王孝健，蘇生瑞，成良霞

（長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引言

汶川地震引起震區(qū)公路大量邊坡巖體的震裂和松動(dòng)，在后期余震、降雨及重力作用下極易發(fā)生崩塌，給過(guò)往行人和車輛造成安全隱患。并且山區(qū)公路地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)崩塌災(zāi)害的調(diào)查周期較長(zhǎng)，所以對(duì)邊坡崩塌類型進(jìn)行快速判別方法的研究是非常有必要的。

利用赤平投影圖解方法來(lái)分析邊坡穩(wěn)定性已取得了不少成果，陳祖煜等［1］對(duì)邊坡失穩(wěn)模式的探討分析中充分利用赤平投影并且開發(fā)成YCW軟件；孫玉科等［2］最早利用赤平投影圖解法三維空間力系問(wèn)題從而更精確地分析邊坡巖體的穩(wěn)定性；蘇生瑞等［3］通過(guò)詳細(xì)介紹赤平投影的原理以及幾何作圖應(yīng)用，并探討如何利用一組結(jié)構(gòu)面以及兩組結(jié)構(gòu)面在赤平投影圖解中的關(guān)系判別邊坡的穩(wěn)定性；王立人等［8］、盧達(dá)［9］、吳紹強(qiáng)等［10］利用赤平投影進(jìn)行實(shí)際工程的穩(wěn)定性分析并通過(guò)定量分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。而關(guān)于運(yùn)用赤平投影圖解方法來(lái)判定崩塌類型的研究甚少，尤其是在震后公路邊坡發(fā)生崩塌的類型確定上。鑒于此，在地震力的影響下，通過(guò)選取震后公路巖質(zhì)邊坡控崩結(jié)構(gòu)面并利用赤平投影圖解方法對(duì)其進(jìn)行分析，結(jié)合工程地質(zhì)條件分析，得出不同崩塌類型的赤平投影圖解判據(jù)，并將判據(jù)應(yīng)用于震后映秀—臥龍公路K0+650～K44+068段邊坡典型崩塌，得出的崩塌類型與實(shí)際相符，為震后公路邊坡崩塌類型進(jìn)行快速判別提供了理論指導(dǎo)。

1 控崩結(jié)構(gòu)面的選取

震后公路巖質(zhì)邊坡中，邊坡崩塌主要受結(jié)構(gòu)面的控制，它們相互之間的空間分布位置、組合關(guān)系（包括震后邊坡或邊坡臨空面的產(chǎn)狀）和結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)性質(zhì)等，對(duì)震后公路邊坡崩塌的形成起著至關(guān)重要的作用［2］。巖質(zhì)邊坡中由于受到構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響往往發(fā)育著多組結(jié)構(gòu)面，在地震力影響下產(chǎn)生多組次生結(jié)構(gòu)面?？乇澜Y(jié)構(gòu)面指的是形成崩塌的一組或兩組主控結(jié)構(gòu)面，就震后公路邊坡發(fā)生崩塌類型而言，控崩結(jié)構(gòu)面起著至關(guān)重要的作用。在分析震后崩塌類型時(shí)，往往選取一條或一組結(jié)構(gòu)面作為震后崩塌的控崩結(jié)構(gòu)面，通過(guò)分析結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面的的空間關(guān)系可以確定崩塌的類型。

控崩結(jié)構(gòu)面的選取原則如下：

（1）對(duì)于發(fā)育多組結(jié)構(gòu)面的震后公路邊坡，選取延伸最長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)面作為控崩結(jié)構(gòu)面。

（2）從野外定性描述中分析，應(yīng)選擇剪或張節(jié)理中充填有粘土礦物等弱礦物或者風(fēng)化程度高的巖體碎屑物質(zhì)的一條結(jié)構(gòu)面作為控崩結(jié)構(gòu)面，并且延伸較長(zhǎng)。

