龔壁衛(wèi)，李青云，譚峰屹，童 軍

（長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

1 概 述

據(jù)初步設(shè)計(jì)報(bào)告，南水北調(diào)中線工程全長1 432 km，渠道沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越膨脹巖、土地層累計(jì)長約386．8 km，其中，膨脹巖分布的地段169．7 km。根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》，膨脹土定義為：土中黏粒成分主要由親水礦物組成，同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮2種變形特性的黏性土，而膨脹巖則沒有規(guī)范的說法，一般是指在水的作用下，能發(fā)生體積膨脹、巖體破碎、軟化和泥化現(xiàn)象的一類巖石。目前，區(qū)分巖和土的標(biāo)準(zhǔn)主要是沉積年代。地質(zhì)資料顯示，中線工程膨脹巖主要分布在沙河南 黃河南、黃河北 漳河南段，累計(jì)長約105．53 km。從巖、土物理力學(xué)指標(biāo)上看，膨脹巖與膨脹土的水理特性、主要黏土礦物成分等沒有顯著區(qū)別，不同之處主要在于巖與土的力學(xué)特性。膨脹巖的力學(xué)強(qiáng)度通常高于膨脹土的強(qiáng)度，實(shí)際反映的是巖與土的膠結(jié)程度的差別。由于巖與土的膠結(jié)強(qiáng)度差異，導(dǎo)致它們的變形和破壞形態(tài)有著各自的特點(diǎn)。

膨脹巖與膨脹土雖具有相似的礦物成分和遇水膨脹的特性，對工程的危害也主要是因膨脹變形所引起，但是，由于成巖程度或風(fēng)化程度不同，它們的破壞形態(tài)和破壞機(jī)理也不盡相同。初步分析認(rèn)為，膨脹土邊坡的破壞原因是多種的，如降雨導(dǎo)致的強(qiáng)度衰減和抗滑力降低、膨脹變形、開挖邊坡導(dǎo)致的應(yīng)力松弛、裂隙和結(jié)構(gòu)面的影響等，其破壞形態(tài)也有牽引式、疊瓦式、局部溜塌、深層滑動等；而膨脹巖邊坡的破壞主要是受母巖的風(fēng)化和裂隙影響，破壞形態(tài)主要有局部崩塌、膨脹變形和滑坡等。

圖1 新鄉(xiāng)膨脹巖試驗(yàn)區(qū)全貌Fig．1 General view of expansive rock test region at Xinxiang，Henan Province

2007年9月，經(jīng)水利部水規(guī)總院、國家發(fā)改委、國調(diào)辦等有關(guān)部委批復(fù)，南水北調(diào)中線一期工程總干渠膨脹巖（土）試驗(yàn)段工程（潞王墳）正式開工，該試驗(yàn)段的主要研究目的是為南水北調(diào)中線總干渠膨脹巖渠坡處理提供安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理和有利于環(huán)保的措施，為工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供依據(jù)，以指導(dǎo)總干渠膨脹巖渠段的大面積施工。本文是在分析歸納該試驗(yàn)段中裸坡試驗(yàn)區(qū)試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，對膨脹巖的破壞特征所進(jìn)行的分析研究。

2 試驗(yàn)區(qū)膨脹巖主要地質(zhì)特征

3 膨脹巖變形和破壞特征及主要影響因素

在對試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)黏土巖和泥灰?guī)r2種膨脹巖近2年的觀察中發(fā)現(xiàn)，膨脹巖最普遍的破壞形態(tài)有雨淋溝、風(fēng)化和崩解、膨脹變形和局部坍塌，以及各種形態(tài)的滑坡等。

3．1 雨淋溝

膨脹巖地區(qū)多為干旱和半干旱地區(qū)，多年平均降雨量低于600 mm，主要集中在6 8月份，多以暴雨形式出現(xiàn)。因此，大部分水量以徑流形式匯入江河，少量雨水會沿著巖土體裂隙或孔隙入滲，并引起巖土體膨脹。膨脹后的巖土體凝聚力降低，在下一次降雨過程中被雨水沖刷帶走，在巖土邊坡上形成雨淋溝。

