花崗巖邊坡孤石失穩(wěn)致災成因研究

周明文，李文俊，孫翰卿，許 龍

（1、廣州市設計院集團有限公司 廣州 510620；2、華南理工大學土木與交通學院 廣州 510640；3、廣州建筑股份有限公司 廣州 510030；4、廣東省有色礦山地質災害防治中心 廣州 510080）

0 引言

孤石是花崗巖地區(qū)邊坡上部的花崗巖塊石在長期風化作用下形成的風化球［1］，廣泛分布于我國華南沿海地區(qū)，其中以廣東、福建最為豐富。孤石在降雨等其它因素影響下極易發(fā)生失穩(wěn)滾落，誘發(fā)崩塌落石災害。據(jù)統(tǒng)計，2016～2020 年期間，廣東省共發(fā)生地質災害1 152 起，其中：滑坡389 起、崩塌落石702 起、泥石流15 起、地面塌陷38 起、地面沉降6 起、地裂縫2起，崩塌落石災害占比高達60.9%。

孤石滾落誘發(fā)的落石災害具有突發(fā)性和難以預測性［2］，對影響范圍內(nèi)的基礎設施及房屋建筑造成嚴重威脅。揭示邊坡孤石的致災成因是落石災害預警預測的基礎，對保護人民群眾生命財產(chǎn)安全具有重要的意義。

國內(nèi)外學者對落石災害方面開展了大量研究。黃潤秋等人［3］利用正交試驗理論分析了對不同形狀及質量的塊石運動特征；唐紅梅等人［4］通過研究危巖體的運動過程提出落石的運動軌跡計算方程；葉四橋等人［5］研究了落石的彈跳模式與滾動模式對運動參數(shù)的影響；黃潤秋等人［6］設計了利用平臺消減落石的沖擊能量，并進行了落石停積作用的相關試驗；GRUBER 等人［7］認為氣候變化是導致落石災害的原因之一，并建立了包含氣溫變量的災害預測模型；許丹丹［8］優(yōu)化了落石災害相關的防護措施；KNOFLACH 等人［9］證實了熱效應對巖面不穩(wěn)定性的重要性；戎澤鵬等人［10-11］利用Rockfall 軟件對孤石滾落路徑、速度、能量進行數(shù)值模擬；黃劍宇等人［12］使用無人機對地災現(xiàn)場進行傾斜攝影得到現(xiàn)場三維地形圖；葉陽等人［13］采用了實驗與三維建模結合的方法揭示了落石的損傷破碎。

綜上所述，國內(nèi)外關于落石災害的研究主要集中于分析巖石塊體失穩(wěn)滾落后的運動軌跡與防護措施方面，而關于孤石失穩(wěn)致災影響因素的相關研究成果較少，特別缺乏孤石滾落原因相關的工程地質調查工作。

本文以廣州某邊坡孤石綜合治理工程為依托，開展邊坡孤石工程地質調查，揭示了孤石失穩(wěn)滾落的內(nèi)、外在影響因素，對孤石致災的預警預測提供理論基礎與技術保障。

1 工程概況

2018年受到臺風‘艾云尼’帶來的暴雨影響，廣州市黃埔區(qū)某住宅后山出現(xiàn)多處山體崩塌地質災害，后山邊坡頂部部分孤石崩滑如圖1所示。

該邊坡原先為人工采石場，開挖形成高60～90 m、坡度為60°～75°的高陡邊坡。邊坡上覆巖土體主要為第四系花崗巖殘積土與風化花崗巖。根據(jù)現(xiàn)場調查，降雨匯水已經(jīng)在天溝下方坡面上形成5條沖溝，如圖2所示，其中沖溝1～沖溝3內(nèi)土體出現(xiàn)松動；沖溝4由于雨水沖刷，坡面上原有殘坡積和全、強風化層已被沖刷干凈，基本裸露出中風化基巖，基巖頂部孤石堆疊；沖溝5 調查期間雖未發(fā)現(xiàn)明顯變形跡象，但通過對比地形及降雨匯水情況分析，該處溝谷存在被降雨匯水沖刷而導致土體失穩(wěn)形成如沖溝1～沖溝3 的可能。上述沖溝的形成主要是由于現(xiàn)有天溝缺少維護保養(yǎng)致使山坡上排水系統(tǒng)未能起到應有作用。

