地震作用下康定市郭達山危巖帶運動特征

徐 偉， 朱志明， 鐵永波， 袁傳保

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081； 2.成都理工大學地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059； 3.武漢地質(zhì)工程勘察院有限公司，湖北 武漢 430050； 4.中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610031)

0 引言

崩塌和落石是山區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，具有發(fā)生時間不定、崩落速度快、垂直墜落的特點。崩塌危害巨大且影響因素眾多，尤其在我國西部山區(qū)，極其復(fù)雜的地形地質(zhì)條件、脆弱的生態(tài)環(huán)境、頻發(fā)的地震活動，更容易產(chǎn)生崩塌落石等地質(zhì)災(zāi)害，這對人民生命財產(chǎn)安全和國家經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生極大影響[1-2]。因此開展地震作用下的崩塌落石動力學特性、成因機制等研究具有十分重要的意義。

20世紀以來，國內(nèi)外學者圍繞著地震作用下的危巖崩塌動力學特性、成因機制等做了大量研究工作，主要研究方法有理論分析、現(xiàn)場調(diào)查、無人機傾斜攝影測量技術(shù)、數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗等。通過現(xiàn)場調(diào)查和運動特征參數(shù)計算，研究了崩塌滾石運動特征[3-6]； 采用數(shù)值模擬方法，再現(xiàn)不同破壞模式崩塌失穩(wěn)的運動特性[7-9]、崩塌全過程[10-11]、形成機理[12-14]、崩塌前兆特征[15]、穩(wěn)定性分析[16]。采用室內(nèi)試驗的研究方法，如砂堆模型離心試驗[17]模擬地震作用下崩塌動力學特性、振動臺試驗?zāi)M不同因素對崩塌失穩(wěn)破壞時間[18]和落石運動距離[19]的影響。采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)，查明崩塌體特征和成因[20]。采用貼近攝影測量技術(shù)開展高位崩塌早期識別[21]。

前人對同一危巖帶不同部位的崩塌源同時進行研究和分析的較少?，F(xiàn)實中，較大規(guī)模的崩塌落石災(zāi)害或危巖帶往往同時發(fā)育多個不同部位的崩塌源，因此，開展地震作用下危巖帶不同部位崩塌源的變形破壞過程研究是十分必要的。

1 郭達山危巖帶概況

康定市為四川省甘孜州首府所在地，地質(zhì)構(gòu)造活動強烈，山體破碎，河谷深切，強地震頻發(fā)。郭達山危巖帶位于康定市主城區(qū)郭達街后山，瓦斯河左岸(圖1)。郭達山危巖帶，多次地震時均發(fā)生了高位崩塌落石，直接威脅山腳下康定市區(qū)近3 000人的生命財產(chǎn)安全和G318國道的安全暢通。在前期的調(diào)查和初步研究中，對郭達山危巖帶的工程地質(zhì)條件、演化歷史、崩塌分區(qū)(1區(qū)、2區(qū)、3區(qū))特征、典型危巖體特征等進行了詳細描述[5]。本次研究布設(shè)了一條貫穿崩塌1區(qū)、2區(qū)的剖面線(圖2)，采用顆粒流離散元軟件(particle flow code in 2 dimen-sion,PFC2D)對郭達山危巖帶上的坡頂孤石、上部碎裂巖體、中部老崩塌堆積體、下部塊狀危巖在面波震級(surface ware magnitude，Ms) 8.0地震作用下的破壞過程和運動特征進行了數(shù)值模擬。

圖1 郭達山危巖帶全貌

圖2 郭達山危巖帶剖面

2 模型的建立

采用二維顆粒流離散元軟件PFC2D進行數(shù)值模擬，對郭達山危巖帶上的典型危巖體在不同地震動荷載作用下崩塌過程、崩塌路徑進行模擬預(yù)測，最終得到不同地震動荷載下的危害范圍。依據(jù)圖2采用實際尺寸建模，模型高240 m，寬300 m?；鶐r面上有3種類型的危巖體： 一是位于坡頂和坡下緣的孤立塊石(R1～R11)； 二是位于坡體中部的老崩塌堆積體(A12)； 三是坡體中上部的淺表層強風化碎裂巖體(i段、ii段)。在上述崩塌源上選取了27個觀測點(P1～P27)(圖3)。

