九寨沟县上四寨保护站崩塌堆积体稳定性评价

朱登科，胡卸文， 2，梅雪峰，韩 玫

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031；2.西南交通大学抗震工程技术四川省重点实验室，四川成都 610031)

崩塌(崩落、垮塌或塌方)是指较陡斜坡(一般大于50 °)上的岩土体在重力作用下突然脱离母体发生以垂直运动为主的崩落、滚动、堆积在坡脚(或沟谷)的地质现象，破坏力极强。由崩塌产生的崩塌堆积体因其稳定性通常较低，容易继续发生失稳破坏等次生灾害，因此其稳定性问题一直是地质灾害领域研究的重点问题之一。对于堆积体的稳定性分析，国内外学者已经提出了多种研究方法，易庆林[1]基于能量守恒思想，采用径向条分法，建立滑坡的稳定性数学计算模型，为堆积体稳定性分析提供了一种新的方法。张嘎[2]等基于瑞典条分法的基本概念，考虑土的抗剪能力和剪应变的关系，引入简化位移协调方程，提出了新的应变软化边坡稳定性的评价方法。邹烨[3]通过三维均质边坡算例，验证了三维矢量和法在边坡动力稳定分析中的合理性与可行性，给出了利用矢量和法进行三维边坡动力稳定性分析的具体计算过程。

宁宇[4]等基于三维有限元模型，采用位移梯度理论确定三维滑面的分析方法，此方法能够搜索出任意形式滑面，同时兼顾了堆积体的三维效应。周永江[5]等根据动力时程分析法，考虑边坡整体动力响应规律，采用动力有限元法，针对边坡动力响应提出了一套较为全面的分析评价方法。刘杰[6]等基于拟静力法对坝肩边坡地震工况下的稳定性进行分析，得出地震作用的主要影响区域和地震中塑性区随地震加速度的演化规律。

本文以九寨沟县上四寨保护站崩塌堆积体为例，在分析堆积体及上部危岩体工程地质特征的基础上，采用传递系数法及GEO-SLOPE软件计算了堆积体在天然、暴雨、地震不同工况下的稳定状态，并重点对不同地震烈度下的稳定状态进行了分析。

1 工程地质条件

1.1 基本地质条件

研究区位于九寨沟县漳扎镇上四寨村旅游公路附近，地处青藏高原与四川盆地的大地貌单元过渡的深切割高山峡谷地带。地势由西北向东南逐渐降低。属川西高原气候中的暖温带干温河谷气候，气候受地形影响较大，年降水量和暴雨在四川境内相对偏少且分配不均，常出现局部性暴雨和冰雹。年均降雨量552.3mm，降水多集中在雨季(5～9月)，约占全年降水量的75 %。

区内岩体主要为石炭系中统岷河群(C2mn)灰岩不等厚互层，基岩主要出露于斜坡陡峭位置。据现场调查，斜坡前缘覆盖物主要为九寨沟地震诱发的崩塌堆积体，斜坡岩层从上至下分别为：第四系崩塌堆积体(Q4col+dl)，强风化灰岩C2mn，弱风化灰岩C2mn。

受地质构造条件影响，第四纪以来，九寨沟县新构造运动强烈，县内及邻近区域地震活动频繁，历史上曾发生多次强烈地震。根据“5·12”地震后，国家发布的《四川、甘肃、陕西部分地区地震动参数区划图》[7]，研究区地震动反应谱特征周期为0.45s，地震动峰值加速度为0.20 g，抗震设防烈度为Ⅷ度。

