劉賀軍，吳玉濤，李曉樂，于鴻坤，楊為民

(1.河北省地質(zhì)工程勘查院，河北 保定 130602；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081； 3.中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083；4.中國礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

危巖是指多組巖體結(jié)構(gòu)面組合而構(gòu)成，在重力、地震、水體等誘發(fā)因素作用下處于不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定或極限平衡狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體。危巖體一般發(fā)育于高陡邊坡及陡崖上，其失穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)而形成崩塌，是山區(qū)常見地質(zhì)災(zāi)害類型之一[1-2]。強(qiáng)硬巖體或軟硬相間的地層組合是形成危巖的主要地層組合特征，陡峻的地形是危巖發(fā)育的地貌特征，大量存在的巖體結(jié)構(gòu)面是危巖發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造特征，裂隙水及地震等是危巖發(fā)育的動(dòng)力因素[3]。西南山區(qū)是我國崩塌災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)，并發(fā)育有大量的危巖體[4-7]。三峽庫區(qū)危巖體研究最為成熟，尤其是位于長江三峽的鏈子崖危巖體是國內(nèi)危巖研究的典范，從地質(zhì)環(huán)境、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬及防治技術(shù)等方面進(jìn)行了深入研究[8-10]。

2016年7月19日石灘地村西側(cè)山體發(fā)生崩塌，致使數(shù)十間房屋被毀，到目前為止，石灘地危巖體偶有巖體崩落，時(shí)刻威脅到村民生命財(cái)產(chǎn)安全。本文基于野外調(diào)查、地形地質(zhì)測繪、槽探、鉆探等方法，以石灘地危巖體為研究對(duì)象，剖析了危巖體變形破壞特征和誘發(fā)因素，確定變形破壞模式，采用定性與定量方法對(duì)危巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，為石灘地危巖體防治提供地質(zhì)依據(jù)。

1 環(huán)境地質(zhì)條件

石灘地危巖體位于阜平縣吳王口鄉(xiāng)石灘地村，距阜平縣約29 km，為中低山河谷地貌，地表河流侵蝕強(qiáng)烈，其東側(cè)為石灘地溝(沙河二級(jí)支流)，河谷寬度約200 m，兩側(cè)岸坡呈近直立陡崖，地形相對(duì)高差100～200 m。由于河流右岸為凹岸，受水流側(cè)蝕作用，西側(cè)斜坡高陡，形成石灘地村危巖體。坡面基巖出露，覆蓋層較薄，植被覆蓋率較低，坡腳堆積大量崩積物，坡度較緩，為20°～30°。

危巖區(qū)及周邊地層出露為太古界五臺(tái)群振華峪組、第四系坡積物、第四系松散砂礫石。五臺(tái)群振華峪組(Arz)巖性為黑云變粒巖、黑云斜長片麻巖，夾斜長角閃巖和黑云片巖，為該區(qū)域主要出露基巖。第四系坡積物巖性以碎石土為主，褐色，結(jié)構(gòu)松散-稍密，碎石粒徑一般為2～30 cm，含量約60%，碎石成分主要為黑云變粒巖，分布于坡體前緣及緩坡地帶；第四系松散砂礫石層，主要分布于石灘溝河道及河漫灘地帶(圖1)。

圖1 石灘地村區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Regional geological map around Shitandi village

危巖區(qū)以單斜構(gòu)造為主，地層產(chǎn)狀為177°∠15°～220°∠20°，石灘溝東發(fā)育NNE向石灘溝斷裂，吳王口鄉(xiāng)附近發(fā)育NW向吳王口鄉(xiāng)斷裂。巖體主要發(fā)育兩組節(jié)理，產(chǎn)狀分別為20°∠65°～45°∠65°和100°∠70°～120°∠88°。