雨淋溝的破壞作用在于它加強(qiáng)了雨水的入滲通道，加速膨脹巖的風(fēng)化作用。水流匯集，還會淘空建筑物地基，使建筑物發(fā)生整體失穩(wěn)。與膨脹土所不同的是，膨脹巖的不均勻性，使得雨淋溝的現(xiàn)象更為嚴(yán)重，影響更大。

通過對潞王墳試驗(yàn)段裸坡試驗(yàn)區(qū)的長期觀測，試驗(yàn)段雨淋溝有如下重要特征：

（1）一般在開挖斷面形成3個月后出現(xiàn)；

（2）雨淋溝的規(guī)模與地層巖性有關(guān)，泥灰?guī)r的雨淋溝一般比黏土巖規(guī)模??；

（3）雨淋溝的規(guī)模與邊坡坡比無關(guān)，與邊坡的朝向也無關(guān)。

在臨床上，經(jīng)?？梢砸姷脚及l(fā)性，甚至頻發(fā)性早搏，應(yīng)與心肌炎引起的早搏鑒別。符合下列情況者屬良性早搏：無心臟病史，常偶然發(fā)現(xiàn)；寶寶無自覺癥狀，活動如常，心臟不大，無器質(zhì)性雜音；早搏在夜間及休息時多，活動后心率增快，早搏明顯減少或消失。

從表1可以看出，經(jīng)過一年的干濕循環(huán)和大氣降雨，試驗(yàn)區(qū)雨淋溝的最大平均沖刷深度達(dá)到0．36～0．55 m，最大平均寬度達(dá)到0．85～1．19 m，而且，風(fēng)化主要發(fā)生在黏土巖地層中。

表1 裸坡試驗(yàn)區(qū)雨淋溝沖刷調(diào)查（2008年9月資料）Table 1 Investigation for the rainfall flushed ditches（sept．2008）

3．2 風(fēng)化與崩解

由于地質(zhì)年代的不同，膨脹巖地區(qū)的土體膠結(jié)能力更強(qiáng)，在土體特性上顯示出更多“巖”的性質(zhì)，如風(fēng)化與崩解等。

一般巖石風(fēng)化以后形成的土體通常具有較好的物理力學(xué)特性，而膨脹巖風(fēng)化以后，由于其黏土礦物含量較高，因此，風(fēng)化后的土體與膨脹土一樣，具有較強(qiáng)的膨脹性。與膨脹土所不同的是，膨脹巖風(fēng)化后的土體顆粒較粗，滲透性較大，粒間凝聚力較小，因此，即使膨脹性不高，仍然會產(chǎn)生顯著的破壞。

根據(jù)巖性的不同，對應(yīng)的破壞形態(tài)也有所不同：黏土巖主要表現(xiàn)為風(fēng)化、剝落，并隨地表徑流的流失，其風(fēng)化深度和程度明顯高于泥灰?guī)r；而泥灰?guī)r通常發(fā)生崩解，特征是局部、整塊巖體的塌落。分析原因認(rèn)為，泥灰?guī)r的膠結(jié)強(qiáng)度明顯高于黏土巖，而從膨脹性的角度而言，黏土巖的膨脹性普遍較泥灰?guī)r高，因此，影響兩種巖體風(fēng)化程度的主要因素是膠結(jié)強(qiáng)度和膨脹性。

在試驗(yàn)6區(qū)至試驗(yàn)7區(qū)的過渡段，開挖了一段高約3 m，縱深約6 m的黏土巖直立邊坡，經(jīng)過長達(dá)3個月的觀測，初步掌握了黏土巖隨時間風(fēng)化、崩解的過程。