1.2 坡体结构特征

1.2.1 堆积体结构特征

堆积体前缘高程2 353m，后缘高程2 475m，相对高差122m，坡度为35～50 °。受地形影响，堆积体整体近似呈扇形，纵长约160m，平均宽度约60m，堆积体平均厚度1.5m，最大厚度约3m，主滑方向86 °，整体方量1.5×104m3，属于中型崩塌体(图1、图2)。堆积体在整体上呈现出下部坡度较缓、厚度较厚，向上坡度逐渐变陡、厚度逐渐变薄的特征。根据堆积物粒径大小及崩落距离，将堆积体分成两个区，Ⅰ区堆积体位于坡体上部，后缘紧邻崩塌物源区，堆积体坡度较陡，纵长63m，相对高差约65m，厚度0.5～1.2m。受地形影响，大块石在此难以停积，堆积物成分主要为小块碎石及粉土，粒径1～5cm，颗粒约占70 %，堆积体整体结构松散，碎块石多呈棱角～次棱角状，无分选性及架空现象。Ⅱ区堆积体位于坡体下部，前缘延伸至坡脚公路附近，堆积体坡度相对Ⅰ区较缓，纵长97m，相对高差70m，厚度1.2～3m，堆积物成分主要为较大块石及粉土，主要块石粒径5～30cm，局部有粒径2m左右的大块石。堆积体整体结构松散，块石多呈棱角～次棱角状，大小混杂，局部架空，无分选性。

图1 堆积体全景

图2 堆积体工程地质平面

1.2.2 崩塌物源区岩体结构特征

崩塌物源区出露的岩体岩性为石炭系中统岷河群(C2mn)灰岩，灰白色或灰色，细粒结构，中厚～厚层状构造，顶部高程2 530m，底部高程2 474m，整体高差约56m，平面面积1 300m2，整体方量约0.5×104m3。陡崖坡向85 °，坡度45 °，岩层产状为320 °∠70 °，坡体结构为横向坡(图3)。该危岩体主要发育两组优势结构面：结构面J1产状157 °∠27 °，较粗糙，张开度1～3cm，少量泥质充填物，延伸长度3～6m，发育间距0.8～1.2m；结构面J2，产状为 82 °∠43 °，较粗糙，张开度1～2cm，少量泥质充填物，延伸长度2～5cm，发育间距1～1.5m。

图3 崩源区岩体结构特征

经赤平投影分析[8](图4)，结构面J1和结构面J2呈“×”共轭，将危岩体切割成破碎状。结构面J2倾向坡外，倾角小于陡崖坡度，为不利结构面，这两组结构面与岩层层面组合将岩体切割成碎裂结构，岩体完整性破坏较大，岩体结构强度较低。同时这些结构面为降雨的入渗提供了通道，雨水下渗过程中产生的静水和动水压力增大了岩体的下滑力，降低了结构面的力学强度，使岩体的稳定性逐渐降低，逐渐形成了潜在的崩塌体。在地震力的作用下，岩体被反复张拉、剪切，致使危岩体逐渐脱离原始坡体。由于J2节理与陡崖临空面产状接近，为外倾结构面，危岩体沿J2结构面发生滑移式崩塌，因斜坡下部坡度变缓且受树木拦挡，崩塌体最终堆积于较平缓坡面，从而形成了现有堆积体。在崩源区后缘山脊处发现有两条沿与坡面平行方向延伸的拉裂缝，裂缝距离危岩体3～7m，长5～10m，宽0.3～1.0m，深0.2～0.5m(典型裂缝图5、图6)。

图4 岩层及结构面赤平投影

图5 崩源区后缘裂缝

图6 崩源区后缘裂缝

2 稳定性评价及有限元数值模拟

2.1 参数选取

岩土体的物理力学参数的取值对堆积体稳定性计算及后期的工程治理有很大的影响，根据室内试验结果，确定计算所采用的岩土体物理力学参数(表1)。

表1 岩土体物理力学参数

2.2 计算工况

选取堆积体A-A’剖面(图7)进行稳定计算分析，综合考虑影响堆积体稳定性的多种因素，计算针对以下三种工况。

工况一：天然工况，采用天然状态下土体容重、黏聚力、内摩擦角值进行堆积体稳定系数计算。

工况二：暴雨工况，针对暴雨工况下堆积体容重和动水压力增加、黏聚力及内摩擦角减小的情况，进行稳定系数计算。

图7 堆积体A-A’剖面

工况三：地震工况，采用拟静力法，通过输入不同的峰值加速度来模拟堆积体受到的不同程度的地震荷载，从而进行稳定性计算，地震加速度值分别取0.05g、0.10g、0.15g、0.20g、0.30g。

