汶川地震区映秀—卧龙公路边坡崩塌类型的赤平投影解法

王孝健，苏生瑞，成良霞

（长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054）

0 引言

汶川地震引起震区公路大量边坡岩体的震裂和松动，在后期余震、降雨及重力作用下极易发生崩塌，给过往行人和车辆造成安全隐患。并且山区公路地质环境复杂，现场崩塌灾害的调查周期较长，所以对边坡崩塌类型进行快速判别方法的研究是非常有必要的。

利用赤平投影图解方法来分析边坡稳定性已取得了不少成果，陈祖煜等［1］对边坡失稳模式的探讨分析中充分利用赤平投影并且开发成YCW软件；孙玉科等［2］最早利用赤平投影图解法三维空间力系问题从而更精确地分析边坡岩体的稳定性；苏生瑞等［3］通过详细介绍赤平投影的原理以及几何作图应用，并探讨如何利用一组结构面以及两组结构面在赤平投影图解中的关系判别边坡的稳定性；王立人等［8］、卢达［9］、吴绍强等［10］利用赤平投影进行实际工程的稳定性分析并通过定量分析结果进行验证。而关于运用赤平投影图解方法来判定崩塌类型的研究甚少，尤其是在震后公路边坡发生崩塌的类型确定上。鉴于此，在地震力的影响下，通过选取震后公路岩质边坡控崩结构面并利用赤平投影图解方法对其进行分析，结合工程地质条件分析，得出不同崩塌类型的赤平投影图解判据，并将判据应用于震后映秀—卧龙公路K0+650～K44+068段边坡典型崩塌，得出的崩塌类型与实际相符，为震后公路边坡崩塌类型进行快速判别提供了理论指导。

1 控崩结构面的选取

震后公路岩质边坡中，边坡崩塌主要受结构面的控制，它们相互之间的空间分布位置、组合关系（包括震后边坡或边坡临空面的产状）和结构面的物理力学性质等，对震后公路边坡崩塌的形成起着至关重要的作用［2］。岩质边坡中由于受到构造应力场的影响往往发育着多组结构面，在地震力影响下产生多组次生结构面。控崩结构面指的是形成崩塌的一组或两组主控结构面，就震后公路边坡发生崩塌类型而言，控崩结构面起着至关重要的作用。在分析震后崩塌类型时，往往选取一条或一组结构面作为震后崩塌的控崩结构面，通过分析结构面与边坡临空面的的空间关系可以确定崩塌的类型。

控崩结构面的选取原则如下：

（1）对于发育多组结构面的震后公路边坡，选取延伸最长的结构面作为控崩结构面。

（2）从野外定性描述中分析，应选择剪或张节理中充填有粘土矿物等弱矿物或者风化程度高的岩体碎屑物质的一条结构面作为控崩结构面，并且延伸较长。

（3）在多组结构面组合交线中，由两条结构面组合交线与边坡临空面形成的块状结构体体积最大，此时将这两条结构面作为控崩结构面组。

选取控崩结构面应结合边坡的工程地质条件，往往岩性不同对选取控崩结构面的影响很大。岩浆岩中宜选取一条延伸最长并充填弱矿物或风化程度低的物质作为控崩结构面，这是由于岩浆岩结构主要以块状结构为主，块状结构岩质边坡的结构面从成因类型来看可以分为两类：一类属于原生节理裂隙，其在岩体中分布比较均匀，延伸较长，有一定的连续性，岩体容易被原生大裂隙切割，形成的结构体块度大，易于保存；另一类是构造节理裂隙，它们是由于岩体受构造力作用发生变形破裂时形成的，因而系统性比较分明，连续性也比较强。沉积岩中层理发育，宜选取结构面与层理呈平行或者交角较小的一条或两条结构面作为控崩结构面，这主要是由于当沉积岩中控崩结构面一旦贯通无胶结的岩块极易形成崩塌。变质岩中由于变质作用的强弱程度不同，在选取控崩结构面应充分结合野外调查资料，宜选取与片理交角较小或近乎垂直的结构面作为控崩结构面。