圖2為2008年11月至2009年4月觀測站點(diǎn)的降雨（雪）情況，在觀測期間由自動氣象站記錄有5次明顯的降雨（雪）過程。其中，2月8日至2月9日，累計(jì)降雨量8 mm。2月18日雨夾雪，2月19日小雪，2月23日至2月25日累計(jì)降雨量5．8 mm。3月12日至3月13日累計(jì)降雨量4 mm。3月20日晚大雨，3月20日至3月23日累計(jì)降雨14．2 mm。

圖3為觀測站24個觀測點(diǎn)坡面的相對變形，縱坐標(biāo)軸的正值表示坡面的風(fēng)化、剝落厚度，負(fù)值表示坡面的膨脹隆起。從圖3中可以看到，黏土巖每經(jīng)歷一場降雨以后，其風(fēng)化程度均有所加重。一般在斷面開挖一個月以后，坡面已經(jīng)嚴(yán)重風(fēng)化，其風(fēng)化深度最大達(dá)到16 mm；在斷面開挖3個月以后，最大風(fēng)化深度達(dá)33 mm，而在經(jīng)歷一年的干濕循環(huán)和雨雪沖刷以后，最終在2009年7月的一次強(qiáng)降雨后發(fā)生了大面積垮塌。

圖2 試驗(yàn)區(qū)降雨觀測圖Fig．2 Monitoring picture of rainfall at the test region

圖3 開挖面崩解變形觀測Fig．3 Disintegration deformationsmonitoring for the excavation

3．3 膨脹變形和局部坍塌

膨脹巖的膨脹變形與巖體的黏土礦物成分和脹縮特性密切相關(guān)，就本試驗(yàn)區(qū)而言，黏土巖的膨脹性普遍高于泥灰?guī)r。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場取樣分析表明，黏土巖的自由膨脹率一般為54%～70%，泥灰?guī)r的自由膨脹率一般為36%～64%。因此，在裸坡試驗(yàn)區(qū)所進(jìn)行的人工降雨試驗(yàn)中，各坡面在降雨過程以及降雨干濕循環(huán)以后所反映的變形特征也具有明顯的差異。以1－1試驗(yàn)區(qū)一級馬道以下左、右邊坡為例。該試驗(yàn)區(qū)左坡坡比 1∶1．5，右坡坡比 1∶2．0。由于地層沉積原因，左坡上部以泥灰?guī)r為主，下部和渠底為黏土巖；右坡除頂部少量泥灰?guī)r外，其余為黏土巖，靠近渠底有一層砂質(zhì)黏土巖。

在同樣經(jīng)歷了大氣降雨和人工降雨、干濕循環(huán)以后，左坡發(fā)生了淺層滑動，而右坡主要的破壞形態(tài)為隆起變形和局部坍塌。根據(jù)降雨試驗(yàn)后所作的地表測量，右側(cè)渠坡的變形范圍為沿渠道水流方向長約14．2 m，沿坡面方向長約3．5 m。在渠坡坡面上緣距離一級馬道約1．0 m（順坡面長）處形成一個高69 cm跌坎，坡面下緣在高程100．81處形成一道長約20余m連續(xù)的隆起帶。整個渠坡隆起最高點(diǎn)的隆起量45 cm，高程為100．25。

表2為高程100．81處橫剖面隆起量統(tǒng)計(jì)。測量成果顯示，1－1右坡高程100．81處最大變形位于降雨區(qū)域的中部，隆起量為28．7 cm，降雨區(qū)域沿渠道水流方向整個坡面膨脹變形呈中間高，兩頭低的形態(tài)，顯然，這與兩端未降雨區(qū)域的約束有關(guān)。整個渠坡未發(fā)生明顯的滑坡，原因在于近渠底附近存在一層砂質(zhì)黏土巖。

表2 1－1右坡高程100．81處降雨后隆起量Table 2 Heaves at different points of the right slope at the elevation 100．81 m

