緩傾層狀高邊坡典型破壞模式及宏觀判據(jù)研究

董好剛，彭軒明，陳州豐，劉廣寧，霍志濤

（宜昌地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，湖北宜昌 443003）

緩傾層狀高邊坡典型破壞模式及宏觀判據(jù)研究

董好剛，彭軒明，陳州豐，劉廣寧，霍志濤

（宜昌地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，湖北宜昌 443003）

緩傾層狀高邊坡是三峽庫區(qū)典型的岸坡結(jié)構(gòu)之一，其穩(wěn)定性主要由巖體結(jié)構(gòu)和巖性組合決定。通過對長江上游云陽—江津100個高邊坡詳細(xì)調(diào)查，針對緩傾角層狀巖質(zhì)邊坡特殊情況，考慮其形成機(jī)理將三峽庫區(qū)緩傾層狀高邊坡典型破壞模式概化為風(fēng)化-崩落型、壓剪-滑移崩落型、拉剪-傾倒崩落型、拉裂墜落型4種破壞模式。以巖體結(jié)構(gòu)控制論為指導(dǎo)，結(jié)合實(shí)例分析了4種破壞模式的基本特征。從陡崖（坡）斷面形狀、主控結(jié)構(gòu)面特征、優(yōu)勢面數(shù)目、節(jié)理密度以及巖性等方面構(gòu)建了緩傾層狀邊坡破壞模式的宏觀判據(jù)。經(jīng)云陽—江津100個高邊坡現(xiàn)場驗(yàn)證，利用這些宏觀判據(jù)判識的破壞模式與實(shí)際相符。

三峽庫區(qū)；緩傾角層狀邊坡；破壞模式；宏觀判據(jù)

1 概 述

邊坡變形破壞模式是穩(wěn)定性分析研究的基礎(chǔ)，一直倍受國內(nèi)外學(xué)者的重視。目前國內(nèi)外在邊坡變形破壞模式研究中代表性的成果有：孫玉科等［1］考慮工程地質(zhì)巖組特征、巖體結(jié)構(gòu)、破壞形態(tài)、水文地質(zhì)和變形破壞時間效應(yīng)等方面，提出了5種地質(zhì)模型；加拿大Brawner等［2］根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提出包括圓弧破壞、平面破壞等在內(nèi)的6種常見的巖石邊坡變形破壞模式；南京大學(xué)羅國煜等［3］，以優(yōu)勢面組合破壞形式為基礎(chǔ)，提出火成巖的15種破壞模式和層狀巖體的4種破壞模式；佴磊、汪發(fā)武［4］對層狀巖體邊坡破壞形式的工程地質(zhì)判別進(jìn)行了研究；殷躍平等［5］從邊坡結(jié)構(gòu)特征入手，劃分了5種結(jié)構(gòu)類型，并對典型邊坡進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，得出了一些有益的結(jié)論；胡厚田［6］在危巖體失穩(wěn)破壞機(jī)制基礎(chǔ)上，提出傾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓脹式崩塌、拉裂式崩塌和錯斷式崩塌5種基本模式。

緩傾層狀高邊坡是三峽庫區(qū)典型的岸坡結(jié)構(gòu)之一，在云陽、萬州、忠縣3縣分布比較集中，其他地區(qū)也分布較多。該類邊坡巖層總體近于水平，傾角介于5°～20°，隨地段的不同有些差異。緩傾角巖質(zhì)邊坡地層傾角較小，尤其是緩傾內(nèi)邊坡，在一般情況下，邊坡的整體穩(wěn)定性較好［7］。但由于緩傾角邊坡特殊的巖體結(jié)構(gòu)和地層巖性，多形成高大陡峭或階_梯狀斜坡，為小危巖體形成提供極為有利的地形條件；加之受地質(zhì)構(gòu)造作用和不同巖層或巖層界面的差異性風(fēng)化卸荷作用，使緩傾層狀邊坡在局部坡面上，極易形成眾多深淺不一的凹巖腔。這些凹巖腔的產(chǎn)生和發(fā)展，使得凹巖腔上覆巖體逐漸發(fā)展為危巖體，并在降雨、地震或人工開挖等誘發(fā)因素下，發(fā)生崩落。本文在對云陽-江津100個高邊坡系統(tǒng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，針對緩傾角層狀巖質(zhì)邊坡特殊情況，考慮其形成機(jī)理，將三峽庫區(qū)緩傾層狀邊坡典型破壞模式概化為風(fēng)化-崩落型、壓剪滑移-崩落型、拉剪傾倒-崩落型、拉裂墜落型4種破壞模式。以巖體結(jié)構(gòu)控制論為指導(dǎo)，結(jié)合實(shí)例分析了4種破壞模式的基本特征。從陡崖（坡）斷面形狀、主控結(jié)構(gòu)面特征、優(yōu)勢面數(shù)目、節(jié)理密度以及巖性等方面構(gòu)建了緩傾層狀邊坡破壞模式的宏觀判據(jù)。

