北京市门头沟区G109国道K40+800 m崩塌特征及成因分析

2022-07-18郭英张国华

城市地质 2022年2期

郭英张国华

摘要：2021年7月15日，北京市门头沟区妙峰山镇G109国道发生崩塌灾害，崩塌体方量约280 m3，造成道路全幅中斷，防护栏损毁。基于灾后现场应急调查资料，在系统收集灾害发生区域地质及降雨资料的基础上，分析阐述了崩塌灾害的成因及变形演变过程。初步结果认为：该崩塌灾害为滑移式崩塌，陡峻的边坡及褶皱、断层、穹窿构造的发育为崩塌的形成提供了有利的地形地质条件，顺坡向的层理面和其余两组节理面为崩塌的形成提供了有利的坡体结构条件，G109国道修建切坡加剧了坡体的变形，降雨是崩塌发生的直接诱发因素。该崩塌变形演变过程可分为4个阶段：构造作用下的初始变形阶段，风化、温差、人类工程活动作用下的时效变形阶段，降雨、风化、冻融等因素持续作用下的累积变形阶段，降雨诱因下的破坏失稳阶段。

关键词：G109;崩塌;成因;变形

Characteristics and genetic analysis on collapse at K40 + 800 m of highway G109 in Mentougou District， Beijing

GUO Ying， ZHANG Guohua

（Beijing Institute of Geological Hazard Prevention， Beijing 100120， China）

Abstract： On July 15， 2021， collapse disaster occurred along highway G109 in Miaofengshan town of Mentougou district. The collapse volume is about 280 m3 with the traffic completely disrupted and the fences badly damaged. Based on the first-hand data of post-disaster on-site emergency investigation， and systematic collection of regional geological and rainfall data， this paper analyzes the basic characteristics and the cause of the collapse and deformation evolution process of the collapse. Preliminary results show： the collapse is sliding collapse in nature; steep slope and the development of folds， faults， and dome structure provide a favorable terrain and geological conditions for the collapse; the slope to the bedding plane and the rest of the two groups of joint surface provide favorable slope structure conditions; cutting slop resulted from G109 construction magnifies deformation of the slope; and rainfall serves as the direct cause to the collapse disaster. The collapse deformation evolution process can be divided into four stages： initial deformation stage caused by tectonic action; aging deformation stage caused by action of weathering， temperature difference and human engineering activities; accumulated deformation stage caused by continuous rainfall， weathering and other factors; destruction and instability stage phase induced by rainfall.

Keywords： highway G109; collapse disaster; cause; deformation

北京地区位于华北平原西北隅，燕山山脉和太行山山脉衔接部位，区内地质构造复杂（郑桂森等，2015）。区内褶皱、断裂发育，严重破坏了岩体的稳定性和完整性，加之新构造运动的持续发展，河床与沟谷不断下切，形成了坡陡谷深的复杂地形条件，为崩塌等地质灾害的发生提供了有利的基础地质条件。

北京城市的发展伴随着强烈的人类活动，在山区规划建设了G109、G108、G110等多条国道复线工程，修建道路不可避免地对边坡进行开挖，形成陡峭边坡，导致岩体风化加速，卸荷松动，形成危岩块体，在降雨、震动诱发因素作用下，危岩体发生崩落形成灾害。北京市公路沿线几乎每年都发生崩塌灾害事件（赵忠海，2017;王海芝等，2020），崩塌规模一般不大，具有点多、面广、规模小的特点，崩塌体积多在几十至数百立方米，最大规模为3万m3（赵忠海等，2018;张田田等，2020），呈局部或零散分布，直接危及人类生命和造成交通干道堵塞。

2021年7月15日，北京市门头沟区妙峰山镇G109国道K40+800 m处发生崩塌灾害，崩塌体方量约280 m3，造成道路全幅中断，防护栏损毁，严重威胁到过往行人与车辆的安全。本文在调查的基础上，对该崩塌灾害的基本特征进行了描述，从地形地貌、地质构造、坡体结构3方面内在因素及人类工程活动、降雨作用2方面外在因素，对崩塌的致灾成因进行了阐述，并对崩塌的变形演变过程进行了分析。深入研究G109国道崩塌的成因和变形演变过程，对北京市山区道路崩塌灾害的防灾减灾工作，具有一定的指导意义。

