典型震裂山体发育特征及形成机制分析

王永学 朱凌 裴向军 尹强 郑益伟 阿帕尔

摘要：为了揭示强震作用下斜坡的震裂损伤特征及其演化规律，对四川省茂县叠溪镇松坪沟流域的3个典型震裂山体开展了地质条件及震裂纹调查。结果表明：① 震裂斜坡震裂纹的扩展主要与结构面特征有关，震裂纹往往沿着节理触发和扩展。② 震裂纹的组合特征控制了震裂山体的失稳模式。③ 强震过程中，在冲压-拉张荷载下主要形成拉张裂纹、冲压裂纹及压致拉裂;在振动剪切荷载下主要形成张性雁列和压扭性雁列2种裂纹类型。④ 地震造成的震裂纹加速了斜坡的失稳破坏，强震山区地震荷载造成的震裂纹是斜坡失稳的关键因素。

关 键 词：震裂损伤特征; 震裂山体; 震裂纹; 强震作用; 四川省

中图法分类号： P631.4;P642.2

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.019

0 引 言

地震是斜坡失稳破坏的一类重要触发因素，2008年汶川地震引发了6万多处滑坡，其中112处大型滑坡面积超过5万m2 [1-2]，造成了灾区严重的人员伤亡和财产损失。地震荷载作为滑坡的触发因素，会造成强震山区岩体损伤和斜坡的震裂纹扩展，加速斜坡的蠕滑变形[3]，致使地震后震区滑坡灾害数量显著增加，例如，1923年日本关东大地震、1993年叠溪地震、1999年集集地震、2008年汶川地震和2017年九寨沟地震等[4-8]。

针对地震造成的岩体损伤和震裂纹扩展，前人也开展了相关研究，发现主要是由于岩体内部缺陷的存在，造成了地震波的不断折射和反射。当应力波的强度超过岩石强度就会造成微裂纹的扩展，持续的地震波作用造成了微裂纹的扩展、贯通并形成宏观裂纹[9]。结构面位置最容易受到地震波的影响，并且主要是拉裂过程。在强震山区的斜坡内部普遍有大量的震裂纹，在坡面陡缓转折带及不同岩性接触部位、不同岩性内部等均有不同程度发育[10]。

尽管前人对强震山区的斜坡失稳机制、岩体震损特征开展了相关研究，但目前对震裂山体特征及演化和震裂纹扩展机制的研究较少。因此，本文以四川省茂县叠溪镇松坪沟流域的3个典型震裂山体为例，基于地质背景和历史地震数据，开展了震裂纹特征调查，对震裂山体潜在失稳模式及稳定性进行评价，分析了震裂山体的震裂纹扩展机制、形成因素及演化规律。

1 研究区工程地质条件

1.1 地质背景

四川省茂县叠溪镇松坪沟流域属于青藏高原与龙门山断裂带的过渡带，具有切割峡谷地貌深、地形陡峭的特点。研究区震裂山体位于岷山南部富贵山以西，松坪河和岷江之间。深切“V”型山谷由2条河流的下切形成。青藏高原东缘由西向东由3个构造单元组成：松潘-甘孜褶皱带、龙门造山带和四川盆地。研究区位于松潘-甘孜褶皱带与龙门山造山带过渡带，发育了印支期和燕山期形成的复杂褶皱和断层。其中，弧形构造在该区最为常见，包括小金和较场弧型构造带。研究区位于较场弧形构造的顶部，具有岩体破碎、构造复杂的特点。此外，青藏高原东缘自西向东划分为西藏地块、龙门山造山带和成都盆地3个活动构造单元。研究区位于岷江断裂和松坪断裂的交汇处，受这两条活动断裂的影响。其中松坪沟断层产状为N35°W/NE/50°～60°，全长30 km。一般认为该断层是1933年叠溪地震的发震断层[11]。研究区位于松坪沟断层的上盘，距离1993年叠溪地震震中仅4.3 km。松坪沟出露的地层有二叠系三道桥组（P1s）、三叠系波茨沟组（T1b）、杂谷脑组（T2z）和新都桥组（T3x）。岩性由变质砂岩、石灰岩、板岩和千枚岩组成。研究区在杂谷脑组（T2z）内，主要由变质砂岩夹板岩和千枚岩组成（见图1）。

