典型震裂山體發(fā)育特征及形成機(jī)制分析

王永學(xué) 朱凌 裴向軍 尹強(qiáng) 鄭益?zhèn)? 阿帕爾

摘要：為了揭示強(qiáng)震作用下斜坡的震裂損傷特征及其演化規(guī)律，對(duì)四川省茂縣疊溪鎮(zhèn)松坪溝流域的3個(gè)典型震裂山體開(kāi)展了地質(zhì)條件及震裂紋調(diào)查。結(jié)果表明：① 震裂斜坡震裂紋的擴(kuò)展主要與結(jié)構(gòu)面特征有關(guān)，震裂紋往往沿著節(jié)理觸發(fā)和擴(kuò)展。② 震裂紋的組合特征控制了震裂山體的失穩(wěn)模式。③ 強(qiáng)震過(guò)程中，在沖壓-拉張荷載下主要形成拉張裂紋、沖壓裂紋及壓致拉裂;在振動(dòng)剪切荷載下主要形成張性雁列和壓扭性雁列2種裂紋類型。④ 地震造成的震裂紋加速了斜坡的失穩(wěn)破壞，強(qiáng)震山區(qū)地震荷載造成的震裂紋是斜坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。

關(guān) 鍵 詞：震裂損傷特征; 震裂山體; 震裂紋; 強(qiáng)震作用; 四川省

中圖法分類號(hào)： P631.4;P642.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.019

0 引 言

地震是斜坡失穩(wěn)破壞的一類重要觸發(fā)因素，2008年汶川地震引發(fā)了6萬(wàn)多處滑坡，其中112處大型滑坡面積超過(guò)5萬(wàn)m2 [1-2]，造成了災(zāi)區(qū)嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。地震荷載作為滑坡的觸發(fā)因素，會(huì)造成強(qiáng)震山區(qū)巖體損傷和斜坡的震裂紋擴(kuò)展，加速斜坡的蠕滑變形[3]，致使地震后震區(qū)滑坡災(zāi)害數(shù)量顯著增加，例如，1923年日本關(guān)東大地震、1993年疊溪地震、1999年集集地震、2008年汶川地震和2017年九寨溝地震等[4-8]。

針對(duì)地震造成的巖體損傷和震裂紋擴(kuò)展，前人也開(kāi)展了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)主要是由于巖體內(nèi)部缺陷的存在，造成了地震波的不斷折射和反射。當(dāng)應(yīng)力波的強(qiáng)度超過(guò)巖石強(qiáng)度就會(huì)造成微裂紋的擴(kuò)展，持續(xù)的地震波作用造成了微裂紋的擴(kuò)展、貫通并形成宏觀裂紋[9]。結(jié)構(gòu)面位置最容易受到地震波的影響，并且主要是拉裂過(guò)程。在強(qiáng)震山區(qū)的斜坡內(nèi)部普遍有大量的震裂紋，在坡面陡緩轉(zhuǎn)折帶及不同巖性接觸部位、不同巖性內(nèi)部等均有不同程度發(fā)育[10]。

盡管前人對(duì)強(qiáng)震山區(qū)的斜坡失穩(wěn)機(jī)制、巖體震損特征開(kāi)展了相關(guān)研究，但目前對(duì)震裂山體特征及演化和震裂紋擴(kuò)展機(jī)制的研究較少。因此，本文以四川省茂縣疊溪鎮(zhèn)松坪溝流域的3個(gè)典型震裂山體為例，基于地質(zhì)背景和歷史地震數(shù)據(jù)，開(kāi)展了震裂紋特征調(diào)查，對(duì)震裂山體潛在失穩(wěn)模式及穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析了震裂山體的震裂紋擴(kuò)展機(jī)制、形成因素及演化規(guī)律。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)背景

