妙峰山鎮(zhèn)下葦?shù)榇逦髂戏较颍蓝ê幼蟀?。區(qū)內發(fā)育侵蝕中低山溝谷地貌，山地海拔200～1209 m，高差較大，地形切割強烈，坡陡峰峻。受永定河深切河曲的切割，地層出露完整，自下而上分別為：青白口下馬嶺組、龍山組、景兒峪組，寒武系昌平組、饅頭組、張夏組、炒米店組，奧陶系冶里組、亮甲山組、馬家溝組（圖1）。地下水類型主要為奧陶系巖溶裂隙水（李海軍等，2021），巖性為灰?guī)r，巖溶裂隙發(fā)育，利于大氣降水及地表水入滲補給（董殿偉等，2021），富水性好，水質好，地下水位埋深21.5 m。G109國道K40+800 m段位于妙峰山-下葦?shù)楸承蔽饕恚承陛S為南東東向，距該路段西北側約6 km處為髫髻山向斜，呈北東走向，軸面向南東陡傾，其東南翼伴有斜歪并倒轉的脊狀背斜及逆沖斷層，髫髻山向斜東側出露下葦?shù)轳妨蕢镜龋?020），穹窿軸向近南北、軸面近直立。按照《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》（1∶4 000 000）劃分妙峰山地區(qū)地震動峰值加速度為0.20 g，地震基本烈度為Ⅷ度區(qū)。區(qū)內主要人類工程活動為道路修建，G109國道修建過程中開挖山體，形成陡峭邊坡，坡體在震動、降雨及風化等促發(fā)因素下，易發(fā)生崩塌災害，威脅過往車輛和行人的安全。

2? 崩塌災害基本特征

1）崩塌堆積體特征。G109國道K40+800 m崩塌于2021年7月15日發(fā)生，崩塌源分布于第一斜坡帶東側，寬度約20 m，分布高程400～420 m，體積約280 m3。崩塌堆積體分布于坡腳G109國道路面（圖2），擠占整幅路面，堆積長度約30 m，寬度約8 m，最大堆積厚度約4 m，平均堆積厚度約1.2 m，最大崩落塊體積為5 m × 2.5 m × 2.0 m，堆積體安全隱患較小。

2）危巖體特征。崩塌危巖體位于永定河左岸斜坡第一斜坡單元地帶，以第一斜坡帶上部為后緣邊界，坡腳G109國道為前緣邊界（圖2），面積約1300 m2，厚度約1.5 m，體積1950 m3。該處斜坡分布高程為400～610 m，第一斜坡帶后緣高程為430 m，坡腳高程400 m，坡寬約50 m，高15～30 m，整體坡向170°，坡度約65°，坡面形態(tài)近似為直線型。斜坡由奧陶系冶里組（O1y）灰色中厚層細粉晶灰?guī)r組成，灰?guī)r完整出露，巖層層面產狀為190°∠55°，節(jié)理裂隙發(fā)育。主要節(jié)理裂隙有2組：J1：110°∠80°，長度約4 m，發(fā)育密度2條·m-1;J2：35°∠70°，長度約1.5 m，發(fā)育密度1條·m-1。巖體較破碎（圖2），呈塊狀-碎裂結構，局部空腔，坡體表面層理面張開，寬度2～5 cm，部分被黏土填充，灌木植根于節(jié)理裂隙內，修建G109國道開挖坡腳造成局部坡面巖體臨空。

3? 崩塌成因分析

崩塌災害的形成和發(fā)生由多種因素控制，地形地貌、地質構造、巖性、坡體結構是主要的內在因素，氣象條件、人類工程活動、地震等是外在因素，這些因素的組合都會引起崩塌災害的發(fā)生（劉傳正，2019）。

1）地形地貌條件。研究區(qū)地處侵蝕低山溝谷地貌，崩塌體發(fā)育于永定河左岸的山脊，山體陡峻，第一斜坡帶相對高差15～30 m，坡度約65°，局部巖體臨空、發(fā)育空腔，為崩塌災害的孕育形成提供了有利的地形條件。

2）地質構造條件。研究區(qū)位于妙峰山-下葦?shù)楸承蔽饕恚湮鞅眰? km和2.5 km處分別發(fā)育有髫髻山向斜及下葦?shù)轳妨?，且髫髻山東南翼伴有斜歪并倒轉的脊狀背斜及逆沖斷層，區(qū)內地質構造條件復雜，揉皺現(xiàn)象明顯，受褶皺及斷裂構造影響巖體結構破碎，為崩塌災害的發(fā)生提供了有利的地質條件。

3）坡體結構條件。崩塌體控崩結構面主要為巖層層理面和2組構造節(jié)理面，冶里組灰?guī)r層理面面傾向190°，崩塌危巖體所在斜坡坡向170°，層理面傾向與斜坡坡向呈20°小角度夾角，結構面順傾。坡面主要發(fā)育2組構造節(jié)理裂隙：節(jié)理J1結構面產狀110°∠80°，傾向東南;節(jié)理J2結構面產狀35°∠70°，傾向北東，為反傾坡內的裂隙。兩組節(jié)理裂隙傾角均較大，垂直切坡向，將巖體切割成菱形體，巖體結構破碎，為崩塌危巖體的形成提供了有利的坡體結構條件。

