地震作用下高陡斜坡变形及运动特征研究

袁进科，陈杰

（地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），成都610059)

1 引言

四川西部地区多高山峡谷，具有极特殊的地质环境，地震的烈度和频度都较高，并且地处高海拔高寒山区，斜坡岩体结构破碎[1]。这些区域的斜坡由于受到地震作用以及冻融风化的影响，岩体变形失稳后崩解、碎裂形成散粒体沿坡面运动，对坡脚的防护结构以及交通运行构成威胁。并且由于地震对山体造成的破坏具有长期效应，因此，震裂山体的碎块从高位不断分解、崩落于坡脚，停留、堆积形成大小各异的散粒体[2]。随着我国西部大开发战略的实施，当前拟建的川藏公路、川藏铁路交通线大部分路段需要穿越高山峡谷区域，同时又地处地震活跃区域，因此，拟建的川藏公路、铁路沿线高陡斜坡在地震作用下的安全稳定问题成为需要高度关注和亟待解决的关键技术问题。同时，公路沿线高陡斜坡的变形体在地震动力作用下失稳，由此诱发的次生地质灾害造成的散粒体冲击往往构成更大的破坏[3]。由于四川西部峡谷山区斜坡灾害的特殊性，如果不对这类地质灾害引起重视，那么对于交通沿线、工程建设及运营造成的损失将是巨大的。本文基于拟建川藏高速公路沿线地质灾害调查，通过典型高陡斜坡的现场地质调查及模拟分析，研究地震作用下的变形失稳及运动破坏特征，为今后高陡斜坡灾害及散粒体危害防治提供参考。

2 研究区概况

2.1 工程地质概况

斜坡位于汶川至马尔康高速公路裕丰岩村，整体地形较陡，局部形成陡崖，岩体节理裂隙发育。斜坡坡高约190 m，下部坡度接近80°，上部坡度在30°～40°。斜坡上部属于崩坡积碎石土层，植被发育，以杂草为主；下部为千枚岩基岩，局部形成陡崖地貌。斜坡走向为N50°W，倾北东，岩性为千枚岩，片理面优势产状为350°∠77°，与河流走向呈40°角度相交，属于斜向坡。

2.2 地质构造及地震

该斜坡位于桃坪倒转背斜的核部，背斜核部影响带内岩层发生明显弯曲，分布在志留系茂县群中。研究区属地震活动区，并紧邻地震活动频繁而强烈的松潘、龙门山地震带。根据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》国家标准第1 号修改单，桥址区地震动峰值加速度为0.20g，对应地震烈度为Ⅷ度。

3 变形破坏特征

3.1 岩体结构

由于河谷风化、卸荷严重，在斜坡前缘陡崖部位发育一处变形体WY1，海拔高程为1 607～1 622 m，坡向为40°。长约为70 m，高度约为13 m，厚度约3.5 m，总方量约为3 185 m3（见图1）。该地层产生于古生界志留系茂县群第三段，场地岩性以绢云石英千枚岩为主。

图1 斜坡工程地质剖面图

3.2 变形特征

斜坡变形体属于中等倾倒岩体。这类型的倾倒岩体大部分发育在斜向坡中，岩体结构以薄层状或次块状为主，变形体完整性较好，局部发育大的凹腔。岩层沿着结构面错动发生强烈的倾倒变形，岩层倾角变化幅度一般在15°～25°，整个倾倒变形体折而不乱，片理面清晰可见（见图2）。岩层沿陡倾片理面或板理面拉张变形强烈，局部岩柱表现为显著的切层破坏。这种中等倾倒变形体主要发生在斜坡的浅表层部位，越往坡内深部片理面或板理面的层间错动特征越弱，折断面与基岩呈平缓过渡[4]。

图2 斜坡前缘变形体WY1

3.3 变形机制

从变形体特征分析，其变形模式属于倾倒-折断-蠕滑型（见图3），主要特征是在河流快速下切过程中，伴随强烈的河谷卸荷作用，浅表层的应力场发生改变，导致反倾或斜交的薄层状陡倾岩层发生倾倒变形。同时内部发育一组倾角较缓的不连续结构面，使得岩体倾倒过程中多沿该组结构面发生折断破坏。斜坡基岩为千枚岩，岩体强度低、层厚较薄，在倾倒变形过程中对折断根部产生挤压作用，会产生较明显的揉皱现象，在变形过程中形成一条挤压破碎带，倾倒变形体沿着这条压碎带向临空面方向发生滑移。

