李科技，吳瑞杰，車林娟，徐路恒

（河西學院土木工程學院，甘肅 張掖 734000）

崩塌，是指斜坡或邊坡上的巖土體在自身重力或外力作用下突然脫離母體崩落、滾動、堆積在坡腳的地質現(xiàn)象。崩塌作為常見的地質災害，經(jīng)常對人類的生命財產(chǎn)和生存環(huán)境造成極大的威脅，甚至造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失，嚴重制約著經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

新中國成立以來，專家學者們對滑坡崩塌等地質災害的研究日趨深入，取得了一系列研究成果，極大的提升了地質災害風險評估及治理的能力。對于崩塌地質災害的研究，總體經(jīng)歷了從點到面，再由面具體到點的一個過程。首先，一些學者通過總結歸納與分析，從面上對崩塌的特征、成因及穩(wěn)定性等進行了研究。如趙允輝[1]系統(tǒng)性的論述了危巖的成因、失穩(wěn)方式、運動特性等概念，并就危巖穩(wěn)定性的評價方法、監(jiān)測預報及處理措施等方面進行了歸納與總結。盛海洋[2]等概略性的論述了我國崩塌的分布特征，并從地形地貌、地層巖性、斷裂構造和水的作用等四個方面分析了崩塌的成因。駱銀輝[3]等認為陡峻邊坡崩塌主要受控于節(jié)理裂隙和結構面的組合,其活躍程度取決于卸荷裂隙的擴張與卸荷裂隙區(qū)的擴展。王根龍[4]等通過對懸臂-拉裂式崩塌進行調查研究表明，差異風化剝蝕、河流側蝕、海水浪蝕、碳酸鹽溶蝕等作用是巖質邊坡產(chǎn)生凹進巖腔和凸出懸臂的外動力地質作用。利用應力計算理論，推導出巖腔極限深度計算公式，結合巖石風化剝蝕速率，對懸臂梁危巖體產(chǎn)生破壞的時間進行了預測。并根據(jù)大拉應力-抗拉強度比值分析法，推導出懸臂梁危巖體穩(wěn)定系數(shù)計算公式，并給出其穩(wěn)定性評價標準。

在深入分析研究崩塌地質災害普適性的時空分布規(guī)律及成因機制等問題后，對于一定區(qū)域崩塌的研究也在不斷推進。例如，曠鎮(zhèn)國[5]通過對重慶市中區(qū)危巖進行調查研究，認為危巖破壞由上硬下軟巖體組成、結構面切割、卸荷和順江延伸的高陡斜坡四條件所導致，并劃分出拉斷-墜落、剪切-墜落（崩落）、壓碎-崩落、傾倒-崩塌等四種危巖破壞機制。劉傳正[6]結合重慶武隆雞尾山危巖體形成，從山體地質結構、裂隙組合及軟弱夾層等物質結構基礎，高陡臨空的地形，長期的降雨滲流和巖溶作用等方面分析了危巖體的形成，并得出危巖體發(fā)生崩塌的過程是在鐵礦采空“懸板張拉”形成危巖體的基礎上,向外的視滑力主導作用下的一個 “山體拉裂-弱面蠕滑-剪出崩塌-碎屑流沖擊-災難形成”的鏈式反應的結論。李振[7]通過調查鹽亭縣的危巖帶，對四處典型危巖體特征進行分析，采用赤平投影法、穩(wěn)定性計算、墜落軌跡及沖擊能計算對危巖體的穩(wěn)定性進行了評價，并對不穩(wěn)定危巖體采取針對性整治措施。范可[8]等通過對記錄或現(xiàn)存的巖質崩塌進行統(tǒng)計分析，認為桂林市巖質崩塌具有明顯的時空分布規(guī)律，并對崩塌類型進行了劃分，且主要從降雨、地形、地層巖性、地質構造和人類活動等方面對崩塌的形成進行了分析。王蕓、李曉平等[9-10]在對研究區(qū)崩塌災害地形地貌、地層巖性、工程地質條件、水文地質條件以及人類工程活動等條件分析的基礎上，對崩塌災害的發(fā)育特征、形成機制進行了分析，并對崩塌災害的穩(wěn)定性進行了評價。

