刘 广 宁，黄 长 生，齐 信，王 芳 婷

(中国地质调查局 武汉地质调查中心，湖北 武汉 430205)

地质灾害是地学界永恒的课题，备受国内外学者广泛关注和研究。由于各区域地质环境背景条件的差异，对于地质灾害变形破坏机理的阐述各不相同。以往对于沉积岩区崩滑流地质灾害的变形破坏机理研究较为系统和成熟，而花岗岩类地质灾害的研究相对较少。部分学者对花岗岩的地貌类型、类型划分、成因机制、工程地质特性、力学试验等研究较为深入[1-5]。珠江西江上游封开段花岗岩地层分布广泛，主要为燕山早、晚期的花岗岩，以黑云母花岗岩、花岗闪长岩、斑状花岗岩为主，并且全、强、中、微、未及球状风化类型均有发育，众多地质灾害发育其中(见图1)。由于其独特的工程地质特性，地质灾害频发，尤其是持续性降雨和暴雨等极端气候条件下，极易发生崩、滑失稳致灾，其已成为华南地区一类典型的降雨型地质灾害。通过详细调查分析发现，不同风化程度花岗岩类边坡其变形破坏机理、宏观表现特征截然不同。故本文在实地调查、资料系统分析的基础上，对其变形破坏机理及宏观判据进行研究，以期为区内国土规划、重大工程建设、防灾减灾和生态文明建设提供科学依据。

注：1.地层代号； 2.地层界线； 3.地名； 4.水系； 5.地灾点(全风化花岗岩)； 6.地灾点(强风化花岗岩)； 7.地灾点(中风化花岗岩)； 8.地灾点(微风化花岗岩)； 9.地灾点(球状风化花岗岩)图1 研究区花岗岩及地质灾害分布Fig.1 Distribution map of granite and geohazards in the study area

1 区域地质概况

2 花岗岩垂直分带标准

通过室内及原位实验测试，依据花岗岩的厚度、颜色、结构特征、长石矿物特征、可挖掘特征、可钻进特征、锤击特征、岩芯完整程度、修正后标贯或动探击数、颗分大小、内摩擦角、凝聚力、单轴饱和抗压强度，建立研究区花岗岩 “六分法”垂直分带标准。总体上划分为残积层、全风化层、强风化层、中风化层、微风化层、未风化层6个分带。表1为区内巨厚层花岗岩风化壳垂直分带及指标。

3 灾害发育分布特征

区内花岗岩地质灾害在全、强、中、微、球状风化花岗岩边坡中均有发育(见表2)。通过对调查的87处花岗岩类边坡地质灾害(崩塌/危岩、滑坡)的发育分布、失稳模式进行细致分析发现以下特点：数量上，以全风化居多，共29处，占比33%；高程上，多分布于50～220 m之间；地形坡度上，多分布于25°～45°边坡；区域上，多分布在人类工程活动强烈区，如沿广梧高速封开段、省道S266、怀阳高速施工区、居民住宅建设区域；时间上，通过调查、资料收集可知区内近90%地质灾害发生在汛期5～9月份(见图2)，变形破坏均发生在持续性降雨、突发暴雨期间[6]；规模上，均为小型，具有点多面广、突发性强的典型特征。

表1 花岗岩风化壳垂直分带标准

图2 降雨量与地质灾害关系Fig.2 Relationship between rainfall and geohazards

表2 研究区花岗岩地质灾害统计

4 变形破坏模式

4.1 全、强风化花岗岩

“滑移”型广泛存在于全风化、强风化花岗岩中。尽管均为“滑移”但其变形特征明显不同[7]。对于全风化花岗岩而言，边坡几乎为类土质，其变形破坏特征为：在降雨作用下达到饱和，自重急剧增加，边坡整体发生滑塌，滑塌体呈“倒锥形”；表面存在3～5 cm宽的羽状冲蚀沟隙；坡体后缘形成近直立光滑陡坎，坡脚有水渗出(见图3)。而强风化花岗岩失稳多受结构面控制，边坡发育垂直坡向的原生结构面，初始阶段多以拉张裂缝存在；在降雨浸润、冲蚀、自重作用下，其不断拓展延伸，最终形成统一滑面，发生失稳；后缘擦痕清晰可见，剪切作用明显，前缘有挤压、隆起特征(见图4)。全、强风化花岗岩灾害具有明显的“累进性”和“渐进性”。

4.2 中风化花岗岩

“崩落”型是中风化花岗岩中典型的变形破坏类型。很多专家学者将“崩落”型花岗岩地质灾害定义为“崩岗”问题[8-9]。该型破坏多发育平行、垂直坡向的原生结构面。在风化和降雨侵蚀作用下，在坡顶逐步形成小型沟槽，下部逐步形成纵向“条状、脊状”凸出岩体，在自重和横向结构面切割作用下，崩落发生(见图5)。该类型灾害分布区地表多裸露或植被发育不均，其变形破坏具有显著的“累进性”和“突发性”。

