膨脹土邊坡滑坡的坡向效應(yīng)及機制淺析

劉大雷

（安徽省引江濟淮集團有限公司，安徽 合肥 230000）

在公路、水利和礦山工程的邊坡建設(shè)中，膨脹性土石混合體是一個影響工程穩(wěn)定與安全的突出地質(zhì)隱患[1]。作為一種特殊的巖土體，膨脹土最大的物理力學(xué)特點是遇水容易發(fā)生理化反應(yīng)，吸水時體積擴張，失水后體積收縮，遇水后同時具有易軟化、崩解和泥化的特性[2,3]。其膨脹性對于濕熱環(huán)境的變化非常敏感，常因為賦存狀態(tài)的改變而出現(xiàn)明顯的脹縮變形，致使弱膨脹性土石混合體地區(qū)的巖土工程發(fā)生邊坡滑塌、地基沉降變形過大和地下洞室開裂等重大危害[4]。

近年來，隨著近年來我國高速公路工程相繼開工建設(shè)，邊坡出現(xiàn)滑動的現(xiàn)象日益突出，造成的危害也不斷擴大，出現(xiàn)了多起公路邊坡巖土體發(fā)生滑塌的現(xiàn)象[5,6]。于此同時，通過大量滑坡現(xiàn)象的分析，發(fā)現(xiàn)支護條件保持一致的前提下，邊坡陽面（陽坡）的穩(wěn)定性通常都比邊坡陰面（陰坡）更小，滑坡時陽面的巖土體往往先產(chǎn)生滑動。

對于膨脹性巖土體邊坡的穩(wěn)定性問題研究，前人的研究主要圍繞邊坡的穩(wěn)定性分析，邊坡產(chǎn)生變形的變化規(guī)律和邊坡防護措施三個方面展開。例如孔令偉等[7]通過在膨脹土邊坡上建立監(jiān)測系統(tǒng)，獲取了邊坡隨著氣溫變化、含水率以及時間的變化規(guī)律，得到降水是膨脹土邊坡失穩(wěn)的最主要原因；李三川等[8]認為土石混合體邊坡的失穩(wěn)破壞主要是由于水對巖土體的軟化作用；夏炎等[9]對抗滑樁是否可以有效提高膨脹土邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)展開了研究,得到抗滑樁的位置與邊坡的安全系數(shù)大小有密切關(guān)系。殷宗澤等[10]通過研究發(fā)現(xiàn)膨脹土的滑坡具有一定方向性。然而對于邊坡朝向作用于膨脹性巖土體邊坡穩(wěn)定性的影響機制和規(guī)律鮮有報道[11]。

綜上所述，環(huán)境因素是影響膨脹土邊坡穩(wěn)定性的最主要因素而環(huán)境的氣候條件在一定程度上受到坡向的影響。本文基于公路邊坡滑坡體的地質(zhì)特點，系統(tǒng)地闡述了邊坡坡向?qū)τ谂蛎浶酝馏w邊坡的穩(wěn)定性影響，以期加深工程中氣候環(huán)境對于膨脹性巖土邊坡的災(zāi)害機理的認知，了解弱膨脹性土石混合體邊坡滑坡的內(nèi)在機制，從而為獲取邊坡防護的有效方法提供參考。

1 滑坡時陰陽坡的顯現(xiàn)特征

1.1 陰陽坡的介紹

我國的勞動人民經(jīng)過長期生產(chǎn)實踐過程，很久以前就已經(jīng)注意到陰陽坡的差異問題。一般認為“山之南為陽；山之北為陰”，即坡面以南為陽坡，坡面以北為陰坡[12]。而有學(xué)者[13，14]認為陰坡和陽坡不僅是指邊坡的南北面，只要因為坡向差異造成坡體兩面具有明顯溫差異，都可以看成陰陽坡，其中，陽坡是溫度較高的一側(cè)，陰坡是溫度較低的一側(cè)，可以用太陽輻射量來區(qū)分陰陽坡。我國由于位于北半球，依靠邊坡自身的遮蔽作用，太陽輻射量以此排序為南坡最大，西南和東南坡次之，東坡、西坡、西北坡和東北坡依次減小，北坡的輻射量最小，因此在地質(zhì)上一般稱南坡、西南坡和東南坡為陽坡，稱北坡、西北和東北坡為陰坡。