2 緩傾層狀高邊坡的典型破壞模式

2.1 風(fēng)化-崩落型

風(fēng)化崩落破壞現(xiàn)象在三峽庫區(qū)高邊坡中非常普遍（約占調(diào)查邊坡數(shù)量的30%），有均勻風(fēng)化剝落和差異風(fēng)化崩落2種形式。前者主要發(fā)生在紫紅色泥質(zhì)巖為主高邊坡表面，表現(xiàn)為邊坡表面的巖石呈細(xì)碎屑狀向下剝落，是對邊坡的一種緩慢、漸進(jìn)式的破壞，典型代表為云陽汽修廠后高切坡（圖1（a））。現(xiàn)場調(diào)查時發(fā)現(xiàn)風(fēng)化剝落的泥巖在坡角下形成圓錐狀堆積體，風(fēng)化時有較強(qiáng)的落石聲，堆積在坡腳的剝落碎屑物的大小一般為毫米級。根據(jù)坡腳碎屑堆積的體積、邊坡面積及邊坡開挖時間，估算出邊坡平均的剝落速率（邊坡后退速率）為1～2 cm／a。后者主要發(fā)生在泥巖和泥質(zhì)粉砂巖互層的高切坡中，典型代表為103省道云陽楊沙村高切坡和稻場村高切坡（圖1（b）、圖1（c）、圖1（d））。因邊坡出露的地層非均一而存在非常明顯的差異風(fēng)化現(xiàn)象，使邊坡面凹凸不平，砂質(zhì)含量高的部位外凸，泥質(zhì)含量高的部位內(nèi)凹。砂巖、泥質(zhì)粉砂巖厚0.5～3m，常因卸荷和風(fēng)化作用形成平行和垂直于崖面的兩組裂隙，節(jié)理裂隙往往夾于上下兩層泥巖之間，節(jié)理間距0.3～1.5m左右，將相對較硬的粉砂巖切割成短柱狀，被切割的巖塊塊度大小0.3～2.8 m3，極易墜落，威脅行人和交通安全，這種因差異風(fēng)化而發(fā)生的危巖（巖塊）崩落現(xiàn)象本文稱之為風(fēng)化-崩落模式。

圖1 高切坡風(fēng)化-崩落破壞模式Fig.1 Surface weathering failuremodes of cut slope

2.2 壓剪-滑移崩落型

壓剪-滑移崩落型破壞模式是指高邊坡上的危巖體沿著主控結(jié)構(gòu)面變形、滑移破壞，呈現(xiàn)壓剪破壞的力學(xué)機(jī)理（圖2（a））。此類危巖的主控結(jié)構(gòu)面下部傾角較小，一般在45°以下，為陡崖或陡坡內(nèi)緩傾的卸荷拉張結(jié)構(gòu)面或緩傾角地層弱面。危巖體重心在主控結(jié)構(gòu)面內(nèi)側(cè)，當(dāng)主控結(jié)構(gòu)面剪出口因坡角被切或軟弱夾層因風(fēng)化凹進(jìn)而出露時，在誘發(fā)因素作用下發(fā)生滑移崩塌?；票缆浞绞揭话阌?種，一為順層滑落，主控結(jié)構(gòu)面是層面，典型災(zāi)害體如萬州魚背山巖塊順層滑落（圖2（b）），這種順層滑落和通常意義上的順向滑坡有一定區(qū)別，一般是蠕滑變形長期積累的結(jié)果；二是切層滑落，主控結(jié)構(gòu)面是切層裂隙，剪出口一般在軟硬巖層界面處，典型代表為重慶彈廣路切層滑塌（圖2（c））；三是楔形滑落，一般因2組或2組以上結(jié)構(gòu)面將危巖體切割為楔形，沿2個以上界面楔形滑落，典型代表為豐都長江大橋頭楔形崩落危巖體（圖2（d））。