图3 变形机制图

4 地震动力分析

4.1 计算模型

为了揭示斜坡变形体的渐进破坏过程，采用离散元软件进行斜坡在地震状态下失稳、崩解、散落过程的数值模拟分析。以变形体地质剖面图为计算剖面，整个模型共划分为874 个单元网格，模型边界均采用固定边界条件（见图4）。计算模型高250 m，底部宽185 m，坡度50°。

图4 计算模型网格图

4.2 计算边界

在对离散元模型进行地震动力影响分析时，模型底部采用黏滞边界，两侧采用自由场边界，能够有效地避免向外传递的地震波的反射和能量的发散[5]。地震波采用模拟地震波，加速度为0.20g，持续时间100 s。

4.3 计算参数

模型主要选用强、中风化层岩体作为计算参数，选择的结构面一组与坡体反向缓倾，一组近似垂直，岩体被结构面切割成不同大小的岩块。模型其余参数根据室内试验和工程地质类比法得出见表1 和表2。

表1 岩石物理力学参数

表2 结构面物理力学指标

4.4 变形过程分析

斜坡在地震动力作用下的变形破坏过程见图5。从不同时段的变形过程看出，WY1 变形体在地震作用下崩解失稳。该区域受到一组陡峭节理面5°∠55°和一组底部缓倾结构面199°∠17°的切割作用，岩体成薄层、碎裂状结构。同时这部分又是地震作用时应力集中的区域，当应力值超过该切割节理面的抗剪强度时，后缘裂缝和底部的缓倾结构面贯通，形成了控制WY1 变形体失稳的底部滑面。在地震力的持续作用下，切割节理面和后缘裂缝贯通，WY1 变形体沿底部贯通的滑动面发生滑移式失稳。同时，WY1 变形体在地震作用下失稳过程中发生了崩解，沿坡面呈现散粒体状向坡下运动，沿坡面运动到坡脚位置，易对坡脚的建筑构成严重威胁。

图5 不同时刻斜坡变形特征

在地震作用下斜坡主应力的分布从表面逐渐向深部呈现递增的特征，其中坡脚处的主应力达到1 700 kPa，局部位置达到2 000 kPa。剪应力值在坡脚有明显的应力集中，应力值达到500 kPa，靠近坡面剪应力值逐渐减少。而在WY1 变形体的分布区域，剪应力量值达到100 kPa。

5 结论

本文选取四川西部深切峡谷区拟建川藏高速沿线典型高陡斜坡，基于地震动力响应进行了变形失稳及运动特征分析，主要研究成果如下：

1）斜坡出露基岩为千枚岩，整体地形较陡，局部形成陡崖，坡高约190 m，下部坡度接近80°，上部坡度在30°～40°。受到断层破碎带的影响，斜坡节理裂隙发育，片理面为350°∠77°，对应地震烈度为Ⅷ度。

2）斜坡变形体属于中等倾倒岩体，变形模式属于倾倒-折断-蠕滑型。岩体结构以薄层状或次块状为主，变形体完整性较好，主要发生在斜坡的浅表层部位。在重力及上部岩体的挤压作用下，岩体沿着薄层状结构岩体的根部被折断，后侧岩体推动前方岩体倾倒，坡表的变形近乎连续，而底部的挤压破碎带逐渐贯通，并且与后缘裂缝相互贯通，最终形成贯通性的破坏。

3）在地震动力作用下坡脚处的主应力达到1 700 kPa，局部位置达到2 000 kPa，而在WY1 变形体的分布区域，剪应力量值达到100 kPa。WY1 变形体处于地震作用时应力集中的区域，变形体沿底部贯通的滑动面发生滑移式失稳。同时变形体在地震作用下失稳过程中发生了崩解，沿坡面呈现散粒体状向坡脚运动。碎裂的散粒体运动冲击对坡脚的建筑构成严重威胁。