四川省茂縣疊溪鎮(zhèn)松坪溝流域?qū)儆谇嗖馗咴c龍門山斷裂帶的過(guò)渡帶，具有切割峽谷地貌深、地形陡峭的特點(diǎn)。研究區(qū)震裂山體位于岷山南部富貴山以西，松坪河和岷江之間。深切“V”型山谷由2條河流的下切形成。青藏高原東緣由西向東由3個(gè)構(gòu)造單元組成：松潘-甘孜褶皺帶、龍門造山帶和四川盆地。研究區(qū)位于松潘-甘孜褶皺帶與龍門山造山帶過(guò)渡帶，發(fā)育了印支期和燕山期形成的復(fù)雜褶皺和斷層。其中，弧形構(gòu)造在該區(qū)最為常見(jiàn)，包括小金和較場(chǎng)弧型構(gòu)造帶。研究區(qū)位于較場(chǎng)弧形構(gòu)造的頂部，具有巖體破碎、構(gòu)造復(fù)雜的特點(diǎn)。此外，青藏高原東緣自西向東劃分為西藏地塊、龍門山造山帶和成都盆地3個(gè)活動(dòng)構(gòu)造單元。研究區(qū)位于岷江斷裂和松坪斷裂的交匯處，受這兩條活動(dòng)斷裂的影響。其中松坪溝斷層產(chǎn)狀為N35°W/NE/50°～60°，全長(zhǎng)30 km。一般認(rèn)為該斷層是1933年疊溪地震的發(fā)震斷層[11]。研究區(qū)位于松坪溝斷層的上盤，距離1993年疊溪地震震中僅4.3 km。松坪溝出露的地層有二疊系三道橋組（P1s）、三疊系波茨溝組（T1b）、雜谷腦組（T2z）和新都橋組（T3x）。巖性由變質(zhì)砂巖、石灰?guī)r、板巖和千枚巖組成。研究區(qū)在雜谷腦組（T2z）內(nèi)，主要由變質(zhì)砂巖夾板巖和千枚巖組成（見(jiàn)圖1）。

1.2 歷史地震

位于松坪斷裂和岷江斷裂交匯處的研究區(qū)是地震多發(fā)區(qū)（見(jiàn)圖2）。有記錄以來(lái)，對(duì)該區(qū)域影響較大的有1933年的疊溪地震（7.5級(jí)）、1976年松潘地震（7.5級(jí)）和2008年汶川地震（8.0級(jí)）3次強(qiáng)震。1933年疊溪地震（32.01°N，103.68°E），地震震源深度為15 km，震中距離新磨滑坡區(qū)3 km，地震烈度達(dá)到X度[12]。1933年疊溪地震誘發(fā)的大量滑坡壩沿松坪溝和岷江分布，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）發(fā)生在四川省松潘縣，地震的震源深度為10 km，研究區(qū)距離松潘地震震中84 km，研究區(qū)地震烈度達(dá)到VI度[13]。2008年汶川地震（30.986°N，103.364°E）震中距離研究區(qū)118.4 km，研究區(qū)烈度為Ⅷ度（見(jiàn)圖3）。1933年疊溪地震被認(rèn)為是對(duì)研究區(qū)破壞最嚴(yán)重的災(zāi)難事件，引發(fā)了岷江和松坪溝沿岸的大量滑坡。對(duì)松坪溝兩岸的滑坡和崩塌調(diào)查發(fā)現(xiàn)，兩岸共有25處山體滑坡和82處崩塌，其中大部分是由1933年疊溪地震引發(fā)的。在該地區(qū)，雖然松潘地震和汶川地震沒(méi)有誘發(fā)大規(guī)模的滑坡，但卻引發(fā)了一些小規(guī)模的同震滑坡。以往的研究表明，3次地震嚴(yán)重破壞了研究區(qū)的巖體結(jié)構(gòu)，降低了斜坡穩(wěn)定性[14]。

2 震裂山體特征

茂縣疊溪鎮(zhèn)兩河口村震裂山體位于松坪溝左岸，坡腳坐標(biāo)東經(jīng)103°38′50″，北緯32°04′21″。橫寬740 m，縱向順坡長(zhǎng)約500 m，地形總體坡度約48°，研究區(qū)總面積約37萬(wàn)m2，出露地層為三疊系雜谷腦組（T2z）變質(zhì)砂巖和板巖，弱變質(zhì)結(jié)構(gòu)。根據(jù)震裂山體的基本特征、現(xiàn)狀分布、變形特征等因素，將研究區(qū)的震裂山體劃分為3個(gè)部分（見(jiàn)圖4）。