（3）在多組結(jié)構(gòu)面組合交線中，由兩條結(jié)構(gòu)面組合交線與邊坡臨空面形成的塊狀結(jié)構(gòu)體體積最大，此時(shí)將這兩條結(jié)構(gòu)面作為控崩結(jié)構(gòu)面組。

選取控崩結(jié)構(gòu)面應(yīng)結(jié)合邊坡的工程地質(zhì)條件，往往巖性不同對(duì)選取控崩結(jié)構(gòu)面的影響很大。巖漿巖中宜選取一條延伸最長(zhǎng)并充填弱礦物或風(fēng)化程度低的物質(zhì)作為控崩結(jié)構(gòu)面，這是由于巖漿巖結(jié)構(gòu)主要以塊狀結(jié)構(gòu)為主，塊狀結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡的結(jié)構(gòu)面從成因類型來(lái)看可以分為兩類：一類屬于原生節(jié)理裂隙，其在巖體中分布比較均勻，延伸較長(zhǎng)，有一定的連續(xù)性，巖體容易被原生大裂隙切割，形成的結(jié)構(gòu)體塊度大，易于保存；另一類是構(gòu)造節(jié)理裂隙，它們是由于巖體受構(gòu)造力作用發(fā)生變形破裂時(shí)形成的，因而系統(tǒng)性比較分明，連續(xù)性也比較強(qiáng)。沉積巖中層理發(fā)育，宜選取結(jié)構(gòu)面與層理呈平行或者交角較小的一條或兩條結(jié)構(gòu)面作為控崩結(jié)構(gòu)面，這主要是由于當(dāng)沉積巖中控崩結(jié)構(gòu)面一旦貫通無(wú)膠結(jié)的巖塊極易形成崩塌。變質(zhì)巖中由于變質(zhì)作用的強(qiáng)弱程度不同，在選取控崩結(jié)構(gòu)面應(yīng)充分結(jié)合野外調(diào)查資料，宜選取與片理交角較小或近乎垂直的結(jié)構(gòu)面作為控崩結(jié)構(gòu)面。

2 控崩結(jié)構(gòu)面的赤平投影分析

巖質(zhì)邊坡發(fā)生崩塌的類型按崩塌體在坡面的運(yùn)動(dòng)形式可以歸納為：滑移式、傾倒式和墜落式［4］。研究震后公路邊坡發(fā)生崩塌的類型，重點(diǎn)是分析控崩結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面的關(guān)系。因兩者在空間三維中研究過(guò)于復(fù)雜，故轉(zhuǎn)為二維平面利用赤平投影圖解方法來(lái)分析，再將結(jié)果用于崩塌類型的確定，進(jìn)行驗(yàn)證，即通過(guò)已選取的控崩結(jié)構(gòu)面，結(jié)合震后邊坡工程地質(zhì)條件，利用控崩結(jié)構(gòu)面的赤平投影圖解確定崩塌類型。

2.1 單組控崩結(jié)構(gòu)面赤平投影分析

選取出單組控崩結(jié)構(gòu)面時(shí)，考慮其與邊坡臨空面的赤平投影分析，結(jié)合邊坡工程地質(zhì)條件判定震后公路邊坡崩塌類型。

（1）滑移式崩塌：滑移式崩塌是指失穩(wěn)巖體沿已有的層面或其它結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移，一旦崩塌體重心滑出坡外，就會(huì)形成崩塌［4，6］。由于是單組控崩結(jié)構(gòu)面控制，如圖1（a）所示，結(jié)構(gòu)面傾向與邊坡臨空面傾向一致，傾角略小于坡角，在層狀結(jié)構(gòu)、板狀結(jié)構(gòu)發(fā)育的巖質(zhì)邊坡中易發(fā)生滑移式崩塌。

