李龍起 趙瑞志 王 滔 張 帥 何 川

(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,成都 610059)

軟硬互層巖質(zhì)邊坡是一種包含各類(lèi)斷裂破碎層及不整合面(帶)的廣義軟硬組合結(jié)構(gòu)體邊坡,廣泛分布于我國(guó)西南地區(qū).軟硬互層邊坡的巖體性質(zhì)差異明顯,層間結(jié)合較差,與單一巖體相比,在極端條件(如降雨、地震)下,其軟巖層穩(wěn)定性易急劇下降,出現(xiàn)“短板效應(yīng)”,從而發(fā)生失穩(wěn)破壞.

由于軟硬互層邊坡的工程地質(zhì)條件復(fù)雜、脆弱,其穩(wěn)定性分析與判定一直是工程界的難題[1].吉世祖等[2]通過(guò)建立緩傾坡外軟硬互層高陡邊坡演化概念模型,總結(jié)出邊坡形成及變形破壞過(guò)程分為河谷形成過(guò)程中的時(shí)效變形、滑移-逐級(jí)拉裂、滑移-彎曲-剪斷3個(gè)階段;李昂等[3]建立互層狀巖體局部區(qū)域細(xì)觀數(shù)值模型,總結(jié)出軟硬互層狀巖體的細(xì)觀非均勻特性對(duì)其變形特性、強(qiáng)度特征、聲發(fā)射規(guī)律及累計(jì)損傷過(guò)程影響顯著.李龍起等[4-5]初步開(kāi)展了不同降雨強(qiáng)度及支護(hù)條件下順層邊坡的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn),并分析雨水入滲對(duì)于坡體位移、孔壓力及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響.張磊等[6]和鄒維列等[7]通過(guò)人工降雨模擬試驗(yàn),分別研究了土坡不同坡度的滑動(dòng)位移及含水率,推導(dǎo)試驗(yàn)降雨條件下“坡度-泥流率”、“坡面位置-含水率”和“含水率-黏聚強(qiáng)度”的關(guān)系式.以上研究均是基于順層邊坡降雨特性對(duì)軟硬互層邊坡展開(kāi)的探索性研究.但目前,降雨型軟硬互層邊坡研究仍存在諸多問(wèn)題:①軟硬互層邊坡內(nèi)部巖性差異明顯,其復(fù)雜的巖層組合形式嚴(yán)重影響其破壞模式,目前尚未有系統(tǒng)的理論解釋其力學(xué)響應(yīng)及破壞之間的內(nèi)在聯(lián)系;②對(duì)于軟硬互層邊坡破壞過(guò)程中力學(xué)響應(yīng)變化特征缺乏系統(tǒng)性了解.本文以四川省古藺縣站場(chǎng)滑坡為工程依托,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查資料構(gòu)建出軟硬互層邊坡概念模型,結(jié)合人工霧化降雨技術(shù),進(jìn)行大型室內(nèi)堆積體邊坡探索性試驗(yàn).通過(guò)間歇性循環(huán)降雨試驗(yàn),模擬軟硬互層邊坡降雨破壞過(guò)程,綜合分析坡體破壞變化與坡內(nèi)特殊位置孔隙水壓力之間的內(nèi)在聯(lián)系,研究成果為我國(guó)西南地區(qū)類(lèi)似邊坡的防災(zāi)預(yù)警提供理論參考.

1 依托工點(diǎn)及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 依托工點(diǎn)概況

站場(chǎng)滑坡位于四川省古藺縣福來(lái)村古藺河左岸,為中傾外順向砂泥巖互層的單斜順層邊坡,滑坡剖面如圖1所示.坡體巖性主要以侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)為主,磚紅色、青灰色砂巖與紫紅色泥巖相互疊加沉積.坡表泥巖為強(qiáng)風(fēng)化巖石,裂隙相對(duì)較發(fā)育;砂巖為中厚層、厚層-巨厚層.巖層傾角與坡體近乎平行,約為20°,砂巖產(chǎn)狀為N62°W/NE∠20°,泥巖產(chǎn)狀為N64°W/NE∠19°,巖層厚度為0.8～1.3 m互層分布,強(qiáng)風(fēng)化帶厚約2～3 m,裂隙發(fā)育,巖體連通性較好,導(dǎo)水能力強(qiáng),具備良好的地下水賦存空間和運(yùn)移通道[8].