2 控崩结构面的赤平投影分析

岩质边坡发生崩塌的类型按崩塌体在坡面的运动形式可以归纳为：滑移式、倾倒式和坠落式［4］。研究震后公路边坡发生崩塌的类型，重点是分析控崩结构面与边坡临空面的关系。因两者在空间三维中研究过于复杂，故转为二维平面利用赤平投影图解方法来分析，再将结果用于崩塌类型的确定，进行验证，即通过已选取的控崩结构面，结合震后边坡工程地质条件，利用控崩结构面的赤平投影图解确定崩塌类型。

2.1 单组控崩结构面赤平投影分析

选取出单组控崩结构面时，考虑其与边坡临空面的赤平投影分析，结合边坡工程地质条件判定震后公路边坡崩塌类型。

（1）滑移式崩塌：滑移式崩塌是指失稳岩体沿已有的层面或其它结构面产生滑移，一旦崩塌体重心滑出坡外，就会形成崩塌［4，6］。由于是单组控崩结构面控制，如图1（a）所示，结构面倾向与边坡临空面倾向一致，倾角略小于坡角，在层状结构、板状结构发育的岩质边坡中易发生滑移式崩塌。

（2）坠落式崩塌：坠落式崩塌在层状结构或块状结构的岩质边坡中都可以发生，但大多数发生在坡度较陡的边坡中，并且在边坡坡脚处出现由于人工开挖、地震力破坏以及风化剥蚀等外营力作用影响下而形成的凹腔［4，7］。这种类型的崩塌在沉积岩、变质岩和岩浆岩区出现的可能性都有，主要取决于岩质边坡中的裂隙发育程度以及结构体的被切割程度。如图1（b）所示，结构面倾向与边坡临空面倾向一致，倾角远大于坡角，在块状结构，结构完整性较好的岩浆岩中较易发生坠落式崩塌。

图1 单组控崩结构面赤平投影图Fig.1 Stereographic projection of one structural surface con trolling collapse

（3）倾倒式崩塌：倾倒变形通常是指走向与坡面近于平行的陡倾层状岩体（或被平行边坡临空面的卸荷裂隙分割的岩体）发生的向坡外的弯曲变形［4，8］。如图 1（c）所示，当控崩结构面的倾角较大时，且倾向坡内时，在平缓结构面的共同作用下，易发生倾倒式崩塌。

2.2 两组以上控崩结构面赤平投影分析

当边坡中发育有多组结构面时，应依据控崩结构面选取原则，选取两组（含）以上典型的结构面作为控崩结构面组，再探讨两组控崩结构面与边坡临空面的赤平投影分析，结合边坡工程地质条件确定崩塌的类型。

（1）滑移式崩塌：发生滑移式崩塌的地区主要在变质岩区或沉积岩区，岩体结构为片状、板状或层状。如图2（a）所示。当边坡临空面倾角 β≤60°，控崩结构面倾向与坡面临空面走向、倾向一致时，但倾角小于边坡坡角并且大于结构面内摩擦角时，结构面的投影弧位于边坡临空面的投影弧之外，易发生滑移式崩塌，即φ≤α≤β，α为结构面倾角，β为边坡坡角，φ为结构面内摩擦角［1，9］。

（2）坠落式崩塌：坠落式崩塌一般发生在坡角较陡的边坡中。如图2（b）所示，边坡临空面的倾角β≥65°；当被切割结构体沿着控崩结构面组某一条结构面发生倾倒破坏时，φ≤α≤β，α为结构面倾角，β为边坡坡角，φ为结构面内摩擦角。此种破坏类似于滑移式崩塌，不同的是，岩体被结构面切割后已经形成不稳定块体，由于边坡较陡，加上岩体中应力释放导致结构面上的剪应力超过其自身抗剪强度时控崩结构面瞬间被贯通时迅速发生坠落，发生崩塌。此类崩塌发生时，当被切割岩体沿着控崩结构面组发生破坏时，投影图结构面的交点与边坡临空面在同侧，即控崩结构面组组合交线的倾向与坡面临空面倾向一致，但倾角小于坡角。