（2）墜落式崩塌：墜落式崩塌在層狀結(jié)構(gòu)或塊狀結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡中都可以發(fā)生，但大多數(shù)發(fā)生在坡度較陡的邊坡中，并且在邊坡坡腳處出現(xiàn)由于人工開挖、地震力破壞以及風(fēng)化剝蝕等外營(yíng)力作用影響下而形成的凹腔［4，7］。這種類型的崩塌在沉積巖、變質(zhì)巖和巖漿巖區(qū)出現(xiàn)的可能性都有，主要取決于巖質(zhì)邊坡中的裂隙發(fā)育程度以及結(jié)構(gòu)體的被切割程度。如圖1（b）所示，結(jié)構(gòu)面傾向與邊坡臨空面傾向一致，傾角遠(yuǎn)大于坡角，在塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)完整性較好的巖漿巖中較易發(fā)生墜落式崩塌。

圖1 單組控崩結(jié)構(gòu)面赤平投影圖Fig.1 Stereographic projection of one structural surface con trolling collapse

（3）傾倒式崩塌：傾倒變形通常是指走向與坡面近于平行的陡傾層狀巖體（或被平行邊坡臨空面的卸荷裂隙分割的巖體）發(fā)生的向坡外的彎曲變形［4，8］。如圖 1（c）所示，當(dāng)控崩結(jié)構(gòu)面的傾角較大時(shí)，且傾向坡內(nèi)時(shí)，在平緩結(jié)構(gòu)面的共同作用下，易發(fā)生傾倒式崩塌。

2.2 兩組以上控崩結(jié)構(gòu)面赤平投影分析

當(dāng)邊坡中發(fā)育有多組結(jié)構(gòu)面時(shí)，應(yīng)依據(jù)控崩結(jié)構(gòu)面選取原則，選取兩組（含）以上典型的結(jié)構(gòu)面作為控崩結(jié)構(gòu)面組，再探討兩組控崩結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面的赤平投影分析，結(jié)合邊坡工程地質(zhì)條件確定崩塌的類型。

（1）滑移式崩塌：發(fā)生滑移式崩塌的地區(qū)主要在變質(zhì)巖區(qū)或沉積巖區(qū)，巖體結(jié)構(gòu)為片狀、板狀或?qū)訝?。如圖2（a）所示。當(dāng)邊坡臨空面傾角 β≤60°，控崩結(jié)構(gòu)面傾向與坡面臨空面走向、傾向一致時(shí)，但傾角小于邊坡坡角并且大于結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角時(shí)，結(jié)構(gòu)面的投影弧位于邊坡臨空面的投影弧之外，易發(fā)生滑移式崩塌，即φ≤α≤β，α為結(jié)構(gòu)面傾角，β為邊坡坡角，φ為結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角［1，9］。

（2）墜落式崩塌：墜落式崩塌一般發(fā)生在坡角較陡的邊坡中。如圖2（b）所示，邊坡臨空面的傾角β≥65°；當(dāng)被切割結(jié)構(gòu)體沿著控崩結(jié)構(gòu)面組某一條結(jié)構(gòu)面發(fā)生傾倒破壞時(shí)，φ≤α≤β，α為結(jié)構(gòu)面傾角，β為邊坡坡角，φ為結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角。此種破壞類似于滑移式崩塌，不同的是，巖體被結(jié)構(gòu)面切割后已經(jīng)形成不穩(wěn)定塊體，由于邊坡較陡，加上巖體中應(yīng)力釋放導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面上的剪應(yīng)力超過(guò)其自身抗剪強(qiáng)度時(shí)控崩結(jié)構(gòu)面瞬間被貫通時(shí)迅速發(fā)生墜落，發(fā)生崩塌。此類崩塌發(fā)生時(shí)，當(dāng)被切割巖體沿著控崩結(jié)構(gòu)面組發(fā)生破壞時(shí)，投影圖結(jié)構(gòu)面的交點(diǎn)與邊坡臨空面在同側(cè)，即控崩結(jié)構(gòu)面組組合交線的傾向與坡面臨空面傾向一致，但傾角小于坡角。