1號(hào)震裂山體分布于斜坡頂部靠右側(cè)邊界部位，分布高程2 460～2 640 m，相對(duì)高差約180 m，主崩方向315°。坡度陡，自然坡角65°～85°。震裂山體橫寬約140 m，縱長(zhǎng)約245 m，總體積約4.2萬(wàn) m3。巖層產(chǎn)狀為180°～205°∠51°～55°，為反向坡（見(jiàn)圖5）。主要發(fā)育有3組裂隙：第①組產(chǎn)狀56°∠75°，裂隙延伸長(zhǎng)度約1.5～5.0 m，張開(kāi)度為1.0～2.0 cm，間距約1.2～2.8 m。第②組產(chǎn)狀332°∠32°，裂隙延伸長(zhǎng)度約0.3～0.8 m左右，裂隙張開(kāi)度約1.0 cm左右，間距約0.2～0.4 m。第③組產(chǎn)狀320°∠78°，裂隙延伸長(zhǎng)度約0.3～0.8 m左右，裂隙張開(kāi)度為1 cm左右，間距約1.0～2.2 m。在震裂山體后緣發(fā)育著一條深大裂縫，裂縫總體走向232°，近似垂直于坡向，縫寬1.5～2.5 m，可見(jiàn)深度約15 m，長(zhǎng)約8～12 m，其間有少量碎塊石充填。裂縫中生長(zhǎng)一棵樹(shù)木，直徑達(dá)20 cm（見(jiàn)圖6）。1E1AA5C9-DBCA-4CB3-B312-2ACBBCC21D50

2號(hào)震裂山體出露巖層產(chǎn)狀為210°～236°∠51°～60°，為順向坡（見(jiàn)圖7）。主要發(fā)育3組裂隙：第①組產(chǎn)狀97°∠78°，裂隙長(zhǎng)度約4.0～6.0 m，間距約0.4～1.9 m;第②組產(chǎn)狀186°∠57°，長(zhǎng)度約0.5～1.2 m左右，張開(kāi)度為1.0 cm左右，間距約0.4～0.5 m;第③組產(chǎn)狀144°∠53°，長(zhǎng)度約3.5～4.8 m左右，張開(kāi)度為1.0 cm左右，間距約1.2～2.5 m（見(jiàn)圖8）。

3號(hào)震裂山體分布高程2 590～2 760 m，相對(duì)高差約170 m。震裂山體帶橫寬85～90 m，縱長(zhǎng)約200 m，分布面積約1.45萬(wàn)m2。巖層產(chǎn)狀為180°～236°∠46°～55°，為順向坡（見(jiàn)圖9）。主要發(fā)育有裂隙4組：第①組產(chǎn)狀188°∠77°，裂隙延伸長(zhǎng)度約4.0～6.0 m，張開(kāi)度為0.5～2.0 cm，間距約1.2～3.6 m;第②組產(chǎn)狀198°∠65°，裂隙延伸長(zhǎng)度約0.5～1.2 m左右，裂隙張開(kāi)度約1.0 cm左右，間距約1.8～5.3 m;第③組產(chǎn)狀253°∠83°，裂隙延伸長(zhǎng)度約3.5～4.8 m左右，裂隙張開(kāi)度約1.0 cm左右，間距約1.2～2.5 m。第④組產(chǎn)狀332°∠32°，裂隙延伸長(zhǎng)度約3.5～4.8 m左右，裂隙張開(kāi)度約1.0 cm左右，間距約1.2～2.5 m（見(jiàn)圖10）。

3 震裂山體潛在失穩(wěn)模式及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 潛在失穩(wěn)模式

