强震条件下碎裂岩体崩塌机理及崩塌后壁对堆积体稳定性影响研究

Journal of Eng i n eeri n g Geology 工程地质学报 1004-9665/2011/19(2) 0205 08
强震条件下碎裂岩体崩塌机理及崩塌后壁对堆积体稳定性影响研究*
赵伟华 黄润秋 赵建军 巨能攀 李 果
(成都理工大学 地质灾害防治与环境保护国家重点实验室 成都 610059)
摘 要 5 12 汶川地震的强震作用诱发产生了大量崩塌地质灾害,且多发生于碎裂结构岩体中。

崩塌后斜坡后缘岩体及前缘堆积体的稳定性和后缘岩体对前缘堆积体稳定性的影响研究同样是震后灾害所面临的问题。

以干河沟沟口斜坡为例,在分析该斜坡结构特征及崩塌机理的基础上,采用二维离散元软件UDEC模拟了斜坡在天然或强震条件下的稳定状态和可能失稳过程;运用极限平衡法对陡壁岩体再次崩塌,产生新物质堆载在现有崩塌堆积体后缘前、后分别建立模型进行了稳定性分析。

研究结果表明:碎裂岩体崩塌过程可分为应力重分布、潜在崩塌体形成和地震诱发崩塌3个阶段。

崩塌堆积体在考虑后缘堆载作用之前,在天然或地震环境下均处于相对稳定状态,考虑堆载作用之后,其可能会在地震条件下失稳。

离散元法和极限平衡法的组合使用,对于解决同类斜坡的同类问题切实可行。

关键词 强震 碎裂岩体 崩塌后壁 堆积体 稳定性
中图分类号:P642.21 文献标识码:A
ROCKFALL M ECHAN IS M OF CATACLAST IC ROCK M ASS AND INFLU ENCE OF BACK WALL UPON THE STAB IL ITY OF ACCUMULATION UN DER STRONG EARTHQUAKE
Z HAO W e i h ua HUANG Runqi u Z HAO Jianjun J U N engpan L I Guo
(S tateK ey Laboratory of G eolog icalH azard P revention and G eolog ical Environ m ent Protection,Chengdu University of T ec hnology,Chen g du,S ichuan 610059)
Abst ract TheW enchuan8 0earthquake tri g gered a huge nu m ber of r ock fall hazar ds.The hazardsm ost happened i n catac lastic r ock m ass.The respecti v e stability o f the back w all and t h e front accumu lation of the slope and the i n fl u ence of the back w a ll upon t h e stability of accum ulation are pr oble m s that are faced by people after the eart h quake.This paper takes t h e Ganhekou rockfa lli n g accum ulation as a exa m ple.It is based on analysis of t h e struc ture feature and genetic m echan is m of t h e slope.It uses the2D D iscrete E le m entM et h od UDEC to si m ulate the stability status and possi b le fa ilure process of t h e slope under nature or earthquake cond iti o n.It uses the li m it equi li b ri u m theory basedm ode ls and analyse the stability of accum ulation befo re or after l o aded by ne w substance gener ated by ne w rockfal.l The resu lts show t h at the genetic process of rockfa lling accu m u lati o n can d i v ided to stress re distri b u ti o n,the for m ation of potential rockfa llm ass and rockfa ll induced by eart h quake three phases.B efore load i n g functi o n,the accumu lation is re lative l y stable both under nature or eart h quake cond ition.Bu t a fter considering
*收稿日期:2010-08-20;收到修改稿日期:2011-01-12.
第一作者简介:赵伟华,地质工程专业.Em a i:l fhqw f nw xfz h ao@qq.co m
t h e function of l o ad i n g,itm ay fail under earthquake.The co mb i n ed use of d iscrete ele m entm et h od and li m it equi li b ri u m m et h od are practicable w ay for so l v ing si m ilar proble m o f si m ilar slopes.
K ey w ords Strong earthquake,C ataclastic r ock m ass,Rockfa ll back w al,l Rock falli n g accu m u lati o n,Stab ility
1 引 言
汶川8 0级地震发生于地质环境原本就脆弱的龙门山中、高山地区,加之地震持续时间长,地面振动响应剧烈,触发崩塌、滑坡总数达3~5万处[1]。

