■楊春光 湛丹

（河北省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì)河北唐山063000）

上硬下軟結(jié)構(gòu)斜坡的失穩(wěn)模式及機(jī)理研究
--以四川李家寨危巖崩塌為例

■楊春光 湛丹

（河北省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì)河北唐山063000）

上硬下軟結(jié)構(gòu)斜坡的失穩(wěn)模式和機(jī)理，一直是工程地質(zhì)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。這類斜坡往往上部為灰?guī)r、砂巖等硬脆巖層，下部為頁(yè)巖、泥巖等軟弱巖層，在長(zhǎng)期的卸荷、風(fēng)化等作用下，斜坡被節(jié)理切割，容易失穩(wěn)。本文以李家寨山體斜坡為例，對(duì)上硬下軟結(jié)構(gòu)斜坡的失穩(wěn)模式和機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)果表明，這類斜坡主要以傾倒式和滑移式崩塌兩種模式失穩(wěn)破壞。由于長(zhǎng)期卸荷及風(fēng)化作用，在斜坡體內(nèi)發(fā)育兩組平行和垂直于坡面的節(jié)理，加上差異風(fēng)化在軟硬巖接觸部位發(fā)育的凹腔，巖體被切割成獨(dú)立于母體的危巖體。另外，降雨通過(guò)后緣節(jié)理裂隙滲入坡體內(nèi)，產(chǎn)生近似水平向和垂向的靜水壓力，增加了危巖體的下滑力、減小了抗滑力，在這些因素的綜合作用下，斜坡失穩(wěn)。

上硬下軟地層 斜坡 失穩(wěn)模式 失穩(wěn)機(jī)理 靜水壓力

1　引言

上硬下軟結(jié)構(gòu)巖質(zhì)斜坡的破壞模式和失穩(wěn)機(jī)理，是目前工程地質(zhì)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。對(duì)于這類地層結(jié)構(gòu)邊坡的失穩(wěn)模式和機(jī)理研究，目前成果較多，殷躍平認(rèn)為上部硬巖中富水而下部軟巖隔水的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)是斜坡失穩(wěn)的關(guān)鍵；劉傳正認(rèn)為上部厚層硬質(zhì)巖石、下伏相對(duì)軟弱層組成的上硬下軟地層結(jié)構(gòu)條件下斜坡易發(fā)生崩塌破壞。上硬下軟結(jié)構(gòu)巖質(zhì)斜坡形成危巖體和發(fā)生崩塌災(zāi)害的例子較多。比如，三峽庫(kù)區(qū)鏈子崖危巖體上部是硬質(zhì)的灰?guī)r、下部相對(duì)軟弱的煤系地層；貴州關(guān)嶺大寨崩塌-滑坡上部為灰?guī)r、白云巖，中部為相對(duì)較緩的砂巖地層，下部為局部含煤的頁(yè)巖、泥巖地層，總體為上硬下軟結(jié)構(gòu)；胡斌等認(rèn)為上硬下軟邊坡崩塌形成的主要原因是由于差異風(fēng)化在下部軟巖部位形成凹腔，導(dǎo)致上部硬巖產(chǎn)生拉裂并逐漸貫通，而陳洪凱等[8]以三峽庫(kù)區(qū)危巖下部巖腔內(nèi)常見的泥巖為例，探索了區(qū)別于差異風(fēng)化的泥巖壓裂風(fēng)化作用；鄒威[2]等通過(guò)大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究認(rèn)為，上硬下軟巖質(zhì)邊坡破壞主要是巖層后緣拉裂后整體剪切錯(cuò)動(dòng)，最終形成崩塌；王根龍[3]等認(rèn)為上硬下軟邊坡中軟弱巖層在上部巖體壓力作用、遇水軟化、長(zhǎng)期風(fēng)化剝落等因素作用下，不斷壓縮并向臨空方向塑性流動(dòng)，導(dǎo)致上覆較堅(jiān)硬巖層拉裂，形成塑流--拉裂式危巖體。

本文以四川省南江縣紅四鄉(xiāng)李家寨山體斜坡為例，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和勘測(cè)的基礎(chǔ)上，查明斜坡的工程地質(zhì)條件，揭示其失穩(wěn)模式和失穩(wěn)機(jī)理，為危巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和治理工作提供科學(xué)依據(jù)。

圖1　危巖體分布及其周邊概況圖

圖2　李家寨山體斜坡典型剖面，圖1中I-I'剖面

2　李家寨山體斜坡基本特征

李家寨位于四川省南江縣紅四鄉(xiāng)，是鄉(xiāng)政府所在地（圖1），距離南江縣城南西30km。李家寨山體在平面上呈一北西至南東向橢圓形，山頂平緩，四周為斷崖。山體西側(cè)、東側(cè)相對(duì)平緩地帶為鄉(xiāng)政府、鄉(xiāng)衛(wèi)生院、鄉(xiāng)糧站及鄉(xiāng)獸醫(yī)站所在地，惠民村一社村民主要居住場(chǎng)所，并有紅四鄉(xiāng)至長(zhǎng)赤鎮(zhèn)鄉(xiāng)級(jí)水泥路（長(zhǎng)紅路）、紅四鄉(xiāng)至沙河鄉(xiāng)村公路（紅沙路）通過(guò)。如圖1所示，目前，沿李家寨山體周圍，發(fā)育13處危巖，其中2008年汶川地震中及其隨后的降雨危巖1、3、8、9、10已經(jīng)失穩(wěn)，并且還有再次失穩(wěn)的可能，其余危巖也均有失穩(wěn)的可能，嚴(yán)重威脅山體周圍居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