3．4 滑坡破壞

膨脹巖滑坡主要有淺層滑動和深層滑動2類，但大多數(shù)還是屬于淺層滑動。淺層滑動一般是指滑弧處于大氣影響范圍以內(nèi)的，深度1～2 m的滑坡。與膨脹土具有明顯的多層結(jié)構(gòu)（疊瓦式）不完全相同，膨脹巖的淺層滑動多表現(xiàn)出沿裂隙面的塌滑或崩塌，層疊現(xiàn)象并不十分明顯，多在后緣出現(xiàn)很寬的開裂和張拉裂縫。

從滑坡的內(nèi)因分析，主要有巖土水理特性和結(jié)構(gòu)特征。水理特性主要是指巖土的黏土礦物成分含量過高，遇水膨脹，強(qiáng)度降低；失水收縮，巖體開裂等。結(jié)構(gòu)特征主要是指地層結(jié)構(gòu)、裂隙面等。滑坡的外因則主要是降雨或地下水位變動導(dǎo)致巖土的水分變化和開挖卸荷。

3．4．1 降雨引起的滑坡

根據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃，本試驗(yàn)段第一試驗(yàn)區(qū)為裸坡試驗(yàn)區(qū)，即渠坡開挖后不作任何防護(hù)，直接受大氣降雨蒸發(fā)，以及渠道浸水等環(huán)境因素作用，然后，再通過控制雨量、雨型的人工降雨，研究渠坡在降雨作用下的變形規(guī)律和破壞特征。其中，1－1區(qū)左側(cè)渠坡在人工降雨2 d，累計(jì)降雨約6 h后，一級馬道以下發(fā)生大面積淺層滑坡，見圖4。滑坡位于一級馬道以下，樁號SY0＋061．8至 SY0＋075，高程94．75至103．76，滑坡呈扇形展開?；虑熬墝?3．2 m，后緣寬5．6 m，后緣跌坎高1．5 m，滑弧深度約1．5 m。從滑坡的形態(tài)上看，是一個比較典型的淺層滑動，但滑坡體以塊狀的巖體居多，局部甚至存在整塊巖體平移的現(xiàn)象，顯示出巖與土在變形和滑動特征上的差異。

圖4 降雨引起的滑坡Fig．4 Landslide caused by a rainfall

圖5 非試驗(yàn)區(qū)開挖引起的滑坡Fig．5 The photo of expansive rock landslide

從滑坡后的取樣分析試驗(yàn)顯示，該滑坡體的含水率在降雨前后發(fā)生了顯著的變化，尤其是淺、表層（0．5 m）的土體的含水率由9．8%增大到15．7%，而吸力則由50 kPa降低到0。根據(jù)Fredlund抗剪強(qiáng)度理論，吸力對土體抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)可以表示為：τ＝（ua－uw）tanφb，結(jié)合室內(nèi)非飽和土強(qiáng)度試驗(yàn)，本試驗(yàn)區(qū)泥灰?guī)rφb＝20°，因此，50 kPa吸力對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)為18．1 kPa，換言之，由于吸力的降低，使得渠坡巖土體的凝聚力降低了18．1 kPa，可以說巖土體抗剪強(qiáng)度降低是滑坡的主要原因之一。

3．4．2 開挖卸荷引起的滑動

膨脹巖（土）邊坡的淺層滑動在開挖期和運(yùn)行期均有發(fā)生，如前所述，運(yùn)行期的滑動主要是巖（土）體的水份變化導(dǎo)致的抗滑力減小，滑動力增大和膨脹變形；而施工期的滑動主要是卸荷引起的側(cè)向約束力減小和層間結(jié)構(gòu)面（裂隙面）的存在。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，膨脹巖（土）邊坡在開挖期的滑動主要受巖（土）層產(chǎn)狀和裂隙面走向趨勢控制。本試驗(yàn)段的非試驗(yàn)區(qū)，在開挖期發(fā)生了一處較大范圍的淺層滑動，見圖5。

