顧宏偉， 葉海林

(1.和平村退休干部住房建設工程指揮部,北京100021； 2.總裝備部工程設計研究院, 北京 100028)

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三峽庫區(qū)軟硬互層近水平地層高切坡崩塌研究

顧宏偉1， 葉海林2

(1.和平村退休干部住房建設工程指揮部,北京100021； 2.總裝備部工程設計研究院, 北京 100028)

由泥、砂巖互層或厚層砂巖夾泥巖等形成的類似“夾心餅干”的軟硬互層水平層狀結構邊坡，是三峽庫區(qū)分布較為廣泛的一種邊坡結構類型，同時，由于泥、砂巖風化速度的不同而產生的崩塌災害現(xiàn)象是三峽庫區(qū)最為常見的一種地質災害。文章首先從地形地貌、地層巖性、結構面組合、降雨作用和風化作用等方面對軟硬互層高切坡的崩塌形成原因進行研究，軟硬巖的差異性風化而造成的軟巖空腔和硬巖中的結構面組合是造成崩塌的主要原因；其次，基于野外調查的地質現(xiàn)象分析，得到了軟硬互層高切坡崩塌主要有傾倒、滑移、塑流拉裂、懸臂拉張、錯斷等破壞機制；最后，通過離散元數(shù)值模擬，對泥砂巖軟硬互層高切坡崩塌的形成破壞過程進行了分析，其破壞過程為泥巖剝落-巖腔-砂巖裂隙張開-危巖體彎曲-傾倒崩塌-堆積坡腳。研究成果對三峽庫區(qū)高切坡地質災害的認識和防治有一定的意義。

巖土力學； 軟硬互層； 崩塌； 差異風化； 破壞機制； 離散元數(shù)值模擬

三峽庫區(qū)涉及湖北省、重慶市共20個縣(區(qū))， 277個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。規(guī)劃需要搬遷總人口124.55萬人，遷建縣城(城市)12座，集鎮(zhèn)116座，搬遷工礦企業(yè)1 629家，還有大量公路、電力、通訊等專業(yè)設施。三峽庫區(qū)在大規(guī)模移民搬遷安置和工程建設過程中，雖然注重了地質選址，但由于地處山區(qū)，為了有效利用土地資源，不可避免地形成了大量高切坡。2003年前已完成高切坡治理工程1 490個，目前正在治理的1 198處。隨著大壩蓄水、三期移民搬遷任務的基本完成，三峽庫區(qū)三期地質災害防治高切坡防護工程也已經(jīng)基本完成。這些人工開挖的高切坡由于地質條件復雜，巖體破碎，易于風化，所暴露的地質災害問題日益突出，國內學者對其進行了大量的研究工作，如羅元華等人[1]提出了三峽庫區(qū)存在嚴重失穩(wěn)隱患的邊坡主要有5種類型，并對存在不穩(wěn)定隱患的高切坡給除了各種工程防護措施；殷躍平[2]系統(tǒng)研究了三峽庫區(qū)的邊坡結構類型，并對典型邊坡開挖前后邊坡破壞過程進行了分析；祝介旺等[3-4]對庫區(qū)萬州段高切破的致災因素、破壞模式、防護措施等進行了研究。

在三峽庫區(qū)由泥、砂巖互層或厚層砂巖夾泥巖等形成的類似“夾心餅干”的軟硬互層水平層狀結構高切坡，是庫區(qū)分布較為廣泛的一種邊坡結構類型，在云陽、萬州、忠縣、開縣等地有著廣泛分布[5]。對于泥、砂巖互層結構的邊坡，由于砂巖抗風化能力要遠遠高于泥巖，受差異風化的影響，抗風化能力較弱的泥巖容易被剝蝕形成空腔，同時砂巖受結構面切割，從而產生崩塌，不同程度地威脅到城鎮(zhèn)基礎設施、建構筑物和人民生命財產的安全。本文在對三峽庫區(qū)泥、砂巖軟硬互層近水平地層高切坡現(xiàn)場調查和前人研究的基礎上，對軟硬互層近水平地層高切坡崩塌破壞的形成原因、破壞機制等進行研究，并結合典型實例，對其崩塌的形成破壞過程進行模擬分析。