南江縣地形以中低山為主，境內(nèi)河流切割深度較大，河谷多較狹窄，形成諸多峽谷地貌。在南江縣總體地貌格局的控制下，李家寨山體表現(xiàn)為長(zhǎng)約500m、寬80～110m的北西-南東向低山，山頂平緩，四周為斷崖，陡崖壁總長(zhǎng)1.2km，崖高15～30m，崖下坡面陡峻，一般35°～45°，局部達(dá)60°，與山頂相對(duì)高差達(dá)50～80m（圖2）。

南江縣降雨充沛，年平均降雨量達(dá)到1198.7mm。降雨在時(shí)間分布不均勻性，多集中在 4-10月。1983年降水量最高，達(dá)1832.5mm，1979年最低為829.3mm，1974年9月出現(xiàn)日最大降雨量，達(dá)258.8mm。大雨開始期平均在4月20日左右，大雨結(jié)束期平均在10月3日前后。全年平均降水量日數(shù)為141天。

李家寨山體斜坡地層主要是白堊系劍門關(guān)組和第四系，自上至下依次為：①青灰色強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化厚至巨厚層中細(xì)粒砂巖，產(chǎn)狀為145～169°∠9～10°，厚度15～30m，其間夾含礫砂巖、細(xì)粒砂巖構(gòu)成軟弱夾層（厚度0.2～0.4m），坡面均直立狀，構(gòu)成一級(jí)陡崖，節(jié)理裂隙發(fā)育，為危巖體的主要原生層；②棕紅色強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，產(chǎn)狀145～169°∠9～10°，總厚度4～10m，其抗風(fēng)化能力較上覆粉砂質(zhì)砂巖弱，差異風(fēng)化導(dǎo)致砂巖與粉砂質(zhì)泥巖的接觸部位形成凹巖腔，促進(jìn)了危巖體的產(chǎn)生；③厚層細(xì)粒砂巖，產(chǎn)狀145～169°∠9～10°，總厚度2～8m，顆粒較細(xì)，強(qiáng)度稍弱，在山體東側(cè)較發(fā)育，構(gòu)成二級(jí)陡崖，節(jié)理裂隙發(fā)育地段亦構(gòu)成危巖體；④棕紅色粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖互層，產(chǎn)狀135～145°∠5～8°，分布至山腳溝谷，其下部表層基本覆蓋第四系崩坡積物和殘坡積物，坡面稍緩，坡角35～45°，局部達(dá)60°以上。地層在剖面上的分布如圖2。

由于受到長(zhǎng)期的構(gòu)造、卸荷和風(fēng)化作用，李家寨山體中節(jié)理發(fā)育，主要的節(jié)理有四組，它們的產(chǎn)狀分別為：第一組：40°～90° ∠80°～90°、第二組：135°～180°∠70°～85°、第三組：185° ～250°∠75°～90°、第四組：300°～357°∠75°～85°。這四組節(jié)理的走向分別與橢圓形山體四周的坡面走向大致平行，對(duì)于傾向一個(gè)方向的坡面，一般受到平行于坡面的一組卸荷節(jié)理與另一組垂直于坡面節(jié)理裂隙的切割，就形成了柱狀巖體。

3　李家寨山體斜坡失穩(wěn)模式

對(duì)李家寨山體周圍已經(jīng)發(fā)生的幾處崩塌和潛在崩塌的巖體結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制進(jìn)行調(diào)查總結(jié)，發(fā)現(xiàn)李家寨危巖體均發(fā)育于斜坡上部的硬脆性巖層即厚層的中粗粒砂巖中，控制危巖體穩(wěn)定性的因素主要有兩個(gè)：

（1）節(jié)理裂隙切割。李家寨山體四面陡崖，都受到與崖面平行和垂直的兩組節(jié)理裂隙切割，形成了柱狀的巖體。例如7～11號(hào)危巖體，受到了與坡面平行的第一組節(jié)理和與坡面垂直的第二組節(jié)理切割，形成了柱狀巖體。

（2）巖體凹腔。由于上部粗粒砂巖和下部粉砂質(zhì)泥巖的差異風(fēng)化，使兩者接觸部位形成大量凹腔。這些凹腔起到兩個(gè)作用，第一是和節(jié)理裂隙一起，把巖體切割成獨(dú)立于母體的危巖體，第二是使上部的硬脆性巖體失去支撐，容易失穩(wěn)。

