（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059）

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059）

為了揭示風(fēng)載作用下震裂山體的崩塌機(jī)制，建立其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)，在巖體震裂特征現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和河谷風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的基礎(chǔ)上，以茂縣石大關(guān)鄉(xiāng)崩塌為例，開(kāi)展了不同條件下的大型風(fēng)洞試驗(yàn)研究.研究結(jié)果表明：石大關(guān)鄉(xiāng)崩塌為震裂山體在風(fēng)載助推作用下發(fā)生潰崩的典型實(shí)例，此類災(zāi)害因震裂山體獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，使得結(jié)構(gòu)面對(duì)失穩(wěn)模式的控制作用不再明顯，加之河谷風(fēng)受地形影響，分布規(guī)律復(fù)雜多變，具備與通常重力環(huán)境下斜坡失穩(wěn)機(jī)制迥異的特征，整體以潰崩式失穩(wěn)，表現(xiàn)為迅速解體—潰散—垮塌；巖體震裂損傷是崩塌產(chǎn)生的基礎(chǔ)，漸近性風(fēng)化是主要致災(zāi)因素，河谷強(qiáng)風(fēng)的助推是崩塌發(fā)生的誘因之一；巖塊的失穩(wěn)風(fēng)速與風(fēng)的入射夾角、巖塊的高寬比和后緣縫隙的寬度成反比.

地震；河谷風(fēng)；石大關(guān)崩塌；風(fēng)洞試驗(yàn)；穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

汶川地震誘發(fā)了大量崩塌、滑坡次生地質(zhì)災(zāi)害［1-2］，在此同時(shí)，由于強(qiáng)震對(duì)一定范圍內(nèi)地質(zhì)環(huán)境的沖擊，還發(fā)育了一類分布范圍廣、規(guī)模巨大、潛在威脅較大的災(zāi)害——震裂山體，其具有大變形、大位移等顯著的宏觀特征［3］.經(jīng)震后震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的排查工作，發(fā)現(xiàn)上千處“裂”而未“滑”、“松”而未“動(dòng)”的震裂松動(dòng)山體.震裂縫的大量發(fā)育使得斜坡巖體結(jié)構(gòu)受到了嚴(yán)重破壞，并為雨水下滲提供了良好的通道，坡體穩(wěn)定性在外部環(huán)境的影響下逐年劣化.因此，在強(qiáng)震過(guò)后，震區(qū)的滑坡、崩塌、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢(shì)［4-5］，黃潤(rùn)秋將此特征稱為強(qiáng)震地質(zhì)災(zāi)害的“后效應(yīng)”，且震后地質(zhì)災(zāi)害往往具有極強(qiáng)的隱蔽性和突發(fā)性，難以識(shí)別和預(yù)警［6］.2009年徹底關(guān)大橋在連日大雨后發(fā)生大面積崩塌［7］、2010年在降雨作用下發(fā)生在雁門(mén)鄉(xiāng)索橋村的滑坡及同年舟曲發(fā)生的特大泥石流災(zāi)害都是坡體內(nèi)部形成“內(nèi)傷”的震裂巖體在外因的誘導(dǎo)下觸發(fā)的震后地質(zhì)災(zāi)害［8-9］.

汶川地震震區(qū)多高山峽谷，谷風(fēng)盛行，震后殘留的大量松散碎屑物在強(qiáng)風(fēng)作用下飛沙走石，滾落的碎塊石嚴(yán)重威脅著災(zāi)區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全. 2014年7月17日下午2時(shí)45分，發(fā)生在四川省阿壩州G213線K774+600 m處茂縣境內(nèi)（石大關(guān)鄉(xiāng)超限站附近）的崩塌就是在河谷風(fēng)的助推作用下觸發(fā)的典型震后地質(zhì)災(zāi)害.塌方量高達(dá)4×103m3，飛石砸中13輛車，造成10人死亡，22人受傷.此次血淋淋的教訓(xùn)再次為震裂山體的防治工作敲響了警鐘.

針對(duì)震裂山體的研究，雖前人在震裂變形的分布規(guī)律、形成機(jī)理等方面取得了豐碩的成果［10］，但風(fēng)載作為震裂山體失穩(wěn)的觸發(fā)因素之一，并未有相關(guān)人員對(duì)高山河谷地區(qū)河谷風(fēng)的分布規(guī)律及其對(duì)震裂山體穩(wěn)定性的影響進(jìn)行系統(tǒng)的研究.故本文在汶川地震巖體震裂特征大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和河谷風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作的基礎(chǔ)上，以石大關(guān)鄉(xiāng)崩塌為例，論述了震裂山體在河谷風(fēng)助推作用下發(fā)生崩塌的特征及成因機(jī)制；結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)得出風(fēng)載作用下巖塊的啟動(dòng)機(jī)理及失穩(wěn)風(fēng)速計(jì)算公式，建立了風(fēng)載作用下震裂山體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)震裂山體防治工作具有指導(dǎo)性的意義.

