地震作用下高陡斜坡變形及運動特征研究

袁進科，陳杰

（地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059)

1 引言

四川西部地區多高山峽谷，具有極特殊的地質環境，地震的烈度和頻度都較高，并且地處高海拔高寒山區，斜坡巖體結構破碎[1]。這些區域的斜坡由于受到地震作用以及凍融風化的影響，巖體變形失穩后崩解、碎裂形成散粒體沿坡面運動，對坡腳的防護結構以及交通運行構成威脅。并且由于地震對山體造成的破壞具有長期效應，因此，震裂山體的碎塊從高位不斷分解、崩落于坡腳，停留、堆積形成大小各異的散粒體[2]。隨著我國西部大開發戰略的實施，當前擬建的川藏公路、川藏鐵路交通線大部分路段需要穿越高山峽谷區域，同時又地處地震活躍區域，因此，擬建的川藏公路、鐵路沿線高陡斜坡在地震作用下的安全穩定問題成為需要高度關注和亟待解決的關鍵技術問題。同時，公路沿線高陡斜坡的變形體在地震動力作用下失穩，由此誘發的次生地質災害造成的散粒體沖擊往往構成更大的破壞[3]。由于四川西部峽谷山區斜坡災害的特殊性，如果不對這類地質災害引起重視，那么對于交通沿線、工程建設及運營造成的損失將是巨大的。本文基于擬建川藏高速公路沿線地質災害調查，通過典型高陡斜坡的現場地質調查及模擬分析，研究地震作用下的變形失穩及運動破壞特征，為今后高陡斜坡災害及散粒體危害防治提供參考。

2 研究區概況

2.1 工程地質概況

斜坡位于汶川至馬爾康高速公路裕豐巖村，整體地形較陡，局部形成陡崖，巖體節理裂隙發育。斜坡坡高約190 m，下部坡度接近80°，上部坡度在30°～40°。斜坡上部屬于崩坡積碎石土層，植被發育，以雜草為主；下部為千枚巖基巖，局部形成陡崖地貌。斜坡走向為N50°W，傾北東，巖性為千枚巖，片理面優勢產狀為350°∠77°，與河流走向呈40°角度相交，屬于斜向坡。

2.2 地質構造及地震

該斜坡位于桃坪倒轉背斜的核部，背斜核部影響帶內巖層發生明顯彎曲，分布在志留系茂縣群中。研究區屬地震活動區，并緊鄰地震活動頻繁而強烈的松潘、龍門山地震帶。根據GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》國家標準第1 號修改單，橋址區地震動峰值加速度為0.20g，對應地震烈度為Ⅷ度。

3 變形破壞特征

3.1 巖體結構

由于河谷風化、卸荷嚴重，在斜坡前緣陡崖部位發育一處變形體WY1，海拔高程為1 607～1 622 m，坡向為40°。長約為70 m，高度約為13 m，厚度約3.5 m，總方量約為3 185 m3（見圖1）。該地層產生于古生界志留系茂縣群第三段，場地巖性以絹云石英千枚巖為主。

圖1 斜坡工程地質剖面圖

3.2 變形特征

斜坡變形體屬于中等傾倒巖體。這類型的傾倒巖體大部分發育在斜向坡中，巖體結構以薄層狀或次塊狀為主，變形體完整性較好，局部發育大的凹腔。巖層沿著結構面錯動發生強烈的傾倒變形，巖層傾角變化幅度一般在15°～25°，整個傾倒變形體折而不亂，片理面清晰可見（見圖2）。巖層沿陡傾片理面或板理面拉張變形強烈，局部巖柱表現為顯著的切層破壞。這種中等傾倒變形體主要發生在斜坡的淺表層部位，越往坡內深部片理面或板理面的層間錯動特征越弱，折斷面與基巖呈平緩過渡[4]。

圖2 斜坡前緣變形體WY1

3.3 變形機制

從變形體特征分析，其變形模式屬于傾倒-折斷-蠕滑型（見圖3），主要特征是在河流快速下切過程中，伴隨強烈的河谷卸荷作用，淺表層的應力場發生改變，導致反傾或斜交的薄層狀陡傾巖層發生傾倒變形。同時內部發育一組傾角較緩的不連續結構面，使得巖體傾倒過程中多沿該組結構面發生折斷破壞。斜坡基巖為千枚巖，巖體強度低、層厚較薄，在傾倒變形過程中對折斷根部產生擠壓作用，會產生較明顯的揉皺現象，在變形過程中形成一條擠壓破碎帶，傾倒變形體沿著這條壓碎帶向臨空面方向發生滑移。