在上面兩方面因素的控制下，危巖體的失穩(wěn)模式，主要取決于斜坡的坡度及與斜坡坡面平行的卸荷節(jié)理的產(chǎn)狀。卸荷節(jié)理的特點(diǎn)是其產(chǎn)狀與斜坡的坡面基本一致，因此，當(dāng)斜坡坡面較陡時(shí)，發(fā)育的卸荷節(jié)理產(chǎn)狀便陡，反之亦反。這組卸荷節(jié)理的產(chǎn)狀控制著危巖體的失穩(wěn)模式（見圖3、圖4）：

圖3　傾倒式崩塌

圖4　滑移式崩塌

（1）傾倒式崩塌。一般發(fā)生在陡坡，且坡體后部存在與邊坡坡向一致的陡傾、斷續(xù)貫通的主控卸荷節(jié)理面，由于差異風(fēng)化危巖體底部凹巖腔發(fā)育，局部臨空，危巖體垂心多位于基座臨空支點(diǎn)外側(cè)，支點(diǎn)為中風(fēng)化巖層外緣點(diǎn)，形成傾倒式破壞。

（2）滑移式崩塌。相對(duì)于傾倒式崩塌，此類破壞模式發(fā)育在坡度較緩的斜坡中，相應(yīng)地斜坡后部連續(xù)貫通的節(jié)理面產(chǎn)狀也較緩，因此，被切割的獨(dú)立巖體能夠沿著后部節(jié)理面和坡面發(fā)生滑移。

4　李家寨山體斜坡失穩(wěn)機(jī)理

李家寨山體斜坡的失穩(wěn)機(jī)理，主要包括三個(gè)方面，除了節(jié)理切割形成獨(dú)立巖體、差異風(fēng)化在軟硬巖接觸部位形成凹腔等斜坡體自身因素外，降雨入滲在坡體內(nèi)產(chǎn)生水平推力和浮托力，是坡體失穩(wěn)的外部誘發(fā)機(jī)理。

在李家寨山體斜坡中，上部粗砂巖中節(jié)理裂隙發(fā)育，是很好的儲(chǔ)水介質(zhì)，且為雨水入滲的良好通道。南江縣雨水充沛且極其分布不均勻，在雨季降雨量大，雨水沿節(jié)理裂隙迅速下滲并充滿裂隙，但是砂巖下部的粉砂質(zhì)泥巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育，透水性小，是天然的隔水介質(zhì)。入滲的雨水在粗砂巖裂隙和砂泥巖交界處聚集，對(duì)已經(jīng)被節(jié)理裂隙切割形成的獨(dú)立粗砂巖施加水平向的靜水壓力和豎向的浮托力（圖5），水平力增大了危巖體的下滑力，而浮托力則減小危巖體有效應(yīng)力，進(jìn)一步減小危巖體的抗滑力，在兩者的作用下，危巖體極易在雨季失穩(wěn)破壞。

圖5　危巖體地下水作用模型

5　結(jié)論

以李家寨山體斜坡為例，在詳細(xì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)上硬下軟結(jié)構(gòu)斜坡的失穩(wěn)模式和失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了研究，得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：

（1）上硬下軟結(jié)構(gòu)斜坡的失穩(wěn)部分一般來(lái)自于上部硬脆性巖層，在長(zhǎng)期構(gòu)造、卸荷和風(fēng)化作用下，巖體節(jié)理裂隙和由于差異風(fēng)化形成的巖石凹腔切割成獨(dú)立的危巖體，其失穩(wěn)模式一般有兩種：傾倒式和滑移式崩塌，主要取決于斜坡的坡度和平行于坡面的節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀。

（2）上硬下軟結(jié)構(gòu)斜坡的失穩(wěn)機(jī)理包括三個(gè)方面：斜坡巖體受到兩組節(jié)理和軟硬巖接觸部位凹腔的切割形成獨(dú)立巖體；巖體凹腔使上部切割形成的危巖體失去支撐；雨水入滲在斜坡體內(nèi)形成水平與垂向兩個(gè)方向的靜水壓力，減小了危巖體的抗滑力而增大了它的下滑力。

[1]宋玉環(huán),黃潤(rùn)秋,巨能攀,趙建軍，許兵.鯉魚塘水庫(kù)溢洪道邊坡穩(wěn)定性的巖體結(jié)構(gòu)分析 [J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào).2010,18(4):529-533.

[2]鄒威,許強(qiáng),劉漢香,陳龍,王龍.強(qiáng)震作用下層狀巖質(zhì)斜坡破壞的大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng).2011,04:143-149.

[3]王根龍,王根龍,伍法權(quán),祁生文,于國(guó)強(qiáng),蘇天明.塑流-拉裂式崩塌機(jī)制及評(píng)價(jià)方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2013,32（增1），2863-2869.

[4]河北地礦建設(shè)工程集團(tuán)隧道工程公司.南江縣紅四鄉(xiāng)李家寨崩塌應(yīng)急勘查報(bào)告[R],2009.3.

P694[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-7-306-2

楊春光（1967～），男，大專，地質(zhì)調(diào)查專業(yè)，工程師，研究方向?yàn)闉?zāi)害地質(zhì)、水文工程地質(zhì)、地?zé)岬刭|(zhì)的勘查與評(píng)價(jià)。