典型震裂山體發育特征及形成機制分析

王永學 朱凌 裴向軍 尹強 鄭益偉 阿帕爾

摘要：為了揭示強震作用下斜坡的震裂損傷特征及其演化規律，對四川省茂縣疊溪鎮松坪溝流域的3個典型震裂山體開展了地質條件及震裂紋調查。結果表明：① 震裂斜坡震裂紋的擴展主要與結構面特征有關，震裂紋往往沿著節理觸發和擴展。② 震裂紋的組合特征控制了震裂山體的失穩模式。③ 強震過程中，在沖壓-拉張荷載下主要形成拉張裂紋、沖壓裂紋及壓致拉裂;在振動剪切荷載下主要形成張性雁列和壓扭性雁列2種裂紋類型。④ 地震造成的震裂紋加速了斜坡的失穩破壞，強震山區地震荷載造成的震裂紋是斜坡失穩的關鍵因素。

關 鍵 詞：震裂損傷特征; 震裂山體; 震裂紋; 強震作用; 四川省

中圖法分類號： P631.4;P642.2

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.019

0 引 言

地震是斜坡失穩破壞的一類重要觸發因素，2008年汶川地震引發了6萬多處滑坡，其中112處大型滑坡面積超過5萬m2 [1-2]，造成了災區嚴重的人員傷亡和財產損失。地震荷載作為滑坡的觸發因素，會造成強震山區巖體損傷和斜坡的震裂紋擴展，加速斜坡的蠕滑變形[3]，致使地震后震區滑坡災害數量顯著增加，例如，1923年日本關東大地震、1993年疊溪地震、1999年集集地震、2008年汶川地震和2017年九寨溝地震等[4-8]。

針對地震造成的巖體損傷和震裂紋擴展，前人也開展了相關研究，發現主要是由于巖體內部缺陷的存在，造成了地震波的不斷折射和反射。當應力波的強度超過巖石強度就會造成微裂紋的擴展，持續的地震波作用造成了微裂紋的擴展、貫通并形成宏觀裂紋[9]。結構面位置最容易受到地震波的影響，并且主要是拉裂過程。在強震山區的斜坡內部普遍有大量的震裂紋，在坡面陡緩轉折帶及不同巖性接觸部位、不同巖性內部等均有不同程度發育[10]。

盡管前人對強震山區的斜坡失穩機制、巖體震損特征開展了相關研究，但目前對震裂山體特征及演化和震裂紋擴展機制的研究較少。因此，本文以四川省茂縣疊溪鎮松坪溝流域的3個典型震裂山體為例，基于地質背景和歷史地震數據，開展了震裂紋特征調查，對震裂山體潛在失穩模式及穩定性進行評價，分析了震裂山體的震裂紋擴展機制、形成因素及演化規律。

1 研究區工程地質條件

1.1 地質背景

四川省茂縣疊溪鎮松坪溝流域屬于青藏高原與龍門山斷裂帶的過渡帶，具有切割峽谷地貌深、地形陡峭的特點。研究區震裂山體位于岷山南部富貴山以西，松坪河和岷江之間。深切“V”型山谷由2條河流的下切形成。青藏高原東緣由西向東由3個構造單元組成：松潘-甘孜褶皺帶、龍門造山帶和四川盆地。研究區位于松潘-甘孜褶皺帶與龍門山造山帶過渡帶，發育了印支期和燕山期形成的復雜褶皺和斷層。其中，弧形構造在該區最為常見，包括小金和較場弧型構造帶。研究區位于較場弧形構造的頂部，具有巖體破碎、構造復雜的特點。此外，青藏高原東緣自西向東劃分為西藏地塊、龍門山造山帶和成都盆地3個活動構造單元。研究區位于岷江斷裂和松坪斷裂的交匯處，受這兩條活動斷裂的影響。其中松坪溝斷層產狀為N35°W/NE/50°～60°，全長30 km。一般認為該斷層是1933年疊溪地震的發震斷層[11]。研究區位于松坪溝斷層的上盤，距離1993年疊溪地震震中僅4.3 km。松坪溝出露的地層有二疊系三道橋組（P1s）、三疊系波茨溝組（T1b）、雜谷腦組（T2z）和新都橋組（T3x）。巖性由變質砂巖、石灰巖、板巖和千枚巖組成。研究區在雜谷腦組（T2z）內，主要由變質砂巖夾板巖和千枚巖組成（見圖1）。