圖1 站場(chǎng)滑坡地質(zhì)概況

原始坡體走向?yàn)镾W-NE,整體坡度為15°～20°,滑移體巖層傾角約為20°.站場(chǎng)滑坡進(jìn)站端巖層產(chǎn)狀:N60°W/NE∠15°,出站端巖層產(chǎn)狀:N69°W/NE∠25°.坡體內(nèi)部?jī)?yōu)勢(shì)發(fā)育3組控制節(jié)理:①N77°E/NW∠85°;②N40°E/NW∠83°;③N70°W/SW∠80°.原始邊坡前緣以坡度比1∶1進(jìn)行人工開(kāi)挖,最大開(kāi)挖高度為18 m.

1.2 相似常數(shù)及配比系數(shù)

根據(jù)三大相似理論,結(jié)合原型邊坡的大小及巖體物理力學(xué)參數(shù)(見(jiàn)表1),本次室內(nèi)降雨模型試驗(yàn)相似常數(shù)值擬取Cl=100,為突出反映在自重應(yīng)力場(chǎng)作用下,巖土體的滑坡效應(yīng),試驗(yàn)中巖土體的重度相似比取Cγ=1.模型邊坡大小為:長(zhǎng)×寬×高=200 cm×60 cm×34 cm.

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模型邊坡擬采用規(guī)格為10 cm×10 cm×2 cm的巖塊進(jìn)行堆砌.通過(guò)正交配比試驗(yàn),最終確定軟巖相似材料配比為:石英砂∶黏土∶重晶石∶石膏∶水=32∶1∶40∶9∶18,其重度ρ為22.3 k N/m3,黏聚力c為5.42 k Pa,內(nèi)摩擦角φ為24.8°;硬巖相似材料配比為:石英砂∶水泥∶重晶石∶石膏∶水=45∶0.5∶36∶0.5∶18,根據(jù)室內(nèi)基礎(chǔ)物理試驗(yàn)可知其重度ρ為23.6 k N/m3,黏聚力c為8.36 k Pa,內(nèi)摩擦角φ為38.7°.

制模過(guò)程中,坡體基底為4 cm的硬巖層,所用材料與硬巖相似材料配比相同.堆砌方式為錯(cuò)縫堆積,保證相鄰巖塊與上下巖塊壓實(shí)并充分接觸,相同巖層間隙采用同一相似材料進(jìn)行填縫拼接.考慮到軟巖在原始坡體內(nèi)部接觸面中起主導(dǎo)的粘結(jié)作用,所以不同巖層面間采用軟巖相似材料進(jìn)行粘接.坡體表層鋪設(shè)2 cm厚的軟巖相似材料碎屑,模擬原始坡體表層泥巖強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)的真實(shí)情況.模型堆砌完成后靜置24 h,確保坡體內(nèi)部粘結(jié)材料固結(jié),充分還原原始邊坡破壞前的真實(shí)狀態(tài).模型箱兩側(cè)PVC擋板分別涂抹凡士林,以減小邊界效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)效果的影響.坡體穩(wěn)定后起吊20°,并在坡前進(jìn)行開(kāi)挖坡比1∶1操作.坡體開(kāi)挖結(jié)束后靜置3 h,保證坡體內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)重新達(dá)到平衡后,開(kāi)始進(jìn)行降雨試驗(yàn).