危巖區(qū)地表水為石灘地溝，河道中心距離災(zāi)害體約200 m，屬沙河二級(jí)支流，自西北向東南流向，常年有水，流量受雨水影響變化較大。地下水類型為第四系松散層孔隙水和基巖裂隙水。第四系松散巖類孔隙水主要分布于坡腳第四系崩坡積，結(jié)構(gòu)松散，透水性好，地下水動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定，水位隨季節(jié)變化而變化，主要由大氣降水補(bǔ)給，排泄方式為地下水側(cè)向徑流，向石灘地溝排泄。基巖裂隙水主要賦存于石英云母片巖裂隙中，靠大氣降水補(bǔ)給，沿裂隙向坡腳徑流，至坡腳處補(bǔ)充第四系孔隙水，地下水位埋深隨地形起伏，變化較大，富水性弱。

危巖區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，暖溫帶半濕潤地區(qū)，四季分明，多年平均降水量為717.9 mm，降雨多集中在6～9月份，占全年83.4%；2016年7月19日發(fā)生暴雨，吳王口降雨量164.6 mm，石灘地降雨量145.2 mm。

2 危巖體基本特征

石灘地危巖體位于石灘地村石灘溝(沙河二級(jí)支流)右側(cè)凹岸，距河道中心約200 m。山坡走向?yàn)楸蔽?南東，坡向北東75°，坡度50°～70°，坡體中前部為陡坎狀地形，坡度70°～80°，坡高33～107 m。坡體發(fā)育兩條沖溝，將坡面分為北、中、南三部分(圖2)，北側(cè)危巖區(qū)寬75 m，坡向85°，坡高33～107 m，整體坡度約60°，以坡體中下部陡坎危巖為主，即W1、W2。坡腳發(fā)育D1、D2堆積體。中部危巖區(qū)寬115 m，坡向71°，坡高50～90 m，整體坡度約60°～70°，該危巖區(qū)在陡坎肩部處形成傘巖，在坡面中下部發(fā)育危巖帶W3、W4，坡腳堆積D3崩積體。南側(cè)危巖區(qū)寬約200 m，坡向85°，坡高52～103 m，整體坡度約70°，劃分為三處危巖帶，即W5、W6、W7。坡腳自北向南堆積D4、D5、D6崩積體。其中D4、D6崩積堆形成時(shí)間較早，表層植被發(fā)育，D5為2016年7月19日降雨形成。

2.1 危巖體幾何特征

(1)平面特征

自南向北共分為7個(gè)危巖體帶(表1)。由表1可知，危巖體主要受兩組節(jié)理裂隙控制，第一組節(jié)理產(chǎn)狀為20°∠65°～45°∠65°，間距0.4～1 m，寬度0.2～15 cm，無充填；第二組節(jié)理產(chǎn)狀為100°∠70°～120°∠88°，間距0.4～2 m，寬度0.1～10 cm，無充填。兩組裂隙發(fā)育密集，連通性好，延伸長度1～50 m，與臨空面組合共同構(gòu)成危巖體邊界條件。

(2)剖面特征

石灘地危巖體中W1、W5危巖體最為典型，威脅程度最大。危巖體淺表層卸荷裂隙發(fā)育，同時(shí)，受區(qū)域構(gòu)造影響，北北東向節(jié)理發(fā)育，將巖體切割成大小不等的塊體。在W5危巖體后壁形成寬2～4 m，深約10 m的倒錐形拉裂槽，充填崩坡積碎石。由于巖體結(jié)構(gòu)面十分發(fā)育以及風(fēng)化作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致巖體表層形成大量不穩(wěn)定塊體，在剖面上呈梭形、鏟形、不規(guī)則多邊形，表層強(qiáng)分化帶深度約3～5 m。在內(nèi)外營力作用下經(jīng)常發(fā)生規(guī)模不等的崩塌落石或滑塌現(xiàn)象(圖3)。