1 研究区概况

G109国道K40+800 m崩塌位于北京市门头沟区妙峰山镇下苇甸村西南方向，永定河左岸。区内发育侵蚀中低山沟谷地貌，山地海拔200～1209 m，高差较大，地形切割强烈，坡陡峰峻。受永定河深切河曲的切割，地层出露完整，自下而上分别为：青白口下马岭组、龙山组、景儿峪组，寒武系昌平组、馒头组、张夏组、炒米店组，奥陶系冶里组、亮甲山组、马家沟组（图1）。地下水类型主要为奥陶系岩溶裂隙水（李海军等，2021），岩性为灰岩，岩溶裂隙发育，利于大气降水及地表水入渗补给（董殿伟等，2021），富水性好，水质好，地下水位埋深21.5 m。G109国道K40+800 m段位于妙峰山-下苇甸背斜西翼，背斜轴为南东东向，距该路段西北侧约6 km处为髫髻山向斜，呈北东走向，轴面向南东陡倾，其东南翼伴有斜歪并倒转的脊状背斜及逆冲断层，髫髻山向斜东侧出露下苇甸穹窿（毛率垒等，2020），穹窿轴向近南北、轴面近直立。按照《中国地震动峰值加速度区划图》（1∶4 000 000）划分妙峰山地区地震动峰值加速度为0.20 g，地震基本烈度为Ⅷ度区。区内主要人类工程活动为道路修建，G109国道修建过程中开挖山体，形成陡峭边坡，坡体在震动、降雨及风化等促发因素下，易发生崩塌灾害，威胁过往车辆和行人的安全。

2 崩塌灾害基本特征

1）崩塌堆积体特征。G109国道K40+800 m崩塌于2021年7月15日发生，崩塌源分布于第一斜坡带东侧，宽度约20 m，分布高程400～420 m，体积约280 m3。崩塌堆积体分布于坡脚G109国道路面（图2），挤占整幅路面，堆积长度约30 m，宽度约8 m，最大堆积厚度约4 m，平均堆积厚度约1.2 m，最大崩落块体积为5 m × 2.5 m × 2.0 m，堆积体安全隐患较小。

2）危岩体特征。崩塌危岩体位于永定河左岸斜坡第一斜坡单元地带，以第一斜坡带上部为后缘边界，坡脚G109国道为前缘边界（图2），面积约1300 m2，厚度约1.5 m，体积1950 m3。该处斜坡分布高程为400～610 m，第一斜坡带后缘高程为430 m，坡脚高程400 m，坡宽约50 m，高15～30 m，整体坡向170°，坡度约65°，坡面形态近似为直线型。斜坡由奥陶系冶里組（O1y）灰色中厚层细粉晶灰岩组成，灰岩完整出露，岩层层面产状为190°∠55°，节理裂隙发育。主要节理裂隙有2组：J1：110°∠80°，长度约4 m，发育密度2条·m-1;J2：35°∠70°，长度约1.5 m，发育密度1条·m-1。岩体较破碎（图2），呈块状-碎裂结构，局部空腔，坡体表面层理面张开，宽度2～5 cm，部分被黏土填充，灌木植根于节理裂隙内，修建G109国道开挖坡脚造成局部坡面岩体临空。

3 崩塌成因分析

崩塌灾害的形成和发生由多种因素控制，地形地貌、地质构造、岩性、坡体结构是主要的内在因素，气象条件、人类工程活动、地震等是外在因素，这些因素的组合都会引起崩塌灾害的发生（刘传正，2019）。

1）地形地貌条件。研究区地处侵蚀低山沟谷地貌，崩塌体发育于永定河左岸的山脊，山体陡峻，第一斜坡带相对高差15～30 m，坡度约65°，局部岩体临空、发育空腔，为崩塌灾害的孕育形成提供了有利的地形条件。

2）地质构造条件。研究区位于妙峰山-下苇甸背斜西翼，其西北侧3 km和2.5 km处分别发育有髫髻山向斜及下苇甸穹窿，且髫髻山东南翼伴有斜歪并倒转的脊状背斜及逆冲断层，区内地质构造条件复杂，揉皱现象明显，受褶皱及断裂构造影响岩体结构破碎，为崩塌灾害的发生提供了有利的地质条件。

3）坡体结构条件。崩塌体控崩结构面主要为岩层层理面和2组构造节理面，冶里组灰岩层理面面倾向190°，崩塌危岩体所在斜坡坡向170°，层理面倾向与斜坡坡向呈20°小角度夹角，结构面顺倾。坡面主要发育2组构造节理裂隙：节理J1结构面产状110°∠80°，倾向东南;节理J2结构面产状35°∠70°，倾向北东，为反倾坡内的裂隙。两组节理裂隙倾角均较大，垂直切坡向，将岩体切割成菱形体，岩体结构破碎，为崩塌危岩体的形成提供了有利的坡体结构条件。

4）人类工程活动。崩塌斜坡坡脚即为G109国道，由于道路修建对坡体前缘进行切坡形成临空面，使得坡体内原有的自重应力平衡条件被破坏，应力进行重新分布，坡脚剪应力快速集中，坡体中上部产生拉应力，拉应力的存在导致岩体裂隙增大，加剧坡体变形，同时卸荷回弹导致层理面张开，层理面之间的胶结作用降低，为危岩体沿层理面滑出提供滑移条件。