1 高切坡崩塌的形成原因

1.1 地形地貌

地形地貌主要表現(xiàn)在斜坡坡度上，高陡的斜坡地形是形成崩塌落石的必要條件。從區(qū)域地貌條件看，崩塌形成于山地、高原地區(qū)；從局部地形看，崩塌多發(fā)生在高陡斜坡處，如峽谷陡坡、沖溝岸坡、深切河谷的凹岸等地帶。崩塌多發(fā)生于坡度大于55°、高度大于30 m、坡面凹凸不平的陡峻斜坡上[6]。三峽庫區(qū)的移民遷建形成的高切坡，由于受地形條件的限制，多比較陡峻，為崩塌發(fā)生提供了條件。如對三峽庫區(qū)萬州高切坡防護治理標段Ⅲ的36個高切坡坡角進行統(tǒng)計，坡角都在30°以上，角度大于50°的約占90 %，角度大于60°的占75 %，邊坡非常陡峻[7]。

1.2 地層巖性

地層巖性是崩塌形成的基本條件。三峽庫區(qū)軟硬互層類高切坡，軟巖主要為泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，礦物成分以伊利石、蒙脫石等為主，具強親水性，遇水膨脹、浸水崩解、失水干裂，網(wǎng)狀裂紋密集，干、濕交替變化極易產生碎裂崩解；砂巖礦物成分多以石英、長石為主，部分云母、巖屑，膠結物成分為粘土礦物、鐵質、鈣質等，耐崩解性強，其崩解性對比室內試驗如圖1所示。泥巖類抗風化能力極弱，風化后即呈鱗片狀剝落，現(xiàn)場觀察，泥巖類高切坡經(jīng)開挖暴露后，表層即產生風化剝落并堆積于坡腳，且高切坡開挖暴露時間愈長，則坡腳風化剝落堆積物愈厚；砂巖類強度較高，屬硬質巖石，抗風化能力較強，由于泥、砂巖之間的差異風化常常在砂巖的下部形成巖腔。砂巖中裂隙較發(fā)育，特別是砂巖高切坡的卸荷裂隙常與其它裂隙組合切割形成不穩(wěn)定塊體或危巖，當在一定的水平壓力(如靜、動水壓力，振動)或巖腔加深砂巖塊體重心不斷外移等條件發(fā)展到一定程度時，這種不穩(wěn)定塊體則可能突然失穩(wěn)產生崩塌。

(a)奉節(jié)膠家灣高切坡泥巖浸水1 d崩解

(b) 開縣獅子堡砂巖高切坡砂巖浸水1 d圖1 泥、砂巖室內浸水崩解性試驗

1.3 邊坡巖體結構面組合

斷裂、節(jié)理、裂隙、地層界面等各種結構面使巖層遭受不同程度的破壞，把完整的巖體切割成大小不同的塊體，形成崩塌失穩(wěn)的物質基礎。若高切坡坡面平行主應力面時，坡體特別是砂巖組成的坡體，尤其容易因應力松弛形成條帶狀減壓帶，發(fā)生卸荷張裂，為崩塌落石的產生提供良好條件，形成大型崩塌。結構面還會在雨季積水，產生較大的靜水壓力和側壓力。陡傾的卸荷裂隙與緩傾的地層界面組合非常有利于崩塌的發(fā)生。

1.4 降雨和地下水

三峽庫區(qū)高切坡位于三峽蓄水位以上，不受三峽水庫蓄水的影響，但受降雨和地下水作用影響明顯，降雨和地下水對崩塌的發(fā)生起誘發(fā)作用。三峽庫區(qū)為亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，氣候溫暖潮濕，雨量充沛，雨水的沖刷可使泥巖表層風化速度加快，剝落形成內凹的巖腔。雨水沿著砂巖裂隙侵入，一方面在砂巖后緣裂隙中形成瞬時高水柱壓力，增大了巖體的下滑力，另一方面可是巖體結構面強度軟化泥化，強度降低，抗滑力減小。