图3 全风化花岗岩滑塌破坏模式Fig.3 Failure mode of slumping deformation of completely-weathered

图4 强风化花岗岩滑塌破坏模式Fig.4 Failure mode of slumping deformation of hightly-weathered

图5 中风化花岗岩崩落破坏模式Fig.5 Failure mode of collapse of moderately-weathered

4.3 微风化花岗岩

“倾倒”和“滑移”型是微风化花岗岩中典型的两种变形破坏类型。调查发现，局部区域的微风化花岗岩中纵切岩体的“X”节理极其发育，通过填充物及降雨冲蚀痕迹可判断其有明显的拓展、延伸变形过程。同时发育缓倾坡外的结构面(见图6)，失稳后缓倾结构面可见明显擦痕。在“X”节理和缓倾结构面共同切割及外界条件作用下发生倾倒失稳，“倾倒”型具有显著的刚性变形破坏特征[10]。“滑移”型并非微风化花岗岩体自身失稳，是沿基-覆界面滑动变形破坏，花岗岩即为滑面(见图7)。表层多为3～5 m残坡积物，下伏基岩光滑，滑体较难赋存，在降雨等外在条件作用下发生滑动失稳，地表顺坡向擦痕特征明显，失稳后形成花岗岩基岩光面，坡脚多形成“倒锥状”滑移堆积体。封开县著名的“斑石岩”地质遗迹景观其实就是该地质现象的典型实例。

图6 微风化花岗岩倾倒破坏模式Fig.6 Failure mode of toppling of slightly-weathered

图7 微风化花岗岩滑移破坏模式Fig.7 Failure mode of sliding of slightly-weathered

4.4 球状风化花岗岩

“崩落(坠落)”型是球状风化花岗岩中典型的变形破坏类型。研究区花岗岩差异性风化特征明显，同一处边坡其风化具显著差异性，如在杏花村一处开挖建设场地强、中、微风化同时出露(见图8)。“崩落(坠落)”型是“球状风化”花岗岩典型地质灾害[11]。强、中风化花岗岩在风化、降雨作用下，逐步剥蚀向内形成凹腔，微风化球状花岗岩则逐步凸出向外平挑，悬于空中(见图9)，达到极限平衡状态后破坏失稳。该类型的灾害虽规模较小，但如果发育高差较大，失稳过程中势能转化成的动能依旧具有极强的破坏性。

图8 差异性风化花岗岩典型剖面Fig.8 Granite typical profile of differentially-weathered

图9 球状风化花岗岩坠落破坏模式Fig.9 Failure mode of falling by spherical-weathered granite

5 宏观判据

地质灾害发生前往往在其形态、表征、细部有明显的特征。通过现场调查、测量、肉眼辨识等方法可进行宏观判断和早期识别。通过对87处不同风化程度的典型花岗岩地质灾害的变形破坏模式的统计分析，可将风化类型、坡形特征、地形坡度、节理裂隙发育状况、细部变形特征等5个要素作为确定其变形破坏的宏观判据。不同风化程度的花岗岩类边坡地质灾害其坡形特征不尽相同，节理裂隙发育程度和位置不同，早期宏观变形迹象、变形破坏的历时过程也不同。据此构建不同风化程度花岗岩类边坡地质灾害变形破坏模式及失稳前的宏观判据(见表3)。调查过程中，课题组借助这些宏观判据在区内其他类似隐患点得到了有效性验证，总体吻合性较好。根据5个要素能够早期识别出可能致灾的隐患点，这些宏观判据可以为区内地质灾害群测群防体系建设提供依据，支撑区域防灾减灾。

表3 花岗岩地质灾害变形破坏模式及宏观判据

6 变形破坏机理

在掌握区内花岗岩差异性风化状况、地质灾害发育分布特征、变形破坏模式的基础上，通过对其变形破坏过程中坡体形态变化、变形迹象、物理力学性质的宏观表征的定性分析，总结出本区域花岗岩地质灾害变形破坏机理主要为以下3种。

6.1 软化崩解机理

软化和崩解变形破坏机理主要体现在全、强、中风化花岗岩地质灾害中。原始边坡具有明显原岩结构，孔隙率高、干密度低，雨水极易入渗。雨水作用增加了岩土体容重，同时水体软化作用逐步增强。降雨入渗后岩土体含水率变大，自重应力的增大导致其下滑力增大，同时雨水软化使得岩土抗剪强度减小，当下滑力大于边坡抗滑力的临界值时，发生滑塌失稳[12]。