1號(hào)震裂山體巖層傾向斜順向，傾角約51°，巖層與斜坡坡面交角小于坡角，對(duì)坡體穩(wěn)定性不利，震裂山體主要受裂隙控制，震裂山體可能沿裂隙1，2以及其組合交線發(fā)生破壞，1號(hào)震裂山體破壞模式以整體傾倒式為主。2號(hào)震裂山體巖層外傾，傾角約51°，巖層對(duì)坡體穩(wěn)定性不利，震裂山體主要受層面、裂隙控制，其中層面與坡面斜交，傾角小于坡角，2號(hào)震裂山體可能沿層面以及其組合交線發(fā)生滑移式破壞。3號(hào)震裂山體為順向坡，傾角約51°，巖層與坡面順向相交，且傾角小于坡腳，對(duì)坡體穩(wěn)定性不利;震裂山體主要受裂隙控制，可能沿裂隙3，4以及其組合交線發(fā)生破壞。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況來(lái)看，3號(hào)震裂山體發(fā)生了整體滑移式破壞（見(jiàn)圖11）。從宏觀上看，震裂山體巖體節(jié)理裂隙發(fā)育密度較大，裂隙間相互切割，震裂山體表面形成較多懸崖，在地震作用下，震裂山體裂隙卸荷張開(kāi)更加明顯，震裂山體更加松動(dòng)，隨著裂隙進(jìn)一步發(fā)展，震裂山體將最終失穩(wěn)崩落。

3.2 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分析，揭示研究區(qū)的震裂山體主要以傾倒和滑移破壞為主，陳洪凱提出了對(duì)不同破壞模式危巖的計(jì)算方法。根據(jù)前人研究及大量工程實(shí)踐，考慮不同工況：① 天然工況（自重）;② 暴雨飽和工況（飽和自重+裂隙水壓，其中裂隙充水高度hw取裂隙深度h的1/2）;③ 地震工況（自重+地震力）。根據(jù)類比相似工程取參數(shù)值。根據(jù)DZ/T 0218-2006《滑坡防治工程勘查規(guī)范》取安全系數(shù)值。據(jù)全國(guó)地震區(qū)劃圖編制委員會(huì)編制的GB 18306-2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，疊溪鎮(zhèn)地震基本烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g。穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)地震水平系數(shù)取0.2。最終穩(wěn)定性計(jì)算分析結(jié)果如表1所列。

4 震裂山體形成因素及演化分析

強(qiáng)震過(guò)程中，對(duì)山體的地震力主要分為沖壓-拉張和振動(dòng)剪切應(yīng)力，在沖壓階段，在巖體裂紋的末端會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)巖體的強(qiáng)度閾值時(shí)，端部巖體將發(fā)生塑性變形或破碎，應(yīng)力集中部分將轉(zhuǎn)移到端部?jī)?nèi)部（見(jiàn)圖12）。

在拉應(yīng)力σ3條件下，促進(jìn)了巖石裂紋擴(kuò)展，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度，并形成與拉應(yīng)力近于平行的裂紋時(shí)，就會(huì)造成巖石的拉張破壞（見(jiàn)圖13）。此外，在沖壓荷載下，拉應(yīng)力集中最強(qiáng)的部位位于與主壓應(yīng)力方向夾角β為30°～40°的裂隙的端部，當(dāng)（σ1-σ3）2/（σ1+σ3）=8St時(shí)，巖石破壞，裂隙在這些部位擴(kuò)展而成分支裂隙（J2t），壓致拉裂裂紋呈近于垂直的高傾角（見(jiàn)圖14）。

在應(yīng)力剪切條件下，可形成雁列破裂面，雁列破裂可分為張性雁列（T）和壓扭性雁列（P）2種裂紋類型。其中，張性雁列裂紋擴(kuò)展方向與主應(yīng)力方向平行，在擴(kuò)展過(guò)程中可能會(huì)形成2組共軛次級(jí)剪切裂隙（R、R′）。而壓扭性雁列裂紋擴(kuò)展方向與剪切方向呈銳角（見(jiàn)圖15），在循環(huán)剪切作用下，對(duì)巖石會(huì)有更嚴(yán)重的損傷。