圖3 變形機制圖

4 地震動力分析

4.1 計算模型

為了揭示斜坡變形體的漸進破壞過程，采用離散元軟件進行斜坡在地震狀態下失穩、崩解、散落過程的數值模擬分析。以變形體地質剖面圖為計算剖面，整個模型共劃分為874 個單元網格，模型邊界均采用固定邊界條件（見圖4）。計算模型高250 m，底部寬185 m，坡度50°。

圖4 計算模型網格圖

4.2 計算邊界

在對離散元模型進行地震動力影響分析時，模型底部采用黏滯邊界，兩側采用自由場邊界，能夠有效地避免向外傳遞的地震波的反射和能量的發散[5]。地震波采用模擬地震波，加速度為0.20g，持續時間100 s。

4.3 計算參數

模型主要選用強、中風化層巖體作為計算參數，選擇的結構面一組與坡體反向緩傾，一組近似垂直，巖體被結構面切割成不同大小的巖塊。模型其余參數根據室內試驗和工程地質類比法得出見表1 和表2。

表1 巖石物理力學參數

表2 結構面物理力學指標

4.4 變形過程分析

斜坡在地震動力作用下的變形破壞過程見圖5。從不同時段的變形過程看出，WY1 變形體在地震作用下崩解失穩。該區域受到一組陡峭節理面5°∠55°和一組底部緩傾結構面199°∠17°的切割作用，巖體成薄層、碎裂狀結構。同時這部分又是地震作用時應力集中的區域，當應力值超過該切割節理面的抗剪強度時，后緣裂縫和底部的緩傾結構面貫通，形成了控制WY1 變形體失穩的底部滑面。在地震力的持續作用下，切割節理面和后緣裂縫貫通，WY1 變形體沿底部貫通的滑動面發生滑移式失穩。同時，WY1 變形體在地震作用下失穩過程中發生了崩解，沿坡面呈現散粒體狀向坡下運動，沿坡面運動到坡腳位置，易對坡腳的建筑構成嚴重威脅。

圖5 不同時刻斜坡變形特征

在地震作用下斜坡主應力的分布從表面逐漸向深部呈現遞增的特征，其中坡腳處的主應力達到1 700 kPa，局部位置達到2 000 kPa。剪應力值在坡腳有明顯的應力集中，應力值達到500 kPa，靠近坡面剪應力值逐漸減少。而在WY1 變形體的分布區域，剪應力量值達到100 kPa。

5 結論

本文選取四川西部深切峽谷區擬建川藏高速沿線典型高陡斜坡，基于地震動力響應進行了變形失穩及運動特征分析，主要研究成果如下：

1）斜坡出露基巖為千枚巖，整體地形較陡，局部形成陡崖，坡高約190 m，下部坡度接近80°，上部坡度在30°～40°。受到斷層破碎帶的影響，斜坡節理裂隙發育，片理面為350°∠77°，對應地震烈度為Ⅷ度。

2）斜坡變形體屬于中等傾倒巖體，變形模式屬于傾倒-折斷-蠕滑型。巖體結構以薄層狀或次塊狀為主，變形體完整性較好，主要發生在斜坡的淺表層部位。在重力及上部巖體的擠壓作用下，巖體沿著薄層狀結構巖體的根部被折斷，后側巖體推動前方巖體傾倒，坡表的變形近乎連續，而底部的擠壓破碎帶逐漸貫通，并且與后緣裂縫相互貫通，最終形成貫通性的破壞。

3）在地震動力作用下坡腳處的主應力達到1 700 kPa，局部位置達到2 000 kPa，而在WY1 變形體的分布區域，剪應力量值達到100 kPa。WY1 變形體處于地震作用時應力集中的區域，變形體沿底部貫通的滑動面發生滑移式失穩。同時變形體在地震作用下失穩過程中發生了崩解，沿坡面呈現散粒體狀向坡腳運動。碎裂的散粒體運動沖擊對坡腳的建筑構成嚴重威脅。