1 汶川地震巖體震裂特征

由于地區(qū)地震動(dòng)強(qiáng)度的差異性，在汶川地震極震區(qū)，地震動(dòng)極其強(qiáng)烈，斜坡多失穩(wěn)破壞，崩滑體后壁陡立粗糙，后壁殘留的震裂松弛巖體及坡腳處于臨界狀態(tài)堆積體的穩(wěn)定性問(wèn)題為震后震區(qū)面臨的主要問(wèn)題.在汶川地震的強(qiáng)震區(qū)，地震強(qiáng)度較高，斜坡多以變形為主，特別是在斜坡陡緩轉(zhuǎn)折部位，由于其對(duì)地震波有明顯的放大效應(yīng)，震裂現(xiàn)象尤為突出，具有大變形、大位移等顯著的宏觀特征，規(guī)模普遍較大.

以震裂巖體結(jié)構(gòu)精測(cè)為基礎(chǔ)，得出巖體震裂最典型的宏觀特征為結(jié)構(gòu)面的松動(dòng)和張開(kāi)，其發(fā)育模式分為沿結(jié)構(gòu)面的延伸方向張開(kāi)和沿結(jié)構(gòu)面延伸方向斜交發(fā)育.且由于斜坡越高陡，地震波放大效應(yīng)越明顯，在山脊或臨空條件較好的部位往往震裂縫的張開(kāi)度較大.故在汶川地震中巖體震裂縫的張開(kāi)度隨著坡高的降低和埋深的增大逐漸減?。▓D1），就同一條震裂縫而言總體上呈上寬下窄的特征.

圖1 張開(kāi)度隨坡高區(qū)間分布圖Fig.1 Number of different joint openings with the slope height

震裂張開(kāi)的層面、節(jié)理面絕大部分無(wú)充填或者少量充填，充填物質(zhì)以碎石、巖屑為主.由于震裂巖體的強(qiáng)度是在極短的時(shí)間內(nèi)銳減的，而其他風(fēng)化作用下形成的松動(dòng)巖體的強(qiáng)度多是日積月累慢慢衰減的，故震裂巖體具有發(fā)育裂縫新鮮，裂隙面上有時(shí)可見(jiàn)延伸較好的擦痕，且多無(wú)充填，充填物的膠結(jié)程度都較低，形成時(shí)間短、規(guī)模大等顯著異于其他風(fēng)化、卸荷作用形成的松動(dòng)巖體的特征.

2 石大關(guān)震裂山體崩塌及其河谷風(fēng)特征

2.1 石大關(guān)崩塌概況

石大關(guān)崩塌地處青藏高原東緣，為典型的深切河谷地貌.從地形上看，斜坡中部發(fā)育陡坎，坡度集中在45°～60°之間，崩塌源處近直立.坡體上中下部分別發(fā)育大光壁，猶如3面隨風(fēng)飄揚(yáng)的旗幟，故被當(dāng)?shù)卮迕穹Q為“三桿旗”.而本次的崩塌源為坡體上部的第一桿旗，為4面臨空的小山包，地勢(shì)高陡突兀，高程大約2 340 m，距國(guó)道213的高差720 m左右（圖2）.

圖2 石大關(guān)鄉(xiāng)崩塌剖面圖Fig.2 Cross-section map of collapse at Shidaguan

石大關(guān)鄉(xiāng)斜坡由三疊系中統(tǒng)雜谷腦組（T2Z）灰色中厚層石英絹云母千枚巖夾變質(zhì)石英砂巖組成，發(fā)育3組優(yōu)勢(shì)機(jī)構(gòu)面：①層面，產(chǎn)狀N60°～70°E/SE/75°～85°，薄～中厚層結(jié)構(gòu)；②結(jié)構(gòu)面J1（底面），產(chǎn)狀N30°～40°E/NW/10°～20°；③結(jié)構(gòu)面J2（切割面），產(chǎn)狀N60°～70°W/SW/60°～70°.坡面坡向270°，坡度45°～60°.

由赤平投影圖（圖3）可以，看出層面和切割結(jié)構(gòu)面的傾向與坡向大角度斜交，底部結(jié)構(gòu)面與坡向相同，且傾角小于坡角，此外坡面與層面、坡面與J2、層面與J1、J1與J2的組合交棱的傾向都與坡向相同，且傾角都小于坡角.切割出的塊體不穩(wěn)定.

研究區(qū)受龍門(mén)山斷裂帶影響，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，受多次地震破壞的洗禮，且崩塌距離石大關(guān)斷裂僅1 km［11］.加之崩塌源高陡突兀，臨空條件好，地震放大效應(yīng)明顯［12-13］，強(qiáng)烈地震力作用下，巖體結(jié)構(gòu)遭受了嚴(yán)重破壞，使原本強(qiáng)度不高的巖體更加脆弱.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)張開(kāi)的裂縫多沿陡傾層面和J2結(jié)構(gòu)面發(fā)育，張開(kāi)程度普遍較大，呈上寬下窄的形態(tài)，縫面新，多平直，充填物較少，局部充填碎塊石，且無(wú)膠結(jié)，巖體結(jié)構(gòu)特征與震裂巖體特征吻合，地震作用下形成的震裂結(jié)構(gòu)為崩塌的發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ).

研究區(qū)地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，冬冷夏涼，晝夜溫差大，夏季高溫多雨，年降水量500 mm左右.震裂結(jié)構(gòu)為雨水的下滲提供了良好通道，在反復(fù)凍脹及其他風(fēng)化作用下，震裂縫緩慢擴(kuò)大，進(jìn)一步劣化了坡體的穩(wěn)定性，據(jù)當(dāng)?shù)鼐用穹从常诒浪l(fā)生前崩塌源最大的張開(kāi)裂縫約達(dá)15 mm.