根据相关统计[2],汶川地震所引发的次生地质灾害,无论是规模还是数量,都远远超过重力环境或暴雨环境下的地质灾害。

地震荷载作为斜坡失稳的一种诱发因素,其作用强度远比降雨或重力诱发因素强烈[3~5]。

地震诱发的崩塌多发生于碎裂结构岩体中,这是由于碎裂结构岩体结构面发育,对震动反应比较强烈,强烈的地震会导致岩体松动,造成大量崩塌、落石以及小规模的滑动[6]。

碎裂岩体崩塌后,多形成陡立后壁,在坡脚形成大量崩塌堆积体。

对于强震区的碎裂岩体崩塌机理,崩塌后壁进一步变形发展的情况,是否会再次发生崩塌,以及若发生崩塌,新产生的崩落物对已有崩塌堆积体稳定性有何影响,是本文解决的主要问题。

对于强震条件下斜坡稳定性的分析,国内外学者们已经提出了多种研究方法,包括:定性分析法、拟静力法、滑块分析法、模型试验法和数值模拟法等[7]。

这些方法已经比较成熟和完善[8],但这些方法多应用于对岩质斜坡或堆积体斜坡分别进行评价[3~4,9~11],而对崩塌后陡壁松动岩体的稳定性及其对坡脚崩塌堆积体稳定性的影响研究则较少。

采用何种方法对碎裂岩体的崩塌机理进行模拟,以及采用何种方法分析后壁岩体稳定性对前缘崩塌堆积体稳定性的影响,是本文所要研究的主要内容。

笔者以干河沟沟口斜坡为例,对这些问题进行了研究。

在分析斜坡碎裂岩体崩塌机理的基础上,采用离散元模拟研究了岩土复合斜坡在天然和地震条件下可能的变形破坏过程和失稳模式,并运用极限平衡理论分别就陡壁岩体强震条件下再次崩塌,对现有崩塌堆积体后缘加载作用前、后两种模型的稳定性进行了分析。

2 工程地质条件
2 1 基本地质条件
研究区位于安县雎水镇墩秀公路柿子园电站北约200m。

地处四川盆地西北边缘龙门山脉中北段与涪江冲积平原接壤地带,为平原、丘陵和山地过渡的地区,属于亚热带湿润季风气候,雨量充沛,但季节分配不均。

如2010年降雨主要集中于7,8两个月,占全年降雨量的70%,由于存在大量松散堆积体和强降雨,该区夏季多处爆发泥石流。

斜坡主要发育有第四系孔隙水和基岩裂隙水两类。

第四系孔隙水富存于表层残坡积和崩塌堆积体中;基岩表层风化强烈,裂隙十分发育,赋存裂隙水,大气降水是其主要补给源。

研究斜坡处于干河和雎水河的交汇地段,干河沟沟谷深切成 U 形,沟内有较厚泥石流堆积体,说明沟内曾发生较大规模泥石流。

据现场勘察,坡体前缘覆盖物为汶川地震诱发的崩塌堆积体,斜坡岩层由上至下依次为:第四系表层残坡积覆盖层(Q el+d l
4)、第四系崩塌堆积体(Q
co l
4)、强风化石灰岩(C1zn)和弱风化石灰岩(C1zn)。

研究区距龙门山中央断裂带约7 2k m,距前山断裂带约4 5km。

根据5 12地震后国家发布的 四川、甘肃、陕西部分地区地震动峰值加速度区划图 (GB18306 2001一号修改单),工程研究区的地震动峰值加速度取0 20g,抗震设防烈度为 度[12]。

2 2 坡体结构特征
2.2.1 堆积体结构特征
堆积体呈扇形堆积,最高约40m,宽约100m,体积约为3750m3,坡度27 ~35 。

堆积体根据崩源的不同,可分为两区(图1)。

堆积区1崩落路程短,崩积物分选性差,只在上部约2m范围内是块径5~ 10c m的小块石,下部块石最大块径达2 5m。

堆积区2崩落路程长,崩积物分选性较好,下部块石大,最大块径约达4 0m,上部块径小,块径为0 1~ 0 4m。

堆积体结构主要表现为较大块石(直径1 5 ~2 5m)夹碎石堆积,局部多呈架空状态,堆积较为松散。

基覆界面形态及地表地形决定了崩塌堆积体具有中部厚、向前缘和后缘逐渐减薄的特征[13]。

2.2.2 后壁岩体结构特征
岩体高差约30m,主要发育有3组优势结构面,分别为: 层面,N25 W/S W 60 ,其间夹有2~ 5c m厚的泥质夹层,岩层厚度为30~50c m; 节理
206J ournal of Eng i neering Geology 工程地质学报 2011
图1 堆积体总体形态图F i g .1 Feature of t he accumu l a tion
J 1,N60 E /SE 32 ,缓倾坡内; 节理J 2,N78 E /
NW 60 ,为陡倾坡外结构面。