1.2 滑坡體陰陽面的差異

在常人看來僅僅一坡之隔的兩個坡面由于地質(zhì)條件相似，其巖土體性質(zhì)的差異應(yīng)該不會過大。然而從大量滑坡事件的分析總結(jié)中來看，坡向?qū)τ谶吰禄绊戄^大。圖1和圖2所示的是一處邊坡在同一時期產(chǎn)生滑坡的陰面和陽面。從圖中不難看出邊坡體在突降暴雨之后邊坡陽面發(fā)生滑動， 滑坡段的長度為 127m。從二者的實拍圖來看陽面的巖土體邊坡滑塌的嚴重程度比陰面大得多，在陽坡已經(jīng)出現(xiàn)明顯滑動面，坡面巖土體已經(jīng)明顯崩塌的同時，陰面仍然保持比較完整的邊坡結(jié)構(gòu)。另外由于我國的建筑通常建在采光和通風(fēng)條件相對較好的陽面邊坡上，盡量避開選址在陰坡，相關(guān)配套設(shè)施也主要在陽坡上建設(shè)。因此無論從地質(zhì)條件還是實際工程的角度，邊坡陽面的安全隱患比陰面更大。由此可見，邊坡坡向效應(yīng)對于其穩(wěn)定性和安全施工建設(shè)具有顯著的影響，深入了解邊坡坡向效應(yīng)的規(guī)律和內(nèi)在機制有重要的實際意義。

圖1 邊坡發(fā)生滑塌的陽面

圖2 邊坡發(fā)生滑塌的陰面

2 滑坡坡向效應(yīng)的機制淺析

2.1 膨脹土滑坡的內(nèi)在機制

通過地質(zhì)調(diào)查知道該地區(qū)的巖土體具有強烈的遇水敏感性，在干燥條件下巖土體的強度較高，經(jīng)過水的入滲后發(fā)生物理化學(xué)變化導(dǎo)致體積膨脹，并且強度大幅降低。從圖3的掃描電鏡（SEM）的圖像可以看出該地區(qū)的弱膨脹性巖土混合體試樣內(nèi)部具有大量的裂隙，且有明顯的層理方向性。在邊坡開挖過程中，邊坡內(nèi)部的裂隙形成降雨入滲的通道，使得弱膨脹性巖土混合體的抗剪強度指標大大降低，邊坡坡體的抗滑力迅速下降。因此，該地區(qū)的滑坡事故通常發(fā)生在暴雨后，大量的降水是膨脹性巖土邊坡產(chǎn)生滑動的直接誘因。而巖土體在歷史過程中的環(huán)境影響效應(yīng)和開挖、卸荷帶來的影響使弱膨脹性巖土混合體的基本性狀逐漸產(chǎn)生變異，形成大量內(nèi)部裂隙和潛在裂隙，這是該地區(qū)發(fā)生山體滑坡的最主要內(nèi)在原因。

圖3 膨脹土 的SEM圖像

2.2 膨脹土體滑坡坡面效應(yīng)的機制淺析

從圖5和圖6所示的滑坡體陽面和陰面揭露出來的膨脹性土體的實拍圖可以看出：陽坡滑坡體揭露出的巖土體的膨脹土體呈紅褐色，表面的裂隙非常發(fā)育，結(jié)構(gòu)很疏松，易破碎；而陰面的巖土體呈黃褐色，節(jié)理為層狀構(gòu)造，質(zhì)地較為堅硬，巖土結(jié)構(gòu)的完整性較高。由此可見，由于坡面朝向的不同，該地區(qū)的膨脹性巖土體的物理和化學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)了較大的分異，這種分異對于巖土體邊坡保持整體穩(wěn)定性有顯著的影響。