圖3 結(jié)構(gòu)面赤平投影Fig.3 Stereographic projection of structural plane

同時(shí)，經(jīng)走訪調(diào)查得知，當(dāng)?shù)?月初至7月中上旬一直大雨連綿.持續(xù)的降雨造成巖體飽和、自重增加、巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度降低，大大增加了山體崩塌發(fā)生的幾率［14］.根據(jù)茂縣氣象局提供的降雨資料（圖4），7月10日至7月12日累計(jì)降雨量達(dá)到了60 mm，在崩塌發(fā)生前4天內(nèi)都無(wú)明顯降雨現(xiàn)象，說(shuō)明崩塌發(fā)生時(shí)并沒(méi)有動(dòng)水壓力或者靜水壓力的作用.但崩塌發(fā)生當(dāng)日氣溫較高，烈日當(dāng)頭，巖體受熱膨脹，也逐漸弱化了損傷巖體的完整性和穩(wěn)定性.

圖4 7月6日～15日石大關(guān)鄉(xiāng)降雨量曲線Fig.4 Curve of rainfall at Shidaguan from July 6 to July 15

2.2 河谷風(fēng)特征

由于氣流在岷江河谷受到高山峻嶺的阻擋和挾持導(dǎo)向作用而谷風(fēng)盛行.本文選取了茂縣飛虹鄉(xiāng)（N31°9′33.60″，E103°3′17.66″）及汶川地區(qū)多個(gè)測(cè)量剖面，從谷底1 500～2 500 m高程按需布置多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，運(yùn)用JL-SXJ風(fēng)速記錄儀對(duì)岷江河谷風(fēng)速分布規(guī)律進(jìn)行研究，得出了以下結(jié)論：

①定時(shí)起風(fēng)，午前多靜風(fēng)，平均風(fēng)速＜4 m/s；午后多大風(fēng)，平均風(fēng)速＞4 m/s.一天中最大風(fēng)速多出現(xiàn)在午后16時(shí)，達(dá)8～10 m/s.一年中2～5月及8月風(fēng)速相對(duì)較大，7、10、11月相對(duì)較小，其中7月風(fēng)速最小，為3.7 m/s.

②岷江河谷內(nèi)，海拔越高，河谷越開(kāi)闊，河谷對(duì)空氣的壓縮作用越弱，流速因此降低，故風(fēng)速自谷底而上并非呈指數(shù)或線性型增長(zhǎng)趨勢(shì)，其最大值多出現(xiàn)于山腰位置處.且氣流在沿山脈爬升過(guò)程中受復(fù)雜地形的影響，在地形突變位置處可形成較強(qiáng)的局部風(fēng).特別是在下陡上緩山體的轉(zhuǎn)折部位，會(huì)出現(xiàn)谷風(fēng)的極大值并伴有渦旋氣流現(xiàn)象.

③當(dāng)氣流方向與河谷走向之間夾角＜60°時(shí)，狹管效應(yīng)顯著，即氣流在河谷段有明顯的加速現(xiàn)象，且狹管效應(yīng)的強(qiáng)弱與河谷的寬度呈反比.在底部河谷寬度最小，狹管效應(yīng)最明顯，其次為地形的轉(zhuǎn)折部位，而海拔越高，河谷越開(kāi)闊，狹管效應(yīng)逐漸減弱.

而在石大關(guān)鄉(xiāng)崩塌發(fā)生當(dāng)日下午14時(shí)，茂縣觀測(cè)站（石大關(guān)鄉(xiāng)政府處，高程1 742 m）監(jiān)測(cè)到了高達(dá)8.8 m/s的五級(jí)勁風(fēng)，這對(duì)于夏季（6～9月）平均風(fēng)速才3.4m/s的地區(qū)而言比較異常［15］. 2015年7、8月份作者們先后兩次帶上專業(yè)的風(fēng)速、風(fēng)向測(cè)量?jī)x到石大關(guān)鄉(xiāng)收集河谷風(fēng)資料.調(diào)查得出崩塌源處在午后13時(shí)后多大風(fēng)，一直到下午17時(shí)河谷風(fēng)多集中在6～9 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)14 m/s，崩塌源處風(fēng)速與茂縣觀測(cè)站處風(fēng)速比值集中在1.4～2.0之間.崩塌源處風(fēng)向集中在290°～310°，與主崩方向近似.

結(jié)合岷江河谷風(fēng)速分布規(guī)律可得：石大關(guān)鄉(xiāng)崩塌所在河谷為典型對(duì)稱“V”字形深切河谷地貌，河谷寬度較小，氣流方向與河谷走向小于60°，狹管效應(yīng)明顯，加之崩塌源高陡突兀，位于山腰偏上位置，局部地形為陡緩轉(zhuǎn)折端，屬風(fēng)速較大處，狹管效應(yīng)更為突出，最終在巖壁和臨空面兩側(cè)形成的壓力差作用下，向臨空方向發(fā)生崩塌（圖5、6）.