針對張掖市肅南縣地質災害頻發(fā)的現(xiàn)狀，并查閱相關文獻，認識到現(xiàn)階段對該區(qū)地質災害，特別是崩塌地質災害的研究較少，嚴重阻礙了當?shù)胤罏臏p災工作的開展。因此，非常有必要結合縣內公路工程對區(qū)域崩塌進行分析研究，掌握其特征與形成機質，對后期崩塌地質災害的防治具有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)地質環(huán)境

1.1 地形地貌

肅南縣地形地貌較為復雜，其奠定于喜馬拉雅運動以前的老構造運動，挽近期新構造運動對地形地貌特征產(chǎn)生了顯著的影響；同時，外營力對地貌的塑造也起著深刻的作用，如冰蝕作用、雪蝕和寒凍風化作用、水蝕作用、風蝕干燥剝蝕作用等。在上述內外營力長期作用下，地表形態(tài)呈現(xiàn)山地、平原、戈壁、沙漠相間分布的多樣復雜的地貌景觀。地勢總體上西高東低、南高北低，肅南縣可劃分為四個大的地貌單元：構造侵蝕地形、構造剝蝕地形、堆積地形、風積地形，其中，S213線肅南段處于構造

侵蝕地形區(qū)，海拔2500m～3500m，切割深度500m～800m。山勢挺拔，山峰陡峻，山脊多呈鋸齒狀，山體坡角30°～50°。

1.2 氣象水文

肅南縣具有典型的大陸性氣候特征，總的氣候特點是：季節(jié)分明，山區(qū)降水量較大，平原區(qū)降水量較少。

山區(qū)主要氣象要素的特征值：年平均氣溫3.6℃，無霜期83天，年平均降水量由東部的350m～450mm，向西逐漸減少至250m～350mm。降水量隨著海拔的增高而增大，降水梯度為10.1～15.9mm/100m，據(jù)肅南氣象站（縣城）資料，年均氣溫3.9℃，多年平均降雨量265.2mm，蒸發(fā)量1789.5mm；無霜期90-120天。

南部祁連山區(qū)是河西走廊諸多河流的發(fā)源地，橫跨石羊河、黑河、疏勒河三個大內陸水系，主要河流有東大河、西大河、黑河、梨園河、馬營河、豐樂河、觀山河、洪水壩河、北大河、白楊河、石油河等大小33條河流，這些河流均從祁連山北麓流出境外，多年平均出境總徑流量43.11億m3；河流多年徑流量變化總體上，東部石羊河流域減少，中部黑河流域相對基本穩(wěn)定，西部疏勒河流域呈增加趨勢，河流來水時空分布不均，主要集中于6～9月份，占總徑流量的75%以上，河流來水以大氣降水、冰川融水為主。

1.3 地層巖性

研究區(qū)地層主要由晚古生界、中生界巖層構成，部分新生界巖層，主要地層詳述如下：

（1）下石炭統(tǒng)臭牛溝組（C1c）：為生物屑泥晶灰?guī)r建造，厚約158m，一般為深灰色中厚層狀生物屑灰?guī)r，加少量炭質頁巖、薄層狀粉砂巖。

（2）上石炭統(tǒng)羊虎溝組（C2y）：為含煤碎屑巖建造，厚約533m，巖性為砂巖、炭質頁巖夾可采煤層。

（3）下二疊統(tǒng)大黃溝組（P1d）：為砂巖-粉砂巖-泥巖互層建造，厚約93m，巖性為深灰-灰白色及雜色中厚層狀長石石英砂巖，夾粉砂巖、泥巖及頁巖。

（4）上二疊統(tǒng)紅泉組（P3hq）：為砂礫巖建造，厚約1000m，巖性以紫紅色含礫粗砂巖、礫巖為主，夾薄層砂質泥巖。

（5）中-上三疊統(tǒng)五佛寺組-丁家窯組（T2-3w-d）：為復成分砂礫巖建造，厚約320m，巖性為紫紅色-灰白色礫巖、含礫粗粒巖屑長石砂巖、細粒巖屑長石砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖。