圖2 降雨匯水形成沖溝相對位置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of the Relative Position of Gully Formation Due to Rainwater Convergence

2 地質災害成因分析

根據(jù)崩塌的現(xiàn)狀特征與邊坡體變形特點分析，結合工程的現(xiàn)場勘察情況，可將地質災害的成因可分為內(nèi)在因素與外部因素兩類。內(nèi)在因素與勘查區(qū)環(huán)境地質條件及自身特點有關，主要包括邊坡所在地的地形地貌、工程地質巖組合、水文地質條件；外在因素主要為強降雨與外力作用。

2.1 內(nèi)在因素

2.1.1 地形地貌

某住宅后山所屬的地貌單元類型為剝蝕構造低山殘丘，+190 m標高以下大部分為前期采石場開挖形成的陡坡和陡崖，坡度60°～75°，陡峭地形為孤石和危巖提供的勢能對坡腳居民及其人身財產(chǎn)安全威脅最大。190 m 標高以上為自然山坡，坡度20°～40°，地形總體上緩下陡。

該地形地貌形成的沖溝十分有利于降雨的匯水排水［14］，強降雨在短時間內(nèi)可以形成坡面洪流沖刷，使得花崗巖孤石逐漸出露，穩(wěn)定性降低，最終在短時間的強降雨作用下失穩(wěn)滾落發(fā)生落石災害。

2.1.2 工程地質巖組組合

該后山屬于塊狀較硬或堅硬侵入巖組，后山山坡上出露的巖土體主要為第四系花崗巖殘坡積土層和全、強風化巖層，由于風化作用節(jié)理裂隙發(fā)育，加之花崗巖體中原生結構面的發(fā)育，巖土層間往往軟硬相間易形成軟弱結構面，加之花崗巖殘坡積土和風化土都有遇水易軟化崩解，物理力學性質變差、土體抗剪強度變低的特性［15］，為崩塌、滑坡的發(fā)生提供了有力的物質條件，遇上雨季則易在土體自重和雨水沖刷作用下沿節(jié)理裂隙面向下滑動形成災變。

而在陡崖上出露的中風化基巖中，3 組優(yōu)勢節(jié)理裂隙在巖質邊坡頂部局部集中如圖3 所示，對巖質邊坡的整體性造成一定程度不利影響。

圖3 勘查期間所攝懸崖頂部節(jié)理裂隙情況Fig.3 Conditions of the Joint Cracks at the Cliff Top Captured During the Investigation Period

2.1.3 水文地質條件

勘查區(qū)地下水徑流方向與地形傾斜方向基本一致，這對邊坡穩(wěn)定性造成不利影響［16］?？辈閰^(qū)內(nèi)基巖裂隙水水位埋深均較深且不同地段巖土層結構不同，不同區(qū)域地下水對邊坡穩(wěn)定性造成的不利影響機制不同，主要存在以下兩種情況：①殘坡積層和全、強風化層厚度不大以及地下水水位埋深不深的情況。在天溝附近勘探線線附近地下水水位埋深較其他區(qū)淺，有些地段中風化基巖裸露，在強降雨期間，其水位會迅速上升，在水位上升至地表后，其后降雨匯水會直接沖刷坡面，且上升的地下水會對地表的殘坡積層和全、強風化層的物理力學性質造成不利影響，加劇降雨匯水對邊坡的不利影響，同時急劇上升的地下水，其水壓對出露于陡崖上巖質邊坡頂部危巖體的穩(wěn)定性造成一定程度不利影響。②現(xiàn)有天溝以上部分，地下水水位埋深深，上覆的殘坡積層和全、強風化層厚度大，在降雨致使地表殘坡積層飽和，由于其不能迅速垂直入滲補給基巖裂隙水，松散巖類孔隙水的水位也會迅速上升至地表，此后降雨匯水會迅速沖刷坡面，匯合松散巖類孔隙水對坡體上松散層進行沖刷，導致坡體不穩(wěn)，部分地段會因降雨和地下水作用形成崩塌、滑坡地質災害，這可從山體上有位于天溝附近的兩處崩塌得到驗證，如圖4所示，而此二處崩塌所處位置的最終發(fā)展形態(tài)就是現(xiàn)有天溝下方坡體現(xiàn)有情況，即殘坡積層沖刷干凈，地表孤石堆疊。