圖3 郭達山危巖帶二維離散元模型及觀測點位置

根據(jù)表層碎裂巖體厚度的不同劃分為厚度約3 m的上段(i段)和厚度為1 m的下段(ii段)。地面調(diào)查獲取表層碎裂巖體巖層的產(chǎn)狀為275°∠42°，基巖中主要發(fā)育有3組節(jié)理裂隙，產(chǎn)狀分別為100°∠70°、353°∠49°、154°∠68°，臨空面危巖體可能發(fā)生的崩塌類型為傾倒式和拉裂式。為了使模擬最大限度地還原該區(qū)域的真實情況，在PFC模型中隨機植入虛擬節(jié)理裂隙，其長度介于0.5～2 m，傾角服從高斯分布，平均值為30°，標準差為15°，節(jié)理裂隙的數(shù)量假定為50條。

基巖與所有危巖體均由半徑為0.05 m的圓盤構(gòu)成。在地震作用過程中，假定基巖不變形，只傳遞地震波，因此可采用Clump功能模塊，將構(gòu)成基巖的所有顆粒組合成塊，在水平方向震動，豎直方向不震動。采用線性平行黏結(jié)模型將組成巖塊的小球黏結(jié)在一起，通過模擬巖體的壓裂試驗，標定相關(guān)細觀參數(shù)。完整的巖塊具有類似白云巖的強度，在達到極限強度時會開裂。松散堆積物采用線性接觸黏結(jié)模型，圓形顆粒會導(dǎo)致強度弱化，采用弱黏性來等效顆粒不規(guī)則形狀的影響。局部風化巖層采用線性平行黏結(jié)模型，但在巖層中隨機加入結(jié)構(gòu)面(discrete fracture network,DFN)，結(jié)構(gòu)面上的接觸為光滑節(jié)理模型，用于模擬結(jié)構(gòu)面力學性質(zhì)。巖塊與基巖面之間設(shè)置了貫通的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面上的接觸模型為光滑節(jié)理模型。松散堆積物與基巖接觸面采用赫茲模型。模擬過程中產(chǎn)生的新接觸均默認采用赫茲接觸模型。顆粒之間新的接觸涉及碰撞問題，因此在接觸上設(shè)置了阻尼，作用是模擬碰撞導(dǎo)致的能量損失，因為巖塊的崩塌類似于自由落體運動，因此顆粒的局部阻尼設(shè)置為0。不同位置崩塌源模型組合表見表1。

表1 不同位置崩塌源模型組合

3 參數(shù)選取

上述接觸模型需要進行細觀參數(shù)的選取和校核，以確保模擬結(jié)果具有較高的準確度。通過現(xiàn)場取樣和開展完整巖塊的壓裂試驗、巖體結(jié)構(gòu)面滑移試驗，根據(jù)得到的試驗數(shù)據(jù)并結(jié)合前人經(jīng)驗，確定平行黏結(jié)模型細觀參數(shù)和光滑節(jié)理模型細觀參數(shù)(表2、表3)。

表2 線性平行黏結(jié)模型細觀參數(shù)

表3 光滑節(jié)理模型細觀參數(shù)

由于基巖與危巖體接觸面的連通率無法精確，在此考慮最危險的情況，即所有結(jié)構(gòu)面均為貫通狀態(tài),結(jié)構(gòu)面連通率為100%。采用簡諧波模擬地震時巖體的震動(表4)，動荷載施加于基巖上，使基巖在水平方向上服從簡諧振動。雖然采用規(guī)律的簡諧運動加載方式與實際地震隨機性有偏差，但是隨著簡諧振幅不斷提高，可以研究地震對危巖體崩塌運動過程的影響。具體參照文獻[22]中的赫茲接觸模型及球(塊)的細觀參數(shù)(表5)。

表4 動荷載條件

表5 赫茲接觸模型及球(塊)的細觀參數(shù)

4 不同類型崩塌源的運動過程分析

提取27個觀測點在地震作用120 s過程中的水平位移數(shù)據(jù)，得到各點的水平位移-時間曲線(表6)，通過PFC2D的軌跡追蹤功能，得到各點的運動軌跡，對不同類型崩塌源的運動特征進一步深入分析。

表6 各觀測點運動特征統(tǒng)計

(續(xù)表)

4.1 坡頂孤石

不同幾何形態(tài)和質(zhì)量的孤石在地震作用下的運動特征是不同的，原因在于孤石能否啟動取決于底面靜摩擦力的大小，啟動后運動距離的遠近取決于滑動摩擦力或滾動摩擦力的大小。在地震力相同的情況下，孤石質(zhì)量越大，提供的正壓力越大，摩擦力越大; 孤石的質(zhì)量越小，或與地面接觸面積越小，摩擦力越小。在郭達山坡頂選取不同幾何形狀和質(zhì)量的孤石為研究對象，選取孤石的中心點P1～P5為觀測點，如圖3、表7所示。