圖2 壓剪-滑動崩落型模式Fig.2 Slidingmodes under pressure-shear

南岸區(qū)彈廣路高邊坡高切坡總長110 m，坡高35 m，坡向82°，坡面形態(tài)為凸形，邊坡由硬質(zhì)砂巖夾2層30 cm左右厚度泥巖組成，巖層產(chǎn)狀平緩。邊坡開挖后未及時進(jìn)行支護(hù)，于2007年7月14日暴雨過后發(fā)生滑塌，堵塞交通。由切坡5＃危巖體的橫斷面圖可以看出，邊坡中上部的強(qiáng)烈卸荷開裂帶在邊坡中下部受到一軟弱泥化夾層的影響和限制，近泥化層的上方裂隙存在弧形轉(zhuǎn)彎的現(xiàn)象，剪出口在邊坡面出現(xiàn)（圖3（a））。泥化夾層下方的裂隙受卸荷影響較小，泥化夾層中擦痕及摩擦鏡面明顯，表明沿泥化夾層曾發(fā)生側(cè)向滑移。由優(yōu)勢裂隙分布圖可以看出（圖3（b）），主控結(jié)構(gòu)面傾角45°～55°，且與坡向同向，裂隙組合顯然不利于坡體穩(wěn)定。

圖4是豐都大橋北高邊坡1＃危巖體的橫斷面圖。危巖體所在陡崖長50 m，高45 m，坡向220°，陡崖由砂巖夾若干層30 cm左右厚度軟弱夾層組成，高30 m左右，下部為6～8 m厚泥巖組成軟弱基座。因差異風(fēng)化，泥巖形成深1～3 m、高2～3 m左右凹腔，層巖層產(chǎn)狀平緩，為緩傾內(nèi)高邊坡。危巖體上部以軟弱夾層為界，兩側(cè)以切割裂隙為界，東切割面L1產(chǎn)狀195°∠64°～75°，張開10～50 cm，上窄下寬，充填塊石，彎曲粗糙；西切割面L2產(chǎn)狀275°∠55°～75°，張開10～50 cm，上寬下窄，充填少量黏土，彎曲粗糙。由優(yōu)勢裂隙分布圖可以看出，兩切割面交線方向與陡崖方向近一致，但傾角小于坡角，且因泥巖凹進(jìn)使得剪出口在下部出現(xiàn)，兩切割面組成的楔形體有向下滑移墜落的危險。

圖3 南岸區(qū)彈廣路高邊坡橫斷面剖面圖及裂隙分布圖Fig.3 （a）Cross-section and（b）fissure stereogram of Danguanglu cut slope of south bank

圖4 豐都大橋北高邊坡橫斷面剖面圖及裂隙分布圖Fig.4 （a）Cross-section and（b）fissure stereogram of Fengdu Yangtze Bridge cut slope

2.3 拉剪-傾倒崩落型

當(dāng)緩傾內(nèi)層狀巖質(zhì)邊坡的巖層較厚，巖性呈軟硬互層狀產(chǎn)出，且?guī)r層間軟弱夾層較厚時，在相對貫通的陡傾構(gòu)造節(jié)理或風(fēng)化卸荷裂隙切割下，坡面上常發(fā)育有以層面或夾層為底界的突出巖體。此類危巖的主控結(jié)構(gòu)面傾角變化較大，一般大于25°，多為陡崖或陡坡的卸荷張拉結(jié)構(gòu)面，且主控結(jié)構(gòu)面下端部潛存于陡崖或陡坡巖體內(nèi)。在荷載作用下危巖體通常圍繞主控結(jié)構(gòu)面的下端部或下端部與臨空面的交點(diǎn)旋轉(zhuǎn)傾倒破壞，危巖體呈現(xiàn)拉剪破壞力學(xué)機(jī)理，失穩(wěn)破壞模式可概化為拉剪-傾倒崩落（圖5（a））。典型代表有萬州江南大石盤危巖體、忠縣石寶寨危巖體、萬州神龍觀景臺危巖體等（圖5）。