坡面产状为N70 E /NW 79 。

根据赤平投影(图2)分析,结构面J 2位于坡面同一侧,其倾角小于坡面倾角,层面C 和节理J 2的交点落在坡面投影线一侧,同时又是坡面投影线外侧。

3组优势结构面相互组合,将岩体切割成碎裂结构,岩体完整性破坏较大,整体强度较低,属于不
稳定岩体结构类型[14]。

图2 结构面赤平投影
F i g .2 Ste reographic pro j ec tion o f structural plane
3 崩塌堆积体形成机理
根据对岩体、堆积体结构特征的调查,认为崩塌堆积体是 5 12 汶川地震诱发碎裂结构岩体崩塌产生的。

该斜坡原始坡度较陡,岩性为坚硬石灰岩,优势结构面切割岩体呈碎裂结构,而且干河沟原为钙矿采石场,斜坡曾被局部开挖,这些因素都是造成崩塌的基础[15]
,地震则是崩塌的诱发因素,地震惯
性力对崩塌形成具有决定作用[6]。

分析该斜坡崩塌堆积体的形成机制为:
(1)应力重分布阶段:干河沟内曾发生较大规模泥石流,对斜坡产生了一定的侧蚀作用,同时由于石灰矿局部开采,使斜坡一定范围内应力重新调整,引起局部应力集中。

(2)潜在崩塌体形成阶段:受岩体岩性及风化作用、降雨作用等外界因素影响,岩体结构面逐渐发展,同时又为风化、降雨等外营力作用提供了改造岩体的途径。

经循环反复作用,岩体完整性和强度逐渐降低,从而形成潜在崩塌体。

(3)地震诱发崩塌阶段:由地震引起地面剧烈运动,坡体受地震力作用,产生反复拉张、剪切,导致
岩体松动[6]
,在地震惯性力和重力双重作用下,块体滑动或抛出,经翻倒、跳跃、滚动、坠落、互相撞击,最后堆积于坡脚。

4 斜坡稳定性分析
为了正确评价陡壁岩体和崩塌堆积体在天然和强震环境下的稳定状态和可能失稳模式,确定后壁可能崩落的体积大小、堆载于崩塌堆积体的可能作用位置及崩塌堆积体的潜在滑移面,运用离散元对斜坡建立模型进行分析。

4 1 模型建立
根据斜坡的结构特征及边界特征,选取图3所
示的典型剖面建立模型。

图3 斜坡剖面图F ig .3 Cross section o f the sl ope
模型采用理想弹塑性材料,屈服准则采用M o hr Cou l o m b 准则。

主要考虑节理J 1和节理J 2两组
控制性节理,层面C 走向与剖面方向近于平行,不予考虑。

地震作用下,考虑为自由场边界(图4)。

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19(2) 赵伟华等:强震条件下碎裂岩体崩塌机理及崩塌后壁对堆积体稳定性影响研究
图4 斜坡离散元计算模型及地震下的自由场边界F i g .4 T he s l ope m ode l o f discrete e le m en t ana l ys i s
and free field unde r ea rt hquake
4 2 参数选取
斜坡岩土体物理力学参数的取值正确与否会直
接影响到斜坡的稳定计算和工程设计。

计算所选用图5 计算加载地震波
F i g .5
se i s m i c w aves l oaded i n co m putation
a .水平向地震波加速度时程曲线图;b.
垂直向地震波加速度时程曲线图
的材料参数见表1,结构面参数见表2。

地震条件下,斜坡加载的地震波采用5 12地震时安县塔水镇的记录数据,地震的初始波和后期衰减波加速度
值很小,对斜坡的影响不大,因此,此次计算主要采用记录的中强波,以评判强震作用下斜坡的变形破坏过程。

地震波加速度时程曲线如图5
所示。

4 3 模拟结果分析
4 3 1 天然工况成果分析
图6为天然环境下计算监测得到的不平衡力,其记录为0 00<unbal>6 2 106
,不平衡力产生一定的应力释放后逐渐减小直至趋于0,表明坡体已
趋于稳定状态[16]。

图6 天然条件不平衡力变化曲线F i g .6 D iag ram of unba lanced f o rce
图7和图8分别表示计算收敛后斜坡节理或潜在滑移面张开和剪切情况。

