降雨诱发山区公路边坡危岩崩塌机理研究

冯 振， 路 璐， 张长敏， 陈 亮

（1. 中国地质环境监测院， 北京 100081； 2. 北京市地质研究所， 北京 100011）

0 引言

崩塌是陡坡或陡崖上的岩土体脱离母体下落的现象， 一般具有突发性、 运动速度极快的特点， 监测预警的难度较大， 开展崩塌机理研究有助于深入了解其形成演化过程、 变形破坏特征， 从而为科学防灾减灾提供技术支撑。 我国是一个多山的国家， 大部分山区公路等级低、线型较差， 沿线地质灾害发育， 其中崩塌是危害山区公路安全的主要地质灾害类型之一。 针对山区公路、 铁路等线性工程沿线崩塌灾害，国内外科学家在成因机理[1]、 系统风险评价[2-3]、防治对策[4-5]等开展了大量的调查研究工作， 基于岩体受力状态、 初始运动形式、 岩体破坏机制等， 提出了多种崩塌类型和地质力学模式[6-9]，认为下伏软岩的塑性流动[10-12]、 不排水剪切破坏[13]、 滑移压致拉裂[9]、 地下采矿[14]等是导致柱状危岩崩塌的原因。 多年的研究表明， 崩塌虽然具有突发的特点， 但是发生时间与降雨有很强的关联性[15-16]， 对此主要针对降雨阈值[17]、 裂隙静水压力[18-19]、 软岩的力学强度特性[20-22]等方面进行了研究。 本文以2018 年8 月11 日北京市房山区军红路塔柱状危岩崩塌为研究对象，分析暴雨入渗对岩体强度与危岩体稳定性的影响， 揭示降雨诱发反倾斜坡中的崩塌成因机制。

1 区域地质环境背景

2018 年8 月11 日8 时30 分， 北京市房山区大安山乡军红路K18+350 处发生山体崩塌灾害。 军红路崩塌位于北京市西部山区， 距离北京市中心50km， 地理坐标为北纬39°53′13.23″，东经115°45′50.17″（图1）。 灾害造成军红路道路阻塞， 掩埋冲毁路面、 路基及护栏长约80m，由于群测群防员预警及时， 未造成人员伤亡。

图1 房山军红路崩塌位置与周边地貌图（来自google地图2013 年）Fig.1 Location and topographic of the Junhonglu rockslide（from Google Earth， 2013）

1.1 地形地貌

房山区地处北京市西南部， 属华北平原与太行山脉的过渡地带， 其西部属构造侵蚀中低山区， 受构造、 岩性影响， 地形陡峻、 沟谷狭窄， 谷岭相间排列， 是北京市地质灾害高易发地区， 尤以崩塌滚石灾害最为严重。

军红路崩塌发育自公路路堑边坡上方， 公路位于山体斜坡中部。 斜坡坡向130°～140°，坡度37°～75°， 坡体上部局部呈陡崖地貌。 坡顶最大高程920m， 坡脚为季节性溪流大北河，最低高程550m， 崩塌区公路路面高程720～730m。 发生崩塌的路堑边坡呈“陡坎-缓坡-陡崖” 的形态（图2）。 坡脚处陡坎高15～20m，为公路修建时开挖形成。 中间缓坡高约10m，坡度40°～45°。 缓坡上方为高陡近乎直立的塔柱状危岩， 高度约35～40m， 与山体之间存在深大的拉张裂隙。

图2 军红路崩塌工程地质剖面图Fig.2 Engineering geological profile of the Junhonglu rockslide

1.2 地质结构

崩塌区域出露侏罗系和二叠系地层， 地层岩性从上至下分别为侏罗系南大岭组玄武岩、凝灰岩、 二叠系红庙岭组石英砂岩夹石英质砾岩。 室内实验测试显示， 崩塌处岩石饱和单轴抗压强度（Rc） 较大， 其中玄武岩、 石英质砾岩、 石英砂岩属于较坚硬-坚硬岩类， 凝灰岩为较软岩类（表1）。

表1 岩石物理力学参数

南大岭组和红庙岭组之间呈假整合接触，地层产状352°～5°∠16°～21°。 受NW-SE 向的挤压应力作用， 崩塌附近区域构造主要以SWNE 向复式褶曲构造为主， 次级构造和次生小构造极为发育， 岩体较为破碎。 玄武岩中主要发育3 组节理裂隙， 产状分别为70°∠90°、 150°∠90°、 87°∠60°， 岩体呈块状碎裂结构。 砂岩、 砾岩中主要发育2 组节理裂隙， 产状为192°～205°∠72°～79°、 115°～125°∠71°～80°， 岩体呈层状碎裂-镶嵌结构（图3）。 崩塌所在路堑边坡为反倾结构， 岩体中SW-NE 走向的陡倾节理为优势结构面， 将塔柱状危岩体与母岩切割形成孤立岩柱。