（6）下白堊統(tǒng)下溝組（K1x）：為砂礫巖建造，厚約859m，巖性為灰色、淡紅色含礫粗砂巖、砂礫巖、礫巖。

（7）上白堊統(tǒng)中溝組（K2z）：為砂礫巖與粉砂巖-泥巖互層建造，厚約1336m，巖性為灰紫色、青灰色、灰白色砂礫巖、泥質砂巖夾泥巖、碳質頁巖及劣煤層。

（8）中更新統(tǒng)酒泉組（Q2j）：為復成分砂礫巖建造，厚約20m，沖積、洪積礫石夾凸鏡狀黃土。

1.4 地質構造與新構造運動

肅南縣所處一級構造單元為昆侖—秦嶺地槽褶皺區(qū)，二級單元為祁連褶皺系。山區(qū)構造主要是高角度逆沖斷層、復背斜及復向斜，走向以NW和NWW為主，延伸數(shù)公里乃至數(shù)百公里，主干斷層具有長期活動性特點。山區(qū)構造較為復雜，斷裂、褶皺極為發(fā)育。山前主要的區(qū)域構造是祁連山區(qū)與平原區(qū)接觸帶的疊瓦式深大隱伏斷裂帶，延伸長度達千公里以上，北西西向展布，該斷裂帶構造形跡復雜，不同地段斷裂帶的寬度、規(guī)模、斷距差異較大。

區(qū)內新構造運動極為活躍，主要表現(xiàn)為振蕩性上升運動、褶皺斷裂運動及大面積的沉降運動。振蕩性上升運動形成了不對稱性階梯狀分布的中高山區(qū)，以及河谷地帶的多級階地；褶皺斷裂運動在繼承了古老斷層的基礎上，老斷層的復活形成了一系列山區(qū)基巖與盆地之間的隱伏斷裂；沉降運動形成了具有大厚度第四系分布的山間盆地。

2 崩塌基本特征

S213線是縣通二級公路，起點位于張掖市甘州區(qū)原S213線k10+000m處，終點k100+661.203m接原S213線k114+600m，路線主線全長90.573km。其中在肅南縣境內區(qū)段為k51+420m至k100+661m，全長約為49km。通過現(xiàn)場踏勘及沿線崩塌分布狀況，沿S213線選取k51+420m-k64+339m作為研究區(qū)段，并對潛在崩塌危害點利用GPS進行定位（圖1），從而為歸納分析崩塌的特征奠定堅實的基礎。

通過現(xiàn)場實地勘察及衛(wèi)星地圖，易見研究區(qū)段線路總體走向為東西向，且公路北側距離邊坡坡腳較近，邊坡較為陡峭；而公路南側邊坡相對平緩，邊坡坡腳遠離公路，對公路安全暢通影響甚微。結合崩塌的基本概念，可知崩塌主要發(fā)生在公路北側。根據(jù)研究區(qū)段潛在崩塌災害點的分布狀況及特征，選取了28個GPS點，主要集中在k51+420m-k54+600m段（Ⅰ段）、k58+030m-k58+680m段（Ⅱ段）和k63+147m-k64+339m段（Ⅲ段）。在此基礎上，主要針對以上三段線路中典型危巖體邊坡研究崩塌的基本特征。