強(qiáng)震過(guò)程造成的斜坡?lián)p傷、裂紋擴(kuò)展是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，同時(shí)受到了地形地質(zhì)條件等多因素的影響。對(duì)于山體的單薄山脊或者坡折帶，由于水平地震力受高程的影響更明顯，在強(qiáng)震作用下主要是拉張作用產(chǎn)生的拉裂紋，因此許多同震滑坡均產(chǎn)生了高陡的后緣拉裂面，例如，2008年汶川地震觸發(fā)的大光包滑坡[16]、文家溝滑坡[17]、老鷹巖滑坡[18]等。而強(qiáng)震作用造成的巖體裂紋，主要與巖體的原生或后生缺陷結(jié)構(gòu)有關(guān)，包括節(jié)理、微裂隙、膠結(jié)物等，震裂紋多沿這些缺陷擴(kuò)展[19]。此外，對(duì)于含軟弱夾層的斜坡來(lái)說(shuō)，由于在強(qiáng)震過(guò)程下軟弱夾層發(fā)生了非協(xié)調(diào)變形，從而造成軟弱夾層的嚴(yán)重?fù)p傷。黃潤(rùn)秋等[20]對(duì)大光包滑坡進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)滑坡南側(cè)的先期層間錯(cuò)動(dòng)帶是大光包滑坡的主控滑帶，在該帶中發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)震作用造成的拉張裂紋和壓致拉裂，這些裂紋約占所有裂隙的56%。

本文主要從地質(zhì)條件、歷史地震和外力因素對(duì)松坪溝震裂山體的形成及其演化開(kāi)展分析。研究區(qū)位于較長(zhǎng)弧形構(gòu)造帶頂部，岷江斷裂和松坪斷裂的交匯處，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育，在長(zhǎng)期構(gòu)造活動(dòng)下區(qū)域巖石節(jié)理發(fā)育。此外，震裂山體形成于斜坡中上部或坡折帶，斜坡坡角大于60°，臨空條件好，該區(qū)域地層主要是砂巖、夾板巖、千枚巖，千枚巖強(qiáng)度遠(yuǎn)低于前2種巖石。研究區(qū)地震活動(dòng)頻繁，尤其在1933年發(fā)生的疊溪地震、1976年發(fā)生的松潘地震和2008年發(fā)生的汶川地震，對(duì)研究區(qū)均產(chǎn)生了影響，主要表現(xiàn)在：① 巖層中節(jié)理裂隙的發(fā)育，在地震下震裂紋易于沿著原始節(jié)理擴(kuò)展、延伸。② 單薄山脊或者坡折帶加速度放大，易形成后緣寬大拉裂縫[21]。③ 在強(qiáng)震作用下，含軟弱巖層的地層中容易造成軟巖的應(yīng)力集中、非協(xié)調(diào)變形和損傷破壞。對(duì)于這類震裂斜坡，在長(zhǎng)期風(fēng)化和重力作用，易造成原有震裂紋的擴(kuò)展和貫通;而在降雨條件容易形成水壓力，從而促使滑坡的發(fā)生，這也是2008年汶川地震后震區(qū)雨季滑坡數(shù)量突增的主要原因。1E1AA5C9-DBCA-4CB3-B312-2ACBBCC21D50

5 結(jié) 論

（1） 震裂斜坡震裂紋的擴(kuò)展主要與研究區(qū)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面有關(guān)，震裂紋往往是節(jié)理擴(kuò)展、貫通形成的。

（2） 震裂山體失穩(wěn)模式主要受裂隙控制，震裂山體可能沿裂隙以及其組合交線發(fā)生破壞。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況來(lái)看，1號(hào)震裂山體可能發(fā)生傾倒破壞。2號(hào)、3號(hào)震裂山體可能沿層面以及其震裂紋組合交線發(fā)生滑移式破壞。

（3） 強(qiáng)震過(guò)程中，對(duì)山體的地震力主要分為沖壓-拉張和振動(dòng)剪切荷載，在沖壓-拉張荷載下，主要形成了拉張裂紋、沖壓裂紋及壓致拉裂。在振動(dòng)剪切荷載下，形成張性雁列和壓扭性雁列2種裂紋類型。

（4） 斜坡的累進(jìn)性變形和破壞受到了多期次地震、長(zhǎng)期風(fēng)化條件和重力變形等多因素的綜合影響。

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（編輯：劉 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