降雨誘發山區公路邊坡危巖崩塌機理研究

馮 振， 路 璐， 張長敏， 陳 亮

（1. 中國地質環境監測院， 北京 100081； 2. 北京市地質研究所， 北京 100011）

0 引言

崩塌是陡坡或陡崖上的巖土體脫離母體下落的現象， 一般具有突發性、 運動速度極快的特點， 監測預警的難度較大， 開展崩塌機理研究有助于深入了解其形成演化過程、 變形破壞特征， 從而為科學防災減災提供技術支撐。 我國是一個多山的國家， 大部分山區公路等級低、線型較差， 沿線地質災害發育， 其中崩塌是危害山區公路安全的主要地質災害類型之一。 針對山區公路、 鐵路等線性工程沿線崩塌災害，國內外科學家在成因機理[1]、 系統風險評價[2-3]、防治對策[4-5]等開展了大量的調查研究工作， 基于巖體受力狀態、 初始運動形式、 巖體破壞機制等， 提出了多種崩塌類型和地質力學模式[6-9]，認為下伏軟巖的塑性流動[10-12]、 不排水剪切破壞[13]、 滑移壓致拉裂[9]、 地下采礦[14]等是導致柱狀危巖崩塌的原因。 多年的研究表明， 崩塌雖然具有突發的特點， 但是發生時間與降雨有很強的關聯性[15-16]， 對此主要針對降雨閾值[17]、 裂隙靜水壓力[18-19]、 軟巖的力學強度特性[20-22]等方面進行了研究。 本文以2018 年8 月11 日北京市房山區軍紅路塔柱狀危巖崩塌為研究對象，分析暴雨入滲對巖體強度與危巖體穩定性的影響， 揭示降雨誘發反傾斜坡中的崩塌成因機制。

1 區域地質環境背景

2018 年8 月11 日8 時30 分， 北京市房山區大安山鄉軍紅路K18+350 處發生山體崩塌災害。 軍紅路崩塌位于北京市西部山區， 距離北京市中心50km， 地理坐標為北緯39°53′13.23″，東經115°45′50.17″（圖1）。 災害造成軍紅路道路阻塞， 掩埋沖毀路面、 路基及護欄長約80m，由于群測群防員預警及時， 未造成人員傷亡。

圖1 房山軍紅路崩塌位置與周邊地貌圖（來自google地圖2013 年）Fig.1 Location and topographic of the Junhonglu rockslide（from Google Earth， 2013）

1.1 地形地貌

房山區地處北京市西南部， 屬華北平原與太行山脈的過渡地帶， 其西部屬構造侵蝕中低山區， 受構造、 巖性影響， 地形陡峻、 溝谷狹窄， 谷嶺相間排列， 是北京市地質災害高易發地區， 尤以崩塌滾石災害最為嚴重。

軍紅路崩塌發育自公路路塹邊坡上方， 公路位于山體斜坡中部。 斜坡坡向130°～140°，坡度37°～75°， 坡體上部局部呈陡崖地貌。 坡頂最大高程920m， 坡腳為季節性溪流大北河，最低高程550m， 崩塌區公路路面高程720～730m。 發生崩塌的路塹邊坡呈“陡坎-緩坡-陡崖” 的形態（圖2）。 坡腳處陡坎高15～20m，為公路修建時開挖形成。 中間緩坡高約10m，坡度40°～45°。 緩坡上方為高陡近乎直立的塔柱狀危巖， 高度約35～40m， 與山體之間存在深大的拉張裂隙。

圖2 軍紅路崩塌工程地質剖面圖Fig.2 Engineering geological profile of the Junhonglu rockslide

1.2 地質結構

崩塌區域出露侏羅系和二疊系地層， 地層巖性從上至下分別為侏羅系南大嶺組玄武巖、凝灰巖、 二疊系紅廟嶺組石英砂巖夾石英質礫巖。 室內實驗測試顯示， 崩塌處巖石飽和單軸抗壓強度（Rc） 較大， 其中玄武巖、 石英質礫巖、 石英砂巖屬于較堅硬-堅硬巖類， 凝灰巖為較軟巖類（表1）。

表1 巖石物理力學參數

南大嶺組和紅廟嶺組之間呈假整合接觸，地層產狀352°～5°∠16°～21°。 受NW-SE 向的擠壓應力作用， 崩塌附近區域構造主要以SWNE 向復式褶曲構造為主， 次級構造和次生小構造極為發育， 巖體較為破碎。 玄武巖中主要發育3 組節理裂隙， 產狀分別為70°∠90°、 150°∠90°、 87°∠60°， 巖體呈塊狀碎裂結構。 砂巖、 礫巖中主要發育2 組節理裂隙， 產狀為192°～205°∠72°～79°、 115°～125°∠71°～80°， 巖體呈層狀碎裂-鑲嵌結構（圖3）。 崩塌所在路塹邊坡為反傾結構， 巖體中SW-NE 走向的陡傾節理為優勢結構面， 將塔柱狀危巖體與母巖切割形成孤立巖柱。