以上述參考圖中邊坡的地質(zhì)勘查報告顯示滑坡帶的邊坡走向為 NE19°，其左邊的傾向指向東南面，為陽坡；右坡的傾向指向西北面，為陰坡。邊坡內(nèi)部充填大量膨脹性巖土體，土體中的裂隙十分發(fā)育。從圖7可以看出，邊坡裂隙的傾向玫瑰圖顯示裂隙在東南方向為優(yōu)勢傾向，即裂隙在陽坡內(nèi)的分布明顯多于陰面。

從上面我們可以知道我國山區(qū)陰坡和陽坡的氣候條件往往會存在比較明顯的差別。因此，由氣候條件形成的不同輻射強度、降雨量、溫濕度及植被等因素會對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響，并以滑坡的方式反作用于邊坡的地質(zhì)地貌形態(tài)。通常，邊坡陽面的光照持續(xù)時間長，輻射強度大，降水量大，溫濕度變化也較大，而邊坡陰面則相反，并且其巖土體的含水量高，土壤較為肥沃，植被也比較茂密。 由于光照、溫度和降雨量的差異性導(dǎo)致吉林省延邊地區(qū)的陽坡土石混合體內(nèi)所積聚熱能比陰坡多，造成凍土和積雪更易融化，巖土體吸濕脫濕更加頻繁，因此陽坡更易產(chǎn)生夜凍晝?nèi)诤透蓾裱h(huán)的現(xiàn)象。較之陰坡，陽坡的巖土體內(nèi)部形成了大量原生裂隙，對邊坡的穩(wěn)定和安全造成隱患。

基于以上對膨脹性土體滑坡的坡向效應(yīng)分析，本文得出降水是邊坡產(chǎn)生滑動的直接誘因，裂隙是該滑坡的內(nèi)在原因，而陽坡的裂隙數(shù)量明顯多于陰面，這是邊坡的坡面效應(yīng)的根本原因。故在邊坡開挖，特別是邊坡陽面開挖后應(yīng)當及時建造地表和地下的排水設(shè)施，防止大量地表水入滲，并加快坡體內(nèi)部的排水速度；同時，為了防止邊坡的坡體出現(xiàn)大量干縮裂隙，也要保證巖土體內(nèi)含水率不能過低。對于我國季節(jié)性凍土區(qū)的膨脹性巖土體邊坡，在采取防排水和保濕措施的同時，也要注意對邊坡進行保溫，避免坡體產(chǎn)生劇烈的溫度變化。因此，在該地區(qū)邊坡開挖的過程中，應(yīng)當注意加強對施工現(xiàn)場的氣象監(jiān)測和及時采取應(yīng)對氣象變化影響的措施。

圖4 滑坡體陽面揭露的膨脹性巖土體

圖5 陰面面揭露的膨脹性巖土體

圖6 邊坡裂隙的風(fēng)向玫瑰圖

3 總結(jié)

本文通過對工程現(xiàn)場的調(diào)查和相關(guān)資料的整理，探討了膨脹性巖土體滑坡坡向效應(yīng)的特點，分析了膨脹性巖土邊坡的滑塌機制，主要認識如下：

（1）在公路、水利和礦山等工程的邊坡建設(shè)中，膨脹土體是一個影響工程穩(wěn)定與安全的突出地質(zhì)安全隱患，邊坡的朝向?qū)τ谂蛎浲吝吰碌姆€(wěn)定性有重要影響。

（2）膨脹土邊坡的滑坡事故通常發(fā)生在暴雨后，大量的降水是產(chǎn)生滑動的直接誘因。而環(huán)境和開挖、卸荷的影響使膨脹土內(nèi)部形成大量原生和次生裂隙，是該地區(qū)發(fā)生山體滑坡的最主要內(nèi)在原因。

（3）我國山區(qū)的膨脹性巖土體邊坡受到坡向影響，邊坡陽面穩(wěn)定性比陰面小，事故發(fā)生時通常是陽面先出現(xiàn)滑塌。因此，對膨脹土邊坡，特別是邊坡陽面應(yīng)當進行合理的防護，在季節(jié)性凍土地區(qū)，采取防排水和保濕措施的同時，也要注意對邊坡進行保溫。