李科技，吳瑞杰，車林娟，徐路恒

（河西學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅 張掖 734000）

崩塌，是指斜坡或邊坡上的巖土體在自身重力或外力作用下突然脫離母體崩落、滾動(dòng)、堆積在坡腳的地質(zhì)現(xiàn)象。崩塌作為常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，經(jīng)常對(duì)人類的生命財(cái)產(chǎn)和生存環(huán)境造成極大的威脅，甚至造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

新中國(guó)成立以來(lái)，專家學(xué)者們對(duì)滑坡崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的研究日趨深入，取得了一系列研究成果，極大的提升了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及治理的能力。對(duì)于崩塌地質(zhì)災(zāi)害的研究，總體經(jīng)歷了從點(diǎn)到面，再由面具體到點(diǎn)的一個(gè)過(guò)程。首先，一些學(xué)者通過(guò)總結(jié)歸納與分析，從面上對(duì)崩塌的特征、成因及穩(wěn)定性等進(jìn)行了研究。如趙允輝[1]系統(tǒng)性的論述了危巖的成因、失穩(wěn)方式、運(yùn)動(dòng)特性等概念，并就危巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法、監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)及處理措施等方面進(jìn)行了歸納與總結(jié)。盛海洋[2]等概略性的論述了我國(guó)崩塌的分布特征，并從地形地貌、地層巖性、斷裂構(gòu)造和水的作用等四個(gè)方面分析了崩塌的成因。駱銀輝[3]等認(rèn)為陡峻邊坡崩塌主要受控于節(jié)理裂隙和結(jié)構(gòu)面的組合,其活躍程度取決于卸荷裂隙的擴(kuò)張與卸荷裂隙區(qū)的擴(kuò)展。王根龍[4]等通過(guò)對(duì)懸臂-拉裂式崩塌進(jìn)行調(diào)查研究表明，差異風(fēng)化剝蝕、河流側(cè)蝕、海水浪蝕、碳酸鹽溶蝕等作用是巖質(zhì)邊坡產(chǎn)生凹進(jìn)巖腔和凸出懸臂的外動(dòng)力地質(zhì)作用。利用應(yīng)力計(jì)算理論，推導(dǎo)出巖腔極限深度計(jì)算公式，結(jié)合巖石風(fēng)化剝蝕速率，對(duì)懸臂梁危巖體產(chǎn)生破壞的時(shí)間進(jìn)行了預(yù)測(cè)。并根據(jù)大拉應(yīng)力-抗拉強(qiáng)度比值分析法，推導(dǎo)出懸臂梁危巖體穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式，并給出其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

在深入分析研究崩塌地質(zhì)災(zāi)害普適性的時(shí)空分布規(guī)律及成因機(jī)制等問(wèn)題后，對(duì)于一定區(qū)域崩塌的研究也在不斷推進(jìn)。例如，曠鎮(zhèn)國(guó)[5]通過(guò)對(duì)重慶市中區(qū)危巖進(jìn)行調(diào)查研究，認(rèn)為危巖破壞由上硬下軟巖體組成、結(jié)構(gòu)面切割、卸荷和順江延伸的高陡斜坡四條件所導(dǎo)致，并劃分出拉斷-墜落、剪切-墜落（崩落）、壓碎-崩落、傾倒-崩塌等四種危巖破壞機(jī)制。劉傳正[6]結(jié)合重慶武隆雞尾山危巖體形成，從山體地質(zhì)結(jié)構(gòu)、裂隙組合及軟弱夾層等物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，高陡臨空的地形，長(zhǎng)期的降雨滲流和巖溶作用等方面分析了危巖體的形成，并得出危巖體發(fā)生崩塌的過(guò)程是在鐵礦采空“懸板張拉”形成危巖體的基礎(chǔ)上,向外的視滑力主導(dǎo)作用下的一個(gè) “山體拉裂-弱面蠕滑-剪出崩塌-碎屑流沖擊-災(zāi)難形成”的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的結(jié)論。李振[7]通過(guò)調(diào)查鹽亭縣的危巖帶，對(duì)四處典型危巖體特征進(jìn)行分析，采用赤平投影法、穩(wěn)定性計(jì)算、墜落軌跡及沖擊能計(jì)算對(duì)危巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對(duì)不穩(wěn)定危巖體采取針對(duì)性整治措施。范可[8]等通過(guò)對(duì)記錄或現(xiàn)存的巖質(zhì)崩塌進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為桂林市巖質(zhì)崩塌具有明顯的時(shí)空分布規(guī)律，并對(duì)崩塌類型進(jìn)行了劃分，且主要從降雨、地形、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和人類活動(dòng)等方面對(duì)崩塌的形成進(jìn)行了分析。王蕓、李曉平等[9-10]在對(duì)研究區(qū)崩塌災(zāi)害地形地貌、地層巖性、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件以及人類工程活動(dòng)等條件分析的基礎(chǔ)上，對(duì)崩塌災(zāi)害的發(fā)育特征、形成機(jī)制進(jìn)行了分析，并對(duì)崩塌災(zāi)害的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