1.4 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

本次所采用的試驗(yàn)系統(tǒng)由自行設(shè)計(jì)加工的模型箱及降雨疊加系統(tǒng)組成,其平面布置圖如圖2所示.模型箱由高強(qiáng)度槽鋼組成骨架,PVC一側(cè)由吊鉤和滑輪組成吊裝系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將模型箱吊起一定角度,模擬現(xiàn)場(chǎng)坡度情況,如圖3所示.通過(guò)控制電磁閥,調(diào)節(jié)水泵功率,從而調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度,達(dá)到控制流量的目的,并通過(guò)流量監(jiān)視器實(shí)時(shí)讀取降雨流量,其電路連接方式如圖4所示.

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)布置平面圖

結(jié)合西南地區(qū)降雨資料及試驗(yàn)的相似量綱關(guān)系,本次模型試驗(yàn)的降雨強(qiáng)度為0.325 mm/h.試驗(yàn)設(shè)定降雨40 min,停雨20 min為一次降雨循環(huán),試驗(yàn)總時(shí)長(zhǎng)36 h,模擬原型邊坡在間歇性循環(huán)降雨工況作用15 d內(nèi)坡體破壞全過(guò)程.本次試驗(yàn)對(duì)坡體內(nèi)部特殊位置處孔隙水壓力值進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)點(diǎn)布置圖如圖3所示.

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皞鞲衅鞑贾?單位:mm)

圖4 試驗(yàn)降雨系統(tǒng)

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)的破壞過(guò)程

圖5為軟硬互層模型邊坡降雨破壞過(guò)程圖.圖5(a)、(b)、(c)、(d)分別為降雨試驗(yàn)前期、中期、后期、末期坡體側(cè)面鏡像圖.

圖5 模型邊坡破壞過(guò)程圖

由圖5可知,坡體在間歇性循環(huán)降雨作用下:①降雨前期:坡腳處中、上部巖體最先出現(xiàn)松動(dòng),裂隙由前緣坡表逐漸向中間層巖體延伸、擴(kuò)展,軟巖接觸入滲雨水后,開(kāi)始軟化、泥化,側(cè)邊界少量軟巖開(kāi)始流失,巖層面抗剪強(qiáng)度急劇下降;②降雨中期:坡體前緣裂隙逐漸延伸、貫通,形成小型滑動(dòng)面,前緣巖體沿此滑動(dòng)面發(fā)生滑移破壞,并堆積于坡腳形成鎖固段.隨著入滲雨水的排出,帶走部分巖體碎屑及淺層軟巖塊體,逐漸形成固定的排水裂隙通道,前緣巖體整體下錯(cuò)、持續(xù)微弱滑動(dòng);中部巖體因前緣失穩(wěn)對(duì)其產(chǎn)生的拉裂作用影響,巖層面逐漸向坡前傾倒,自坡表向內(nèi)6～8層巖體向坡前小幅滑移破壞;③降雨后期:坡體前緣軟巖碎塊不斷脫落,切層裂隙延伸至坡體底部,且裂隙滲流通道越發(fā)明顯,鎖固段逐漸失效;坡體中部切層裂隙不斷擴(kuò)張,底層軟巖軟化、泥化程度加深,中部巖體在牽引力、自重作用下,沿泥化面向坡前持續(xù)滑移;后緣裂隙繼續(xù)下切,坡表沉降;④降雨末期:隨著深層軟巖層面的強(qiáng)度不斷弱化、軟弱面完全貫通,坡腳鎖固段徹底失效,坡體沿已貫通的大型滑動(dòng)面發(fā)生整體滑動(dòng),大方量的滑體堆積于坡體前端直至模型槽前端底部,覆蓋原始開(kāi)挖基準(zhǔn)面,坡體后緣出現(xiàn)陡坎.大型滑動(dòng)面長(zhǎng)約134 cm,中-上部巖體下滑至坡體前緣,滑動(dòng)水平位移約12 cm,坡體破壞嚴(yán)重,整體變形較大.