圖5 拉剪傾倒-崩落型模式Fig.5 Fallingmodes of tension-shear

圖6 是忠縣-石寶寨縣級公路高邊坡危巖橫斷面圖，高切坡總長50 m，坡高16 m，坡向265°，巖層產(chǎn)狀平緩，為緩傾內(nèi)高邊坡。高切坡巖性上硬下軟，因差異性風(fēng)化，下部5～6 m泥巖向內(nèi)形成凹腔，深3～3.5 m，上部砂巖被2組節(jié)理切割，呈長柱狀危巖（體積一般5 m×4 m× 10 m），修建公路開挖下部坡腳后，2組節(jié)理后期卸荷作用明顯。與坡面平行的卸荷裂隙為主控結(jié)構(gòu)面，切割深度8m左右，產(chǎn)狀252°∠79°，張開10～30 cm，上寬下窄，顯示向外傾倒特征。隨著下伏泥巖夾層進(jìn)一步風(fēng)化剝蝕，危巖體重心將進(jìn)一步外傾并沿旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)傾倒失穩(wěn)崩落，威脅到下方公路以及路邊居民住宅。

圖6 忠縣石寶寨拉剪傾倒-崩落型危巖體剖面圖Fig.6 Slidingmode under pressure-shear

2.4 拉裂墜落型

當(dāng)緩傾內(nèi)邊坡的巖層較薄，巖性均一，且層間結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)較好時，在陡傾構(gòu)造節(jié)理和風(fēng)化卸荷裂隙切割下，坡面上也常發(fā)育有以層面或夾層為底界的突出巖體。由于這些突出巖體底界巖層面和夾層力學(xué)性質(zhì)較好，所發(fā)生的壓縮變形量有限，以致突出巖體難以發(fā)生較大轉(zhuǎn)動而傾倒。但因巖層相對較薄，突出巖體的受力特性可概化為懸臂梁模型。在懸臂的彎矩作用下，突出巖體上部承受拉張應(yīng)力，加之巖體自身存在的眾多微觀缺陷，將產(chǎn)生局部微裂紋，而在微裂紋端部，也隨之發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，并導(dǎo)致微裂紋加寬加深形成宏觀裂隙。隨時間推移，宏觀裂隙將進(jìn)一步加寬加深，形成主控結(jié)構(gòu)面，并最終導(dǎo)致小危巖體拉裂破壞，其模式如圖7（a）。這種類型的破壞在緩傾層狀高邊坡破壞中占有相當(dāng)大的比例，典型代表有萬州梁吊線178塔危巖、萬州渝宜高速路入口危巖、長壽污水廠內(nèi)危巖等（圖7）。

圖7 拉裂墜落型破壞模式Fig.7 Fallingmodes under tension

圖8 是萬州渝宜高速公路引道處黑巖腳高邊坡2＃危巖體剖面示意圖。高邊坡坡面形態(tài)為倒梯形，崖高35 m，坡向102°，巖層產(chǎn)狀平緩，為緩傾內(nèi)高邊坡。2＃危巖體呈透鏡狀，兩端薄中間厚，受傾向外側(cè)裂隙控制，橫剖面呈傾斜條狀，上下皆以軟弱夾層為界，體積13 m×5 m×7 m左右。下部懸空，懸空面呈臺階狀，主控結(jié)構(gòu)面在臺階處出露剪出口，表明危巖體系多期分級墜落形成。因下部軟弱夾層較薄，危巖只能在重力作用下拉裂墜落。

圖8 萬州黑巖腳危巖體剖面示意圖Fig.8 Fallingmode under tension

3 緩傾層狀高邊坡破壞模式宏觀判據(jù)

宏觀判據(jù)是指憑肉眼或借助于簡便的量測工具在現(xiàn)場識別高邊坡破壞模式的指標(biāo)類型。通過100個高邊坡的系統(tǒng)調(diào)查，本文認(rèn)為可以從陡崖（坡）斷面形狀、主控結(jié)構(gòu)面特征、優(yōu)勢面數(shù)目、節(jié)理密度以及巖性5個方面擬定破壞模式宏觀判據(jù)因素，據(jù)此建立不同類型破壞模式的宏觀判據(jù)（見表1）。通過這些判據(jù)對所調(diào)查的危巖破壞模式進(jìn)行分類，效果良好。這些宏觀判據(jù)具有與工程結(jié)合緊密、能獲得定量結(jié)果、層次清晰及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，有助于提高這類高切坡治理的針對性和有效性。值得指出的是，為了較全面地確定各類危巖高邊坡的物理力學(xué)性質(zhì)特性，為進(jìn)行岸坡穩(wěn)定性分析及防治工程設(shè)計(jì)，在高邊坡失穩(wěn)模式分類基礎(chǔ)上尚應(yīng)具體進(jìn)行岸坡（危巖）測量、鉆探、裂隙水壓力測試，并從危巖體及其環(huán)境巖土中取樣進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。