圖3 軍紅路崩塌出露巖體Fig.3 Outcrops at the site of the Junhonglu rockslide

1.3 降雨特征

北京市房山區屬大陸季風性氣候， 立體氣候明顯， 平原、 丘陵及低山地區屬暖溫帶氣候區， 崩塌所在中山地區屬寒溫帶氣候區。 崩塌區域多年平均降雨量550mm， 多集中在夏季（6—8 月）， 占全年降雨量的80%以上， 且汛期多暴雨（圖4）。 距崩塌區約500m 的大安山水廠雨量站監測數據顯示， 2018 年7 月1 日至8月11 日崩塌發生日的累計雨量達到460.5mm，達到多年平均降雨量的84%， 其中8 月7 日和8 月8 日降雨量分別達到82mm 和77mm。

圖4 軍紅路崩塌降水量曲線Fig.4 Precipitation prior to the Junhonglu rockslide initiation

1.4 水文地質

崩塌區出露玄武巖、 凝灰巖、 石英砂巖、石英質礫巖等堅硬巖類， 地表覆蓋層厚度小于0.5m， 地下水類型主要為基巖裂隙水。 堅硬巖體中構造裂隙張開、 風化裂隙極為發育， 透水性好， 儲水條件差。 由于地層傾向斜坡內部，山體頂部緩坡向東北方向傾斜， 因此崩塌發生的路塹邊坡主要接受大氣降水補給， 潛水位變化動態大， 暴雨或汛期地下水向公路邊坡坡腳及溝谷排泄。 周邊區域的侵蝕沖溝多與構造裂隙走向平行或小角度斜交， 溝道出露的小流量泉點較多， 多為季節性泉點， 枯季干涸。

2 災害基本特征

現場災害過程視頻顯示， 崩塌發生時， 危巖體整體下座， 沖擊鏟刮下伏基巖， 沖毀掩埋道路后繼續沿著路基斜坡向下運動， 最終堆積于坡腳溝谷中。 基于災后無人機航攝影像， 根據崩塌體運動與成災特征， 可將災害范圍劃分為崩塌源區、 沖擊鏟刮區、 碎屑流鏟刮區、 溝谷堆積區如圖5 所示。

圖5 軍紅路崩塌正射影像（剖面A-A’ 見圖2）Fig.5 Orthophoto of the Junhonglu rockslide

2.1 崩塌源區

崩塌源區位于房山區大安山鄉軍紅路K18+350 處路塹邊坡上方30～70m。 崩塌體由侏羅系南大嶺組層厚1.5～2.5m 的灰色氣孔狀、 杏仁狀玄武巖構成， 呈塔柱狀， 高度為35～38m， 寬度為30m， 厚度為20m， 體積約2 萬方。 危巖體基座為南大嶺組灰紫色凝灰巖， 中厚層狀， 厚度約6.5m， 與下伏二疊系紅廟嶺組石英砂巖呈平行不整合接觸。 石英砂巖層厚0.1～0.5m， 一般0.2～0.3m， 中間夾有一層厚度約3m 的石英質礫巖。 崩塌后揭露的后緣破裂面呈“上陡下緩” 的二段式形態， 上部陡傾段高35m， 坡度70°， 是沿玄武巖的節理裂隙發育而成； 下段坡度50°～55°， 高約30m， 為下部巖體剪切破裂面和沖擊破裂面。

2.2 沖擊鏟刮區

沖擊鏟刮區位于塔柱狀危巖體基座以下至軍紅路路基， 出露石英砂巖及石英質礫巖夾層。路塹邊坡上方塔柱狀危巖體失穩后， 整體下座并伴隨巖體解體， 沖擊鏟刮下伏砂、 礫巖， 導致巖體破裂形成陡傾破裂面， 沖擊鏟刮巖體體積約0.9 萬方。 崩塌體砸毀掩埋路面約80m，部分堆積在公路上， 體積約0.6 萬方， 最大堆積厚度9m。

2.3 碎屑流鏟刮區

路基以下斜坡為碎屑流鏟刮區， 坡度38°～45°， 斜長188m， 上部比下部較緩。 坡面中上部及坡腳均發育陡坎， 高7～12m。 斜坡表面基巖裸露， 分布少量低矮灌木。 崩塌體從路基傾瀉而下， 主要沿坡面原有沖蝕溝道運動形成兩股碎屑流， 并伴隨少量巨塊石的滾動跳躍。 其中上游碎屑流運動方向為160°， 下游碎屑流運動方向140°。 碎屑流下滑過程中產生表面侵蝕， 最大鏟刮厚度2m， 在坡面上形成刻蝕槽。