表7 孤石特征統(tǒng)計表

坡頂孤石觀測點P5的運動路徑如圖4所示。郭達山坡頂區(qū)域坡面較為平緩，在地震力作用初期，孤石受自身重力、底面摩擦力和地震力共同作用，R1～R5在水平方向做往復(fù)擺動，產(chǎn)生的水平位移量較小。在地震力的持續(xù)作用下，孤石因形狀和質(zhì)量不同，運動特征差異明顯，長方形的R1、R2以及三角形的R3以滑動為主，R3水平位移最大，為2.3 m； 而六邊形的R4、不規(guī)則四邊形R5由于擺動幅度過大，導(dǎo)致重心不穩(wěn)發(fā)生傾覆，向前滾動，在坡頂端飛出墜落，并沿陡立的碎裂巖體表面發(fā)生碰撞后再墜落，最終堆積在斜坡中部的老崩塌堆積體上。R4、R5最終水平位移分別為152 m和155 m。P4、P5觀測點墜落過程的平均速度為11.8 m/s和10 m/s。

圖4 P5運動路徑

4.2 坡體上部碎裂巖體

表層碎裂巖體觀測點P8的運動路徑如圖5所示。坡體中上部的淺表層強風化碎裂巖體在地震動荷載作用下的破壞過程如圖6所示。由于表層碎裂巖體范圍較大，截取部分上段和部分下段進行觀察。表層碎裂巖體的破壞過程為節(jié)理裂隙由外向內(nèi)延伸，微裂隙增多—裂隙貫通形成獨立巖塊—巖塊掉落，碎裂解體。

圖5 P8運動路徑

圖6 碎裂巖體破壞過程

分析各觀測點的運動特征，可歸納為裂隙延伸貫通—啟動墜落—碰撞解體—滾動堆積4個運動過程。

(1)裂隙延伸貫通階段。地震波通過結(jié)構(gòu)面時，會發(fā)生不同程度的反射和折射，節(jié)理裂隙處易形成應(yīng)力集中，應(yīng)力被放大，由于巖體的抗拉強度低，會造成巖體沿原有結(jié)構(gòu)面由外向內(nèi)不斷延伸或產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)面，巖體中巖橋斷裂，裂隙貫通后形成獨立巖塊。觀測點P6～P8的水平位移-時間曲線上可明顯看出，該階段分別持續(xù)了49 s、16 s、16 s。

(2)啟動墜落階段。地震荷載對巖石塊體也起到了推動作用，在潛在滑移面產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，當其大于軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強度時，巖塊失穩(wěn)啟動以一定初速度發(fā)生墜落。隨著地震力的持續(xù)作用，表層碎裂巖體上震落的巖塊越多，巖塊在空中做自由落體運動。

(3)碰撞解體—滾動堆積階段。由圖6可知，巖塊在墜落的過程中會與坡面或者其他巖塊發(fā)生碰撞、彈跳甚至解體，并且墜落的過程是快速的，用時很短。觀測點P6在49～67 s時間段內(nèi)發(fā)生墜落，短短18 s內(nèi)，水平位移增量為207 m，平均速率達11.5 m/s。觀測點P9在0～8.3 s時間段內(nèi)沿碎裂巖體陡坡段墜落，水平位移增量為92 m，平均速率達11.1 m/s，然后在8.3～24.6 s時間段內(nèi)沿老崩塌堆積體發(fā)生滾動，24.6～56 s時間段內(nèi)向坡腳方向繼續(xù)墜落，水平位移增量為156 m，平均速率達5 m/s，最終撞擊坡腳建筑物，并解體堆積于坡腳處。

4.3 坡體中部老崩塌堆積體

老崩塌堆積體呈錐狀，體積約12 100 m3，主要物質(zhì)組成為塊石、碎石，老崩塌堆積體破壞過程如圖7所示。其變形破壞過程為： 在地震作用下，堆積體內(nèi)部塊石相互摩擦和滾動碰撞，整體向臨空面啟動前移，堆積體前部塊碎石最先沿坡面滾下形成碎屑流，由于地形變陡，碎屑流向下運動的動能增大，并與斜坡下部塊狀危巖碰撞，碎屑流部分撞擊坡腳房屋，部分停留于坡面上； 中后部碎塊石至地震結(jié)束時已整體前移至前端。