表1 緩傾層狀高邊坡破壞模式宏觀判據(jù)Table 1 Macro-criterion to identify the failuremodes for high slope

4 結(jié)論與建議

（1）通過對三峽庫區(qū)近100個高邊坡的系統(tǒng)調(diào)查，以巖體控制論為指導(dǎo)，考慮其破壞機(jī)理，將緩傾層狀高邊坡典型破壞模式概化為風(fēng)化-崩落型、壓剪-滑移崩落型、拉剪-傾倒崩落型、拉裂墜落型4種模式。

（2）從陡崖（坡）斷面形狀、主控結(jié)構(gòu)面特征、優(yōu)勢面數(shù)目、節(jié)理密度以及巖性等5個方面擬定破壞模式宏觀判據(jù)因素，據(jù)此建立緩傾層狀邊坡破壞模式的宏觀判據(jù)。通過對云陽-江津100多個高邊坡的現(xiàn)場調(diào)查，這些判據(jù)對所調(diào)查的高邊坡（危巖）破壞模式與實(shí)際情況基本相符。這些宏觀判據(jù)具有與工程結(jié)合緊密、能獲得定量結(jié)果、層次清晰及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，有助于提高這類高切坡治理的針對性和有效性。

［1］ 孫玉科，牟會寵，姚寶魁.邊坡巖體穩(wěn)定性分析［M］.北京：科學(xué)出版社，1988.

［2］ BRAWNER C O，MILLIGAN V.Stability in open pit mining［C］.New York：Society of Mining Engineers of the American Institute of Mining，Metallurgical，and Petroleum Engineers.1971.

［3］ 羅國煜，王培清，陳華生，等.巖坡優(yōu)勢面分析理論與方法［M］.北京：地質(zhì)出版社，1992.

［4］ 佴 磊，汪發(fā)武.層狀巖體邊坡破壞形式的工程地質(zhì)判別［J］.長春地質(zhì)學(xué)院學(xué)報，1991，21（3）：327-340.

［5］ 殷躍平.三峽庫區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)及失穩(wěn)模式研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2005，13（2）：145-154.

［6］ 胡厚田.崩塌與落石［M］.北京：中國鐵道出版社，1989.

［7］ 楊達(dá)源，李徐生，馮立梅，等.長江三峽庫區(qū)崩塌滑坡的初步研究［J］.地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2002，8（2）：173-178.

（編輯：周曉雁）

Typical Failure Modes and Identification of Low-angled Stratofabric Rock Slope

D0NG Hao-gang，PENG Xuan-ming，CHEN Zhou-feng，LIU Guang-ning，HUO Zhi-tao
（Institute of Geology and Mineral of Yichang，Yichang 443003，China）

Stratified high slope with gently inclined bedding is one of the typical bank structures in Three Gorges Reservoir.Themain controlling factors of embankment slope stability are engineering geological petrofabric and rock property.An investigation was carried out at 100 high slopes from Yunyang to Jiangjin in Chongqing.To the stratified slopes with gently inclined bedding，the findings show that there are four failure typicalmodes in high slopes.They are surface weathering mode，sliding mode under pressure-shear，falling mode of tension-shear and fallingmode under tension.According to control theory of rock fissure and in combination with typicalmodes，the features of each category have been described.In view of the section outline of cliff or steep slope，the features ofmain control structural plane，the number of dominant plane，joint density，and lithology，the authors found macro-criteria to identify perilous rock in the field.These macro-criteria are checked with 100 modes from Yunyang to Jiangjin and are closely coincidentwith the realmodes.

Three Gorges Reservoir area；low-angled stratofabric rock slope；failuremode；macro-criterion

TV143.4

A

1001-5485（2009）08-0036-05

2008-10-13；

2008-12-26

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警項(xiàng)目（12120101640601）

董好剛（1970-），男，山東青州人，工程師，碩士，主要從事地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和研究，（電話）0717-6346394（電子信箱）donghaogang＠126.com。