斜坡中的地下水，在巖土體的空隙和裂隙中的不斷流動產生靜水壓力、動水壓力和向上的浮托力，減弱巖土體重量和抗滑力；地下水的長期作用可使巖土體軟化泥化，強度降低，造成邊坡的穩(wěn)定性降低。

1.5 風化作用

風化作用是觸發(fā)崩塌發(fā)生的外因之一。主要為在長期的風化作用下，高切坡巖土體變得破碎，強度降低。在泥、砂巖軟硬互層高切坡中主要表現(xiàn)為風化速度的不一樣，泥巖風化速度較快，砂巖風化速度慢，而在斜坡上懸空的巖體形成空腔，從而使上部巖體失去支撐而穩(wěn)定性降低。三峽庫區(qū)溫差變化和干濕交替非常激烈，溫度、濕度、降雨量的劇烈變化的長期作用使巖石的風化作用和軟硬巖差異分化更為強烈。

1.6 其他因素

高切坡在開挖過程中不合理的施工方法，如在對不良地質段邊坡施工時未分段開挖，或一次開挖太多未能及時有效支護，高切坡開挖后不及時支護，會造成泥巖風化和砂巖卸荷裂隙加大等。

由于移民建鎮(zhèn)，工程區(qū)內所形成的大量的高切坡一般位于建筑物后面或公路兩側，當?shù)鼐用裨诟咔衅缕马斝藿ǚ课菁虞d，在前后緣較緩的山坡及公路部分緩坡地帶開墾種植，加速了坡體的風化和水土流失作用，都可對高切坡的穩(wěn)定性帶來不利的影響。

2 高切坡崩塌的破壞機制

2.1 傾倒

傾倒型崩塌為板狀、柱狀直立邊坡巖體在靜水壓力、重力、地震力等作用下沿底部發(fā)生轉動導致危巖體失穩(wěn)的現(xiàn)象[8]。在形成力學機制上為傾覆力矩大于抗傾覆力矩引起巖石塊體轉動。在庫區(qū)軟硬互層高切坡中，泥、砂巖層的差異風化是引起高陡直立巖體傾倒的重要原因。當砂巖塊體下伏的軟弱巖層不斷風化剝落，形成巖腔，使砂巖塊體支撐面積減小，導致塊體重心不斷外移，穩(wěn)定性不斷降低，后側裂隙不斷擴大。當?shù)撞恐蚊娌蛔阋灾螇K體，或其后側裂隙充水產生較大靜水壓力以及水平地震力作用時，就會發(fā)生傾倒(圖2)。

(a)傾倒崩塌示意

(b) 重慶萬州龍寶雙河路北段高切坡圖2 高切坡傾倒破壞

2.2 滑移

邊坡上砂巖常在斜坡前緣形成傾向臨空面結構面，常呈錐狀體，在重力及靜水壓力、動水壓力作用下產生滑移崩塌(圖3)。

(a)滑移崩塌示意

(b)豐都地稅郵政局住宅高切坡圖3 高切坡滑移崩塌破壞

2.3 塑流拉裂

高切坡較厚軟弱巖層在上部巖體壓力作用、遇水軟化、長期風化剝落等因素作用下不斷壓縮和向臨空方向塑性流動，導致上覆較堅硬巖層拉裂，巖體不斷下沉和向外移動，拉張原有節(jié)理面或在坡內巖體形成新的裂隙，形成危巖體。當因為風化、開挖等原因使得危巖體失去支撐面時，崩塌將發(fā)生(圖4)。

(a)塑流拉裂示意

(b)萬州建總租賃公司高切坡圖4 軟弱泥巖夾層塑性流動變形導致巨厚層砂巖拉裂破壞

2.4 懸臂拉張

高切坡因差異風化等原因形成巖腔，風化較慢的堅硬巖層在坡面上以懸臂梁形式凸出。在長期重力作用和下伏巖層不斷風化剝落的情況下，重力力矩的影響越來越大。當傾覆(重力)力矩大于巖層抗傾覆力矩(巖體抗拉、抗剪力矩)時，凸出巖體將突然翻轉失穩(wěn)。崩塌體后緣拉裂面一般是巖體內部原有結構面，或者是巖體因拉應力集中，沿著巖體內部某損傷面拉裂，而完整巖體只有相當大的傾覆力矩才能使完整巖體被拉斷。懸臂拉張型崩塌現(xiàn)象在軟硬巖層相間產出的高切坡中也非常普遍(圖5)。