（3）傾倒式崩塌：傾倒式崩塌主要發(fā)生在塊狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡中，在沉積巖和巖漿巖中居多。如圖2（c）所示，邊坡臨空面的傾角β≥30°；邊坡臨空面的傾向與控崩結(jié)構(gòu)面的傾向相反，且兩者的夾角ψ≥120°；發(fā)生傾倒破壞的區(qū)域一般為：120°（減去坡面傾角）～90°的傾角范圍［1，10］。當(dāng)滿足上述條件時(shí)，易發(fā)生傾倒式崩塌。

圖2 兩組結(jié)構(gòu)面赤平投影圖Fig.2 Stereographic projection of two structural surfaces controlling collapse

3 分析步驟

基于赤平投影圖解方法通過(guò)對(duì)滑移式、墜落式和傾倒式這三種類型的崩塌進(jìn)行分析，利用給出的三種崩塌類型判據(jù)可以得出下面的分析步驟：

（1）分析邊坡所處的工程地質(zhì)條件，重點(diǎn)從地層巖性和結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況進(jìn)行初步的判別；

（2）選擇一條或一組結(jié)構(gòu)面作為控崩結(jié)構(gòu)面，重點(diǎn)分析控崩結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面的空間位置關(guān)系；

（3）利用赤平投影圖解方法的分析結(jié)果，結(jié)合工程地質(zhì)條件，綜合給出崩塌的類型。

4 實(shí)例應(yīng)用

通過(guò)野外對(duì)映秀―臥龍公路 K0+650～K44+068段沿線發(fā)生的崩塌進(jìn)行調(diào)查，針對(duì)不同的崩塌類型，選取典型實(shí)例運(yùn)用不同判據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 滑移式崩塌實(shí)例分析

以映秀—臥龍公路里程 K29+056～K29+120段邊坡為例，邊坡坡向204°，坡角65°，巖性為Dwg變質(zhì)砂巖，層狀結(jié)構(gòu)（圖3～4）。主要結(jié)構(gòu)面片理產(chǎn)狀273°∠25°；發(fā)育兩組節(jié)理：①174°∠68°，間距為 0.2～0.4m，延伸 ＞0.5m；②284°∠70°，間距為 0.3 ～1.5m，延伸 0.4～1m。邊坡結(jié)構(gòu)面的赤平投影如圖5。

圖3 K 29+056～K 29+120處崩塌Fig.3 Collapse in K 29+056 ～ K 29+120

從赤平投影圖上可以看出，兩條結(jié)構(gòu)面①②與片理③共同切割邊坡，結(jié)構(gòu)面①與片理③組合交線OA產(chǎn)狀為254°∠24°，結(jié)構(gòu)面①與結(jié)構(gòu)面②組合交線OB產(chǎn)狀為227°∠56°，結(jié)構(gòu)面②與片理③組合交線產(chǎn)狀為 196°∠6°，邊坡臨空面產(chǎn)狀為 204°∠65°。

由此可以得出OA、OB、OC傾向均與邊坡臨空面傾向一致，且交線傾角均小于邊坡坡角，兩條結(jié)構(gòu)面與片理以不同的組合形式切割邊坡，形成的塊狀結(jié)構(gòu)體體積相對(duì)較小，只是增加了局部巖體的破碎程度，釋放巖體內(nèi)部應(yīng)力降低了邊坡整體的穩(wěn)定性，為崩塌的發(fā)生提供部分物質(zhì)條件。

此外，由于基巖巖性為變質(zhì)砂巖，片理面貫穿整個(gè)邊坡，延伸較長(zhǎng)故切割邊坡也較深，故選擇片理面③作為控崩結(jié)構(gòu)面，重點(diǎn)分析片理面③與邊坡臨空面④在赤平投影圖中的空間關(guān)系。

控崩結(jié)構(gòu)面投影弧與邊坡臨空面投影弧在同一側(cè)，說(shuō)明控崩結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面傾向一致，但傾角小于坡角，由于整個(gè)巖質(zhì)邊坡為層狀結(jié)構(gòu)，所以較易發(fā)生滑移式崩塌。