1.2 历史地震

位于松坪断裂和岷江断裂交汇处的研究区是地震多发区（见图2）。有记录以来，对该区域影响较大的有1933年的叠溪地震（7.5级）、1976年松潘地震（7.5级）和2008年汶川地震（8.0级）3次强震。1933年叠溪地震（32.01°N，103.68°E），地震震源深度为15 km，震中距离新磨滑坡区3 km，地震烈度达到X度[12]。1933年叠溪地震诱发的大量滑坡坝沿松坪沟和岷江分布，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）发生在四川省松潘县，地震的震源深度为10 km，研究区距离松潘地震震中84 km，研究区地震烈度达到VI度[13]。2008年汶川地震（30.986°N，103.364°E）震中距离研究区118.4 km，研究区烈度为Ⅷ度（见图3）。1933年叠溪地震被认为是对研究区破坏最严重的灾难事件，引发了岷江和松坪沟沿岸的大量滑坡。对松坪沟两岸的滑坡和崩塌调查发现，两岸共有25处山体滑坡和82处崩塌，其中大部分是由1933年叠溪地震引发的。在该地区，虽然松潘地震和汶川地震没有诱发大规模的滑坡，但却引发了一些小规模的同震滑坡。以往的研究表明，3次地震严重破坏了研究区的岩体结构，降低了斜坡稳定性[14]。

2 震裂山体特征

茂县叠溪镇两河口村震裂山体位于松坪沟左岸，坡脚坐标东经103°38′50″，北纬32°04′21″。横宽740 m，纵向顺坡长约500 m，地形总体坡度约48°，研究区总面积约37万m2，出露地层为三叠系杂谷脑组（T2z）变质砂岩和板岩，弱变质结构。根据震裂山体的基本特征、现状分布、变形特征等因素，将研究区的震裂山体划分为3个部分（见图4）。

1号震裂山体分布于斜坡顶部靠右侧边界部位，分布高程2 460～2 640 m，相对高差约180 m，主崩方向315°。坡度陡，自然坡角65°～85°。震裂山体横宽约140 m，纵长约245 m，總体积约4.2万 m3。岩层产状为180°～205°∠51°～55°，为反向坡（见图5）。主要发育有3组裂隙：第①组产状56°∠75°，裂隙延伸长度约1.5～5.0 m，张开度为1.0～2.0 cm，间距约1.2～2.8 m。第②组产状332°∠32°，裂隙延伸长度约0.3～0.8 m左右，裂隙张开度约1.0 cm左右，间距约0.2～0.4 m。第③组产状320°∠78°，裂隙延伸长度约0.3～0.8 m左右，裂隙张开度为1 cm左右，间距约1.0～2.2 m。在震裂山体后缘发育着一条深大裂缝，裂缝总体走向232°，近似垂直于坡向，缝宽1.5～2.5 m，可见深度约15 m，长约8～12 m，其间有少量碎块石充填。裂缝中生长一棵树木，直径达20 cm（见图6）。1E1AA5C9-DBCA-4CB3-B312-2ACBBCC21D50

2号震裂山体出露岩层产状为210°～236°∠51°～60°，为顺向坡（见图7）。主要发育3组裂隙：第①组产状97°∠78°，裂隙长度约4.0～6.0 m，间距约0.4～1.9 m;第②组产状186°∠57°，长度约0.5～1.2 m左右，张开度为1.0 cm左右，间距约0.4～0.5 m;第③组产状144°∠53°，长度约3.5～4.8 m左右，张开度为1.0 cm左右，间距约1.2～2.5 m（见图8）。