(a)懸臂拉張示意

(b)太白巖懸臂拉裂型危巖體(萬州)圖5 懸臂拉張破壞

2.5 錯斷

在高切坡巖體中高傾角節(jié)理或卸荷裂隙發(fā)育，但無傾向臨空面的結構面，在巖體的自重作用下，引起下部剪切力集中錯斷巖體，然后發(fā)生崩塌(圖6)。

3 高切坡崩塌形成破壞過程數(shù)值分析

對于三峽庫區(qū)軟硬互層巖體高切坡，其崩塌破壞是其最常見的一種破壞方式。下文以萬州某一高切坡為例對泥砂巖軟硬互層崩塌的形成破壞過程進行數(shù)值分析。數(shù)值方法采用離散單元法，軟件為UDEC[9-10]。該邊坡切坡高17 m，坡面走向N52°E， NW∠5°～10°，巖層產狀為N70°E，NW∠10°，上部為上沙溪廟組(J2s)紫灰色砂巖，中細粒結構，主要由長石、石英、云母等礦物成分組成，屬較硬巖，耐風化性能較好，其中發(fā)育4組節(jié)理，其中一組節(jié)理產狀N65°～80°E， NW∠65°～85°，與坡向近平行，對邊坡崩塌的形成起控制作用；中下部為上沙溪廟組(J2s)紫紅色泥巖和夾泥質粉砂巖，泥質結構，屬軟巖，耐風化性能差，裂隙不發(fā)育，表層強風化；另在坡體表面發(fā)現(xiàn)4條裂縫(圖7)。

(a)錯斷崩塌示意

(b)萬州周家路高切坡錯斷崩塌圖6 錯斷式崩塌破壞

圖7 萬州某高切坡崩塌破壞

3.1 數(shù)值模型和參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場調查和地質資料，建立幾何模型(圖8)，模型高為40 m，寬為50 m，邊坡坡角80°，左右及底部邊界為約束邊界。考慮在自重作用下，按Mohr-Coulomb力學模型進行分析。砂巖視為剛體，不考慮其變形量，泥巖為變形體，結構面有巖層層面和上部砂巖中的4條裂隙和一組節(jié)理，層面間距1～3 m，節(jié)理間距1～2 m。巖體和結構面參數(shù)選取如表1。

圖8 軟硬互層高切坡模型

3.2 數(shù)值試驗結果及分析

離散元數(shù)值計算結果如圖9，其崩塌形成破壞過程如下:

(1)泥巖風化層剝落。坡體泥巖表層由于受風化作用微裂隙發(fā)育，強度低，在重力作用下剝落堆積坡腳，同時在砂巖下部形成巖腔。

(2)砂巖裂隙張開。由于坡體前緣砂巖懸空失去支撐，在砂巖塊體后緣張應力集中，沿著已有的節(jié)理裂隙張開，并進一步加深加寬，形成不穩(wěn)定塊體或危巖體。

表1 計算參數(shù)