2.4 溝谷堆積區

崩塌區地形陡峻， 除部分巨塊石散落在公路和坡面上， 崩塌體主要堆積在坡腳的溝谷中。下游碎屑流在溝谷中形成一個扇形堆積區， 最大堆積厚度5m， 阻塞溝道。 上游碎屑流少量巨塊石堆積在斜坡中部陡坎下， 溝底有零星散落。現場調查發現， 堆積體主要由0.5m3大小的巖塊及碎屑組成， 最大塊度為5m×3m×3m 的玄武巖塊。 體積較大的巨塊石主要分布在公路上方、上游碎屑流鏟刮區、 下游碎屑流堆積扇中。 因鏟刮及解體擴容作用， 最終堆積體體積約3萬方。

3 崩塌成因分析

降雨是地質災害發生最主要的原因， 雨強、持時、 累積降雨量是影響斜坡與危巖穩定性的重要因素。 汛期降雨具有強降雨天數多、 降雨持續時間長、 累積降雨量大的特點， 因此汛期是地質災害高發頻發的時期。 汛期降雨誘發的地質災害具有區域性、 群發性、 突發性等特點，往往造成重大人員傷亡和各種財產損失。 1981年7 月至9 月四川中東部遭遇特大暴雨襲擊，誘發了約6 萬處地質災害， 毀壞房屋7 萬余間[23]。2014 年8 月31 日至9 月2 日三峽地區發生50年一遇的特大暴雨， 共導致2340 起地質災害，造成48 人死亡， 緊急轉移5 萬余人[24]。

短時強降雨入滲在陡傾裂隙中形成高水頭靜水壓力， 沿節理裂隙滲流產生動水壓力， 造成結構面位移， 導致巖體變形。

降雨量監測顯示， 軍紅路崩塌發生前三天累積降雨量達159mm。 崩塌所在山體地形陡峻， 巖體中節理裂隙強烈發育， 地下水入滲條件好， 賦水性差， 對降雨的響應較快。 山體斜坡為反傾結構， 沿節理裂隙入滲的降水在山體內部以層間裂隙水的形態賦存， 表層風化帶內則表現為向外排泄， 形成較強的動、 靜水壓力。為了分析降雨入滲對危巖體穩定性的影響， 利用UDEC 軟件對地下水滲流效應進行了數值模擬。 數值模型長258m， 高200m。 巖體層面內傾， 傾角16°， 節理與層面垂直， 傾角74°。 考慮風化隨深度變化， 淺表層節理與層理間距大于斜坡內部。 危巖體與穩定山體間設置陡傾后緣裂隙， 傾角70°。 山體上部巖體采用摩爾-庫倫模型， 下部為剛體模型， 巖石的物理力學參數參如表2 所示。

表2 數值模擬參數取值表

3.1 地下水滲流效應

首先采用天然狀態下的巖體物理力學參數進行初始地應力平衡和開挖模擬。 計算收斂后，在模型左側施加高度與山頂相同的固定水頭，將斜坡表面設置為透水邊界， 公路路面為非透水邊界， 開始地下水滲流導致的斜坡變形模擬。數值模擬結果顯示， 地下水在山體內部主要以層間滲流的形式運動（圖6）。 隨著埋深的減小，巖體節理發育密度增大， 淺層強風化帶中的地下水向坡外排泄， 沿結構面的地下水滲流速度逐漸增大， 在路塹邊坡坡腳達到最大。 地下水滲流在結構面上形成垂直于結構面的靜水壓力和與結構面平行的動水壓力， 附加應力導致結構面發生法向和剪切應變， 斜坡中超出極限剪切位移、 產生切向錯動的節理數量隨深度減小而增大。 結構面最大剪切位移和法向位移發生在危巖體后緣陡傾裂隙， 分別達到8.9cm 和3.2cm（圖7-8）。 節理裂隙位移導致巖體與斜坡變形， 危巖體及其底部巖體呈現后傾下挫的變形趨勢， 從上至下位移量先增大后減小、 運動方向由垂直向下轉為近水平向坡外（圖9）。

