膨脹巖渠坡變形和破壞特征研究

龔壁衛(wèi)，李青云，譚峰屹，童 軍

（長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010）

1 概 述

據(jù)初步設計報告，南水北調(diào)中線工程全長1 432 km，渠道沿線地質(zhì)條件復雜，穿越膨脹巖、土地層累計長約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)分巖和土的標準主要是沉積年代。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，累計長約105．53 km。從巖、土物理力學指標上看，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特性。膨脹巖的力學強度通常高于膨脹土的強度，實際反映的是巖與土的膠結程度的差別。由于巖與土的膠結強度差異，導致它們的變形和破壞形態(tài)有著各自的特點。

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，由于成巖程度或風化程度不同，它們的破壞形態(tài)和破壞機理也不盡相同。初步分析認為，膨脹土邊坡的破壞原因是多種的，如降雨導致的強度衰減和抗滑力降低、膨脹變形、開挖邊坡導致的應力松弛、裂隙和結構面的影響等，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)辦等有關部委批復，南水北調(diào)中線一期工程總干渠膨脹巖（土）試驗段工程（潞王墳）正式開工，該試驗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)濟合理和有利于環(huán)保的措施，為工程設計的優(yōu)化提供依據(jù)，以指導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段中裸坡試驗區(qū)試驗資料的基礎上，對膨脹巖的破壞特征所進行的分析研究。

2 試驗區(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了雨水的入滲通道，加速膨脹巖的風化作用。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)象更為嚴重，影響更大。

通過對潞王墳試驗段裸坡試驗區(qū)的長期觀測，試驗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，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，與邊坡的朝向也無關。

在臨床上，經(jīng)?？梢砸姷脚及l(fā)性，甚至頻發(fā)性早搏，應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，試驗區(qū)雨淋溝的最大平均沖刷深度達到0．36～0．55 m，最大平均寬度達到0．85～1．19 m，而且，風化主要發(fā)生在黏土巖地層中。

表1 裸坡試驗區(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)的土體膠結能力更強，在土體特性上顯示出更多“巖”的性質(zhì)，如風化與崩解等。

一般巖石風化以后形成的土體通常具有較好的物理力學特性，而膨脹巖風化以后，由于其黏土礦物含量較高，因此，風化后的土體與膨脹土一樣，具有較強的膨脹性。與膨脹土所不同的是，膨脹巖風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，對應的破壞形態(tài)也有所不同：黏土巖主要表現(xiàn)為風化、剝落，并隨地表徑流的流失，其風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。分析原因認為，泥灰?guī)r的膠結強度明顯高于黏土巖，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，影響兩種巖體風化程度的主要因素是膠結強度和膨脹性。

在試驗6區(qū)至試驗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3個月的觀測，初步掌握了黏土巖隨時間風化、崩解的過程。

圖2為2008年11月至2009年4月觀測站點的降雨（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日累計降雨量5．8 mm。3月12日至3月13日累計降雨量4 mm。3月20日晚大雨，3月20日至3月23日累計降雨14．2 mm。

圖3為觀測站24個觀測點坡面的相對變形，縱坐標軸的正值表示坡面的風化、剝落厚度，負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)嚴重風化，其風化深度最大達到16 mm；在斷面開挖3個月以后，最大風化深度達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月的一次強降雨后發(fā)生了大面積垮塌。

圖2 試驗區(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，就本試驗區(qū)而言，黏土巖的膨脹性普遍高于泥灰?guī)r。室內(nèi)試驗和現(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，在裸坡試驗區(qū)所進行的人工降雨試驗中，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試驗區(qū)一級馬道以下左、右邊坡為例。該試驗區(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)降雨試驗后所作的地表測量，右側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。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。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構（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構特征。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，強度降低；失水收縮，巖體開裂等。結構特征主要是指地層結構、裂隙面等。滑坡的外因則主要是降雨或地下水位變動導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)試驗計劃，本試驗段第一試驗區(qū)為裸坡試驗區(qū)，即渠坡開挖后不作任何防護，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)左側渠坡在人工降雨2 d，累計降雨約6 h后，一級馬道以下發(fā)生大面積淺層滑坡，見圖4?；挛挥谝患夞R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抗剪強度理論，吸力對土體抗剪強度的貢獻可以表示為：τ＝（ua－uw）tanφb，結合室內(nèi)非飽和土強度試驗，本試驗區(qū)泥灰?guī)rφb＝20°，因此，50 kPa吸力對強度的貢獻為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行期均有發(fā)生，如前所述，運行期的滑動主要是巖（土）體的水份變化導致的抗滑力減小，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向約束力減小和層間結構面（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。本試驗段的非試驗區(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)報告，該滑坡體位于試驗段樁號SY1＋179．7至SY1＋240．5渠道左側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，當時施工單位正進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38條，與區(qū)域斷裂構造線方向基本一致，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)結構面較為發(fā)育，其中一組傾向南東向的緩傾角結構面與滑坡體滑動面一致，其裂隙面上有1～2 mm泥化夾層，并有鐵錳結核擦痕、蠟狀光澤等，含水率高?，F(xiàn)場取樣試驗表明，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)的中型剪切試驗強度偏高，主要與滑動面起伏不平等因素有關。

分析滑坡發(fā)生的機理可知，地質(zhì)構造和開挖施工是滑坡的主要誘因，其中，場區(qū)結構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致巖土體的側向約束喪失。此外，附近的爆破施工，也是引起滑坡的因素之一。

4 結 語

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

（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干濕循環(huán)、巖體風化、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構面的影響與控制。

（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，如采取表層防護和裂隙處理的措施等。

［1］ 河南省水利勘測設計研究有限公司，長江水利委員會長江科學院，南水北調(diào)中線一期工程總干渠膨脹巖（土）試驗段工程（潞王墳）段初步設計報告［R］．武漢：長江科學院，2006．

［2］ 河南省水利勘測總隊．南水北調(diào)中線一期工程總干渠膨脹巖（土）試驗段工程（潞王墳）段招標設計階段工程地質(zhì)勘察報告［R］．鄭州：河南省水利勘測總隊，2007．

［3］ 長江水利委員會長江科學院，河南省水利勘測設計研究有限公司．南水北調(diào)中線一期工程總干渠膨脹巖（土）試驗段工程（潞王墳）段現(xiàn)場試驗實施細則（修訂稿）［R］．武漢：長江科學院，2007．