2.2 結(jié)構(gòu)面空間組合

結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體穩(wěn)定性起主導(dǎo)作用，多組結(jié)構(gòu)面將巖體切割成大小不同的塊體，危巖體失穩(wěn)往往以結(jié)構(gòu)面為邊界條件[11]。確定危巖體失穩(wěn)主滑面與失穩(wěn)平衡條件，在崩塌預(yù)警防治中起著關(guān)鍵的作用?，F(xiàn)場測繪表明，石灘地危巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，雖復(fù)雜多變，但仍呈規(guī)律性變化，尤其是平行臨空面方向的卸荷裂隙在靜水壓力作用下有進(jìn)一步擴(kuò)展的趨勢，直接影響到危巖體穩(wěn)定性，導(dǎo)致崩塌落石災(zāi)害。

石灘地危巖體的主控節(jié)理裂隙是在區(qū)域構(gòu)造節(jié)理基礎(chǔ)上產(chǎn)生的(圖4)，主要受NNE 20°(卸荷裂隙)、NE 45°(卸荷裂隙)、SEE 100°～120°(構(gòu)造裂隙)形成的共軛“X”形裂隙與層理面相互切割形成危巖體。其中NN E20°、NE 45°方向裂隙是沿構(gòu)造節(jié)理進(jìn)一步擴(kuò)展而形成，后期在靜水壓力作用下，危巖體后緣往往形成拉裂縫，甚至貫通于整個(gè)危巖體，導(dǎo)致危巖體失穩(wěn)滑移。

圖2 石灘地危巖體平面圖Fig.2 Plane map of dangerous rock mass in Shitandi

編號(hào)位置規(guī)模/m3危巖體特征W1北側(cè)坡面中下部520巖性為中風(fēng)化石英云母片巖,坡高約30 m,坡向85°,坡度60°。發(fā)育三組裂隙:①185°∠40°,間距2.0 m,延伸長8.0 m,開裂2～3 cm,無充填;②50°∠70°,間距1.0～2.0 m,延伸長1.0～2.0 m,寬5-10 cm;③73°∠50°,間距0.2～2.0 m,延伸長13.0 m,寬0.5～2.0 m。裂隙③為后緣控滑結(jié)構(gòu)面,后緣開裂0.2～2.0 m,貫通性好,延伸約13 mW2北側(cè)坡面中下部560巖性為中風(fēng)化石英云母片巖,坡高約40 m,坡向85°,坡度約70°～80°。發(fā)育三組裂隙:①115°∠83°,間距1.0 m,延伸長1.0～3.0 m;②35°∠82°,間距1.0 m,延伸長1.0 m;③78°∠74°,間距0.5 m,延伸長1.0～2.5 m,寬0.1～1 cm。裂隙①②相互切割巖體,裂隙③形成順向控滑結(jié)構(gòu)面。巖體受節(jié)理切割,呈0.5～1 m見方塊狀,在坡面呈傘巖狀產(chǎn)出W3中部坡面中下部150巖性為中風(fēng)化石英云母片巖,坡高約35 m,坡向70°,坡度約80°。發(fā)育兩組裂隙:①50°∠69°,間距1.0 m,延伸長1.0～2.0 m,寬0.2～2.0 cm;②115°∠87°,間距0.6～1.0 m,延伸長2.0～5.0 m,呈傘巖狀W4中部坡面臨近南側(cè)沖溝60巖性為中風(fēng)化石英云母片巖,坡高約45 m,坡向73°,坡度約60°～70°。發(fā)育兩組裂隙:①50°∠60°,間距1.0 m,延伸長1.0～2.0 m,寬1.0 cm;②110°∠88°,間距0.5～1.0 m,延伸長2.0～4.0 mW5南側(cè)坡面北端8 400巖性為強(qiáng)風(fēng)化石英云母片巖,坡高約55 m,坡向88°,坡度約65°。發(fā)育三組裂隙:①225°∠82°,間距0.2～1.0 m,延伸長1～2 m,寬2～3 cm,無充填;②40°∠60°,間距1.0～2.0 m,延伸長5.0～10 m,寬1～2 cm;③110°∠85°,間距0.5～1.0 m,延伸長2.0～8.0 m,寬5～20 cm。裂隙②③交割形成后緣控滑結(jié)構(gòu)面,危巖底部滑動(dòng)面傾角42°。后緣形成高約5～15 m下錯(cuò)陡坎,開裂0.1～5 m,深4～13 m,危巖整體下錯(cuò)5～15 mW6南側(cè)坡面中部900巖性為強(qiáng)風(fēng)化石英云母片巖,坡高約42 m,坡向82°,坡度約62°。發(fā)育兩組裂隙:①120°∠72°,間距0.4～1.0 m,延伸長1.0～3.0 m;②35°∠82°,間距1.0 m,延伸長1.0～2.0 m,寬2～5 cm。巖層呈薄層狀,裂隙①②切割巖體呈塊狀W7南側(cè)坡面南部3 500巖性為強(qiáng)風(fēng)化石英云母片巖,坡高約40 m,坡向80°,坡度約65°。發(fā)育三組裂隙:①105°∠83°,間距2.0 m,延伸長3.0 m;②45°∠65°,間距2.0 m,延伸長5.0 m;③22°∠65°,間距0.5～1.0 m,延伸長1.0～2.0 m,寬2 cm。巖層呈薄層狀,節(jié)理相互切割巖體呈塊狀,后緣開裂0.3～0.7 m,充填碎石