2.2 應(yīng)力分析

深入解析坡體內(nèi)部關(guān)鍵物理量與坡體破壞之間的內(nèi)在聯(lián)系,在坡體內(nèi)部不同層面不同高度布設(shè)孔隙水壓力傳感器,為試驗(yàn)研究提供關(guān)鍵性的定量數(shù)據(jù).圖6為坡內(nèi)孔隙水壓力變化特征時(shí)程曲線圖.壞,結(jié)合降雨試驗(yàn)過(guò)程中坡體變形全程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),表明:在降雨1 134 min時(shí),坡體前緣裂隙貫通,形成小型滑動(dòng)面,前緣巖體沿此滑面發(fā)生滑移失穩(wěn).③降雨后期(2 036 min),前緣孔隙水壓力數(shù)值再次發(fā)生突變,表明此時(shí)坡體后緣裂隙貫通,大型滑動(dòng)面形成,模型邊坡逐漸沿此滑動(dòng)面發(fā)生第2次失穩(wěn)破壞.④模型邊坡在間歇性循環(huán)降雨作用下,孔隙水壓力呈規(guī)律性波動(dòng),即緩慢增長(zhǎng)一段時(shí)間后出現(xiàn)一次明顯下降和回升,與降雨工況緊密結(jié)合,并伴隨坡體變形發(fā)生相應(yīng)的突變,結(jié)合坡體破壞過(guò)程可知:孔隙水壓力數(shù)值突變時(shí)刻較坡體整體突發(fā)失穩(wěn)時(shí)刻提前約6 min,建議可根據(jù)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)軟硬互層邊坡進(jìn)行失穩(wěn)預(yù)警.

2)對(duì)比分析坡體淺表層不同部位(K3、K5、K6)孔隙水壓力變化時(shí)程曲線可知:①在坡體淺層相同巖層內(nèi),孔隙水壓力數(shù)值由大到小為:K坡體前緣＞K坡體中部＞K坡體后緣;②降雨初期,在坡體前緣失穩(wěn)破壞前,由于降雨強(qiáng)度大于坡體滲透速率,故坡表中部、后緣的淺表層積水均沿斜面向坡前流動(dòng),而坡體前端受開(kāi)挖擾動(dòng),裂隙相對(duì)發(fā)育,雨水易入滲,因此孔隙水壓力迅速上升,且裂隙水能得到持續(xù)的滲流補(bǔ)充.③K6孔隙水壓力傳感器埋設(shè)在坡體后緣頂層軟巖層面內(nèi),其變化時(shí)程曲線表明后緣巖體在間歇性循環(huán)降雨作用下,在坡體發(fā)生大型破壞前一直較穩(wěn)定.在坡體整體失穩(wěn)破壞時(shí),由于后緣拉裂形成陡坎,使得后緣淺表層裂隙水散失,孔隙水壓力有下降趨勢(shì).

3)間歇性循環(huán)降雨過(guò)程是邊坡巖體強(qiáng)度及裂隙變化的一個(gè)動(dòng)態(tài)損傷過(guò)程,坡體內(nèi)部形成固定的給、排水通道.降雨不均勻入滲導(dǎo)致裂隙的不均勻切割效應(yīng),致使坡體淺表層的開(kāi)裂,層面抗剪強(qiáng)度的下降.坡體內(nèi)部孔隙水壓力數(shù)值變化充分反映坡體內(nèi)部裂隙發(fā)育狀況,是探究坡體內(nèi)部破壞特征的重要指標(biāo).

由圖6可知:

1)對(duì)比分析坡體前緣不同深度巖層內(nèi)(K1、K2、K3)孔隙水壓力變化特征時(shí)程曲線可知:①降雨初期,前緣坡腳巖體孔隙水壓力響應(yīng)速率最快,前緣中間層巖體次之,前緣頂部巖體響應(yīng)速率最慢,期間時(shí)間差均約為20 min,表明坡體開(kāi)挖擾動(dòng)對(duì)坡腳巖體影響較大,微裂隙的產(chǎn)生使得開(kāi)挖面附近巖體在降雨初期雨水入滲速率較快,其孔壓計(jì)數(shù)值變化最快.②坡體前緣巖體孔隙水壓力均在降雨0～120 min內(nèi)出現(xiàn)不同程度的陡增現(xiàn)象,之后其數(shù)值均穩(wěn)定波動(dòng);降雨中期,前緣孔隙水壓力數(shù)值均在降雨1 134 min發(fā)生突變,充分證明坡體前緣在該時(shí)刻后突然發(fā)生變形破