耐崩解性差是强、全风化花岗岩的重要特性，即遇水后岩土体易发生崩解作用，岩土体发生结构性破坏，此过程是不可逆的。随着雨水入渗迁移，土体孔隙逐渐被水填充，土体失去了吸水能力，基质吸力显著降低，即土颗粒之间有效凝聚力显著降低，胶结作用受到影响，土体力学强度显著降低，岩土体呈现软化、松散化。此外，边坡体通常处于降雨-暴晒干湿循状况下，温度呈高低循环变化[13]，基质吸力的增加、降低往复循环，导致土体中应力反复波动，这降低了其耐崩解性，极易促使岩土体结构破坏，导致坡体失稳。

6.2 累进性破坏机理

累进性破坏机理在研究区所有花岗岩类边坡地质灾害中均存在。它是一个时间概念，是孕灾、致灾连续的一个过程，只是因风化的差异性，其孕灾、失稳的历时不同。对于全风化滑塌型灾害，自降雨入渗后，岩土体经历了含水率增加、自重增大、基质吸力消散、软化作用、抗滑力降低、破坏失稳这一渐进性、累进性的连续过程，具有显著的累积效应。对于强风化滑塌型灾害亦如此，经历着裂隙拓展、延伸、贯通、滑塌面形成、破坏失稳这一渐进性、累进性的连续过程(见图10)。对于中风化崩落型地质灾害而言，其风化作用、水动力作用更具有显著的累进性：在风化剥蚀、降雨冲刷作用下，沟隙沟槽的形成、结构面切割、应力平衡破坏、破坏失稳同样是持续性、累进性变形破坏过程。微风化花岗岩浅表层顺坡面滑移破坏失稳亦如此，在降雨条件下，局部出现变形滑动、产生“撕口”，随即向周边拓展延伸，当累积到一定程度时，随即发生整体滑动失稳(见图11)。

图10 强-全风化滑移型变形破坏机理Fig.10 The mechanism of deformation and failure of slide by hightly-weathered slump

图11 微风化滑移型变形破坏机理Fig.11 The mechanism of deformation and failure of slide by slightly-weathered

6.3 刚性破坏机理

该类型破坏机理主要发生在微风化和球状风化花岗岩中。以“倾倒、崩落(坠落)”破坏为主。倾倒型崩塌(危岩)岩体力学强度较高，多发育纵张共轭“X”节理，其与缓倾坡外的结构面将岩体切割成板柱状块体(见图12)。在卸荷、水楔作用下，“X”节理不断拓展延伸，板柱状块体重心不断外移，最终刚性折断倾倒，缓倾结构面擦痕明显，据阶步判断其为岩体倾倒失稳过程中产生[14]。而对于“球状风化”产生的崩塌(危岩)，其岩体力学强度较高，现场回弹测试强度达到60～90 MPa，将其包裹的强、全风化花岗岩多为结构松散、渗透性强，极易受雨水侵蚀、流失。随时间推移，微风化“球状”岩体逐步平挑、凸出坡面，呈“悬臂梁“状。当倾倒力矩大于自重产生的抗倾力矩时，“球状”岩体脱离母岩发生崩落(坠落)失稳(见图13)。

图12 微风化倾倒型变形破坏机理Fig.12 The mechanism of deformation and failure of toppling by slightly-weathered

图13 球状风化坠落变形破坏机理Fig.13 The mechanism of deformation and failure of falling by spherical-weathered

7 结 论

对研究区87处不同风化程度花岗岩类地质灾害进行了调查。结果表明：其以全风化和微风化灾害居多，占比60%以上，均为小型；发育多分布在50～220 m、25°～45°的边坡地带，尤其人类工程活动强烈区；时间上多发生在汛期5～9月份。

变形破坏模式可划分为“滑移(滑塌)、倾倒、崩落(坠落)”3种类型。其中“滑移型”多发育分布在全、强和微风化花岗岩中，“倾倒”型多发育分布在微风化花岗岩中，“崩落(坠落)”型多发育分布在中风化和“球状”风化花岗岩中。根据不同风化程度的花岗岩边坡地质灾害变形破坏模式的差异性，将风化程度、坡型特征、地形坡度、节理裂隙发育状况、宏观变形特征等5个因素作为花岗岩类边坡变形破坏及失稳前的宏观判据。据此可对区内花岗岩类边坡地质灾害进行预判和早期识别，支撑服务区域防灾减灾工作。

“软化崩解、累进性破坏、刚性破坏”是研究区花岗岩地质灾害主要的3种变形破坏机理。其中累进性变形破坏机理覆盖了所有花岗岩地质灾害体，软化崩解机理主要体现在中-全风化花岗岩类边坡地质灾害中，而刚性变形破坏机理主要体现在微风化和“球状”风化花岗岩类边坡中。

根据本文研究结论，建议进一步加强区内群测群防，尤其是汛期的“三查”工作，推进群测群防向群专结合转变。同时提出微-全风化花岗岩地质灾害变形破坏过程中水文、物理力学参数等量化指标的获取，强-全风化花岗岩在降雨作用下物理试验，降雨和边坡变形破坏的耦合关系，边坡失稳降雨阈值的研究将是下一步研究工作的重点。