針對(duì)張掖市肅南縣地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的現(xiàn)狀，并查閱相關(guān)文獻(xiàn)，認(rèn)識(shí)到現(xiàn)階段對(duì)該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害，特別是崩塌地質(zhì)災(zāi)害的研究較少，嚴(yán)重阻礙了當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)工作的開(kāi)展。因此，非常有必要結(jié)合縣內(nèi)公路工程對(duì)區(qū)域崩塌進(jìn)行分析研究，掌握其特征與形成機(jī)質(zhì)，對(duì)后期崩塌地質(zhì)災(zāi)害的防治具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境

1.1 地形地貌

肅南縣地形地貌較為復(fù)雜，其奠定于喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)以前的老構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，挽近期新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地形地貌特征產(chǎn)生了顯著的影響；同時(shí)，外營(yíng)力對(duì)地貌的塑造也起著深刻的作用，如冰蝕作用、雪蝕和寒凍風(fēng)化作用、水蝕作用、風(fēng)蝕干燥剝蝕作用等。在上述內(nèi)外營(yíng)力長(zhǎng)期作用下，地表形態(tài)呈現(xiàn)山地、平原、戈壁、沙漠相間分布的多樣復(fù)雜的地貌景觀。地勢(shì)總體上西高東低、南高北低，肅南縣可劃分為四個(gè)大的地貌單元：構(gòu)造侵蝕地形、構(gòu)造剝蝕地形、堆積地形、風(fēng)積地形，其中，S213線肅南段處于構(gòu)造

侵蝕地形區(qū)，海拔2500m～3500m，切割深度500m～800m。山勢(shì)挺拔，山峰陡峻，山脊多呈鋸齒狀，山體坡角30°～50°。

1.2 氣象水文

肅南縣具有典型的大陸性氣候特征，總的氣候特點(diǎn)是：季節(jié)分明，山區(qū)降水量較大，平原區(qū)降水量較少。

山區(qū)主要?dú)庀笠氐奶卣髦担耗昶骄鶜鉁?.6℃，無(wú)霜期83天，年平均降水量由東部的350m～450mm，向西逐漸減少至250m～350mm。降水量隨著海拔的增高而增大，降水梯度為10.1～15.9mm/100m，據(jù)肅南氣象站（縣城）資料，年均氣溫3.9℃，多年平均降雨量265.2mm，蒸發(fā)量1789.5mm；無(wú)霜期90-120天。

南部祁連山區(qū)是河西走廊諸多河流的發(fā)源地，橫跨石羊河、黑河、疏勒河三個(gè)大內(nèi)陸水系，主要河流有東大河、西大河、黑河、梨園河、馬營(yíng)河、豐樂(lè)河、觀山河、洪水壩河、北大河、白楊河、石油河等大小33條河流，這些河流均從祁連山北麓流出境外，多年平均出境總徑流量43.11億m3；河流多年徑流量變化總體上，東部石羊河流域減少，中部黑河流域相對(duì)基本穩(wěn)定，西部疏勒河流域呈增加趨勢(shì)，河流來(lái)水時(shí)空分布不均，主要集中于6～9月份，占總徑流量的75%以上，河流來(lái)水以大氣降水、冰川融水為主。

1.3 地層巖性

研究區(qū)地層主要由晚古生界、中生界巖層構(gòu)成，部分新生界巖層，主要地層詳述如下：

（1）下石炭統(tǒng)臭牛溝組（C1c）：為生物屑泥晶灰?guī)r建造，厚約158m，一般為深灰色中厚層狀生物屑灰?guī)r，加少量炭質(zhì)頁(yè)巖、薄層狀粉砂巖。

（2）上石炭統(tǒng)羊虎溝組（C2y）：為含煤碎屑巖建造，厚約533m，巖性為砂巖、炭質(zhì)頁(yè)巖夾可采煤層。

（3）下二疊統(tǒng)大黃溝組（P1d）：為砂巖-粉砂巖-泥巖互層建造，厚約93m，巖性為深灰-灰白色及雜色中厚層狀長(zhǎng)石石英砂巖，夾粉砂巖、泥巖及頁(yè)巖。