圖5 石大關(guān)鄉(xiāng)崩塌源崩塌后形態(tài)特征（單位：m）Fig.5 Residual rock mass of collapse source at Shidaguan（unit：m）

圖6 石大關(guān)鄉(xiāng)崩塌全景圖Fig.6 Panoramic photos of Shidaguan collapse

綜上所述，石大關(guān)鄉(xiāng)崩塌加深了對(duì)河谷風(fēng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害觸發(fā)作用的認(rèn)識(shí)，證實(shí)了震裂山體在風(fēng)載助推作用下發(fā)生大型崩塌的可能性.此類崩塌的演化過(guò)程可歸納為：早期地震作用形成松動(dòng)的震裂結(jié)構(gòu)，為雨水的下滲提供了良好通道，在進(jìn)一步漸進(jìn)性風(fēng)化作用下，裂縫緩慢擴(kuò)展，逐漸形成結(jié)構(gòu)十分破碎的山體.且因崩塌源獨(dú)特震裂結(jié)構(gòu)特征，使得結(jié)構(gòu)面對(duì)其失穩(wěn)模式的控制作用不再明顯，加之河谷風(fēng)受地形影響，方向及大小復(fù)雜多變，在河谷風(fēng)的助推作用下，先發(fā)生表層巖體的小崩小塌，后部巖體因在常年的構(gòu)造和風(fēng)化作用下自身穩(wěn)定性本來(lái)就較差，當(dāng)一旦具備臨空條件，便迅速解體—潰散—垮塌，就單個(gè)巖塊而言雖還是以傾倒、滑移破壞為主，但整體以潰崩式失穩(wěn)，表現(xiàn)出一跨到底的特征，散落范圍極大，崩落持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，危害性極大，極具突發(fā)性（圖6）.

3 風(fēng)洞試驗(yàn)研究

考慮到震裂山體結(jié)構(gòu)特征和風(fēng)載作用下觸使孤石發(fā)生二次啟動(dòng)的工程經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)可操作性，為提出快速、準(zhǔn)確的穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心［16］（圖7）采用完全脫離母巖的巖塊進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討了風(fēng)載作用下震裂巖體的啟動(dòng)機(jī)理.

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

震裂巖體因震裂縫的發(fā)育，使巖體的結(jié)構(gòu)受到了嚴(yán)重破壞，巖體被切割成不同形狀、與母巖之間的關(guān)系各不相同的巖塊.

從風(fēng)載的入射角度（初始?xì)饬鞣较蚺c試樣迎風(fēng)面豎軸線之間的夾角）、巖樣高寬比、巖樣與巖壁之間縫隙的寬度3個(gè)方面進(jìn)行測(cè)壓試驗(yàn)和實(shí)心模型啟動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)，其中入射角度α取0°、30°、45°、60°，高寬比α=z/x取1、2、2.5（x恒定為30 cm），縫隙寬度取0、20、50 mm.

圖7 風(fēng)洞試驗(yàn)場(chǎng)示意圖（單位：m）Fig.7 Schematic of wind tunnel test（unit：m）

在測(cè)壓試驗(yàn)中使用電子掃描閥和測(cè)壓管來(lái)測(cè)量試樣表面壓力的分布情況，使用高速攝像機(jī)來(lái)記錄試樣失穩(wěn)前的氣動(dòng)現(xiàn)象，從試樣各面不同壓力分布情況來(lái)研究其啟動(dòng)機(jī)理，為后續(xù)的力學(xué)分析提供依據(jù).

風(fēng)的入射角度是通過(guò)移測(cè)架（圖8）中的底部轉(zhuǎn)盤(pán)調(diào)整的，下伏支撐板的傾角設(shè)置為θ=15°，并為了測(cè)壓孔安裝便利，試驗(yàn)中采用空心木塊來(lái)模擬巖塊.

由于測(cè)壓試驗(yàn)中空心材料的缺陷性，設(shè)計(jì)了實(shí)心模型啟動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)來(lái)更為真實(shí)地模擬巖塊在風(fēng)載作用下的啟動(dòng)過(guò)程及失穩(wěn)模式，確定不同類型試樣的失穩(wěn)風(fēng)速.實(shí)心試樣采用石英砂巖塊，其中x恒定為50 mm，為測(cè)壓試驗(yàn)的1/6，狹縫寬度同樣縮小6倍，其他條件與測(cè)壓試驗(yàn)相同.試驗(yàn)后通過(guò)力學(xué)分析，提出極限平衡狀態(tài)方程，一方面用于驗(yàn)證風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，另一方面為定量評(píng)價(jià)工作提供依據(jù).

圖8 移測(cè)架結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Test frame structure

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 入射角度

③當(dāng)α=45°時(shí)，試樣正面和右側(cè)面都對(duì)稱分布正風(fēng)壓，最大正風(fēng)=72 Pa出現(xiàn)于右側(cè)面靠前部位.而其余面均為負(fù)風(fēng)壓，最小負(fù)風(fēng)壓=-70 Pa位于頂面.試樣的失穩(wěn)風(fēng)速進(jìn)一步降低至10.5 m/s，見(jiàn)圖9（c）.