據(jù)地質(zhì)報(bào)告，該滑坡體位于試驗(yàn)段樁號SY1＋179．7至SY1＋240．5渠道左側(cè)二至四級馬道的渠坡上，滑塌體長度60．8 m，滑坡方量約900 m3?；麻_始是因開挖卸荷引起，當(dāng)時施工單位正進(jìn)行二級馬道以下渠坡修坡，滑坡從三級馬道開始啟動，上緣出現(xiàn)寬0．5～0．8 m的張拉裂縫，還伴有一組X形剪切裂隙，并有約3 m左右的跌坎，滑坡體最大厚度約1．2 m。

通過現(xiàn)場地質(zhì)人員對滑坡體進(jìn)行的坑槽勘探，發(fā)現(xiàn)此段黏土巖中裂隙發(fā)育，其中，走向270°～340°的裂隙共計(jì)38條，與區(qū)域斷裂構(gòu)造線方向基本一致，并發(fā)現(xiàn)有一條連通性較好的裂隙。此外，地質(zhì)編錄表明，此段裂隙面、層間面、軟弱夾層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，其中一組傾向南東向的緩傾角結(jié)構(gòu)面與滑坡體滑動面一致，其裂隙面上有1～2 mm泥化夾層，并有鐵錳結(jié)核擦痕、蠟狀光澤等，含水率高?，F(xiàn)場取樣試驗(yàn)表明，滑動面上土體的自由膨脹率為61．5%～105%，但原狀樣天然狀態(tài)的中型剪切試驗(yàn)強(qiáng)度偏高，主要與滑動面起伏不平等因素有關(guān)。

分析滑坡發(fā)生的機(jī)理可知，地質(zhì)構(gòu)造和開挖施工是滑坡的主要誘因，其中，場區(qū)結(jié)構(gòu)面走向與渠道走向一致，傾向與渠道邊坡傾向一致，滑動前緣傾角較緩，并小于渠道開挖坡角是滑坡的內(nèi)因；外因則是邊坡開挖導(dǎo)致巖土體的側(cè)向約束喪失。此外，附近的爆破施工，也是引起滑坡的因素之一。

4 結(jié) 語

通過現(xiàn)場試驗(yàn)、觀測，對膨脹巖渠道邊坡的變形和破壞機(jī)理有了以下初步認(rèn)識：

（1）膨脹巖渠坡的變形和破壞特征主要表現(xiàn)為雨淋溝、坡面隆起和局部淺層滑動。雨淋溝的產(chǎn)生主要是由于巖體的反復(fù)干濕循環(huán)、巖體風(fēng)化、剝落和雨水的沖刷；坡面隆起則主要是巖土的膨脹特性；而淺層滑動主要受裂隙面或結(jié)構(gòu)面的影響與控制。

（2）造成膨脹巖渠坡破壞的外在因素是施工卸荷、干旱半干旱的氣候和降雨。就降雨因素而言，本次現(xiàn)場試驗(yàn)和觀測成果再一次揭示，降雨的雨量、雨型、歷時是引起滑坡破壞的主要外在因素，歷時長、雨量小的降雨最容易引起渠坡的破壞。

（3）從膨脹巖渠坡的破壞機(jī)理出發(fā)，可以更有針對性的選擇渠坡的處理方案，如采取表層防護(hù)和裂隙處理的措施等。

［1］ 河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司，長江水利委員會長江科學(xué)院，南水北調(diào)中線一期工程總干渠膨脹巖（土）試驗(yàn)段工程（潞王墳）段初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］．武漢：長江科學(xué)院，2006．

［2］ 河南省水利勘測總隊(duì)．南水北調(diào)中線一期工程總干渠膨脹巖（土）試驗(yàn)段工程（潞王墳）段招標(biāo)設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］．鄭州：河南省水利勘測總隊(duì)，2007．

［3］ 長江水利委員會長江科學(xué)院，河南省水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司．南水北調(diào)中線一期工程總干渠膨脹巖（土）試驗(yàn)段工程（潞王墳）段現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)施細(xì)則（修訂稿）［R］．武漢：長江科學(xué)院，2007．