（4）上二疊統(tǒng)紅泉組（P3hq）：為砂礫巖建造，厚約1000m，巖性以紫紅色含礫粗砂巖、礫巖為主，夾薄層砂質(zhì)泥巖。

（5）中-上三疊統(tǒng)五佛寺組-丁家窯組（T2-3w-d）：為復(fù)成分砂礫巖建造，厚約320m，巖性為紫紅色-灰白色礫巖、含礫粗粒巖屑長(zhǎng)石砂巖、細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖。

（6）下白堊統(tǒng)下溝組（K1x）：為砂礫巖建造，厚約859m，巖性為灰色、淡紅色含礫粗砂巖、砂礫巖、礫巖。

（7）上白堊統(tǒng)中溝組（K2z）：為砂礫巖與粉砂巖-泥巖互層建造，厚約1336m，巖性為灰紫色、青灰色、灰白色砂礫巖、泥質(zhì)砂巖夾泥巖、碳質(zhì)頁(yè)巖及劣煤層。

（8）中更新統(tǒng)酒泉組（Q2j）：為復(fù)成分砂礫巖建造，厚約20m，沖積、洪積礫石夾凸鏡狀黃土。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造與新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

肅南縣所處一級(jí)構(gòu)造單元為昆侖—秦嶺地槽褶皺區(qū)，二級(jí)單元為祁連褶皺系。山區(qū)構(gòu)造主要是高角度逆沖斷層、復(fù)背斜及復(fù)向斜，走向以NW和NWW為主，延伸數(shù)公里乃至數(shù)百公里，主干斷層具有長(zhǎng)期活動(dòng)性特點(diǎn)。山區(qū)構(gòu)造較為復(fù)雜，斷裂、褶皺極為發(fā)育。山前主要的區(qū)域構(gòu)造是祁連山區(qū)與平原區(qū)接觸帶的疊瓦式深大隱伏斷裂帶，延伸長(zhǎng)度達(dá)千公里以上，北西西向展布，該斷裂帶構(gòu)造形跡復(fù)雜，不同地段斷裂帶的寬度、規(guī)模、斷距差異較大。

區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)極為活躍，主要表現(xiàn)為振蕩性上升運(yùn)動(dòng)、褶皺斷裂運(yùn)動(dòng)及大面積的沉降運(yùn)動(dòng)。振蕩性上升運(yùn)動(dòng)形成了不對(duì)稱性階梯狀分布的中高山區(qū)，以及河谷地帶的多級(jí)階地；褶皺斷裂運(yùn)動(dòng)在繼承了古老斷層的基礎(chǔ)上，老斷層的復(fù)活形成了一系列山區(qū)基巖與盆地之間的隱伏斷裂；沉降運(yùn)動(dòng)形成了具有大厚度第四系分布的山間盆地。

2 崩塌基本特征

S213線是縣通二級(jí)公路，起點(diǎn)位于張掖市甘州區(qū)原S213線k10+000m處，終點(diǎn)k100+661.203m接原S213線k114+600m，路線主線全長(zhǎng)90.573km。其中在肅南縣境內(nèi)區(qū)段為k51+420m至k100+661m，全長(zhǎng)約為49km。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及沿線崩塌分布狀況，沿S213線選取k51+420m-k64+339m作為研究區(qū)段，并對(duì)潛在崩塌危害點(diǎn)利用GPS進(jìn)行定位（圖1），從而為歸納分析崩塌的特征奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察及衛(wèi)星地圖，易見(jiàn)研究區(qū)段線路總體走向?yàn)闁|西向，且公路北側(cè)距離邊坡坡腳較近，邊坡較為陡峭；而公路南側(cè)邊坡相對(duì)平緩，邊坡坡腳遠(yuǎn)離公路，對(duì)公路安全暢通影響甚微。結(jié)合崩塌的基本概念，可知崩塌主要發(fā)生在公路北側(cè)。根據(jù)研究區(qū)段潛在崩塌災(zāi)害點(diǎn)的分布狀況及特征，選取了28個(gè)GPS點(diǎn)，主要集中在k51+420m-k54+600m段（Ⅰ段）、k58+030m-k58+680m段（Ⅱ段）和k63+147m-k64+339m段（Ⅲ段）。在此基礎(chǔ)上，主要針對(duì)以上三段線路中典型危巖體邊坡研究崩塌的基本特征。