圖3 石灘地W1、W5危巖體剖面圖Fig.3 Cross section map of W1,W5 dangerous rock mass in Shitandi

圖4 石灘地危巖體節(jié)理裂隙傾向玫瑰花圖及傾角直方圖Fig.4 The rose diagram and dip angle histogram of perilous rocks in Shitandi

2.3 變形破壞特征

石灘地危巖體自20世紀(jì)20年代初開始變形，中間經(jīng)過緩慢變形，在60年代，發(fā)生兩次滑落崩塌，損毀3間房屋。2016年7月19日強(qiáng)降雨期間，危巖體再次發(fā)生變形破壞，突發(fā)滑落崩塌，在坡腳處形成D5崩積堆，長10 m，寬15 m，堆積高度約6 m，堆積體積約190 m3，距民房1.5 m。此次變形破壞主要發(fā)生在南部危巖體，危巖體頂部形成主控拉裂縫(圖5(a))，寬度逐漸增加，危巖體本身發(fā)育一系列與后緣裂縫相交呈羽狀分布的次級(jí)裂縫(圖5(b))，在自重與靜水壓力作用下，后緣拉裂縫與次級(jí)裂隙擴(kuò)張貫通，巖體失穩(wěn)崩塌。

圖5 危巖體變形破壞特征Fig.5 Deformation failure characters of dangerous rock mass

3 危巖體變形破壞模式

崩塌災(zāi)害的形成與發(fā)展是一個(gè)漸變演化的過程，剖析危巖體的破壞模式、演化過程是研究崩塌的形成機(jī)理及崩塌災(zāi)害防控的關(guān)鍵點(diǎn)。依據(jù)石灘地危巖體結(jié)構(gòu)和變形特征，其變形破壞模式表現(xiàn)為傾倒式、滑移式、墜落式[12]。

3.1 傾倒式

石灘地傾倒式危巖體坡頂高陡，區(qū)域構(gòu)造節(jié)理與卸荷裂隙發(fā)育(圖6a)。強(qiáng)降雨或暴雨時(shí)，雨水滲流進(jìn)入裂隙，隨著水頭增高，裂隙水發(fā)生水楔劈裂作用，致使巖體后緣裂縫向兩側(cè)和深處逐漸擴(kuò)展(圖6b)；巖體在自重力下向臨空面方向傾斜，后期在強(qiáng)降雨或區(qū)域地震波作用下發(fā)生傾倒失穩(wěn)(圖6c)。