（3）倾倒式崩塌：倾倒式崩塌主要发生在块状结构或层状结构的岩质边坡中，在沉积岩和岩浆岩中居多。如图2（c）所示，边坡临空面的倾角β≥30°；边坡临空面的倾向与控崩结构面的倾向相反，且两者的夹角ψ≥120°；发生倾倒破坏的区域一般为：120°（减去坡面倾角）～90°的倾角范围［1，10］。当满足上述条件时，易发生倾倒式崩塌。

图2 两组结构面赤平投影图Fig.2 Stereographic projection of two structural surfaces controlling collapse

3 分析步骤

基于赤平投影图解方法通过对滑移式、坠落式和倾倒式这三种类型的崩塌进行分析，利用给出的三种崩塌类型判据可以得出下面的分析步骤：

（1）分析边坡所处的工程地质条件，重点从地层岩性和结构面发育情况进行初步的判别；

（2）选择一条或一组结构面作为控崩结构面，重点分析控崩结构面与边坡临空面的空间位置关系；

（3）利用赤平投影图解方法的分析结果，结合工程地质条件，综合给出崩塌的类型。

4 实例应用

通过野外对映秀―卧龙公路 K0+650～K44+068段沿线发生的崩塌进行调查，针对不同的崩塌类型，选取典型实例运用不同判据进行验证。

4.1 滑移式崩塌实例分析

以映秀—卧龙公路里程 K29+056～K29+120段边坡为例，边坡坡向204°，坡角65°，岩性为Dwg变质砂岩，层状结构（图3～4）。主要结构面片理产状273°∠25°；发育两组节理：①174°∠68°，间距为 0.2～0.4m，延伸 ＞0.5m；②284°∠70°，间距为 0.3 ～1.5m，延伸 0.4～1m。边坡结构面的赤平投影如图5。

图3 K 29+056～K 29+120处崩塌Fig.3 Collapse in K 29+056 ～ K 29+120

从赤平投影图上可以看出，两条结构面①②与片理③共同切割边坡，结构面①与片理③组合交线OA产状为254°∠24°，结构面①与结构面②组合交线OB产状为227°∠56°，结构面②与片理③组合交线产状为 196°∠6°，边坡临空面产状为 204°∠65°。

由此可以得出OA、OB、OC倾向均与边坡临空面倾向一致，且交线倾角均小于边坡坡角，两条结构面与片理以不同的组合形式切割边坡，形成的块状结构体体积相对较小，只是增加了局部岩体的破碎程度，释放岩体内部应力降低了边坡整体的稳定性，为崩塌的发生提供部分物质条件。

此外，由于基岩岩性为变质砂岩，片理面贯穿整个边坡，延伸较长故切割边坡也较深，故选择片理面③作为控崩结构面，重点分析片理面③与边坡临空面④在赤平投影图中的空间关系。

控崩结构面投影弧与边坡临空面投影弧在同一侧，说明控崩结构面与边坡临空面倾向一致，但倾角小于坡角，由于整个岩质边坡为层状结构，所以较易发生滑移式崩塌。

4.2 坠落式崩塌实例分析

图5 K 29+056～K 29+120段边坡赤平投影图（上半球）Fig.5 Stereographic projection of the slopein K 29+056～K 29+120（episphere）

以映秀—卧龙公路里程 K15+964～K16+180段边坡为例，边坡坡向215°，坡角65°，岩性为元古代澄江—晋宁期第三期闪长岩，块状结构（图6～7）。主要发育三组节理：①152°∠46°，间距为 1.2～1.5m，延伸 ＞5m；②292°∠42°，间距 0.6 ～1.0m，延伸 ＞5m；③200°∠64°，间距为 0.8 ～1.2m，延伸 ＞5m。

边坡结构面的赤平投影如图8。从赤平投影图上可以看出，三条结构面①②③共同切割边坡，结构面组合形式不同，形成的块状结构体大小形态也不相同，结构面①与结构面②组合交线OC产状为：223°∠18°，结构面①与结构面③组合交线 OA产状为140°∠45°；

图6 K 15+964～K 16+180处崩塌Fig.6 Collapse in K 15+964 ～ K 16+180

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

结构面②与结构面③组合交线产状为267°∠39°。结构面③在赤平投影图中的投影弧与边坡临空面在同侧，说明结构面③与边坡临空面倾向一致，而二者倾角几乎相同，从三条结构面的空间组合关系上分析认为结构面③对于整个边坡的稳定性影响不是很大，所以重点分析另外两条结构面的空间组合与边坡临空面的关系。