3号震裂山体分布高程2 590～2 760 m，相对高差约170 m。震裂山体带横宽85～90 m，纵长约200 m，分布面积约1.45万m2。岩层产状为180°～236°∠46°～55°，为顺向坡（见图9）。主要发育有裂隙4组：第①组产状188°∠77°，裂隙延伸长度约4.0～6.0 m，张开度为0.5～2.0 cm，间距约1.2～3.6 m;第②组产状198°∠65°，裂隙延伸长度约0.5～1.2 m左右，裂隙张开度约1.0 cm左右，间距约1.8～5.3 m;第③组产状253°∠83°，裂隙延伸长度约3.5～4.8 m左右，裂隙张开度约1.0 cm左右，间距约1.2～2.5 m。第④组产状332°∠32°，裂隙延伸长度约3.5～4.8 m左右，裂隙张开度约1.0 cm左右，间距约1.2～2.5 m（见图10）。

3 震裂山体潜在失稳模式及稳定性评价

3.1 潜在失稳模式

1号震裂山体岩层倾向斜顺向，倾角约51°，岩层与斜坡坡面交角小于坡角，对坡体稳定性不利，震裂山体主要受裂隙控制，震裂山体可能沿裂隙1，2以及其组合交线发生破坏，1号震裂山体破坏模式以整体倾倒式为主。2号震裂山体岩层外倾，倾角约51°，岩层对坡体稳定性不利，震裂山体主要受层面、裂隙控制，其中层面与坡面斜交，倾角小于坡角，2号震裂山体可能沿层面以及其组合交线发生滑移式破坏。3号震裂山体为顺向坡，倾角约51°，岩层与坡面顺向相交，且倾角小于坡脚，对坡体稳定性不利;震裂山体主要受裂隙控制，可能沿裂隙3，4以及其组合交线发生破坏。结合现场调查情况来看，3号震裂山体发生了整体滑移式破坏（见图11）。从宏观上看，震裂山体岩体节理裂隙发育密度较大，裂隙间相互切割，震裂山体表面形成较多悬崖，在地震作用下，震裂山体裂隙卸荷张开更加明显，震裂山体更加松动，随着裂隙进一步发展，震裂山体将最终失稳崩落。

3.2 稳定性评价

根据现场调查及对结构面进行分析，揭示研究区的震裂山体主要以倾倒和滑移破坏为主，陈洪凯提出了对不同破坏模式危岩的计算方法。根据前人研究及大量工程实践，考虑不同工况：① 天然工况（自重）;② 暴雨饱和工况（饱和自重+裂隙水压，其中裂隙充水高度hw取裂隙深度h的1/2）;③ 地震工况（自重+地震力）。根据类比相似工程取参数值。根据DZ/T 0218-2006《滑坡防治工程勘查规范》取安全系数值。据全国地震区划图编制委员会编制的GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》，叠溪镇地震基本烈度为Ⅷ度，地震动反应谱特征周期为0.35 s，地震动峰值加速度为0.2 g。稳定性计算时地震水平系数取0.2。最终稳定性计算分析结果如表1所列。

4 震裂山体形成因素及演化分析

强震过程中，对山体的地震力主要分为冲压-拉张和振动剪切应力，在冲压阶段，在岩体裂纹的末端会产生压应力集中。当应力超过岩体的强度阈值时，端部岩体将发生塑性变形或破碎，应力集中部分将转移到端部内部（见图12）。

在拉应力σ3条件下，促进了岩石裂纹扩展，当拉应力超过岩石的抗拉强度，并形成与拉应力近于平行的裂纹时，就会造成岩石的拉张破坏（见图13）。此外，在冲压荷载下，拉应力集中最强的部位位于与主压应力方向夹角β为30°～40°的裂隙的端部，当（σ1-σ3）2/（σ1+σ3）=8St时，岩石破坏，裂隙在这些部位扩展而成分支裂隙（J2t），压致拉裂裂纹呈近于垂直的高倾角（见图14）。