1.2 歷史地震

位于松坪斷裂和岷江斷裂交匯處的研究區是地震多發區（見圖2）。有記錄以來，對該區域影響較大的有1933年的疊溪地震（7.5級）、1976年松潘地震（7.5級）和2008年汶川地震（8.0級）3次強震。1933年疊溪地震（32.01°N，103.68°E），地震震源深度為15 km，震中距離新磨滑坡區3 km，地震烈度達到X度[12]。1933年疊溪地震誘發的大量滑坡壩沿松坪溝和岷江分布，形成了堰塞湖，包括大海子、小海子等。1976年松潘地震（32.69°N，104.2°E）發生在四川省松潘縣，地震的震源深度為10 km，研究區距離松潘地震震中84 km，研究區地震烈度達到VI度[13]。2008年汶川地震（30.986°N，103.364°E）震中距離研究區118.4 km，研究區烈度為Ⅷ度（見圖3）。1933年疊溪地震被認為是對研究區破壞最嚴重的災難事件，引發了岷江和松坪溝沿岸的大量滑坡。對松坪溝兩岸的滑坡和崩塌調查發現，兩岸共有25處山體滑坡和82處崩塌，其中大部分是由1933年疊溪地震引發的。在該地區，雖然松潘地震和汶川地震沒有誘發大規模的滑坡，但卻引發了一些小規模的同震滑坡。以往的研究表明，3次地震嚴重破壞了研究區的巖體結構，降低了斜坡穩定性[14]。

2 震裂山體特征

茂縣疊溪鎮兩河口村震裂山體位于松坪溝左岸，坡腳坐標東經103°38′50″，北緯32°04′21″。橫寬740 m，縱向順坡長約500 m，地形總體坡度約48°，研究區總面積約37萬m2，出露地層為三疊系雜谷腦組（T2z）變質砂巖和板巖，弱變質結構。根據震裂山體的基本特征、現狀分布、變形特征等因素，將研究區的震裂山體劃分為3個部分（見圖4）。

1號震裂山體分布于斜坡頂部靠右側邊界部位，分布高程2 460～2 640 m，相對高差約180 m，主崩方向315°。坡度陡，自然坡角65°～85°。震裂山體橫寬約140 m，縱長約245 m，總體積約4.2萬 m3。巖層產狀為180°～205°∠51°～55°，為反向坡（見圖5）。主要發育有3組裂隙：第①組產狀56°∠75°，裂隙延伸長度約1.5～5.0 m，張開度為1.0～2.0 cm，間距約1.2～2.8 m。第②組產狀332°∠32°，裂隙延伸長度約0.3～0.8 m左右，裂隙張開度約1.0 cm左右，間距約0.2～0.4 m。第③組產狀320°∠78°，裂隙延伸長度約0.3～0.8 m左右，裂隙張開度為1 cm左右，間距約1.0～2.2 m。在震裂山體后緣發育著一條深大裂縫，裂縫總體走向232°，近似垂直于坡向，縫寬1.5～2.5 m，可見深度約15 m，長約8～12 m，其間有少量碎塊石充填。裂縫中生長一棵樹木，直徑達20 cm（見圖6）。1E1AA5C9-DBCA-4CB3-B312-2ACBBCC21D50

2號震裂山體出露巖層產狀為210°～236°∠51°～60°，為順向坡（見圖7）。主要發育3組裂隙：第①組產狀97°∠78°，裂隙長度約4.0～6.0 m，間距約0.4～1.9 m;第②組產狀186°∠57°，長度約0.5～1.2 m左右，張開度為1.0 cm左右，間距約0.4～0.5 m;第③組產狀144°∠53°，長度約3.5～4.8 m左右，張開度為1.0 cm左右，間距約1.2～2.5 m（見圖8）。

3號震裂山體分布高程2 590～2 760 m，相對高差約170 m。震裂山體帶橫寬85～90 m，縱長約200 m，分布面積約1.45萬m2。巖層產狀為180°～236°∠46°～55°，為順向坡（見圖9）。主要發育有裂隙4組：第①組產狀188°∠77°，裂隙延伸長度約4.0～6.0 m，張開度為0.5～2.0 cm，間距約1.2～3.6 m;第②組產狀198°∠65°，裂隙延伸長度約0.5～1.2 m左右，裂隙張開度約1.0 cm左右，間距約1.8～5.3 m;第③組產狀253°∠83°，裂隙延伸長度約3.5～4.8 m左右，裂隙張開度約1.0 cm左右，間距約1.2～2.5 m。第④組產狀332°∠32°，裂隙延伸長度約3.5～4.8 m左右，裂隙張開度約1.0 cm左右，間距約1.2～2.5 m（見圖10）。