圖9 不同入射角度塊石臨界失穩(wěn)狀態(tài)表面壓力分布Fig.9 Surface pressure distribution in critical state with different incident angles

（2）啟動(dòng)過(guò)程研究

由表1和記錄影像可知，氣流入射角度的變化主要影響試樣開(kāi)始旋轉(zhuǎn)滑移的啟動(dòng)風(fēng)速，角度越大，啟動(dòng)風(fēng)速越低，由于試樣的不斷旋轉(zhuǎn)，不斷改變著氣流作用于試樣的夾角，當(dāng)試樣的一面與氣流垂直時(shí)，便會(huì)迅速旋轉(zhuǎn)滑移失穩(wěn)墜落.

（3）力學(xué)分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，正方形試樣在不同入射角度下都以滑移方式失穩(wěn)，角度不同，失穩(wěn)風(fēng)速有所差異，力學(xué)分析如下：

①當(dāng)α=0°時(shí)，氣流作用于試樣時(shí)，將會(huì)在正面（迎風(fēng)面）產(chǎn)生正壓力，而其余各面由于氣流的分離和再附和而產(chǎn)生負(fù)吸力.由于氣流自身復(fù)雜性，目前尚未用簡(jiǎn)單的計(jì)算方程來(lái)確定吸力的大小，故在力學(xué)分析中暫忽略吸力的作用，僅考慮在重力、氣流在正面產(chǎn)生的風(fēng)壓和底部摩擦力三者的共同作用下試樣的極限平衡狀態(tài).

②當(dāng)α=60°時(shí)，氣流在正面產(chǎn)生的風(fēng)壓、重力下滑分力的合力和底部的最大靜摩擦力在一條直線上.

表1 不同入射角度實(shí)心模型啟動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Initiation process results of solid model with different incident angles m/s

而在低速氣流的條件下，忽略體力作用且無(wú)粘性時(shí)，任一流線上各點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)伯努利方程為

式中：v為流線的風(fēng)速，m/s；

w1為單位面積的靜壓力，kN/m2；

V為空氣質(zhì)點(diǎn)的體積，m3；

m為空氣質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，t，m=ρV；

C為常數(shù).令

式中：w為巖塊迎風(fēng)面與背風(fēng)面之間形成的壓力差；

取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，重力加速度g為9.8 m/s2；

空氣容重γ1為0.012 018 kN/m3.

由此可得巖塊單位面積上所受的基本風(fēng)壓系數(shù)：

設(shè)正方體巖塊邊長(zhǎng)為x，則巖塊正面受正壓力為

巖塊的最大靜摩擦力為

式中：μ0為靜摩擦因數(shù)，取0.5；

Ffom為最大靜摩擦力，單位KN；

γ2為木材容重，值取6.86 kN/m3；

θ為試樣下伏結(jié)構(gòu)面的傾角，值取15°；

d取0.5 cm.

巖塊重力的下滑分量為

根據(jù)極限狀態(tài)力學(xué)平衡條件可得：

由極限平衡方程計(jì)算得到α=0°、60°時(shí)，失穩(wěn)風(fēng)速分別為11.5、8.5 m/s，結(jié)果均比測(cè)壓試驗(yàn)中小約1 m/s.這是因在極限平衡分析中忽略了氣流在通過(guò)試樣時(shí)，由于產(chǎn)生分離和再附和而在試樣上產(chǎn)生吸力，減小了作用于試樣底部下伏結(jié)構(gòu)面上的正壓力Fw，降低了最大靜摩擦力Ffom.

3.2.3 高寬比

（1）測(cè)壓試驗(yàn)

由壓力分布圖（圖10）可知試樣正面（迎風(fēng)面）均為正風(fēng)壓，其余幾面均為負(fù)風(fēng)壓（吸力）.當(dāng)高寬比b=2.0時(shí)，正風(fēng)壓較大值出現(xiàn)于試樣正面中下部，最大正風(fēng)壓P+max=60 Pa.往兩側(cè)，正風(fēng)壓逐漸降低至15 Pa，試樣的失穩(wěn)風(fēng)速為9.25 m/s.當(dāng)b=2.5時(shí)，其各面風(fēng)壓的分布情況與b=2.0時(shí)相似，只是正風(fēng)壓較大值的位置有所上移，風(fēng)壓的作用點(diǎn)有所抬高，相同風(fēng)壓產(chǎn)生的力矩更大，試樣的失穩(wěn)風(fēng)速也就更小.故力矩為風(fēng)載作用下長(zhǎng)方體巖塊失穩(wěn)的主導(dǎo)因素.

圖10 不同高寬比塊石臨界失穩(wěn)狀態(tài)表面壓力分布Fig.10 Surface pressure distribution in critical state with different height-width ratios of mass

（2）啟動(dòng)過(guò)程研究

由表2和記錄影像可知：隨風(fēng)速的增大，長(zhǎng)方體試樣都最終斜向下滑移一段距離并順風(fēng)劇烈晃動(dòng)后順風(fēng)傾倒（側(cè)向傾倒）失穩(wěn).

b=2.5時(shí)較b=2.0時(shí)旋轉(zhuǎn)及滑移的過(guò)程相對(duì)較短，啟動(dòng)過(guò)程如圖11.

表2 不同高寬比實(shí)心模型啟動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Initiation process results of solid model with different slenderness ratios m/s

圖11 高寬比（b=2.5）實(shí)心模型啟動(dòng)過(guò)程Fig.11 Initiation process of solid model with height-width ratio of 2.5

（3）力學(xué)分析

此處同樣忽略背風(fēng)面負(fù)風(fēng)壓的作用，并由于此次試驗(yàn)中試樣的尺寸較小，故將迎風(fēng)面的風(fēng)壓系數(shù)考慮為常數(shù)，長(zhǎng)柱狀巖塊的受力情況如圖12所示.