在应力剪切条件下，可形成雁列破裂面，雁列破裂可分为张性雁列（T）和压扭性雁列（P）2种裂纹类型。其中，张性雁列裂纹扩展方向与主应力方向平行，在扩展过程中可能会形成2组共轭次级剪切裂隙（R、R′）。而压扭性雁列裂纹扩展方向与剪切方向呈锐角（见图15），在循环剪切作用下，对岩石会有更严重的损伤。

强震过程造成的斜坡损伤、裂纹扩展是一个复杂的过程，同时受到了地形地质条件等多因素的影响。对于山体的单薄山脊或者坡折带，由于水平地震力受高程的影响更明显，在强震作用下主要是拉张作用产生的拉裂纹，因此许多同震滑坡均产生了高陡的后缘拉裂面，例如，2008年汶川地震触发的大光包滑坡[16]、文家沟滑坡[17]、老鹰岩滑坡[18]等。而强震作用造成的岩体裂纹，主要与岩体的原生或后生缺陷结构有关，包括节理、微裂隙、胶结物等，震裂纹多沿这些缺陷扩展[19]。此外，对于含软弱夹层的斜坡来说，由于在强震过程下软弱夹层发生了非协调变形，从而造成软弱夹层的严重损伤。黄润秋等[20]对大光包滑坡进行了研究，发现滑坡南侧的先期层间错动带是大光包滑坡的主控滑带，在该带中发现了强震作用造成的拉张裂纹和压致拉裂，这些裂纹约占所有裂隙的56%。

本文主要从地质条件、历史地震和外力因素对松坪沟震裂山体的形成及其演化开展分析。研究区位于较长弧形构造带顶部，岷江断裂和松坪断裂的交汇处，地质构造复杂，断层发育，在长期构造活动下区域岩石节理发育。此外，震裂山体形成于斜坡中上部或坡折帶，斜坡坡角大于60°，临空条件好，该区域地层主要是砂岩、夹板岩、千枚岩，千枚岩强度远低于前2种岩石。研究区地震活动频繁，尤其在1933年发生的叠溪地震、1976年发生的松潘地震和2008年发生的汶川地震，对研究区均产生了影响，主要表现在：① 岩层中节理裂隙的发育，在地震下震裂纹易于沿着原始节理扩展、延伸。② 单薄山脊或者坡折带加速度放大，易形成后缘宽大拉裂缝[21]。③ 在强震作用下，含软弱岩层的地层中容易造成软岩的应力集中、非协调变形和损伤破坏。对于这类震裂斜坡，在长期风化和重力作用，易造成原有震裂纹的扩展和贯通;而在降雨条件容易形成水压力，从而促使滑坡的发生，这也是2008年汶川地震后震区雨季滑坡数量突增的主要原因。1E1AA5C9-DBCA-4CB3-B312-2ACBBCC21D50

5 结 论

（1） 震裂斜坡震裂纹的扩展主要与研究区构造结构面有关，震裂纹往往是节理扩展、贯通形成的。

（2） 震裂山体失稳模式主要受裂隙控制，震裂山体可能沿裂隙以及其组合交线发生破坏。结合现场调查情况来看，1号震裂山体可能发生倾倒破坏。2号、3号震裂山体可能沿层面以及其震裂纹组合交线发生滑移式破坏。

（3） 强震过程中，对山体的地震力主要分为冲压-拉张和振动剪切荷载，在冲压-拉张荷载下，主要形成了拉张裂纹、冲压裂纹及压致拉裂。在振动剪切荷载下，形成张性雁列和压扭性雁列2种裂纹类型。

（4） 斜坡的累进性变形和破坏受到了多期次地震、长期风化条件和重力变形等多因素的综合影响。

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（编辑：刘 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