圖1 研究區(qū)段潛在崩塌點GPS定位圖

2.1 k51+420m崩塌點

通過對危巖體處邊坡剖面（圖2）的現(xiàn)場觀察、測量及編錄，可知該邊坡坡向為125°，坡角為65°，且組成該邊坡的巖層發(fā)育較好，層面明顯，節(jié)理不甚發(fā)育，巖層傾向為345°~355°，傾角為45°~52°，節(jié)理產(chǎn)狀為86°∠71°。該巖質邊坡主要由下白堊統(tǒng)下溝組（K1x）砂礫巖和上白堊統(tǒng)中溝組（K2z）砂礫巖與粉砂巖-泥巖互層構成，其中尤以含礫粗砂巖夾薄層泥巖與泥質砂巖最為典型。通過勘察認為該邊坡的形貌特征主要表現(xiàn)為兩個方面：一方面，由于風化剝蝕及流水沖蝕等作用，邊坡坡面凹凸不平，沿泥巖和泥質砂巖薄夾層形成條帶狀的具有一定深度的凹陷槽，拓寬了巖層層面間的距離；另一方面，由于先期危巖體的崩落，造成母巖體沿巖層面形成了具有一定傾角的臨空面。邊坡以上兩個方面的形貌特征，有利于邊坡進一步遭受風化剝蝕及水流沖蝕，最終造成崩塌的發(fā)生。

圖2 危巖體處邊坡剖面A

2.2 k53+400m-k53+500m段崩塌

經(jīng)現(xiàn)場地質調查及量測，該段危巖體邊坡（圖3）走向約205°，坡角表現(xiàn)為坡腳緩傾而邊坡中上部近直立狀，高約22m～25m，且坡腳距離公路1m～5m。組成該危巖體邊坡的巖層主要為上白堊統(tǒng)中溝組（K2z）砂礫巖與粉砂巖-泥巖互層建造，產(chǎn)狀為310°∠20°，表現(xiàn)為巖層傾向與邊坡坡向相反，有利于邊坡的穩(wěn)定性。但由于該危巖體邊坡上卸荷節(jié)理較為發(fā)育，且其產(chǎn)狀主要為115°∠65°，表現(xiàn)為向坡外陡傾的裂隙，在風化作用及流水沖蝕的作用下，非常有利于崩塌地質災害的發(fā)育發(fā)生。經(jīng)估算，崩塌體方量約為350-500m3。除主要節(jié)理外，還包括部分產(chǎn)狀為335°∠60°、148°∠32°及210°∠45°等的節(jié)理構造。此外，部分區(qū)段邊坡上近豎直節(jié)理十分發(fā)育，其走向與邊坡走向近于垂直，在豎直向節(jié)理及自身重力作用下，導致下部軟弱巖塊出現(xiàn)塑性變形及蠕動現(xiàn)象，使上部巖體出現(xiàn)整體錯落的現(xiàn)象（圖4）。

圖3 危巖體處邊坡剖面B

圖4 危巖體處邊坡剖面C

2.3 k63+147m-k64+339m段崩塌

經(jīng)現(xiàn)場地質調查，該段危巖體邊坡（圖5）走向約255°，總體表現(xiàn)為坡腳陡傾而邊坡上部近直立的凸坡，高約120m～150m，且坡腳距離民宅約為20m～30m，距離公路約20m～50m。組成該危巖體邊坡的巖層主要為上白堊統(tǒng)中溝組（K2z）砂礫巖與粉砂巖-泥巖互層建造，產(chǎn)狀為112°∠73°，表現(xiàn)為巖層傾向與邊坡坡向斜交。該危巖體邊坡中下部主要覆蓋風化碎屑物及落石塊體，傾角約為45°，為新近沉積巖土體，坡面表部整體膠結性和密實度較差，在邊坡面流的侵蝕作用下，沖溝較為發(fā)育。而邊坡上部近于直立，節(jié)理裂隙非常發(fā)育，巖體遭受節(jié)理的切割破壞亦十分嚴重，且?guī)r體的差異風化表現(xiàn)明顯，沿巖層面可見明顯的臨空面，故而巖體總體較為破碎。經(jīng)分析認為，該邊坡的中下部僅會發(fā)生規(guī)模較小的落石及滑坡，而上部則會發(fā)生較大的崩塌災害。