从图中可以看出,斜坡
张开节理主要为陡壁岩体J 2节理面和强弱风化界限节理,堆积体潜在滑移面张开则位于基覆界面。

208J ournal of Eng i neering Geology 工程地质学报 2011
剪切节理主要为强弱风化界面节理,基覆界面处同样发生剪切。

但无论是张开还是剪切,结构面或潜在滑移面均未发生贯通破坏,说明坡体在天然环境下,
处于相对稳定状态。

图7 坡体节理或潜在滑移面张开情况F i g .7 O pen i ng situa tion o f j o i nts and
cracks
图8 坡体节理或潜在滑移面剪切情况F ig .8 Sheari ng situati on of jo i nts and cracks
4 3 2 地震工况成果分析
图9为地震作用下的不平衡力监测过程曲线图,其记录范围为0 00E +00<unba l>2 37E +08,相较于天然环境,其值明显增大,且斜坡在运行中的
不平衡力产生了几次应力释放现象,表明随模拟次数的增加,斜坡内应力逐渐增大,达到斜坡所不能承受的最大应力后,应力突然减小,表明斜坡发生失稳,未能达到平衡,体现了计算中,坡体不断地进行应力调整的过程。

由此可以判断斜坡处于相对不稳定状态[15]。

强震作用下,斜坡对地震波动力响应的变形破坏过程见图10,图中a~f 为计算获得的不同时刻陡壁岩体和崩塌堆积体变形破坏情况。

(1)岩体轻微变形阶段:该阶段斜坡变形较小,只表现为陡壁岩体的部分小变形。

(2)陡壁岩体解体阶段:
岩体前端块体由于地
图9 地震工况不平衡力变化曲线
F i g .9 D i agra m o f unba l anced force under earthquake
震动力先失稳,坡顶坡体由于重力和地震双重作用推挤,从而致使岩体锁固段破坏,岩体溃滑。

这也验证了原地形在 5 12 地震时,由于地震惯性力作用和岩体重力作用,岩体的崩塌过程。

(3)岩体解体物质对原崩塌堆积体后缘堆载阶段:陡壁岩体失稳堆积在原崩塌堆积体后缘,增大了堆积体下滑力,不利于其稳定性。

(4)崩塌堆积体滑动阶段:失稳岩体对原堆积体后缘堆积后,对其产生了一定的加载作用,同时,由于地震反复强烈振动作用,堆积体开始发生向临空面的整体滑动。

(5)崩塌堆积体前缘剪出阶段:堆积体发生整体滑动后,在前缘剪出破坏。

(6)减速滑移至自然休止阶段:堆积体剪出后,继续滑移一定距离后才停止。

最终斜坡经过调整,
能量充分耗散,达到新的平衡状态[13]。

第(1)、(2)阶段体现了地震对碎裂岩体稳定性影响的累积和触发效应
[17]。

图11为此阶段过程中
选取的某一时刻坡体内节理或潜在滑移面的张开和剪切情况。

由地震波产生的水平和竖直拉裂作用,岩体内的两组节理迅速张开、剪切,最终贯通,造成岩体松动。

松动岩体由于重力和地震惯性力作用,岩块碰撞解体,滑动或抛出,最终经滚动、跳跃,堆载于原崩塌堆积体后缘。

在此阶段,潜在滑移面裂缝的张开和剪切仅发生在基覆界面局部,并未形成完全贯通,由于堆积体高程较低,对地震反应较弱,堆积体内部在此阶段并未显示出明显的变形和裂缝张开。

说明在此阶段时,崩塌堆积体仍处于相对稳定状态。

此过程中岩体的运动情况验证了碎裂岩体崩
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19(2) 赵伟华等:强震条件下碎裂岩体崩塌机理及崩塌后壁对堆积体稳定性影响研究
图10 地震工况斜坡破坏过程
F ig .10 F a il ure process of sl ope i n eart hquake cond ition
体轻微变形阶段; b.后缘岩体解体阶段;c .新崩塌物质后缘堆载作用阶段; d.崩塌堆积体滑动阶段;
e .崩塌堆积体前缘剪出阶段;.f
减速滑移至自然休止阶段
图11 地震作用下(1)-(2)阶段某一时刻坡体
节理或潜在滑动面张开、剪切情况
F i g .11 O pen i ng and shea ri ng status o f under earthquake
at a ce rtain ti m e and at t he first and second stages
a .地震作用下坡体或裂缝张开状态;b.地震作用下坡体节理或裂缝剪切状态
塌的形成机理。