圖6 斜坡內部滲流速率（單位： 10-12m3/s）Fig.6 Flow rate in slope（Unit： 10-12m3/s）

圖7 節理法向位移（單位： m）Fig.7 Normal displacement of joints（Unit： m）

圖8 節理剪切位移（單位： m）Fig.8 Shear displacement of joints（Unit： m）

圖9 滲流導致斜坡變形（單位： m）Fig.9 Slope displacement due to seepage（Unit： m）

3.2 飽和巖體強度軟化

軍紅路崩塌體是由玄武巖組成的塔柱狀危巖， 其基座是凝灰巖。 玄武巖飽和單軸抗壓強度超過60MPa， 屬于堅硬巖類。 凝灰巖位于侏羅系火山巖與二疊系沉積巖接觸帶， X 射線衍射檢測結果顯示， 其主要礦物成分為由石英、粘土礦物， 分別達到43%和42%。 粘土礦物包括伊利石、 高嶺石、 伊蒙混層、 綠蒙混層。 高嶺石是長石的蝕變產物， 伊利石、 綠泥石是成巖作用過程中蒙脫石經過高溫高壓脫水轉化而成， 伊蒙混層、 綠蒙混層均是其間的過渡礦物。這些粘土礦物的親水性較強， 凝灰巖的軟化系數較大， 巖石在飽和情況下抗剪強度減小。2018 年7 月1 日至8 月11 日， 崩塌點累計雨量達到460.5mm， 達到多年平均降雨量的84%。長時間豐富降水補給使斜坡內部保持較高的潛水水位， 凝灰巖處于充分飽和狀態。 與天然狀態相比， 凝灰巖飽和情況下粘聚力和內摩擦角分別由11.5MPa、 43.8°降低至10.2MPa、 32.2°（表3）。 同時地下水潤滑使結構面強度減小，導致凝灰巖巖體強度降低， 巖體發生剪切破壞引起玄武巖塔柱狀危巖體崩塌。

表3 凝灰巖礦物成分表

數值模擬顯示， 在滲流情況下， 巖體被賦予飽和強度后， 斜坡變形急劇增大。 位移云圖顯示， 計算步數308180 時危巖體基座位移達到20～30cm（圖10）。 危巖體及基座巖體中的監測點位移曲線斜率陡然增大， 呈不斷增大的趨勢，計算步數308180 時仍不收斂（圖11）， 說明危巖體將持續變形至最終發生失穩破壞。 與之截然不同的是， 在無滲流的情況下， 雖然巖體強度降低， 但模型計算很快收斂（圖12）， 表明危巖體處于穩定狀態。

圖10 滲流與巖體強度軟化耦合作用下斜坡變形（單位： m）Fig.10 Slope deformation under seepage and rock softening（Unit： m）

圖11 監測點位移-步數曲線Fig.11 Displacement-step history curves of monitoring points

圖12 無滲流情況下不平衡應力監測曲線Fig.12 Unbalance force-step history curve under the circumstance without seepage

4 結論

本文在對2018 年8 月11 日北京房山軍紅路崩塌現場調查的基礎上， 結合巖石物理力學實驗測試， 利用離散元數值模擬方法， 分析了地下水滲流和巖體強度軟化作用下危巖體的失穩機理， 對汛期降雨誘發山區公路邊坡塔柱狀危巖體崩塌成因機制進行了研究。

（1） 軍紅路崩塌發育自山區公路路塹高陡斜坡。 崩塌體為塔柱狀玄武巖危巖， 下伏凝灰巖為較軟巖類。 在長期風化作用下， 巖體節理裂隙強烈發育， 呈塊狀碎裂、 層狀碎裂-鑲嵌結構， 斜坡呈“上陡下緩” 的地形地貌。

（2） 崩塌發生時， 危巖體整體下座， 沖擊鏟刮下伏基巖， 沖毀掩埋道路后繼續沿著路基斜坡向下運動， 最終堆積于坡腳溝谷中。 基于崩塌體運動與成災特征， 可將軍紅路危巖體崩塌災害范圍劃分為崩塌源區、 沖擊鏟刮區、 碎屑流鏟刮區、 溝谷堆積區。

（3） 降雨是北京房山軍紅路崩塌的誘發因素。 數值模擬表明， 降雨入滲在斜坡體內形成地下水滲流， 在巖體結構面上產生附加的靜、動水壓力， 導致巖體結構調整、 山體變形。 長時間降雨使斜坡巖體處于充分飽和狀態， 結構面和巖塊強度降低， 凝灰巖巖體因強度減小而發生剪切破壞， 致使危巖體崩塌下挫。

（4） 地下水滲流和巖體強度軟化耦合作用導致危巖體崩塌。 數值模擬顯示， 滲流及巖體強度軟化的耦合作用下， 危巖體變形加劇， 潛在失穩模式為基座巖體剪切破壞引起危巖體后傾式下挫。 而僅考慮巖體強度軟化或滲流作用，危巖體處于穩定狀態。 因此， 防止地下水入滲、消除或減小地下水滲流效應， 以及設置排水孔降低地下水位是預防危巖體崩塌的有效手段。