風(fēng)壓作用下產(chǎn)生的傾倒力矩為

由于試樣在兩個(gè)高寬比條件下都以側(cè)向傾倒的形式失穩(wěn)，故Gsin θ產(chǎn)生的傾覆力矩等于0，僅考慮Gcos θ產(chǎn)生的抗傾覆力矩MG為

圖12 長(zhǎng)柱狀巖塊側(cè)向受力分析示意圖Fig.12 Lateral force analysis of long-column block

極限平衡狀態(tài)下，傾倒力矩與抗傾覆力矩相等，即

由極限平衡方程計(jì)算得到當(dāng)高寬比b=2.0，2.5時(shí)，失穩(wěn)風(fēng)速分別為11.2、9.8 m/s，均比測(cè)壓試驗(yàn)失穩(wěn)風(fēng)速小1.5 m/s左右.

這是由于實(shí)心模型啟動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)中得出長(zhǎng)方體試樣在發(fā)生傾倒前都會(huì)旋轉(zhuǎn)一定角度，而測(cè)壓試驗(yàn)中當(dāng)試樣有輕微位移時(shí)便記錄為失穩(wěn)風(fēng)速，且力學(xué)計(jì)算中忽略了背面吸力產(chǎn)生的傾倒力矩Mx，即導(dǎo)致Mw偏大，故計(jì)算出的v0偏大.

3.2.2 后緣裂縫的張開(kāi)程度

（1）測(cè)壓試驗(yàn)

無(wú)論從理論計(jì)算分析還是野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，都證實(shí)了順向傾倒失穩(wěn)模式的存在.

測(cè)壓試驗(yàn)中，由于由木板制作而成的試樣質(zhì)量偏輕，因左右兩側(cè)面的風(fēng)速差產(chǎn)生的傾倒力矩的效果遠(yuǎn)不及順風(fēng)向風(fēng)壓產(chǎn)生的傾倒力矩的效果，故均以側(cè)向傾倒方式失穩(wěn).

從圖13的壓力分布情況可以總結(jié)出：

①由于氣流在通過(guò)右側(cè)面緊靠巖壁的狹小裂縫時(shí)，受兩壁摩擦作用的影響，風(fēng)速大大降低，而試樣左側(cè)臨空，兩側(cè)面風(fēng)壓不再對(duì)稱分布.靠巖壁側(cè)（右側(cè)）風(fēng)出現(xiàn)了正力，而臨空側(cè)全為負(fù)力.

②縫隙越小，緊靠巖壁一側(cè)（右側(cè)）產(chǎn)生的傾倒力矩越大.隨著縫隙的增大，該力矩對(duì)試樣發(fā)生傾倒失穩(wěn)的貢獻(xiàn)越低.

（2）啟動(dòng)過(guò)程研究

由表3可以看出，當(dāng)裂縫寬度d=0 mm時(shí)，試樣在先輕微晃動(dòng)后產(chǎn)生略微順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，最終順向傾倒；而裂縫寬度d=3.5，8.0 mm時(shí)，試樣最終都以側(cè)向傾倒的形式失穩(wěn).

結(jié)果揭示了順向傾倒只發(fā)生在當(dāng)巖塊與巖壁之間縫隙足夠小時(shí)，啟動(dòng)過(guò)程如圖14.

圖13 不同縫隙寬度塊石臨界失穩(wěn)狀態(tài)壓力分布Fig.13 Surface pressure distribution in critical state with different crack widths

（3）力學(xué)分析

首先設(shè)未受到擾動(dòng)的巖塊臨空側(cè)風(fēng)速為v0，受到擾動(dòng)時(shí)的靠縫隙側(cè)風(fēng)速減小為v1.由伯努利方程可得：

將v0、v1分別代入得：

設(shè)巖塊順風(fēng)方向長(zhǎng)為x（m），寬為y（m），高為z（m），則兩側(cè)面風(fēng)壓差所產(chǎn)生的傾覆力矩為

由于巖塊以順向傾倒的形式失穩(wěn)，故順風(fēng)向風(fēng)壓產(chǎn)生的傾覆力矩為0（圖15）.

表3 不同縫隙寬度實(shí)心模型啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Initiation process results of solid model with different crack widths m/s

圖14 縫隙寬度（d=0）實(shí)心模型啟動(dòng)過(guò)程Fig.14 Solid model with crack width（d=0）

設(shè)下伏結(jié)構(gòu)面傾角為θ，重力產(chǎn)生的傾覆力矩為

重力產(chǎn)生的抗傾覆力矩為

極限平衡狀態(tài)下，傾倒力矩與抗傾覆力矩相等：

圖15 長(zhǎng)柱狀塊體順向傾倒力矩示意圖Fig.15 Overturn moment of long-column block

通過(guò)式（15）～（18）可以得出，發(fā)生順向傾倒失穩(wěn)的條件極為苛刻，需保證Gsin θ和Fw2足夠大，即巖塊重量、下伏結(jié)構(gòu)面的傾角、巖塊與巖壁之間縫隙的寬度都是決定其是否可能發(fā)生順向傾倒的關(guān)鍵.