图3 军红路崩塌出露岩体Fig.3 Outcrops at the site of the Junhonglu rockslide

1.3 降雨特征

北京市房山区属大陆季风性气候， 立体气候明显， 平原、 丘陵及低山地区属暖温带气候区， 崩塌所在中山地区属寒温带气候区。 崩塌区域多年平均降雨量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（图4）。 距崩塌区约500m 的大安山水厂雨量站监测数据显示， 2018 年7 月1 日至8月11 日崩塌发生日的累计雨量达到460.5mm，达到多年平均降雨量的84%， 其中8 月7 日和8 月8 日降雨量分别达到82mm 和77mm。

图4 军红路崩塌降水量曲线Fig.4 Precipitation prior to the Junhonglu rockslide initiation

1.4 水文地质

崩塌区出露玄武岩、 凝灰岩、 石英砂岩、石英质砾岩等坚硬岩类， 地表覆盖层厚度小于0.5m， 地下水类型主要为基岩裂隙水。 坚硬岩体中构造裂隙张开、 风化裂隙极为发育， 透水性好， 储水条件差。 由于地层倾向斜坡内部，山体顶部缓坡向东北方向倾斜， 因此崩塌发生的路堑边坡主要接受大气降水补给， 潜水位变化动态大， 暴雨或汛期地下水向公路边坡坡脚及沟谷排泄。 周边区域的侵蚀冲沟多与构造裂隙走向平行或小角度斜交， 沟道出露的小流量泉点较多， 多为季节性泉点， 枯季干涸。

2 灾害基本特征

现场灾害过程视频显示， 崩塌发生时， 危岩体整体下座， 冲击铲刮下伏基岩， 冲毁掩埋道路后继续沿着路基斜坡向下运动， 最终堆积于坡脚沟谷中。 基于灾后无人机航摄影像， 根据崩塌体运动与成灾特征， 可将灾害范围划分为崩塌源区、 冲击铲刮区、 碎屑流铲刮区、 沟谷堆积区如图5 所示。

图5 军红路崩塌正射影像（剖面A-A’ 见图2）Fig.5 Orthophoto of the Junhonglu rockslide

2.1 崩塌源区

崩塌源区位于房山区大安山乡军红路K18+350 处路堑边坡上方30～70m。 崩塌体由侏罗系南大岭组层厚1.5～2.5m 的灰色气孔状、 杏仁状玄武岩构成， 呈塔柱状， 高度为35～38m， 宽度为30m， 厚度为20m， 体积约2 万方。 危岩体基座为南大岭组灰紫色凝灰岩， 中厚层状， 厚度约6.5m， 与下伏二叠系红庙岭组石英砂岩呈平行不整合接触。 石英砂岩层厚0.1～0.5m， 一般0.2～0.3m， 中间夹有一层厚度约3m 的石英质砾岩。 崩塌后揭露的后缘破裂面呈“上陡下缓” 的二段式形态， 上部陡倾段高35m， 坡度70°， 是沿玄武岩的节理裂隙发育而成； 下段坡度50°～55°， 高约30m， 为下部岩体剪切破裂面和冲击破裂面。

2.2 冲击铲刮区

冲击铲刮区位于塔柱状危岩体基座以下至军红路路基， 出露石英砂岩及石英质砾岩夹层。路堑边坡上方塔柱状危岩体失稳后， 整体下座并伴随岩体解体， 冲击铲刮下伏砂、 砾岩， 导致岩体破裂形成陡倾破裂面， 冲击铲刮岩体体积约0.9 万方。 崩塌体砸毁掩埋路面约80m，部分堆积在公路上， 体积约0.6 万方， 最大堆积厚度9m。

2.3 碎屑流铲刮区

路基以下斜坡为碎屑流铲刮区， 坡度38°～45°， 斜长188m， 上部比下部较缓。 坡面中上部及坡脚均发育陡坎， 高7～12m。 斜坡表面基岩裸露， 分布少量低矮灌木。 崩塌体从路基倾泻而下， 主要沿坡面原有冲蚀沟道运动形成两股碎屑流， 并伴随少量巨块石的滚动跳跃。 其中上游碎屑流运动方向为160°， 下游碎屑流运动方向140°。 碎屑流下滑过程中产生表面侵蚀， 最大铲刮厚度2m， 在坡面上形成刻蚀槽。