3.2 滑移式

滑移式危巖體初始變形是由于順坡面的卸荷裂隙發(fā)育，坡頂中上部形成楔形巖塊(圖7a)。其后遭遇降雨，雨水楔入裂隙，對(duì)裂隙產(chǎn)生劈裂、擠脹作用，使裂隙向兩側(cè)與深部擴(kuò)展(圖7b)，在楔形裂隙底部形成應(yīng)力集中帶，楔形體底部剪切力增大。同時(shí)，由于雨水入滲裂隙帶，使其摩擦系數(shù)減小，節(jié)理或裂隙面抗剪強(qiáng)度降低，楔形體巖體在自重作用下發(fā)生剪切變形，沿卸荷裂隙面向下產(chǎn)生滑移(圖7c)。這種模式下的巖體往往受順坡向的結(jié)構(gòu)面控制，巖塊總體完整性較好，坡度相對(duì)較緩。

3.3 墜落式

石灘地危巖體呈薄板狀，當(dāng)斜坡臨空面節(jié)理裂隙發(fā)育時(shí)，遭受強(qiáng)烈風(fēng)化作用，巖體破碎，完整性差，呈不規(guī)則四面體狀(圖8a)。處于高陡斜坡頂部的破碎巖塊在水的劈裂、擠脹作用下形成突出的危巖塊體(圖8b)；同時(shí)，在危巖塊體下部形成臨空面，巖塊喪失支撐力，易發(fā)生崩塌落石(圖8c)。

圖6 傾倒式危巖體成因模式圖Fig.6 Toppling origin model of dangerous rock mass

圖7 滑移式危巖體成因模式圖Fig.7 Sliding origin model of dangerous rock mass

圖8 墜落式危巖體成因模式圖Fig.8 Falling origin model of dangerous rock mass

從上述三種危巖體破壞模式可以看出，石灘地危巖體變形失穩(wěn)主要與巖體結(jié)構(gòu)面和水的作用密切相關(guān)，危巖體發(fā)生失穩(wěn)往往在強(qiáng)降雨期間發(fā)生。原始坡體發(fā)育大量節(jié)理裂隙，在水的楔入、擠脹作用下，節(jié)理裂隙面擴(kuò)展貫通；同時(shí)，水的滲入減小了裂隙結(jié)構(gòu)面的摩擦系數(shù)，降低抗滑力，最終致使崩塌破壞失穩(wěn)。其中南部、中部危巖體以傾倒、墜落式破壞為主，北部危巖體以滑移式為主。

從危巖體變形破壞模式分析，石灘地危巖體破壞類型主要為兩種：落石崩塌、沿裂隙面蠕滑破壞。其中落石崩塌是石灘地危巖體破壞的主要類型，尤其在降雨期間，南部、中部危巖體時(shí)有落石發(fā)生；北部危巖體坡度相對(duì)較緩，主要沿裂隙面蠕滑破壞，偶發(fā)生落石現(xiàn)象。

4 穩(wěn)定性分析

4.1 赤平投影穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場測量的石灘地危巖體的節(jié)理裂隙產(chǎn)狀，應(yīng)用赤平投影法對(duì)該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析[13-15]。各位巖體赤平投影結(jié)果如圖9所示。評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

圖9中1、2為坡面與片麻理產(chǎn)狀，3、4、5代表危巖體節(jié)理裂隙產(chǎn)狀(表1)，從各危巖體赤平投影分析顯示，天然狀態(tài)下，危巖體W1為不穩(wěn)定，W2、W4為穩(wěn)定-欠穩(wěn)定，W3、W5、W6、W7為基本穩(wěn)定。

圖9 赤平投影圖Fig.9 Stereographic projection map

4.2 基于剛體極限平衡理論的穩(wěn)定性定量計(jì)算

考慮三種工況計(jì)算石灘地危巖體穩(wěn)定性，即天然工況G1、暴雨工況G2(飽和自重+裂隙水壓，其中裂隙充水高度取裂隙深度的1/3)、地震工況G3(飽和自重+地震力+裂隙水壓)。根據(jù)危巖體后緣有無裂隙采用以下計(jì)算公式：