4）人類工程活動。崩塌斜坡坡腳即為G109國道，由于道路修建對坡體前緣進行切坡形成臨空面，使得坡體內原有的自重應力平衡條件被破壞，應力進行重新分布，坡腳剪應力快速集中，坡體中上部產生拉應力，拉應力的存在導致巖體裂隙增大，加劇坡體變形，同時卸荷回彈導致層理面張開，層理面之間的膠結作用降低，為危巖體沿層理面滑出提供滑移條件。

5）降雨作用。很多邊坡失穩(wěn)案例都與降雨有著密切關系（謝洪波等，2021;張?zhí)N靈等，2021）。2021年7月份以來，北京地區(qū)降雨頻發(fā)，根據(jù)北京市突發(fā)地質災害監(jiān)測點位采集數(shù)據(jù)，G109國道K40+800 m路段所屬區(qū)域7月1日—7月15日累積降雨量達195.9 mm（圖 3），降雨主要集中在7月2日—3日以及7月11日—7月12日。受低渦低槽系數(shù)影響，7月2日—3日降雨量達48.2 mm，2 d的連續(xù)降雨為地表巖體含水率的增加起到了基礎性作用。7月11日—7月12日，受副高外圍偏南暖濕氣流和東移低渦共同影響，有持續(xù)的水汽輸送，配合動力抬升，北京地區(qū)大范圍強降雨發(fā)生大到暴雨，該區(qū)域在7月11日19：00—7月12日15：00區(qū)段內累計降雨量達129.6 mm，增加的降雨強度導致巖體含水率進一步增大，降雨沿節(jié)理裂隙滲入巖層內部，造成巖體重度增加，巖層面抗剪強度降低，導致邊坡于7月15日最終失穩(wěn)。降雨是形成本次崩塌災害的直接誘因。

4? 崩塌變形演變過程

根據(jù)崩塌災害的發(fā)育特點、運動方式，結合研究區(qū)斜坡巖土體結構類型，判定北京市門頭溝區(qū)G109國道K40+800 m崩塌變形破壞模式屬于滑移式崩塌。參考前人對崩塌災害機理的研究（張小輝等 ，2017;程鵬翔等，2019），基于對北京市門頭溝區(qū)崩塌的認識，結合滑移式崩塌發(fā)生的運動理論過程，分析G109國道K40+ 800 m崩塌變形破壞過程，將其變形演變過程分為4個階段。

1）初始變形階段。初始階段見圖4 a，該階段堅硬的灰?guī)r在構造抬升和河流下切共同作用下形成高陡斜坡，同時在妙峰山-下葦?shù)楸承?、髫髻山向斜及下葦?shù)轳妨饔孟?，原生?jié)理裂隙較發(fā)育，形成共軛“X”型節(jié)理，將巖體切割成菱形格式。

2）時效變形階段。在風化、降雨、凍融等外力作用下，地表水、地下水沿著原生節(jié)理裂隙滲入坡體，致使裂隙張開度增大。同時，國道G109于2005年開工修建，橫穿研究區(qū)，修建道路過程中開挖邊坡，致使坡體形成臨空面，坡體內應力重分布，開挖處因應力集中產生裂縫，卸荷回彈導致層理面張開，見圖4 b。

3）累積變形階段。在內外應力作用下裂隙張開度持續(xù)增大，連通率提高，延伸長度增加，層理面在降雨、風化、溫差變化等作用下，膠結作用變弱，抗剪強度逐漸降低，節(jié)理裂隙將巖體切割貫通，表層巖體剝蝕墜落，坡體中下部發(fā)生小規(guī)模崩塌，見圖4 c。

4）破壞失穩(wěn)階段。裂隙持續(xù)發(fā)展并逐步貫通，在2021年7月2日—7月3以及7月11日—7月12日2次集中降雨作用下，雨水入滲坡體，巖體含水率持續(xù)增加，自重力增大，孔隙水壓力增大，對應抗剪強度迅速降低，下滑力超過抗滑力，巖體沿著軟弱層理面滑移而整體失穩(wěn)，見圖4 d。

5? 結論及建議

5.1? 結論

1）G109國道K40+800 m崩塌為滑移式崩塌，陡峻的邊坡及局部巖體臨空為崩塌災害的孕育形成提供了有利的地形條件;褶皺、斷層及穹窿構造導致巖體破碎，為崩塌的形成提供了有利的地質條件;順坡向的層理面和其余兩組節(jié)理面為崩塌的形成提供了有利的坡體結構條件;G109國道修建切坡加劇了崩塌的變形;降雨是崩塌發(fā)生的直接誘發(fā)因素。

2）該崩塌變形演變過程可分為4個階段：初始變形階段、時效變形階段、累積變形階段、破壞失穩(wěn)階段;原生節(jié)理裂隙在長期風化、降雨、凍融等作用下不斷增大，道路修建致使裂縫進一步擴張，卸荷回彈導致層理面張開，隨著時間推移，裂隙持續(xù)發(fā)展并逐步貫通，在降雨作用下，巖體自重力增大，層理面抗剪強度迅速降低，巖體沿著軟弱層理面滑移而整體失穩(wěn)。

5.2? 建議

現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，坡體發(fā)生崩塌后，中上部巖體臨空，下部缺少支撐，有繼續(xù)崩落的可能，建議對G109國道K40+800 m處崩塌開展詳細勘查，確定地質災害治理措施，消除臨空危巖體隱患。此外，建議在該處樹立警示標識并派專人值守，加強群測群防，同時對坡體開展監(jiān)測工作，及時掌握坡體變形情況，為后續(xù)防災減災提供技術支撐。

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