通過對邊坡巖體節(jié)理產(chǎn)狀的量測及統(tǒng)計，作出了巖體節(jié)理走向玫瑰花圖（圖6）。在地質調查的基礎上，結合區(qū)域構造應力場特征，認為該段邊坡遭受較為強烈的構造作用力，造成巖體中構造節(jié)理發(fā)育，從而破壞了巖體的完整性，促使崩塌的發(fā)育發(fā)生。

圖5 危巖體處邊坡剖面D

圖6 節(jié)理走向玫瑰花圖

3 崩塌的成因機制

崩塌是山體斜坡地段的一種表生動力地質現(xiàn)象，主要與地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質條件、地震作用和人類工程活動等因素有關。研究區(qū)段崩塌的成因機制主要為天然的高陡邊坡和人工邊坡，在重力作用下向臨空面卸荷，于邊坡坡頂或坡面一定部位形成拉張裂隙，并與構造節(jié)理、沿巖層層面因差異風化形成的臨空面共同組合作用，隨裂隙的逐步貫通及對巖體進行切割圍限，形成危巖體。危巖體在地震、車輛振動及大氣降水等外界因素的觸發(fā)下，最終突然脫離母體，翻滾墜落并堆積于坡前一定部位。研究區(qū)崩塌形式主要有傾倒式崩塌和滑移式崩塌兩種類型。

3.1 傾倒式崩塌

由陡傾的卸荷節(jié)理和構造節(jié)理切割形成的危巖體，且節(jié)理裂隙的下部仍存在于坡體內部。隨著風化侵蝕的不斷作用和卸荷裂隙在坡體內部的不斷加深變寬，同時考慮大氣降水在裂隙中產(chǎn)生的水壓力，最終使危巖體在自身重力的作用下，圍繞節(jié)理面的下端或邊坡前端危巖體與母體的連接處發(fā)生旋轉傾倒破壞，形成崩塌地質災害。

3.2 滑移式崩塌

此類崩塌主要由一組節(jié)理面與一組臨空面組成的危巖體在外動力地質作用下形成。節(jié)理主要為構造運動比較強烈區(qū)域的構造節(jié)理，包括部分卸荷節(jié)理，節(jié)理總體表現(xiàn)為陡傾角并傾向坡外。臨空面主要是因差異性風化和先期崩塌體崩塌后造成的，差異性風化變現(xiàn)為組成邊坡的泥巖與泥質砂巖夾層物理力學性質較差，抗風化能力較差，易受風化侵蝕和水流的沖蝕，從而逐漸發(fā)展成為具有一定深度的條帶狀的風蝕槽，也即形成臨空面。另一方面，對于以巖層面為危巖體邊界的崩塌，崩塌發(fā)生后亦會產(chǎn)生臨空面，從而在一定程度上促進了滑移式崩塌的發(fā)育和發(fā)生。

4 結論

通過對崩塌災害的地質調查及分析研究，得到以下幾點認識：

（1）研究區(qū)危巖體邊坡總體呈坡腳陡傾（或緩傾）而邊坡上部近直立狀，危巖體的形成主要受卸荷節(jié)理、構造節(jié)理及巖體差異性風化形成的臨空面的控制。

（2）研究區(qū)崩塌的成因機制主要為天然的高陡邊坡和人工邊坡，在重力作用下向臨空面卸荷，于邊坡坡頂或坡面一定部位形成拉張裂隙，并與構造節(jié)理、沿巖層層面因差異風化形成的臨空面共同組合作用，隨裂隙的逐步貫通及對巖體進行切割圍限，形成危巖體。危巖體在地震、車輛振動及大氣降水等外界因素的觸發(fā)下，最終突然脫離母體，翻滾墜落并堆積于坡前一定部位。

（3）研究區(qū)崩塌形式主要有傾倒式崩塌和滑移式崩塌兩種類型，并對兩類崩塌的形成機制進行了分析研究。