圖4 天溝下方發(fā)現(xiàn)的沖溝3及其附近堆存的孤石Fig.4 Gully 3 Discovered Below the Sky Gutter and the Isolated Boulders Piled Nearby

2.2 外在因素

2.2.1 強降雨

根據(jù)大量的現(xiàn)場地質調查，崩塌大多發(fā)生在強降雨之后。據(jù)統(tǒng)計，70%以上的崩塌落石災害均發(fā)生在雨季［17］。廣州屬于南亞熱帶季風氣候，雨量充沛。本文收集該地質災害前10年廣州市黃埔區(qū)的降雨統(tǒng)計資料，如圖5所示。廣州市黃埔區(qū)降雨量豐沛，但年際變化大，年降雨量在1 370.1～2 353.6 mm 之間，平均年降雨量1 954.0 mm?？辈靺^(qū)10年間每月的平均降雨量如圖6所示，該落石災害發(fā)生在全年降雨最多的6月。

圖5 勘查區(qū)2007～2017年降雨量Fig.5 Rainfall Chart for the Survey Area from 2007 to 2017

圖6 勘查區(qū)2007～2017年月平均降雨量Fig.6 Monthly Average Rainfall Chart for the Survey Area from 2007 to 2017

根據(jù)現(xiàn)場勘察分析強降雨主要產(chǎn)生以下3個方面的影響：

⑴強降雨帶來的坡面匯流對坡面長期沖刷，每年雨季過后坡底排水溝中需清走幾車泥砂，說明降雨匯流會帶走坡體中顆粒，對坡體表層土體穩(wěn)定造成不利影響，同時匯流淘蝕位于淺層土體中的孤石基底，對孤石的穩(wěn)定性也會造成不利影響。

⑵降雨常年沖刷坡面形成匯流沖溝，加劇了降雨對坡面土體穩(wěn)定性的影響，沖溝及其附近土體和土體中的孤石的穩(wěn)定性基本處于極限狀態(tài)，在降雨作用下極可能誘發(fā)地質災害。

⑶降雨對不同區(qū)域地下水補給時效差別，對勘查區(qū)地質災害誘發(fā)模式也不盡相同。由于殘坡積和全、強風化層總體厚度較厚以及地下水水位埋深較深，降雨補給地下水速度慢，對地質災害的誘發(fā)主要體現(xiàn)在對土體物理力學性質的降低。在現(xiàn)有天溝附近及其下方，由于地表殘坡積層和全、強風化層較薄或區(qū)域基巖裸露，加之地下水水位埋深較淺，降雨補給地下水速度快。

降雨對地質災害的誘發(fā)主要體現(xiàn)在以下兩個方面：①地下水水位急劇變化帶來的水壓力變化對危巖和淺層土體穩(wěn)定性都會帶來不利影響；②地下水水位急劇變化會加劇降雨沖刷帶來的不利影響［18］。其中沖溝1 中孤石由于該臺風引起的強降雨影響，發(fā)生失穩(wěn)才會出現(xiàn)2018 年6 月8 日所發(fā)生落石災害，而另外兩處沖溝中孤石也存在此種跡象。發(fā)生落石后的邊坡變形跡象圖如圖7 所示；而現(xiàn)有天溝上方出現(xiàn)的兩處崩塌地質災害，說明該地段在降雨和地下水作用下正在朝著天溝下方的情況發(fā)育。