5）降雨作用。很多边坡失稳案例都与降雨有着密切关系（谢洪波等，2021;张蕴灵等，2021）。2021年7月份以来，北京地区降雨频发，根据北京市突发地质灾害监测点位采集数据，G109国道K40+800 m路段所属区域7月1日—7月15日累积降雨量达195.9 mm（图 3），降雨主要集中在7月2日—3日以及7月11日—7月12日。受低涡低槽系数影响，7月2日—3日降雨量达48.2 mm，2 d的连续降雨为地表岩体含水率的增加起到了基础性作用。7月11日—7月12日，受副高外围偏南暖湿气流和东移低涡共同影响，有持续的水汽输送，配合动力抬升，北京地区大范围强降雨发生大到暴雨，该区域在7月11日19：00—7月12日15：00区段内累计降雨量达129.6 mm，增加的降雨强度导致岩体含水率进一步增大，降雨沿节理裂隙渗入岩层内部，造成岩体重度增加，岩层面抗剪强度降低，导致边坡于7月15日最终失稳。降雨是形成本次崩塌灾害的直接诱因。

4 崩塌变形演变过程

根据崩塌灾害的发育特点、运动方式，结合研究区斜坡岩土体结构类型，判定北京市门头沟区G109国道K40+800 m崩塌变形破坏模式属于滑移式崩塌。参考前人对崩塌灾害机理的研究（张小辉等，2017;程鹏翔等，2019），基于对北京市门头沟区崩塌的认识，结合滑移式崩塌发生的运动理论过程，分析G109国道K40+ 800 m崩塌变形破坏过程，将其变形演变过程分为4个阶段。

1）初始变形阶段。初始阶段见图4 a，该阶段坚硬的灰岩在构造抬升和河流下切共同作用下形成高陡斜坡，同时在妙峰山-下苇甸背斜、髫髻山向斜及下苇甸穹窿作用下，原生节理裂隙较发育，形成共轭“X”型节理，将岩体切割成菱形格式。

2）时效变形阶段。在风化、降雨、冻融等外力作用下，地表水、地下水沿着原生节理裂隙渗入坡体，致使裂隙张开度增大。同时，国道G109于2005年开工修建，横穿研究区，修建道路过程中开挖边坡，致使坡体形成临空面，坡体内应力重分布，开挖处因应力集中产生裂缝，卸荷回弹导致层理面张开，见图4 b。

3）累积变形阶段。在内外应力作用下裂隙张开度持续增大，连通率提高，延伸长度增加，层理面在降雨、风化、温差变化等作用下，胶结作用变弱，抗剪强度逐渐降低，节理裂隙将岩体切割贯通，表层岩体剥蚀坠落，坡体中下部发生小规模崩塌，见图4 c。

4）破坏失稳阶段。裂隙持续发展并逐步贯通，在2021年7月2日—7月3以及7月11日—7月12日2次集中降雨作用下，雨水入渗坡体，岩体含水率持续增加，自重力增大，孔隙水压力增大，对应抗剪强度迅速降低，下滑力超过抗滑力，岩体沿着软弱层理面滑移而整体失稳，见图4 d。

5 结论及建议

5.1 结论

1）G109国道K40+800 m崩塌为滑移式崩塌，陡峻的边坡及局部岩体临空为崩塌灾害的孕育形成提供了有利的地形条件;褶皱、断层及穹窿构造导致岩体破碎，为崩塌的形成提供了有利的地质条件;顺坡向的层理面和其余两组节理面为崩塌的形成提供了有利的坡体结构条件;G109国道修建切坡加剧了崩塌的变形;降雨是崩塌发生的直接诱发因素。

2）该崩塌变形演变过程可分为4个阶段：初始变形阶段、时效变形阶段、累积变形阶段、破壞失稳阶段;原生节理裂隙在长期风化、降雨、冻融等作用下不断增大，道路修建致使裂缝进一步扩张，卸荷回弹导致层理面张开，随着时间推移，裂隙持续发展并逐步贯通，在降雨作用下，岩体自重力增大，层理面抗剪强度迅速降低，岩体沿着软弱层理面滑移而整体失稳。

5.2 建议

现场调查发现，坡体发生崩塌后，中上部岩体临空，下部缺少支撑，有继续崩落的可能，建议对G109国道K40+800 m处崩塌开展详细勘查，确定地质灾害治理措施，消除临空危岩体隐患。此外，建议在该处树立警示标识并派专人值守，加强群测群防，同时对坡体开展监测工作，及时掌握坡体变形情况，为后续防灾减灾提供技术支撑。

参考文献

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