(1)后緣無陡傾裂隙(滑面較緩)時(shí)按下式計(jì)算：

(2)后緣有陡傾裂隙、滑面緩傾時(shí)，滑移式危巖穩(wěn)定性按下式計(jì)算：

式中：K——危巖穩(wěn)定性系數(shù)；

W——危巖體自重(kN/m3)；

θ——軟弱結(jié)構(gòu)面傾角(°)，外傾取正、內(nèi)傾取負(fù)；

Q——地震力(kN/m)，按公式Q=ξe×W確定；式中地震水平作用系數(shù)Ⅵ級(jí)烈度地區(qū)ξe取0.05；

c——后緣裂隙粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；當(dāng)裂隙未貫通時(shí)，取貫通段和未貫通段粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值按長度加權(quán)和加權(quán)平均值，未貫通段粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值取巖石粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值的0.4倍；

l——滑動(dòng)面長度/m；

φ——后緣裂隙內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；當(dāng)裂隙未貫通時(shí)，取貫通段和未貫通段內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值按長度加權(quán)和加權(quán)平均值，未貫通段內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值取巖石內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值的0.95倍。

由于篇幅有限這里只列出了南側(cè)危巖體計(jì)算結(jié)果表2。

危巖體在G1情況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)，危巖體W1、W2、W3、W4在G2、3情況下均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；危巖體W5、W6、W7在G2、3情況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在外界因素影響下南側(cè)危巖體最不穩(wěn)定。

4.3 危險(xiǎn)區(qū)劃定

為確定崩塌區(qū)對(duì)石灘地村的威脅范圍，選取南、中部危巖體進(jìn)行落石試驗(yàn)，計(jì)算最大水平運(yùn)動(dòng)距離，根據(jù)能量守恒與動(dòng)能定理，共選定7處進(jìn)行落石試驗(yàn)，落距分別為20 m、30 m、35 m、60 m、80 m、60 m和60 m。這里選取80 m作為危險(xiǎn)區(qū)劃定范圍，同時(shí)設(shè)定20 m的緩沖區(qū)。若發(fā)生崩塌及時(shí)向南方向撤離(圖10)。

表2 石灘地南側(cè)危巖體計(jì)算結(jié)果

圖10 危巖體威脅區(qū)Fig.10 Dangerous rock area

5 結(jié)論

(1)石灘地危巖體位于沙河二級(jí)支流右岸凹側(cè)，危巖體表層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，地貌上屬侵蝕中低山地貌，地形陡峻、溝壑縱橫，可劃分南、中、北三個(gè)危巖區(qū)，7個(gè)危巖帶。

(2)石灘地危巖體是在特殊的地質(zhì)環(huán)境背景形成的，而降雨是危巖體失穩(wěn)的主導(dǎo)誘發(fā)因素。兩組構(gòu)造節(jié)理的發(fā)育特別是順坡向卸荷裂隙的發(fā)育導(dǎo)致巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體呈六面體塊狀，當(dāng)遭遇強(qiáng)降雨時(shí)，水楔劈裂作用使裂隙易擴(kuò)展貫通，巖體失穩(wěn)崩塌。

(3)危巖體破壞模式表現(xiàn)為滑移式、傾倒式、墜落式。坡頂高陡處以傾倒、崩落為主；當(dāng)順坡向結(jié)構(gòu)面發(fā)育時(shí)，危巖體變形以滑移式為主。

(4)穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，天然狀態(tài)下，危巖體W1為不穩(wěn)定，W2、W4為穩(wěn)定-欠穩(wěn)定，W3、W5、W6、W7為基本穩(wěn)定，在暴雨(裂隙水壓)作用下，南側(cè)W5、W6、W7危巖體最不穩(wěn)定，易發(fā)生傾倒、墜落崩塌災(zāi)害。依據(jù)落石試驗(yàn)及現(xiàn)場調(diào)查確定崩塌區(qū)威脅范圍。除此之外，有必要進(jìn)一步開展危巖體變形的監(jiān)測預(yù)警，以保證石灘地村村民生命財(cái)產(chǎn)安全。