4 4 基于极限平衡理论分析
离散元模拟结果表明,陡壁碎裂岩体在强震条
件下极可能再次发生崩塌,其新产生的崩塌堆积体将堆载在现有崩塌堆积体后缘,对其产生堆载和冲击作用,不利于其稳定性。

为了正确评价陡壁碎岩体的失稳是否会影响坡脚现有崩塌堆积体的稳定性及影响作用大小,运用极限平衡理论就堆载前后的崩塌堆积体分别建立模型(模型 和模型 )进行稳定性计算,分析崩塌后边坡进一步变形破坏机制[18]。

计算主要考虑新崩塌堆积体对原崩塌堆积体的后缘堆载作用。

根据离散元模拟结果,崩塌堆积体的潜在滑移面为基覆界面,因此,模型以基覆界面作为潜在滑移面,模型参数选取同离散元模拟(图12,表3)。

计算结果显示,堆载前的崩塌堆积体在天然环境或地震环境下,均处于相对稳定状态,在暴雨加地震的极端情况下,可能会失稳。

与之相比较,考虑陡壁再次崩塌对崩塌堆积体的后缘堆载作用后,对堆积体后缘产生推动作用,增大了堆积体的下滑力,在地震环境下,其稳定性相对降低,可能发生沿基覆界
210J ournal of Eng i neering Geology 工程地质学报 2011
图12 极限平衡理论分析模型
F i g.12 A na l ysis m ode l o f li m it equ ili briu m theo ry
面的滑动失稳,在暴雨加地震的极端情况下,其稳定性相对降低更多。

5 结 论
(1)碎裂岩体的崩塌机理过程可分为应力重分布-潜在崩塌体形成-地震诱发崩塌3个阶段。

(2)离散元模拟结果显示,崩塌堆积体潜在滑移面为基覆界面,其可能的失稳模式为沿基覆界面的滑移剪出破坏。

(3)由离散元模拟和极限平衡法综合分析,由汶川地震形成的干河沟沟口崩塌堆积体,在天然或地震条件下,都处于相对稳定状态。

(4)考虑陡壁岩体失稳对崩塌堆积体的后缘堆载作用,崩塌堆积体可能会在地震条件下失稳,产生沿基覆界面的滑动破坏。

(5)对于强震条件下,碎裂岩体的崩塌机理和崩塌后壁稳定性对前缘崩塌堆积体稳定性的影响研究,离散元法+极限平衡法的组合可以对同类斜坡同类问题加以模拟和分析。

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nal of Engi n eeri ng Geo l ogy,2009,17(2):200~205.
新书介绍
青藏高原东南缘第四纪工程地质概论
张永双,曲永新,赵希涛等著
内容提
要
本书是一部系统介绍青藏高原东南缘第四纪工程地质问题和相关
研究方法的专著。

作者根据当前青藏高原东南缘重大工程建设需求和
工程地质学发展趋势,提出加强第四纪地质与工程地质的高层次交叉研
究是当代工程地质学的重要发展方向。

结合野外地质经验和亲身体会,
简明扼要地阐述了青藏高原东南缘区域地质背景、与工程地质研究密切
相关的第四纪地质学基本概念,以及实用的第四纪地质调查和研究方
法。

从第四纪地质作用和地质演化研究入手,系统总结了青藏高原东南
缘第四纪地质作用的基本特征和典型第四纪沉积物的分布规律。

采用
常规和非常规实验测试、数值模拟等技术手段,深入研究了青藏高原东
南缘具有地域特色的第四纪冰川堆积物、红色风化壳(红黏土)、河床深
厚覆盖层、湖相黏土等的发育特征和工程地质特性,以及相关工程地质
环境地质问题或地质灾害的形成机理。

结合青藏高原东南缘地壳运动
异常活跃的特点,深入剖析了高山峡谷区地震地质灾害特征和内外动力
耦合作用的主要表现形式,指出了今后值得加强研究的方向。

基于实际调查资料和工程实例,初步提出了青藏高原东南缘第四纪工程地质学的理论框架,为重大工程地质问题研究、减灾防灾和地质环境保护提供了有力的理论和技术支撑。

本书可供国土资源、水利水电、交通、城建、地震等部门从事工程地质、第四纪地质、灾害地质、岩土工程等方面的科研和工程技术人员以及高等院校相关专业的师生参考。

212J ournal of Eng i neering Geology 工程地质学报 2011。