3 震裂山體潛在失穩模式及穩定性評價

3.1 潛在失穩模式

1號震裂山體巖層傾向斜順向，傾角約51°，巖層與斜坡坡面交角小于坡角，對坡體穩定性不利，震裂山體主要受裂隙控制，震裂山體可能沿裂隙1，2以及其組合交線發生破壞，1號震裂山體破壞模式以整體傾倒式為主。2號震裂山體巖層外傾，傾角約51°，巖層對坡體穩定性不利，震裂山體主要受層面、裂隙控制，其中層面與坡面斜交，傾角小于坡角，2號震裂山體可能沿層面以及其組合交線發生滑移式破壞。3號震裂山體為順向坡，傾角約51°，巖層與坡面順向相交，且傾角小于坡腳，對坡體穩定性不利;震裂山體主要受裂隙控制，可能沿裂隙3，4以及其組合交線發生破壞。結合現場調查情況來看，3號震裂山體發生了整體滑移式破壞（見圖11）。從宏觀上看，震裂山體巖體節理裂隙發育密度較大，裂隙間相互切割，震裂山體表面形成較多懸崖，在地震作用下，震裂山體裂隙卸荷張開更加明顯，震裂山體更加松動，隨著裂隙進一步發展，震裂山體將最終失穩崩落。

3.2 穩定性評價

根據現場調查及對結構面進行分析，揭示研究區的震裂山體主要以傾倒和滑移破壞為主，陳洪凱提出了對不同破壞模式危巖的計算方法。根據前人研究及大量工程實踐，考慮不同工況：① 天然工況（自重）;② 暴雨飽和工況（飽和自重+裂隙水壓，其中裂隙充水高度hw取裂隙深度h的1/2）;③ 地震工況（自重+地震力）。根據類比相似工程取參數值。根據DZ/T 0218-2006《滑坡防治工程勘查規范》取安全系數值。據全國地震區劃圖編制委員會編制的GB 18306-2015《中國地震動參數區劃圖》，疊溪鎮地震基本烈度為Ⅷ度，地震動反應譜特征周期為0.35 s，地震動峰值加速度為0.2 g。穩定性計算時地震水平系數取0.2。最終穩定性計算分析結果如表1所列。

4 震裂山體形成因素及演化分析

強震過程中，對山體的地震力主要分為沖壓-拉張和振動剪切應力，在沖壓階段，在巖體裂紋的末端會產生壓應力集中。當應力超過巖體的強度閾值時，端部巖體將發生塑性變形或破碎，應力集中部分將轉移到端部內部（見圖12）。

在拉應力σ3條件下，促進了巖石裂紋擴展，當拉應力超過巖石的抗拉強度，并形成與拉應力近于平行的裂紋時，就會造成巖石的拉張破壞（見圖13）。此外，在沖壓荷載下，拉應力集中最強的部位位于與主壓應力方向夾角β為30°～40°的裂隙的端部，當（σ1-σ3）2/（σ1+σ3）=8St時，巖石破壞，裂隙在這些部位擴展而成分支裂隙（J2t），壓致拉裂裂紋呈近于垂直的高傾角（見圖14）。

在應力剪切條件下，可形成雁列破裂面，雁列破裂可分為張性雁列（T）和壓扭性雁列（P）2種裂紋類型。其中，張性雁列裂紋擴展方向與主應力方向平行，在擴展過程中可能會形成2組共軛次級剪切裂隙（R、R′）。而壓扭性雁列裂紋擴展方向與剪切方向呈銳角（見圖15），在循環剪切作用下，對巖石會有更嚴重的損傷。