2.4 沟谷堆积区

崩塌区地形陡峻， 除部分巨块石散落在公路和坡面上， 崩塌体主要堆积在坡脚的沟谷中。下游碎屑流在沟谷中形成一个扇形堆积区， 最大堆积厚度5m， 阻塞沟道。 上游碎屑流少量巨块石堆积在斜坡中部陡坎下， 沟底有零星散落。现场调查发现， 堆积体主要由0.5m3大小的岩块及碎屑组成， 最大块度为5m×3m×3m 的玄武岩块。 体积较大的巨块石主要分布在公路上方、上游碎屑流铲刮区、 下游碎屑流堆积扇中。 因铲刮及解体扩容作用， 最终堆积体体积约3万方。

3 崩塌成因分析

降雨是地质灾害发生最主要的原因， 雨强、持时、 累积降雨量是影响斜坡与危岩稳定性的重要因素。 汛期降雨具有强降雨天数多、 降雨持续时间长、 累积降雨量大的特点， 因此汛期是地质灾害高发频发的时期。 汛期降雨诱发的地质灾害具有区域性、 群发性、 突发性等特点，往往造成重大人员伤亡和各种财产损失。 1981年7 月至9 月四川中东部遭遇特大暴雨袭击，诱发了约6 万处地质灾害， 毁坏房屋7 万余间[23]。2014 年8 月31 日至9 月2 日三峡地区发生50年一遇的特大暴雨， 共导致2340 起地质灾害，造成48 人死亡， 紧急转移5 万余人[24]。

短时强降雨入渗在陡倾裂隙中形成高水头静水压力， 沿节理裂隙渗流产生动水压力， 造成结构面位移， 导致岩体变形。

降雨量监测显示， 军红路崩塌发生前三天累积降雨量达159mm。 崩塌所在山体地形陡峻， 岩体中节理裂隙强烈发育， 地下水入渗条件好， 赋水性差， 对降雨的响应较快。 山体斜坡为反倾结构， 沿节理裂隙入渗的降水在山体内部以层间裂隙水的形态赋存， 表层风化带内则表现为向外排泄， 形成较强的动、 静水压力。为了分析降雨入渗对危岩体稳定性的影响， 利用UDEC 软件对地下水渗流效应进行了数值模拟。 数值模型长258m， 高200m。 岩体层面内倾， 倾角16°， 节理与层面垂直， 倾角74°。 考虑风化随深度变化， 浅表层节理与层理间距大于斜坡内部。 危岩体与稳定山体间设置陡倾后缘裂隙， 倾角70°。 山体上部岩体采用摩尔-库伦模型， 下部为刚体模型， 岩石的物理力学参数参如表2 所示。

表2 数值模拟参数取值表

3.1 地下水渗流效应

首先采用天然状态下的岩体物理力学参数进行初始地应力平衡和开挖模拟。 计算收敛后，在模型左侧施加高度与山顶相同的固定水头，将斜坡表面设置为透水边界， 公路路面为非透水边界， 开始地下水渗流导致的斜坡变形模拟。数值模拟结果显示， 地下水在山体内部主要以层间渗流的形式运动（图6）。 随着埋深的减小，岩体节理发育密度增大， 浅层强风化带中的地下水向坡外排泄， 沿结构面的地下水渗流速度逐渐增大， 在路堑边坡坡脚达到最大。 地下水渗流在结构面上形成垂直于结构面的静水压力和与结构面平行的动水压力， 附加应力导致结构面发生法向和剪切应变， 斜坡中超出极限剪切位移、 产生切向错动的节理数量随深度减小而增大。 结构面最大剪切位移和法向位移发生在危岩体后缘陡倾裂隙， 分别达到8.9cm 和3.2cm（图7-8）。 节理裂隙位移导致岩体与斜坡变形， 危岩体及其底部岩体呈现后倾下挫的变形趋势， 从上至下位移量先增大后减小、 运动方向由垂直向下转为近水平向坡外（图9）。