4.2 墜落式崩塌實(shí)例分析

圖5 K 29+056～K 29+120段邊坡赤平投影圖（上半球）Fig.5 Stereographic projection of the slopein K 29+056～K 29+120（episphere）

以映秀—臥龍公路里程 K15+964～K16+180段邊坡為例，邊坡坡向215°，坡角65°，巖性為元古代澄江—晉寧期第三期閃長(zhǎng)巖，塊狀結(jié)構(gòu)（圖6～7）。主要發(fā)育三組節(jié)理：①152°∠46°，間距為 1.2～1.5m，延伸 ＞5m；②292°∠42°，間距 0.6 ～1.0m，延伸 ＞5m；③200°∠64°，間距為 0.8 ～1.2m，延伸 ＞5m。

邊坡結(jié)構(gòu)面的赤平投影如圖8。從赤平投影圖上可以看出，三條結(jié)構(gòu)面①②③共同切割邊坡，結(jié)構(gòu)面組合形式不同，形成的塊狀結(jié)構(gòu)體大小形態(tài)也不相同，結(jié)構(gòu)面①與結(jié)構(gòu)面②組合交線OC產(chǎn)狀為：223°∠18°，結(jié)構(gòu)面①與結(jié)構(gòu)面③組合交線 OA產(chǎn)狀為140°∠45°；

圖6 K 15+964～K 16+180處崩塌Fig.6 Collapse in K 15+964 ～ K 16+180

圖7 K 15+964～K 16+180崩塌剖面圖Fig.7 Collap sesection map in K 15+964 ～ K 16+180

結(jié)構(gòu)面②與結(jié)構(gòu)面③組合交線產(chǎn)狀為267°∠39°。結(jié)構(gòu)面③在赤平投影圖中的投影弧與邊坡臨空面在同側(cè)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)面③與邊坡臨空面傾向一致，而二者傾角幾乎相同，從三條結(jié)構(gòu)面的空間組合關(guān)系上分析認(rèn)為結(jié)構(gòu)面③對(duì)于整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性影響不是很大，所以重點(diǎn)分析另外兩條結(jié)構(gòu)面的空間組合與邊坡臨空面的關(guān)系。

圖8 K 15+964～K 16+180段邊坡赤平投影圖（上半球）Fig.8 Stereographic projection of the slope in K 15+964～K 16+180（episphere）

巖體被結(jié)構(gòu)面切割形成的塊狀結(jié)構(gòu)體中①②組合最大，延伸均大于5m，故選擇①②組合作為控崩結(jié)構(gòu)面組，重點(diǎn)分析控崩結(jié)構(gòu)面組與邊坡臨空面在赤平投影圖中的空間關(guān)系?？乇澜Y(jié)構(gòu)面交點(diǎn)與邊坡投影弧線在同一側(cè)，說(shuō)明控崩結(jié)構(gòu)面交線傾向與邊坡臨空面傾向一致，但傾角小于坡角，①②組合交線產(chǎn)狀為223°∠18°，邊坡臨空面產(chǎn)狀為 215°∠65°，交線與邊坡臨空面傾角相差47°，綜上分析控崩結(jié)構(gòu)面切割形成塊體OABC易沿著邊坡臨空面發(fā)生墜落式崩塌。

4.3 傾倒式崩塌實(shí)例分析

以映秀—臥龍公路里程 K30+968～K31+030段邊坡為例，邊坡坡向280°，坡角45°，巖性為 C+P灰?guī)r，層狀結(jié)構(gòu)（圖9～10）。主要結(jié)構(gòu)面層理產(chǎn)狀290°∠40°；發(fā)育兩組節(jié)理：①164°∠25°，間距為 0.4～1m，延伸 ＞2m；②35°∠70°，間距為 1m，延伸 ＞3m。外傾結(jié)構(gòu)斜坡。邊坡結(jié)構(gòu)面的赤平投影如圖11。