圖7 落石后沖溝1附近坡體上變形跡象Fig.7 Signs of Deformation on the Slope Near Gully 1 after the Rockfall

因此降雨是引發(fā)落石的重要因素，勘查區(qū)地質災害治理工作必須做好完善的地表截排水措施和深部、淺部地下水泄水工作，方能最終解決降雨的不利作用。

2.2.2 外力作用

落石多發(fā)生在陡峭的斜坡上，在風化作用影響下，巖石力學強度削弱，重力作用使有巖體吸引到地面的趨勢［19］，在受到動荷載如降雨、地震作用等作用下，導致巖石內(nèi)部結構面的強度降低，促使巖體內(nèi)應力釋放，產(chǎn)生新的結構面，并使原本存在的裂隙更加發(fā)育，多次位移的積累下，限制孤石位移的土體剪切強度降低，最終導致土體破壞，從而導致孤石失穩(wěn)并發(fā)生滾落。在本次落石災害中，共有3 顆孤石失穩(wěn)并滾落造成了對周邊建筑物的損害，1 號孤石尺寸為1.4 m×2.0 m×0.85 m，重約6 t，將路燈撞歪；2號孤石尺寸為2.4 m×1.0 m×1.3 m，重約8 t，撞擊住宅樓主體結構，造成墻體變形，鋼筋裸露；3 號孤石尺寸為4.2 m×2.6 m×3.0 m，重約70～80 t，擊穿坡腳擋土墻后，將被動防護網(wǎng)拉倒，破壞坡腳住宅樓風井處剪力墻，造成墻體混凝土碎裂，主筋暴露，墻體歪曲變形，如圖8所示。

圖8 3號崩落孤石Fig.8 Weathered Sphere No.3

因此孤石的外力作用也是影響其失穩(wěn)的因素之一，對于過大重量的孤石，應當采取防護措施如設置平臺、攔石網(wǎng)等。

3 結論

本文根據(jù)廣州某小區(qū)后山邊坡孤石失穩(wěn)導致的崩塌落石災害進行了詳細的工程地質調查，并分析孤石失穩(wěn)的內(nèi)外在影響因素，得到以下結論：

⑴孤石失穩(wěn)的內(nèi)在因素包括地形地貌、工程地質巖組組合、水文地質條件。地形地貌表現(xiàn)在華南地區(qū)地形地貌大多為低山殘丘，該地形極易形成沖溝，有利于降雨時對地表水的匯水與排水；工程地質巖組組合體現(xiàn)于華南地區(qū)大多為花崗巖殘積土層與中、強風化花崗巖，其力學性質較差，且在風化作用下促進節(jié)理裂隙發(fā)育，遇到強降雨時土體極易發(fā)生失穩(wěn)從而導致孤石滾落；水文地質條件主要是地下水徑流方向與地形傾斜方向基本一致將導致強降雨時水沖刷坡面對表面殘積土造成不利影響進一步加劇孤石的失穩(wěn)。

⑵ 孤石失穩(wěn)的外在因素包括強降雨與外力作用。在強降雨這種極端氣候下，雨水除起沖刷作用外，其本身具有靜水壓力及動水壓力，加速邊坡土體的失穩(wěn)以及加大對孤石的側向動荷載，造成孤石的失穩(wěn)滑落；外力作用是由于在風化作用影響下，孤石的力學性質削弱，且重力作用使孤石有向地面運動的趨勢，在動荷載如降雨及地震作用等共同作用下會引起土體的松動并形成落石災害。