3 軟硬互層巖質(zhì)滑坡地質(zhì)力學(xué)模式分析

結(jié)合站場(chǎng)滑坡的破壞特征,綜合整理模型試驗(yàn)的應(yīng)力及變形特征,分析軟硬互層巖質(zhì)斜坡的地質(zhì)力學(xué)模式:

1)前緣切層裂隙貫通-滑移階段(圖7a)

前緣坡表受開(kāi)挖擾動(dòng)出現(xiàn)少量細(xì)小裂隙.降雨前期,前緣坡表覆蓋物流失,巖層裸露,裂隙增多、擴(kuò)張,雨水沿裂隙入滲坡內(nèi),淺部泥巖層軟化;隨著降雨持續(xù)作用,前緣中間層下部巖層面形成小型泥巖軟化面,前緣中、上部巖體沿小型滑動(dòng)面滑移破壞,滑體于坡腳形成鎖固段.

2)中-后部巖體傾倒,后部裂隙發(fā)育階段(圖7b)

隨著坡體中部中-底層軟巖層的逐漸軟化、泥化,坡體中-后部巖體在前緣失穩(wěn)滑移的牽引作用、后緣巖體的下滑推力及自身重力的共同作用下,中-后部巖體沿軟弱滑面有向下滑移的趨勢(shì).坡體后緣裂隙發(fā)育迅速,局部充水,下伏軟巖泥化嚴(yán)重,裂隙擴(kuò)展延深,坡體深層軟化巖層逐漸貫通.

3)后緣滑面貫通-失穩(wěn)階段(圖7c)

前緣巖體沿小型滑動(dòng)面持續(xù)向下滑移變形,坡體穩(wěn)定性急劇下降,坡腳鎖固段失效.后緣裂隙向下擴(kuò)張,與坡體深層軟化巖層貫通,形成通路,雨水沿優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面排出,形成大型滑動(dòng)面.由于坡體前緣巖體的牽引拉裂作用,降雨裂隙及坡體自身重力的增加,邊坡沿大型滑動(dòng)面發(fā)生整體失穩(wěn)現(xiàn)象.

圖7 模型邊坡地質(zhì)力學(xué)模式

4 結(jié) 論

1)間歇性循環(huán)降雨是邊坡巖體強(qiáng)度及裂隙變化的一個(gè)動(dòng)態(tài)損傷過(guò)程的誘因,坡體內(nèi)部形成固定的給、排水通道.降雨不均勻入滲導(dǎo)致裂隙的不均勻切割效應(yīng),致使坡體淺表層開(kāi)裂,層面抗剪強(qiáng)度下降.

2)在坡體淺表層相同巖層內(nèi),孔隙水壓力數(shù)值由大到小為:K坡體前緣＞K坡體中部＞K坡體后緣.

3)模型邊坡在間歇性循環(huán)降雨作用下,孔隙水壓力呈規(guī)律性波動(dòng),即緩慢增長(zhǎng)一段時(shí)間后出現(xiàn)一次明顯下降和回升,與降雨工況緊密結(jié)合,并伴隨著坡體變形發(fā)生相應(yīng)突變,孔隙水壓力數(shù)值突變時(shí)刻較坡體整體突發(fā)失穩(wěn)時(shí)刻提前約6 min,建議可根據(jù)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)軟硬互層邊坡進(jìn)行失穩(wěn)預(yù)警.

4)緩傾順層軟硬互層邊坡的破壞模式總體可概括為3個(gè)階段:①前緣切層裂隙貫通-滑移階段;②中-后部巖體拉裂,后部裂隙發(fā)育階段;③后緣滑面貫通-失穩(wěn)階段.