2.3 计算结果与分析

为了分析研究区崩塌堆积体稳定性，选取典型计算剖面。采用传递系数法计算了堆积体在天然、暴雨及不同地震峰值加速度情况下的稳定系数，计算结果见表1。

为了进一步验证传递系数法的合理性，本文采用GEO-SLOPE软件来对堆积体进行数值模拟验证。模型本构为摩尔库伦破坏准则，分别采用Ordinary法、Bishop法、Janbu法以及Morgenstern-Price法等计算了堆积体的稳定性系数。为了便于模拟计算，对堆积体原型结构进行合理简化，根据现场钻孔所揭示的岩层信息，研究区自上向下的岩层为第四系崩积层、强风化灰岩、弱风化灰岩。根据堆积体潜在的滑动方向及结构特征，选取图7的典型实测剖面进行合理简化，建立分析模型，模型高度196m，底边宽度319m，计算模型采用表1的岩土体物理力学参数作为计算参数，分别对堆积体在天然工况、暴雨工况和不同地震烈度下采用不同的计算方法进行了稳定系数计算(图8)。

表2 堆积体稳定数

有限元数值模拟结果表明，天然工况下堆积体的稳定系数介于1.125～1.262之间，堆积体处于基本稳定～稳定状态，但安全储备较低；暴雨工况下稳定系数介于1.003～1.129之间，堆积体处于欠稳定～基本稳定状态，当暴雨发生时有可能发生失稳破坏，这和由传递系数法计算出的结果基本相符合。在地震工况下，当地震烈度为Ⅵ度，峰值加速度为0.05g时，堆积体尚能处于欠稳定～基本稳定状态，堆积体稳定系数介于1.012～1.138之间。当地震烈度Ⅶ度及以上，加速度峰值大于0.1g时，堆积体开始处于不稳定状态，且随着峰值加速度的增加稳定系数呈现快速下降趋势(图9)。当地震烈度为Ⅷ度，峰值加速度为0.3g时，堆积体稳定性系数最小仅为0.636，堆积体处于危险状态。由图9可以看出，数值模拟得出的结果与传递系数法计算结果基本相一致。

(a)天然工况

(b)暴雨工况

(c)地震Ⅵ(0.05g)

(d)地震Ⅶ(0.1g)

(e)地震Ⅶ(0.15g)

(f)地震Ⅷ(0.2g)

(g)地震Ⅷ(0.3g)

图9 稳定系数下降趋势

3 结论

(1)九寨沟县上四寨保护站崩塌堆积体的形成主要是由斜坡地形、破碎的岩体结果和地震作用的协同影响导致的。其中，斜坡地形是堆积体形成的基础，较为破碎的岩体是堆积体形成的物质来源，地震作用是诱发岩体崩塌和堆积体形成的直接原因。

(2)采用传递系数法和GEO-SLOPE着重对堆积体在不同地震烈度下的稳定系数进行对比分析，结果表明当地震加速度峰值大于0.1g时，稳定系数开始呈现快速下降趋势，堆积体开始处于不稳定状态，且稳定系数与加速度峰值大致呈线性相关。在天然和暴雨工况下，两种研究手段得出的堆积体的稳定状态基本一致，总体上堆积体在天然工况下处于基本稳定状态，但安全储备不足，在暴雨工况下处于欠稳定状态，在地震工况下处于不稳定状态，很容易发生失稳破坏。

(3)采用传递系数法与数值模拟对比分析能够较科学的研究堆积体稳定性状态，本文对九寨沟震后恢复工程具有指导意义。