從赤平投影圖上可以看出，結(jié)構(gòu)面①②與層理③共同作用于邊坡，灰?guī)r主要礦物成分為方解石，含有少量白云石，具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)，晶粒較細(xì)［4］，由于風(fēng)化程度低，所以灰?guī)r整體完整性較好，層理膠結(jié)程度高，該邊坡發(fā)生崩塌從巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析來(lái)看主要原因是結(jié)構(gòu)面的切割，崩塌的形成受風(fēng)化程度低的層理面影響不大。

結(jié)構(gòu)面①與層理③交線OA產(chǎn)狀為219°∠15°，結(jié)構(gòu)面①與結(jié)構(gòu)面②交線OB產(chǎn)狀為118°∠18°，結(jié)構(gòu)面②與層理③交線OC產(chǎn)狀為320°∠36°，OA與OC交線傾向與坡面臨空面一致，結(jié)構(gòu)面①與結(jié)構(gòu)②延伸較短，僅2～3m，切割巖體主要導(dǎo)致某一層面局部的破碎，對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性影響較小，但是，結(jié)構(gòu)面①與結(jié)構(gòu)②組合交線形成的塊狀結(jié)構(gòu)體體積較大，傾向與邊坡臨空面傾向相反，應(yīng)重點(diǎn)分析它們之間關(guān)系。

圖9 K 30+968～K 31+030處崩塌Fig.9 Collapse in K 30+968 ～ K 31+030

圖10 K 30+968～K 31+030處崩塌Fig.10 Collap sesection map in K 30+968～K 31+030

圖11 K 30+968～K 31+030段邊坡赤平投影圖（上半球）Fig.11 Stereographic projection of the slope in K 30+968～K 31+030（episphere）

結(jié)構(gòu)面①與結(jié)構(gòu)②組合交線OB在赤平投影圖上的投影弧與邊坡臨空面③不在同一側(cè)，說(shuō)明OB傾向與邊坡臨空傾向相反，二者相差162°＞120°，且邊坡臨空面傾角 β=45°≥30°，綜合分析判斷該巖質(zhì)邊坡發(fā)生傾倒式崩塌。

5 結(jié)論

采用赤平投影方法來(lái)確定崩塌的類型是一種半定量方法，通過(guò)控崩結(jié)構(gòu)面的選取，結(jié)合邊坡工程地質(zhì)條件，利用赤平投影分析控崩結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面的關(guān)系，得到了以下結(jié)論：

（1）給出了選取控崩結(jié)構(gòu)面的原則，應(yīng)綜合節(jié)理跡長(zhǎng)以及充填物強(qiáng)度等因素選取一組結(jié)構(gòu)面或兩組結(jié)構(gòu)面作為控崩結(jié)構(gòu)面；

（2）對(duì)單組和多組控崩結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了赤平投影分析，考慮控崩結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面傾向一致時(shí)，結(jié)構(gòu)面傾角略小于邊坡坡角時(shí)易發(fā)生滑移式崩塌，結(jié)構(gòu)面傾角遠(yuǎn)小于邊坡坡角時(shí)易發(fā)生墜落式崩塌；控崩結(jié)構(gòu)面與邊坡臨空面傾向相反時(shí)，易發(fā)生傾倒式崩塌。

（3）將判據(jù)應(yīng)用于汶川地震后映秀—臥龍公路沿線邊坡發(fā)育的典型崩塌中，得出的崩塌類型與實(shí)際相符，可以為日后的震后公路崩塌類型給予理論指導(dǎo)。此外，因?yàn)楣穾r質(zhì)邊坡處于大的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，加上外界荷載的差異，風(fēng)化程度的高低等多方面因素影響，巖質(zhì)邊坡發(fā)生崩塌可能是一種類型，也有可能同時(shí)發(fā)生多種類型，在類型判定時(shí)應(yīng)綜合考慮多種因素。

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