強震過程造成的斜坡損傷、裂紋擴展是一個復雜的過程，同時受到了地形地質條件等多因素的影響。對于山體的單薄山脊或者坡折帶，由于水平地震力受高程的影響更明顯，在強震作用下主要是拉張作用產生的拉裂紋，因此許多同震滑坡均產生了高陡的后緣拉裂面，例如，2008年汶川地震觸發的大光包滑坡[16]、文家溝滑坡[17]、老鷹巖滑坡[18]等。而強震作用造成的巖體裂紋，主要與巖體的原生或后生缺陷結構有關，包括節理、微裂隙、膠結物等，震裂紋多沿這些缺陷擴展[19]。此外，對于含軟弱夾層的斜坡來說，由于在強震過程下軟弱夾層發生了非協調變形，從而造成軟弱夾層的嚴重損傷。黃潤秋等[20]對大光包滑坡進行了研究，發現滑坡南側的先期層間錯動帶是大光包滑坡的主控滑帶，在該帶中發現了強震作用造成的拉張裂紋和壓致拉裂，這些裂紋約占所有裂隙的56%。

本文主要從地質條件、歷史地震和外力因素對松坪溝震裂山體的形成及其演化開展分析。研究區位于較長弧形構造帶頂部，岷江斷裂和松坪斷裂的交匯處，地質構造復雜，斷層發育，在長期構造活動下區域巖石節理發育。此外，震裂山體形成于斜坡中上部或坡折帶，斜坡坡角大于60°，臨空條件好，該區域地層主要是砂巖、夾板巖、千枚巖，千枚巖強度遠低于前2種巖石。研究區地震活動頻繁，尤其在1933年發生的疊溪地震、1976年發生的松潘地震和2008年發生的汶川地震，對研究區均產生了影響，主要表現在：① 巖層中節理裂隙的發育，在地震下震裂紋易于沿著原始節理擴展、延伸。② 單薄山脊或者坡折帶加速度放大，易形成后緣寬大拉裂縫[21]。③ 在強震作用下，含軟弱巖層的地層中容易造成軟巖的應力集中、非協調變形和損傷破壞。對于這類震裂斜坡，在長期風化和重力作用，易造成原有震裂紋的擴展和貫通;而在降雨條件容易形成水壓力，從而促使滑坡的發生，這也是2008年汶川地震后震區雨季滑坡數量突增的主要原因。1E1AA5C9-DBCA-4CB3-B312-2ACBBCC21D50

5 結 論

（1） 震裂斜坡震裂紋的擴展主要與研究區構造結構面有關，震裂紋往往是節理擴展、貫通形成的。

（2） 震裂山體失穩模式主要受裂隙控制，震裂山體可能沿裂隙以及其組合交線發生破壞。結合現場調查情況來看，1號震裂山體可能發生傾倒破壞。2號、3號震裂山體可能沿層面以及其震裂紋組合交線發生滑移式破壞。

（3） 強震過程中，對山體的地震力主要分為沖壓-拉張和振動剪切荷載，在沖壓-拉張荷載下，主要形成了拉張裂紋、沖壓裂紋及壓致拉裂。在振動剪切荷載下，形成張性雁列和壓扭性雁列2種裂紋類型。

（4） 斜坡的累進性變形和破壞受到了多期次地震、長期風化條件和重力變形等多因素的綜合影響。

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（編輯：劉 媛）

Development characteristics and formation mechanism of typical earthquake-induced cracked

slope in Songpinggou，Maoxian County，Sichuan Province

WANG Yongxue1，ZHU Ling2，PEI Xiangjun2，YIN Qiang3，ZHENG Yiwei3，A Paer3

（1.Xinjiang Xiyu Highway Construction Group Co.，Ltd.，Urumqi 830000，China; 2.College of Environment & Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China; 3.Xinjiang Communications Construction Group Co.，Ltd.，Urumqi 830015，China ）

Abstract：

In order to reveal the seismic damage characteristic and evolution mechanism of slopes under strong earthquakes，the geological conditions and seismic cracks of three typical seismic cracked mountains in Songpinggou valley，Diexi Town，Maoxian County，Sichuan Province were investigated.The main findings were as follows：① the propagation of seismic cracks on the slope was mainly related to the characteristics of structural planes，and the seismic cracks were often triggered and propagated along joints.② The combination characteristics of seismic cracks controlled the instability mode of the cracked slope.③ In the process of strong earthquake，compression crack，tension crack，and tension crack were mainly triggered by compression-tension loadings.Under the dynamic shear loading，tension echelon and compression torsion echelon cracks were induced.④ The seismic cracks induced by the earthquakes accelerated the failure of the slopes.The seismic cracks caused by seismic loading in strong earthquake mountainous area are the key factor of slope instability.

Key words：

seismic damage characteristic;seismic cracked mountain;seismic crack;strong earthquake action;Sichuan Province1E1AA5C9-DBCA-4CB3-B312-2ACBBCC21D50