圖1 研究區(qū)段潛在崩塌點(diǎn)GPS定位圖

2.1 k51+420m崩塌點(diǎn)

通過(guò)對(duì)危巖體處邊坡剖面（圖2）的現(xiàn)場(chǎng)觀察、測(cè)量及編錄，可知該邊坡坡向?yàn)?25°，坡角為65°，且組成該邊坡的巖層發(fā)育較好，層面明顯，節(jié)理不甚發(fā)育，巖層傾向?yàn)?45°~355°，傾角為45°~52°，節(jié)理產(chǎn)狀為86°∠71°。該巖質(zhì)邊坡主要由下白堊統(tǒng)下溝組（K1x）砂礫巖和上白堊統(tǒng)中溝組（K2z）砂礫巖與粉砂巖-泥巖互層構(gòu)成，其中尤以含礫粗砂巖夾薄層泥巖與泥質(zhì)砂巖最為典型。通過(guò)勘察認(rèn)為該邊坡的形貌特征主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一方面，由于風(fēng)化剝蝕及流水沖蝕等作用，邊坡坡面凹凸不平，沿泥巖和泥質(zhì)砂巖薄夾層形成條帶狀的具有一定深度的凹陷槽，拓寬了巖層層面間的距離；另一方面，由于先期危巖體的崩落，造成母巖體沿巖層面形成了具有一定傾角的臨空面。邊坡以上兩個(gè)方面的形貌特征，有利于邊坡進(jìn)一步遭受風(fēng)化剝蝕及水流沖蝕，最終造成崩塌的發(fā)生。

圖2 危巖體處邊坡剖面A

2.2 k53+400m-k53+500m段崩塌

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查及量測(cè)，該段危巖體邊坡（圖3）走向約205°，坡角表現(xiàn)為坡腳緩傾而邊坡中上部近直立狀，高約22m～25m，且坡腳距離公路1m～5m。組成該危巖體邊坡的巖層主要為上白堊統(tǒng)中溝組（K2z）砂礫巖與粉砂巖-泥巖互層建造，產(chǎn)狀為310°∠20°，表現(xiàn)為巖層傾向與邊坡坡向相反，有利于邊坡的穩(wěn)定性。但由于該危巖體邊坡上卸荷節(jié)理較為發(fā)育，且其產(chǎn)狀主要為115°∠65°，表現(xiàn)為向坡外陡傾的裂隙，在風(fēng)化作用及流水沖蝕的作用下，非常有利于崩塌地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育發(fā)生。經(jīng)估算，崩塌體方量約為350-500m3。除主要節(jié)理外，還包括部分產(chǎn)狀為335°∠60°、148°∠32°及210°∠45°等的節(jié)理構(gòu)造。此外，部分區(qū)段邊坡上近豎直節(jié)理十分發(fā)育，其走向與邊坡走向近于垂直，在豎直向節(jié)理及自身重力作用下，導(dǎo)致下部軟弱巖塊出現(xiàn)塑性變形及蠕動(dòng)現(xiàn)象，使上部巖體出現(xiàn)整體錯(cuò)落的現(xiàn)象（圖4）。

圖3 危巖體處邊坡剖面B

圖4 危巖體處邊坡剖面C

2.3 k63+147m-k64+339m段崩塌

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，該段危巖體邊坡（圖5）走向約255°，總體表現(xiàn)為坡腳陡傾而邊坡上部近直立的凸坡，高約120m～150m，且坡腳距離民宅約為20m～30m，距離公路約20m～50m。組成該危巖體邊坡的巖層主要為上白堊統(tǒng)中溝組（K2z）砂礫巖與粉砂巖-泥巖互層建造，產(chǎn)狀為112°∠73°，表現(xiàn)為巖層傾向與邊坡坡向斜交。該危巖體邊坡中下部主要覆蓋風(fēng)化碎屑物及落石塊體，傾角約為45°，為新近沉積巖土體，坡面表部整體膠結(jié)性和密實(shí)度較差，在邊坡面流的侵蝕作用下，沖溝較為發(fā)育。而邊坡上部近于直立，節(jié)理裂隙非常發(fā)育，巖體遭受節(jié)理的切割破壞亦十分嚴(yán)重，且?guī)r體的差異風(fēng)化表現(xiàn)明顯，沿巖層面可見(jiàn)明顯的臨空面，故而巖體總體較為破碎。經(jīng)分析認(rèn)為，該邊坡的中下部?jī)H會(huì)發(fā)生規(guī)模較小的落石及滑坡，而上部則會(huì)發(fā)生較大的崩塌災(zāi)害。