图6 斜坡内部渗流速率（单位： 10-12m3/s）Fig.6 Flow rate in slope（Unit： 10-12m3/s）

图7 节理法向位移（单位： m）Fig.7 Normal displacement of joints（Unit： m）

图8 节理剪切位移（单位： m）Fig.8 Shear displacement of joints（Unit： m）

图9 渗流导致斜坡变形（单位： m）Fig.9 Slope displacement due to seepage（Unit： m）

3.2 饱和岩体强度软化

军红路崩塌体是由玄武岩组成的塔柱状危岩， 其基座是凝灰岩。 玄武岩饱和单轴抗压强度超过60MPa， 属于坚硬岩类。 凝灰岩位于侏罗系火山岩与二叠系沉积岩接触带， X 射线衍射检测结果显示， 其主要矿物成分为由石英、粘土矿物， 分别达到43%和42%。 粘土矿物包括伊利石、 高岭石、 伊蒙混层、 绿蒙混层。 高岭石是长石的蚀变产物， 伊利石、 绿泥石是成岩作用过程中蒙脱石经过高温高压脱水转化而成， 伊蒙混层、 绿蒙混层均是其间的过渡矿物。这些粘土矿物的亲水性较强， 凝灰岩的软化系数较大， 岩石在饱和情况下抗剪强度减小。2018 年7 月1 日至8 月11 日， 崩塌点累计雨量达到460.5mm， 达到多年平均降雨量的84%。长时间丰富降水补给使斜坡内部保持较高的潜水水位， 凝灰岩处于充分饱和状态。 与天然状态相比， 凝灰岩饱和情况下粘聚力和内摩擦角分别由11.5MPa、 43.8°降低至10.2MPa、 32.2°（表3）。 同时地下水润滑使结构面强度减小，导致凝灰岩岩体强度降低， 岩体发生剪切破坏引起玄武岩塔柱状危岩体崩塌。

表3 凝灰岩矿物成分表

数值模拟显示， 在渗流情况下， 岩体被赋予饱和强度后， 斜坡变形急剧增大。 位移云图显示， 计算步数308180 时危岩体基座位移达到20～30cm（图10）。 危岩体及基座岩体中的监测点位移曲线斜率陡然增大， 呈不断增大的趋势，计算步数308180 时仍不收敛（图11）， 说明危岩体将持续变形至最终发生失稳破坏。 与之截然不同的是， 在无渗流的情况下， 虽然岩体强度降低， 但模型计算很快收敛（图12）， 表明危岩体处于稳定状态。

图10 渗流与岩体强度软化耦合作用下斜坡变形（单位： m）Fig.10 Slope deformation under seepage and rock softening（Unit： m）

图11 监测点位移-步数曲线Fig.11 Displacement-step history curves of monitoring points

图12 无渗流情况下不平衡应力监测曲线Fig.12 Unbalance force-step history curve under the circumstance without seepage

4 结论

本文在对2018 年8 月11 日北京房山军红路崩塌现场调查的基础上， 结合岩石物理力学实验测试， 利用离散元数值模拟方法， 分析了地下水渗流和岩体强度软化作用下危岩体的失稳机理， 对汛期降雨诱发山区公路边坡塔柱状危岩体崩塌成因机制进行了研究。

（1） 军红路崩塌发育自山区公路路堑高陡斜坡。 崩塌体为塔柱状玄武岩危岩， 下伏凝灰岩为较软岩类。 在长期风化作用下， 岩体节理裂隙强烈发育， 呈块状碎裂、 层状碎裂-镶嵌结构， 斜坡呈“上陡下缓” 的地形地貌。

（2） 崩塌发生时， 危岩体整体下座， 冲击铲刮下伏基岩， 冲毁掩埋道路后继续沿着路基斜坡向下运动， 最终堆积于坡脚沟谷中。 基于崩塌体运动与成灾特征， 可将军红路危岩体崩塌灾害范围划分为崩塌源区、 冲击铲刮区、 碎屑流铲刮区、 沟谷堆积区。

（3） 降雨是北京房山军红路崩塌的诱发因素。 数值模拟表明， 降雨入渗在斜坡体内形成地下水渗流， 在岩体结构面上产生附加的静、动水压力， 导致岩体结构调整、 山体变形。 长时间降雨使斜坡岩体处于充分饱和状态， 结构面和岩块强度降低， 凝灰岩岩体因强度减小而发生剪切破坏， 致使危岩体崩塌下挫。

（4） 地下水渗流和岩体强度软化耦合作用导致危岩体崩塌。 数值模拟显示， 渗流及岩体强度软化的耦合作用下， 危岩体变形加剧， 潜在失稳模式为基座岩体剪切破坏引起危岩体后倾式下挫。 而仅考虑岩体强度软化或渗流作用，危岩体处于稳定状态。 因此， 防止地下水入渗、消除或减小地下水渗流效应， 以及设置排水孔降低地下水位是预防危岩体崩塌的有效手段。