(a) 原始狀態(tài)觀測點布設(shè)位置 (b) 整體啟動前移

(c) 前部沿坡面形變碎屑流 (d) 中后部前移至前部

圖7 老崩塌堆積體破壞過程

分析老崩塌堆積體各觀測點運動特征可知： P18位于堆積體前端，地震作用下最先形成碎屑流，快速沿坡面滾動，在0～26.5 s時間段內(nèi)，水平位移增量達192 m，速度達7.2 m/s，最終撞擊并堆積在坡腳處。觀測點P15～P17、P19～P21位于堆積體中部和后部，在地震力開始作用時，有短暫的加速過程，隨著地震力的持續(xù)，轉(zhuǎn)為接近于勻速運動的前移，最終地震結(jié)束時，前移至堆積體的前部，水平位移最大的為P15，水平位移增量為26.8 m。

4.4 坡體下部塊狀危巖

下部塊狀危巖的單個體積多為100～320 m3(圖8)，其變形破壞過程為小塊危巖先啟動、大塊危巖后啟動，沿坡面滑動—塊石間相互擠壓、解體，動能迅速釋放—繼續(xù)沿坡面滑動，塊石間相互擠壓、堆積。

(a) 原始狀態(tài)觀測點布設(shè)位置 (b) 小塊石啟動滑動

(c)小塊石擠壓碰撞，大塊石啟動滑動 (d)塊石解體—滑動，擠壓碰撞后堆積

圖8 下部塊狀危巖破壞過程

下部塊狀危巖P22的運動軌跡如圖9所示。分析各觀測點運動特征可知： 以P22為例，整個運動過程先后經(jīng)歷了啟動—沿坡面滑動—塊石擠壓—沿坡面滑動—擠壓堆積。2次沿坡面滑動過程的平均速率分別為2.25 m/s、1.86 m/s，塊石擠壓過程的平均速率為0.85 m/s，速率受塊石擠壓影響下降幅度約62%，可以看出塊石的互相擠壓對于自身動能的損耗明顯。以P26為例，由于該危巖質(zhì)量大于其他危巖，所以啟動時間較其他危巖明顯滯后，地震持續(xù)作用55 s后才啟動，整個運動過程為啟動—沿坡面滑動—解體—沿坡面滑動—擠壓堆積。2次沿坡面滑動過程的平均速率分別為4.37 m/s、0.23 m/s，速率受解體影響下降幅度約為95%，綜上可以看出塊石解體后自身動能呈斷崖式下降，損耗嚴重。

圖9 P22運動軌跡

5 結(jié)論

以康定市郭達山危巖帶為研究對象，采用二維顆粒流離散元軟件PFC2D模擬了Ms 8.0地震作用120 s時，坡頂孤石、坡體上部碎裂巖體、坡體中部老崩塌堆積體、坡體下部塊狀危巖4類崩塌源的運動特征和破壞過程。

(1)不同類型崩塌源在運動過程中，是滑動、滾動、墜落、碰撞、彈跳、擠壓等多種類型運動的組合，塊石的碰撞、摩擦、擠壓、解體會快速消耗自身動能，導(dǎo)致運動距離和速率驟降。在郭達山危巖帶4類崩塌源上選取27個觀測點， P9觀測點的運動距離最遠，達269 m，P4觀測點的運動速率最大，達11.8 m/s。

(2)坡頂孤石質(zhì)量越小越易啟動，孤石越接近球形越易發(fā)生傾覆和滾動，沿臨空面飛出后運動類型以墜落、碰撞、滾動為主，最終堆積在斜坡中部的老崩塌堆積體上。

(3)上部碎裂巖體破壞過程可分為裂隙延伸貫通—啟動墜落—碰撞解體—滾動堆積4個階段。墜落階段的水平位移增量和平均速率明顯大于滾動階段。下部塊狀危巖運動特征為啟動—滑動—擠壓—解體—再滑動—再擠壓—堆積。塊石運動速率受擠壓、解體影響下降幅度大。

(4)老崩塌堆積體前部的塊石形成規(guī)模逐漸增大的碎屑流，碎屑流運動過程中伴隨著底面鏟刮裹挾作用，沿坡面運動類型以滾動、碰撞為主，參與碎屑流運動的塊石水平位移增量達遠大于未參與碎屑流運動的塊石。

(5)不同動荷載條件(地震)下，不同類型及其部位的孤石、崩塌堆積體和碎裂巖體的變形破壞過程特征分析，對深切峽谷區(qū)域城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi)工程措施的制定具有重要意義。下一步將對不同地震震級條件下，崩塌落石的變形破壞過程進行模擬研究。