故在相同質(zhì)量條件下，巖塊的失穩(wěn)風(fēng)速與入射角度、巖塊的高寬比、后緣縫隙的寬度都成反比.就正方形和長(zhǎng)方形巖塊而言，在不同風(fēng)載入射角度、不同危巖高寬比、不同后緣裂縫張開(kāi)程度的情況下主要以滑移、側(cè)向傾倒、順向傾倒失穩(wěn)為主（圖16），發(fā)生順向傾倒的條件極為苛刻.

圖16 風(fēng)載作用下正方體、長(zhǎng)方體失穩(wěn)模式示意圖Fig.16 Failure modes of cube and cuboid under wind loading

4 風(fēng)載作用下震裂山體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

4.1 綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法

在文獻(xiàn)［17］中，袁進(jìn)科等選取了7個(gè)因子作為崩塌識(shí)別指標(biāo)，采用專家取值法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦值，建立了震后崩塌的快速識(shí)別方法（CDI法）：

式中：

UCDI為崩塌識(shí)別的綜合指標(biāo)，值越大，發(fā)生崩塌概率越高；

Ri為第i個(gè)識(shí)別指標(biāo)因子分級(jí)指數(shù)；

Si為權(quán)重值；

λi為降雨修正系數(shù)［17］.

雖以震后震區(qū)100個(gè)崩塌災(zāi)害點(diǎn)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)為依據(jù)，驗(yàn)證了此方法的合理性，但其并未考慮風(fēng)載對(duì)震裂山體穩(wěn)定性的影響.由風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明巖塊的形狀、后緣裂縫的張開(kāi)程度決定了巖體的失穩(wěn)情況，而巖體震裂損傷程度是影響巖塊的形狀、后緣裂縫的張開(kāi)程度的重要因素.

由河谷風(fēng)分布特征可知，山體地形突變處是河谷風(fēng)較大的部位，這些部位由于地震波的放大作用，同樣也是巖體震裂損傷程度相對(duì)較大的部位.因此，可用震裂損傷程度來(lái)表征風(fēng)載對(duì)震裂山體穩(wěn)定性的影響，將風(fēng)載修正系數(shù)βi引入CDI法中，得到風(fēng)載作用下震裂山體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指數(shù)（wind loading shattered rockmass discrimination index，WDI）.βi取1時(shí)，表征風(fēng)載對(duì)震裂山體的穩(wěn)定性不產(chǎn)生影響.

式中：

UWDI為風(fēng)載作用下震裂山體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指數(shù)，其值越大，發(fā)生崩塌的可能性越高；

βi為風(fēng)載修正系數(shù)，修正系數(shù)取值可按表4確定.

風(fēng)載作用下震裂山體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等級(jí)同樣分為3級(jí)，具體等級(jí)分級(jí)情況見(jiàn)表5.

表4 風(fēng)載條件下評(píng)價(jià)指標(biāo)修正系數(shù)Tab.4 Evaluation index correction under wind loading

根據(jù)上述分析，對(duì)石大關(guān)鄉(xiāng)崩塌按照評(píng)價(jià)指標(biāo)取值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行賦值，求得天然狀態(tài)和降雨條件下CDI指數(shù)，以及天然狀態(tài)下WDI指數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6.

表5 風(fēng)載作用下震裂山體穩(wěn)定性判別等級(jí)表Tab.5 Stability grade of shattering slope under wind loading

評(píng)價(jià)結(jié)果表明，石大關(guān)鄉(xiāng)斜坡在天然和降雨條件下偶有少量掉塊和落石，而在風(fēng)載作用下局部發(fā)生大規(guī)模的崩塌滾石的可能性較大，評(píng)價(jià)結(jié)果與真實(shí)情況相符.

此外，使用WDI評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)四川藏區(qū)公路沿線21處震裂山體進(jìn)行了評(píng)價(jià)，僅有2處評(píng)價(jià)結(jié)果與真實(shí)情況或定性評(píng)價(jià)結(jié)果有所區(qū)別，驗(yàn)證了WDI評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性.且WDI評(píng)價(jià)指標(biāo)既考慮了降雨修正系數(shù)又考慮了風(fēng)載修正系數(shù)，使得評(píng)價(jià)體系相對(duì)更為完整.

表6 CDI、WDI評(píng)價(jià)計(jì)算表Tab.6 Evaluation calculation of CDI and WDI

4.2 臨界失穩(wěn)風(fēng)速評(píng)價(jià)法

針對(duì)綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法中WDI指數(shù)大于90的坡體，可以再以風(fēng)載作用下震裂巖體的啟動(dòng)機(jī)理為基礎(chǔ)，由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得出震裂縫切割出巖塊的形狀及與后緣巖壁之間的關(guān)系，確定其失穩(wěn)模式，對(duì)應(yīng)相應(yīng)失穩(wěn)模式的力學(xué)計(jì)算公式得出該巖體的臨界失穩(wěn)風(fēng)速，再通過(guò)對(duì)研究區(qū)風(fēng)的分布規(guī)律收集，確定出作用于該巖塊的實(shí)際風(fēng)速，兩風(fēng)速對(duì)比判定失穩(wěn)的可能性，評(píng)價(jià)流程如圖17所示.

綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法可以較為快速地對(duì)風(fēng)載作用下震裂山體的穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)，而臨界失穩(wěn)風(fēng)速評(píng)價(jià)法彌補(bǔ)了綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法中未考慮實(shí)際作用風(fēng)速和臨界失穩(wěn)風(fēng)速的不足.兩個(gè)方法共同運(yùn)用，整體與局部分析相互結(jié)合，優(yōu)劣互補(bǔ)，使風(fēng)載作用下震裂山體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法更加快速準(zhǔn)確.

圖17 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)流程圖Fig.17 Flow chart of stability evaluation

5 結(jié) 論

震裂山體獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征以及河谷風(fēng)復(fù)雜多變的分布規(guī)律，使得風(fēng)載助推下震裂山體的失穩(wěn)機(jī)制迥異于通常重力環(huán)境.本文基于現(xiàn)場(chǎng)震裂山體的大量調(diào)查和河谷風(fēng)測(cè)量工作，開(kāi)展了室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)研究，歸納提出了風(fēng)載作用下震裂山體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，主要得出以下4點(diǎn)結(jié)論：

（1）沿原有結(jié)構(gòu)面拉開(kāi)或者切割結(jié)構(gòu)面發(fā)育的震裂縫是汶川地震震區(qū)巖體震裂最為直觀的宏觀特征.裂縫普遍較新鮮，多無(wú)充填，局部還存在架空結(jié)構(gòu).區(qū)別于其他因素產(chǎn)生的松動(dòng)巖體，震裂巖體具備形成時(shí)間短、規(guī)模大的特征.

（2）石大關(guān)鄉(xiāng)崩塌為風(fēng)載助推作用下震裂山體發(fā)生潰崩的典型實(shí)例，地震作用為崩塌的發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，后期凍脹等風(fēng)化作用進(jìn)一步劣化了坡體的穩(wěn)定性，河谷風(fēng)的助推作用為崩塌的發(fā)生提供了動(dòng)力條件.此類災(zāi)害因震裂山體獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，加上河谷風(fēng)的方向及大小復(fù)雜多變，就單個(gè)巖塊而言雖還是以傾倒、滑移破壞為主，但整體以潰崩式失穩(wěn)，表現(xiàn)為迅速解體—潰散—垮塌，散落的范圍極廣，崩落持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，危害性極大，具極強(qiáng)突發(fā)性.

（3）巖塊的失穩(wěn)風(fēng)速與氣流方向與巖塊面垂線之間的夾角、巖塊的高寬比、后緣縫隙的寬度都成反比.就正方形、長(zhǎng)方形巖塊而言，在風(fēng)載作用下以滑移、側(cè)向傾倒、順向傾倒失穩(wěn)模式為主.巖塊的重量、下伏結(jié)構(gòu)面的傾角、巖塊與巖壁之間縫隙的寬度都是決定是否發(fā)生順向傾倒的關(guān)鍵，只有縫隙非常小時(shí)，才有發(fā)生順向傾倒的可能.

（4）WDI綜合因子評(píng)價(jià)法和臨界失穩(wěn)風(fēng)速評(píng)價(jià)法綜合運(yùn)用于風(fēng)載作用下震裂山體穩(wěn)定性的定量評(píng)價(jià)工作中，整體與局部分析相互結(jié)合，優(yōu)劣互補(bǔ)，使評(píng)價(jià)結(jié)果快速而準(zhǔn)確.

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風(fēng)載作用下震裂山體崩塌機(jī)制及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

黃潤(rùn)秋， 裴向軍， 羅 璟

Collapse Mechanism and Stability Evaluation of Shattered Slope under Wind Loading

HUANG Runqiu， PEI Xiangjun， LUO Jing
（State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

To reveal collapse mechanisms of shattered slope under wind loading，the slope stability assessment system was built.Based on the field survey of shattered slopes and valley wind measurement，the large-scale wind tunnel tests in various conditions were conducted by using Shidaguan collapse as an example.The results indicate that Shidaguan collapse is a typical case of shattered slope collapsing in a sudden burst under wind loading.This mode of collapse are hardly controlled by structural plane because of the unique slope structure.Meanwhile，since the distribution of river valley wind is affected by the topographical elements，it becomes complicated and varied.Thus the sudden collapse mode undergoes fast breakdown-crumbling-collapse as a whole，quite distinct from slope failure mechanisms under general gravity force.The loosing and cracking of the rock masses is fundamental to the collapse，while the gradual weathering is the main factor.Besides，the strong rivervalley winds aggravate the collapse.Furthermore，the wind speed leading to rock masse instability is in inverse proportion to wind incident angle，as well as the height-width ratio of mass，and the width of the trailing edge crack.

earthquake；river valley wind；Shidaguan collapse；wind tunnel test；stability evaluation

黃潤(rùn)秋，裴向軍，羅璟.風(fēng)載作用下震裂山體崩塌機(jī)制及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，51（5）：958-970.

0258-2724（2016）05-0958-13

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.05.020

P642.21

A

2016-06-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41572302）；四川省國(guó)土資源廳科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（KJ-2015-18）

黃潤(rùn)秋（1963—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)和巖土工程，E-mail：hrq@cdut.edu.cn

（中文編輯：徐 萍 英文編輯：周 堯）