图8 K 15+964～K 16+180段边坡赤平投影图（上半球）Fig.8 Stereographic projection of the slope in K 15+964～K 16+180（episphere）

岩体被结构面切割形成的块状结构体中①②组合最大，延伸均大于5m，故选择①②组合作为控崩结构面组，重点分析控崩结构面组与边坡临空面在赤平投影图中的空间关系。控崩结构面交点与边坡投影弧线在同一侧，说明控崩结构面交线倾向与边坡临空面倾向一致，但倾角小于坡角，①②组合交线产状为223°∠18°，边坡临空面产状为 215°∠65°，交线与边坡临空面倾角相差47°，综上分析控崩结构面切割形成块体OABC易沿着边坡临空面发生坠落式崩塌。

4.3 倾倒式崩塌实例分析

以映秀—卧龙公路里程 K30+968～K31+030段边坡为例，边坡坡向280°，坡角45°，岩性为 C+P灰岩，层状结构（图9～10）。主要结构面层理产状290°∠40°；发育两组节理：①164°∠25°，间距为 0.4～1m，延伸 ＞2m；②35°∠70°，间距为 1m，延伸 ＞3m。外倾结构斜坡。边坡结构面的赤平投影如图11。

从赤平投影图上可以看出，结构面①②与层理③共同作用于边坡，灰岩主要矿物成分为方解石，含有少量白云石，具有结晶结构，晶粒较细［4］，由于风化程度低，所以灰岩整体完整性较好，层理胶结程度高，该边坡发生崩塌从岩体内部结构分析来看主要原因是结构面的切割，崩塌的形成受风化程度低的层理面影响不大。

结构面①与层理③交线OA产状为219°∠15°，结构面①与结构面②交线OB产状为118°∠18°，结构面②与层理③交线OC产状为320°∠36°，OA与OC交线倾向与坡面临空面一致，结构面①与结构②延伸较短，仅2～3m，切割岩体主要导致某一层面局部的破碎，对边坡整体稳定性影响较小，但是，结构面①与结构②组合交线形成的块状结构体体积较大，倾向与边坡临空面倾向相反，应重点分析它们之间关系。

图9 K 30+968～K 31+030处崩塌Fig.9 Collapse in K 30+968 ～ K 31+030

图10 K 30+968～K 31+030处崩塌Fig.10 Collap sesection map in K 30+968～K 31+030

图11 K 30+968～K 31+030段边坡赤平投影图（上半球）Fig.11 Stereographic projection of the slope in K 30+968～K 31+030（episphere）

结构面①与结构②组合交线OB在赤平投影图上的投影弧与边坡临空面③不在同一侧，说明OB倾向与边坡临空倾向相反，二者相差162°＞120°，且边坡临空面倾角 β=45°≥30°，综合分析判断该岩质边坡发生倾倒式崩塌。

5 结论

采用赤平投影方法来确定崩塌的类型是一种半定量方法，通过控崩结构面的选取，结合边坡工程地质条件，利用赤平投影分析控崩结构面与边坡临空面的关系，得到了以下结论：

（1）给出了选取控崩结构面的原则，应综合节理迹长以及充填物强度等因素选取一组结构面或两组结构面作为控崩结构面；

（2）对单组和多组控崩结构面进行了赤平投影分析，考虑控崩结构面与边坡临空面倾向一致时，结构面倾角略小于边坡坡角时易发生滑移式崩塌，结构面倾角远小于边坡坡角时易发生坠落式崩塌；控崩结构面与边坡临空面倾向相反时，易发生倾倒式崩塌。

（3）将判据应用于汶川地震后映秀—卧龙公路沿线边坡发育的典型崩塌中，得出的崩塌类型与实际相符，可以为日后的震后公路崩塌类型给予理论指导。此外，因为公路岩质边坡处于大的构造应力场中，加上外界荷载的差异，风化程度的高低等多方面因素影响，岩质边坡发生崩塌可能是一种类型，也有可能同时发生多种类型，在类型判定时应综合考虑多种因素。

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