通過(guò)對(duì)邊坡巖體節(jié)理產(chǎn)狀的量測(cè)及統(tǒng)計(jì)，作出了巖體節(jié)理走向玫瑰花圖（圖6）。在地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征，認(rèn)為該段邊坡遭受較為強(qiáng)烈的構(gòu)造作用力，造成巖體中構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，從而破壞了巖體的完整性，促使崩塌的發(fā)育發(fā)生。

圖5 危巖體處邊坡剖面D

圖6 節(jié)理走向玫瑰花圖

3 崩塌的成因機(jī)制

崩塌是山體斜坡地段的一種表生動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象，主要與地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、地震作用和人類工程活動(dòng)等因素有關(guān)。研究區(qū)段崩塌的成因機(jī)制主要為天然的高陡邊坡和人工邊坡，在重力作用下向臨空面卸荷，于邊坡坡頂或坡面一定部位形成拉張裂隙，并與構(gòu)造節(jié)理、沿巖層層面因差異風(fēng)化形成的臨空面共同組合作用，隨裂隙的逐步貫通及對(duì)巖體進(jìn)行切割圍限，形成危巖體。危巖體在地震、車輛振動(dòng)及大氣降水等外界因素的觸發(fā)下，最終突然脫離母體，翻滾墜落并堆積于坡前一定部位。研究區(qū)崩塌形式主要有傾倒式崩塌和滑移式崩塌兩種類型。

3.1 傾倒式崩塌

由陡傾的卸荷節(jié)理和構(gòu)造節(jié)理切割形成的危巖體，且節(jié)理裂隙的下部仍存在于坡體內(nèi)部。隨著風(fēng)化侵蝕的不斷作用和卸荷裂隙在坡體內(nèi)部的不斷加深變寬，同時(shí)考慮大氣降水在裂隙中產(chǎn)生的水壓力，最終使危巖體在自身重力的作用下，圍繞節(jié)理面的下端或邊坡前端危巖體與母體的連接處發(fā)生旋轉(zhuǎn)傾倒破壞，形成崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

3.2 滑移式崩塌

此類崩塌主要由一組節(jié)理面與一組臨空面組成的危巖體在外動(dòng)力地質(zhì)作用下形成。節(jié)理主要為構(gòu)造運(yùn)動(dòng)比較強(qiáng)烈區(qū)域的構(gòu)造節(jié)理，包括部分卸荷節(jié)理，節(jié)理總體表現(xiàn)為陡傾角并傾向坡外。臨空面主要是因差異性風(fēng)化和先期崩塌體崩塌后造成的，差異性風(fēng)化變現(xiàn)為組成邊坡的泥巖與泥質(zhì)砂巖夾層物理力學(xué)性質(zhì)較差，抗風(fēng)化能力較差，易受風(fēng)化侵蝕和水流的沖蝕，從而逐漸發(fā)展成為具有一定深度的條帶狀的風(fēng)蝕槽，也即形成臨空面。另一方面，對(duì)于以巖層面為危巖體邊界的崩塌，崩塌發(fā)生后亦會(huì)產(chǎn)生臨空面，從而在一定程度上促進(jìn)了滑移式崩塌的發(fā)育和發(fā)生。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)崩塌災(zāi)害的地質(zhì)調(diào)查及分析研究，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）研究區(qū)危巖體邊坡總體呈坡腳陡傾（或緩傾）而邊坡上部近直立狀，危巖體的形成主要受卸荷節(jié)理、構(gòu)造節(jié)理及巖體差異性風(fēng)化形成的臨空面的控制。

（2）研究區(qū)崩塌的成因機(jī)制主要為天然的高陡邊坡和人工邊坡，在重力作用下向臨空面卸荷，于邊坡坡頂或坡面一定部位形成拉張裂隙，并與構(gòu)造節(jié)理、沿巖層層面因差異風(fēng)化形成的臨空面共同組合作用，隨裂隙的逐步貫通及對(duì)巖體進(jìn)行切割圍限，形成危巖體。危巖體在地震、車輛振動(dòng)及大氣降水等外界因素的觸發(fā)下，最終突然脫離母體，翻滾墜落并堆積于坡前一定部位。

（3）研究區(qū)崩塌形式主要有傾倒式崩塌和滑移式崩塌兩種類型，并對(duì)兩類崩塌的形成機(jī)制進(jìn)行了分析研究。