(3)危巖體彎曲。隨著張開的裂隙不斷向深處擴展，和層面裂隙貫通，以及下部軟巖向臨空方向變形，使危巖體向臨空方向彎曲，同時貫通的層面裂隙也不斷張開。

(4)傾倒崩塌。當危巖體在自重作用下產生的彎矩到一定程度時，以坡腳為支撐點傾倒、崩塌，最后堆積于坡腳。

(5)破壞進一步發(fā)展。隨著風化作用的繼續(xù)，泥巖不斷剝落后退，造成崩塌漸進破壞發(fā)展。

其破壞地質過程可以總結為：泥巖風化剝落-巖腔-砂巖裂隙面張開-危巖體彎曲-傾倒崩塌-堆積坡腳。

4 崩塌防治對策

根據(jù)三峽庫區(qū)地質災害防治總體指導思想，高切坡的防護應體現(xiàn)以“以人為本，預防為主，合理避讓，重點治理”，防護工程以安全可靠、技術可行、經(jīng)濟合理、施工簡便的原則，同時結合GB 50330-2002《建筑邊坡工程技術規(guī)范》的要求，針對不同的破壞模式提出了相應的處治對策。針對崩塌破壞機制不同防治對策也因坡而異，但總的說來有以下幾種：危巖清除、堵塞、錨桿加固、支撐、擋土墻、排水、坡面防護及攔網(wǎng)等。

(1)傾倒型崩塌防治對策。易于發(fā)生傾倒崩塌的高切坡，主要是巖腔上部臨空的危巖體由于失去支撐而在自身重力作用下，沿底部支撐點發(fā)生反轉傾倒。此類高切坡的防治主要是對危巖體進行支撐。根據(jù)其破壞機制采用的支撐方法為在巖腔內打樁支撐或者直接對巖腔進行充填，同時結合對上部危巖體進行錨桿加固。由于巖腔是軟硬巖層的差異風化造成的，基本形成于軟巖體中，因此當硬巖下覆的軟巖層較厚時，為防止巖體風化經(jīng)常對巖體進行掛網(wǎng)錨噴等坡面防護措施。

(2)滑移型崩塌防治對策?；菩捅浪茐闹饕怯捎趲r體內存在傾向臨空的結構面且在一定條件下發(fā)展成滑移面造成的，因此當危巖體積較大時多采用錨桿加固，塊體較小時直接清除危巖體。

(3)塑流拉裂型崩塌防治對策。此種類型的崩塌破壞方式機制較為復雜，主要發(fā)生于硬巖夾軟巖結構的高切坡，其破壞主要是坡體中的硬巖部分發(fā)育有垂直節(jié)理，構成水的良好通道從而使水能夠直接到達軟巖使其軟化發(fā)生塑流，軟巖的塑流有導致上部砂巖體沿已有的裂隙被拉裂形成砂巖塊

(a)160000次時步

(b)260000次時步

(c)330000時步

(d)500000次時步

體從而產生崩塌。因此其防治一般是多種方法相結合， 對于砂巖危巖體采用錨桿或肋板墻加固，若上部植被較為發(fā)育，為保護植被一般采取掛網(wǎng)等柔性支護手段，為防止中間軟弱巖層軟化，常采用噴混護坡。

(4)懸臂拉張型崩塌防治對策。此類崩塌破壞受控于中間軟弱巖層風化形成的巖腔，因此支護時通常將懸空的危巖體清除之后再結合錨噴支護，或者將危巖體下部巖腔堵塞、支撐之后結合錨噴從而防止坡體進一步風化，對整個坡體進行支護。

(5)錯斷型崩塌防治對策。錯斷型崩塌主要發(fā)生機制為裂隙巖體受自身重力作用而產生錯斷，其危巖塊較大，因此一般采取錨桿加固巖體防止前切面的出現(xiàn)及巖體錯斷。

5 結束語

(1)三峽庫區(qū)砂、泥巖互層結構的高切坡，泥巖抗風化能力差被風化剝落形成很深的巖腔，砂巖因結構面切割往往形成巨大塊體，加上降雨作用，是造成崩塌的主要原因。

(2)基于野外調查和分析，軟硬互層高切坡崩塌破壞主要有傾倒、滑移、塑流拉裂、懸臂拉張、錯斷等破壞機制。

(3)結合一工程實例，通過離散元數(shù)值試驗模擬，軟硬互層近水平地層高切坡的崩塌破壞地質過程可以總結為：泥巖風化剝落-巖腔-砂巖裂隙張開-危巖體彎曲-傾倒崩塌-堆積坡腳。

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顧宏偉(1982～)，男，碩士研究生，工程師，從事巖土工程及土建工程管理；葉海林(1982～)，男，博士研究生，工程師，從事巖土工程及結構工程設計。

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[定稿日期]2016-06-18